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Reactores Químicos: Tipos, Clasificación y Aplicaciones, Apuntes de Ingeniería Química

Este documento proporciona una introducción detallada a los reactores químicos, explorando sus diferentes tipos, clasificación y aplicaciones en la industria. Se analizan los reactores discontinuos, continuos y semicontinuos, así como los reactores homogéneos y heterogéneos. También se abordan los conceptos de reactores isotérmicos y adiabáticos, y se ilustran ejemplos de aplicaciones prácticas.

Tipo: Apuntes

2023/2024

Subido el 22/10/2024

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Reactores químicos
1.1 Tipos de reactores y su clasificación
¿Qué es un reactor químico?
En el contexto de la industria química, un reactor químico es una unidad de proceso diseñada para
llevar a cabo una o varias reacciones químicas. Esta definición generalmente implica un sistema
bien delimitado, casi siempre un recipiente cerrado, con líneas de entrada y salida claramente
especificadas y un estricto algoritmo de control.
La atmósfera es también un reactor, de enormes dimensiones, donde tiene lugar una amplia
variedad de reacciones: en las capas inferiores, los llamados compuestos ornicos volátiles,
reaccionan con óxidos de nitrógeno en presencia de la luz solar para producir smog fotoquímico.
Sabemos cada vez más del comportamiento del cuerpo humano como reactor, las reacciones que
tienen lugar, los catalizadores que utiliza y los mecanismos empleados para mantener unas
determinadas condiciones de reacción.
Los reactores se fabrican de todos los colores, formas y tamaños, y se usan para todo tipo de
reacciones.
Para encontrar que es capaz de hacer un reactor se necesita conocer la citica, el modelo de
contacto y la ecuación de rendimiento, esquemáticamente;
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Reactores químicos

1.1 Tipos de reactores y su clasificación

¿Qué es un reactor químico?

En el contexto de la industria química, un reactor químico es una unidad de proceso diseñada para

llevar a cabo una o varias reacciones químicas. Esta definición generalmente implica un sistema

bien delimitado, casi siempre un recipiente cerrado, con líneas de entrada y salida claramente

especificadas y un estricto algoritmo de control.

La atmósfera es también un reactor, de enormes dimensiones, donde tiene lugar una amplia

variedad de reacciones: en las capas inferiores, los llamados compuestos orgánicos volátiles,

reaccionan con óxidos de nitrógeno en presencia de la luz solar para producir smog fotoquímico.

Sabemos cada vez más del comportamiento del cuerpo humano como reactor, las reacciones que

tienen lugar, los catalizadores que utiliza y los mecanismos empleados para mantener unas

determinadas condiciones de reacción.

Los reactores se fabrican de todos los colores, formas y tamaños, y se usan para todo tipo de

reacciones.

Para encontrar que es capaz de hacer un reactor se necesita conocer la cinética, el modelo de

contacto y la ecuación de rendimiento, esquemáticamente;

La expresión que relaciona la entrada con la salida para diversas cinéticas y diferentes modelos de

contacto es,

[

𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎, 𝑐𝑖𝑛é𝑡𝑖𝑐𝑎, 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑎𝑐𝑡𝑜

]

Esta ecuación se denomina la ecuación de rendimiento. Esta ecuación es importante porque con

esta se pueden comparar diseños y condiciones diferentes, encontrar cual es el mejor, y entonces

cambiar de escala a unidades mayores.

Clasificación y tipos de reactores

Los reactores químicos tienen muchos diseños y configuraciones. Aunque existe el peligro de

simplificar en exceso la clasificación de los reactores, hay una serie de factores que se suelen

utilizar para distinguir entre los distintos tipos de reactores.

Los reactores químicos tienen diferentes formas de clasificación, pero se clasifican típicamente

según la dinámica del flujo, geometría, fases presentes y el régimen térmico. De acuerdo con el

primer criterio los sistemas pueden ser discontinuos o continuos, según que el proceso se realice

por cargas o con flujo ininterrumpido de alimentación y descarga. También existen reactores

semicontinuos; que son una combinación de los dos anteriores. De acuerdo con la geometría, los

reactores se dividen en dos grandes tipos:

  1. Tanques agitados: recipientes en general cilíndricos, empleados para operaciones discontinuas

(Bach) o continuas (CSTR) con mezcla.

  1. Reactores tubulares: normalmente cilindros alargados de gran longitud relativa a su diámetro,

empleados en operaciones continuas (TFR).

De acuerdo con el modo de operación:

La clasificación más elemental de los reactores es aquella que tiene en cuenta el posible

intercambio de materia entre el sistema y el exterior. Se distinguen así tres tipos de reactores;

  1. Intermitentes o discontinuos: También conocido como reactor por lotes, Batch o discontinuo.

Durante su operación no existe intercambio de materia con el exterior. Se alimentan los reactantes

de una vez, y cuando la reacción se ha efectuado se retira todo el contenido del reactor. En este

sistema la temperatura, presión y composición pueden variar a lo largo del tiempo de operación.

En general, los reactores discontinuos se utilizan en la producción de pequeñas cantidades donde

presentan las ventajas de una gran flexibilidad de operación y un bajo costo de instalación. Tal es

el caso de la industria farmacéutica donde se producen pequeños volúmenes y los costos de venta

de los productos pueden ser de altos. Otra cualidad por la que se aplica en este tipo de industria es

que te permite la flexibilidad de producción, lo cual es muy útil, ya que en la industria farmacéutica

hay diversidad de medicamentos y este tipo de reactor te permite la manufactura de diferentes

b) Reacciones heterogéneas, estas requieren, al menos, la presencia de más de una fase para

transcurrir del modo en que lo hacen (normalmente, bifásicas, fluido-fluido o fluido-sólido).

En ambos tipos puede influir la presencia de catalizadores, pero más frecuentemente en las

reacciones heterogéneas.

De este tipo de reacciones es que de obtiene la clasificación de reactores siguiente:

  1. Reactores homogéneos: Los reactores homogéneos son aquellos donde los reactivos, inertes y/o

catalizadores se hallan en la misma fase (líquido en reactores tipo tanque o fluido en los tubulares).

Las reacciones homogéneas transcurren en una sola fase; se suelen diseñar los dispositivos para

que su comportamiento se acerque lo más posible a los modelos ideales de flujo: mezcla perfecta

y flujo en pistón. Los reactores que mejor se ajustan a los modelos de flujo mencionados son los

reactores tipo tanque agitado y los reactores tubulares.

1.1 Los Reactores Tipo Tanque Agitado, son recipientes donde permanece la masa del fluido

reaccionante, perfectamente agitados para favorecer una buena mezcla. Este tipo de reactor

permite operar de forma continua o discontinua en un amplio rango de caudales, temperaturas y

presiones.

Reactores de este tipo son:

  • Reactor de tanque agitado CSTR para proceso continuo
  • Reactor Batch, que también cuenta con agitación, para procesos discontinuos.

1.2 Reactores Tubulares, Los Reactores Tubulares son tubos o haces de tubos, por los que circula

la masa de fluido reaccionante sin mezclarse. Son sistemas continuos donde existe movimiento

estacionario de alguno o todos los reactivos, en una dirección espacial, sin mezcla inducida de los

elementos del fluido; el modo de flujo hace que, a diferencia de los tanques agitados, la

composición varie de forma continua en dicha dirección.

Se emplean fundamentalmente para reacciones en fase gas, aunque también con fluidos y sólidos.

Los diseños concretos presentan múltiples variantes. Reactores de este tipo son: Reactor Tubular

de Flujo Pistón (RTFP)

Un caso de aplicación de reactor homogéneo se presenta en el proceso de craqueo de nafta, el cual

se lleva a cabo en un horno tubular en fase gas y homogéneo. Dentro del reactor van ocurriendo

reacciones consecutivas endotérmicas, lo que debe ser considerado en el diseño ya que se necesita

un calentamiento rápido al igual que enfriamiento.

  1. Reactores heterogéneos: Un reactor heterogéneo es aquel en el cual se hallan presentes dos o

tres fases. Los reactantes y productos pueden hallarse en fase gas, líquido o sólido. Sin embargo,

la fase sólida puede tener además otros papeles como por ejemplo el de catalizador, inerte para

proporcionar la distribución de flujo de calor adecuada o incluso el de crear superficies adecuadas

de transferencia de materia. Los reactores heterogéneos involucran dos o más fases reactivas. Que

pueden ser:

  • Gas-sólido
  • Líquido-gas
  • Sólido-líquido
  • Líquido-líquido

Las cuales pueden estar en contacto en torres o reactores agitados. Los reactivos o catalizadores

sólidos se disponen en forma de lechos. Que pueden ser:

  • Fijos (reposición discontinua)

Móviles y fluidizados (con posible transporte neumático y regeneración)

A través de los lechos se mueve la fase fluyente.

También se emplean tanques de suspensión de lodos (agitados), emulsiones líquidas y borboteo de

gases. Los reactores heterogéneos (catalíticos o no) se caracterizan por la presencia de más de una

fase, lo que hace del modo de contacto entre las fases el principal factor que se ha de considerar.

Según el tipo de reacción que se lleve a cabo, pueden distinguirse dos grupos principales de

reactores:

  • Reactores gas-líquido, usándose generalmente como tales las torres de absorción, de platos o

relleno, o diferentes contactores de burbujeo.

  • Reactores gas-sólido, entre los que destacan aquellos en los que el sólido es un catalizador,

dispuesto en lecho fijo en el interior de una estructura tubular, o como un lecho fluidizado.

De acuerdo con el régimen térmico

  1. Reactores isotérmicos: Los reactores isotérmicos son aquellos donde la operación transcurre a

temperatura constante. En los reactores isotermos se mantiene la temperatura durante la reacción,

de manera que será necesario añadir o eliminar calor al reactor, según la reacción sea endotérmica

o exotérmica, respectivamente.

En ciertas circunstancias es conveniente mantener el reactor en condiciones isotermas, ya sea la

reacción exo o endotérmica ya que, en ausencia de control de la temperatura, ésta puede ser

demasiado alta para la estabilidad del producto o demasiado baja para la velocidad de reacción.

En caso de requerirse control de la temperatura se instala un serpentín o una camisa de intercambio

de calor.

Se define régimen isotermo en un reactor tanque agitado continuo de mezcla perfecta cuando existe

intercambio de calor entre el sistema reaccionante y el entorno. Un reactor de flujo en pistón

isotermo es muy difícil de conseguir. Se puede conseguir si la entalpía de la reacción es muy

Figura 1. Distintos tipos de reactores en cuanto a la continuidad de la operación: a) reactores

discontinuos; b) Reactores continuos; e) reactor semicontinuo, con adición de reactores; d) reactor

semicontinuo, .con retirada de productos.

Reactor discontinuo

Un reactor discontinuo no tiene flujos de entrada ni de salida. En funcionamiento, el reactor se

carga con reactivos, se produce la reacción y, a continuación, se vacía. Los reactores discontinuos

pueden tener un volumen constante o variable. Suelen utilizarse cuando se producen pequeñas

cantidades de productos muy caros, por ejemplo, en la industria farmacéutica para producir

medicamentos. Además, muchos reactores de fermentación (por ejemplo, los utilizados en la

producción de cerveza o ale) funcionan como reactores discontinuos. Un reactor discontinuo típico

consiste en un tanque agitado, como se muestra en la figura 2.

Figura 2. Un reactor discontinuo típico que puede consistir en un tanque agitado que contiene los

reactivos. No hay corrientes de entrada ni de salida durante el funcionamiento.

Esta ilustración muestra un tanque agitado por un único impulsor situado a lo largo del eje del

tanque. Normalmente se utilizan deflectores en la pared del tanque para garantizar un patrón de

flujo que conduzca a una buena mezcla del contenido del reactor. Obsérvese que el reactor ilustrado

es sólo una de las disposiciones posibles y que en la práctica se utilizan muchas configuraciones.

Los reactores discontinuos pueden utilizarse para reacciones con fases únicas o múltiples, y tanto

para reacciones catalíticas como no catalíticas. Además, los reactores discontinuos pueden estar

bien mezclados, en cuyo caso la temperatura y las concentraciones de todas las especies son

uniformes en todo el recipiente de reacción, o pueden contener gradientes significativos de

temperatura y/o concentración.

La figura 3 muestra dos toberas en la parte superior de un reactor discontinuo donde se produce la

carga de los reactivos. Los reactores discontinuos se utilizan mucho en el escalado final de una

planta industrial. La elección de una reacción por lotes en lugar de un sistema continuo es a menudo

el resultado de consideraciones especiales. El tamaño de los reactores discontinuos oscila entre 19

L (5 gal) en pequeñas plantas piloto industriales y 38.000-76.000 L (10.000-20.000 gal) en grandes

plantas.

Figura 3. Un reactor discontinuo de tipo homogéneo.

Cuando se requieren tamaños mayores, el diseño puede incluir múltiples unidades de reactores

discontinuos dispuestos en paralelo.

En pequeñas plantas piloto industriales, puede emplearse un sistema discontinuo para obtener

información preliminar. Además, los reactores discontinuos pueden utilizarse en estas plantas para

obtener pequeñas cantidades del nuevo producto para evaluaciones posteriores como la pureza, el

rendimiento y las ventas. A nivel industrial, los reactores discontinuos se utilizan en plantas

Figura 3. Un reactor semilote puede ser un reactor de tanque bien agitado al que se añade material

durante la operación. Para una reacción en fase líquida sin corriente efluente, el volumen de

reacción aumentará con el tiempo.

La Figura 4 muestra un reactor semilote con circulación exterior y adición de un reactante a través

de la bomba. Los reactores semilotes tienen algunos reactantes que se cargan en el reactor en el

momento cero, mientras que otros reactantes se añaden durante la reacción. El reactor no tiene

corriente de salida. Algunas reacciones son inadecuadas para el funcionamiento por lotes o

continuo en un recipiente agitado porque el calor liberado durante la reacción puede provocar

condiciones peligrosas. En estas circunstancias, las reacciones se realizan a veces en condiciones

semilotes. Esto significa que uno o más reactivos que no reaccionan se introducen completamente

en un recipiente y el reactivo final se añade en condiciones controladas. No se extrae ningún

producto hasta que se haya añadido todo el reactivo y la reacción haya alcanzado el valor requerido

Como ejemplo, considérese la reacción 𝐴 + 𝐵

!

!

→ 𝐶, en la que el reactor se carga primero con el

reactivo A y después se añade continuamente el reactivo B hasta que se completa la reacción.

Ejemplos de este proceso de reacción son:

  • Reacción de un gas con un líquido donde el gas burbujea a través del líquido.
  • Reacción de una sustancia altamente reactiva con una sustancia relativamente inerte donde la

sustancia reactiva, si está presente en grandes cantidades al principio de la reacción, polimeriza o

se descompone.

Figura 4. Un reactor semilote con circulación exterior.

Un reactor semilote tiene las mismas desventajas que el reactor discontinuo. Sin embargo, tiene

las ventajas de un buen control de la temperatura y la capacidad de minimizar las reacciones

secundarias no deseadas manteniendo una baja concentración de uno de los reactivos. Los

reactores semilotes también son útiles cuando se producen reacciones paralelas de diferentes

órdenes, en las que puede ser más rentable utilizar operaciones semilotes que lotes. En muchas

aplicaciones, los reactores semilotes implican un aumento sustancial del volumen de la mezcla de

reacción durante un ciclo de procesamiento (por ejemplo, polimerización en emulsión).

Reactores de flujo continuo

Los reactores continuos tienen corrientes de entrada y/o salida. Al igual que los reactores

discontinuos, pueden ser reactores homogéneos o heterogéneos. Los reactores continuos suelen

funcionar en estado estacionario, es decir, cuando el caudal másico de entrada al reactor es igual

al caudal másico de salida del reactor, y las temperaturas y concentraciones en todos los puntos

del reactor no cambian con el tiempo. El funcionamiento en estado inestable puede utilizarse en

algunas circunstancias y prevalecerá durante el arranque, la parada o después de un cambio en una

de las variables del proceso. Los reactores continuos varían mucho en su configuración y suelen

clasificarse según sus patrones de flujo interno. Al igual que en muchas aplicaciones de ingeniería

química, se recurre mucho a modelos de flujo «ideales». Una gran parte del análisis de reactores

se basa en estos patrones de flujo ideales. Los dos tipos de reactores ideales más comunes son el

de mezcla perfecta y el de flujo tapón.

Reactor de flujo perfectamente mezclado

temperatura de la mezcla de reacción igual a la temperatura del medio de transferencia de calor. El

CFSTR puede utilizarse solo o como parte de una serie de CFSTR en batería, tal y como se muestra

en la Figura 6. Si se utilizan varios recipientes en serie, el efecto neto es una retromezcla parcial.

Figura 6. Una batería de reactores de tanque agitado de flujo continuo.

Es fácil mantener un buen control de la temperatura con un CFSTR. Sin embargo, una desventaja

es que la conversión de reactante por volumen de reactor es la más pequeña de los reactores de

flujo. Por lo tanto, se necesitan reactores muy grandes en serie para conseguir conversiones

elevadas. Por ejemplo, el primer reactor podría funcionar para obtener una conversión del 50%, lo

que produciría una alta velocidad de reacción y reduciría el volumen total del reactor. El siguiente

reactor podría funcionar con una conversión del 50%-80% y el tercero del 80%-90% hasta alcanzar

la conversión deseada. El efecto de este proceso es un sistema de reacción continua que tiene un

volumen mucho menor, pero que cuenta con más elementos de equipamiento debido a los

recipientes de reactor necesarios.

Los reactores industriales funcionan en estado estacionario con el volumen, la concentración y la

temperatura de la mezcla de reacción constantes. con el tiempo. Se calcula que se alcanza el estado

estacionario cuando ha pasado por el reactor entre cinco y diez veces el volumen de la mezcla de

reacción. En el reactor de tanque agitado de flujo continuo, la reacción tiene lugar a la temperatura

y con el grado de conversión de la corriente de salida. Esto confiere al reactor sus rasgos

característicos respecto al reactor discontinuo o semicontinuo.

Reactor de flujo tapón (PFR)

Un reactor de flujo tapón consiste en un recipiente (normalmente un tubo) a través del cual fluye

el fluido reaccionante. Se supone que no hay mezcla en la dirección del flujo y que hay mezcla

completa en la dirección transversal al flujo. Ningún reactor puede funcionar en flujo tapón

perfecto, pero en muchos casos el funcionamiento se aproxima lo suficiente como para que la

suposición de flujo tapón sea válida. Por tanto, en un reactor de flujo tapón pueden existir

gradientes de concentración, temperatura y velocidad en dirección axial, pero no en dirección

radial. El patrón de flujo de un reactor de flujo tapón se ilustra en el dibujo estilizado de la Figura

La mezcla perfecta y el flujo tapón son los dos extremos de mezcla que pueden darse en los

reactores de flujo. La mayoría de los reactores de flujo funcionan con niveles intermedios de

mezcla, y se han desarrollado modelos muy sofisticados para explicar la mezcla en los reactores.

Figura 7. Patrón de velocidad en un reactor de flujo de tapón. La velocidad es uniforme en todo el

diámetro. También se supone que la concentración y la temperatura son constantes en todo el

diámetro.

El reactor de flujo de tapón tubular es relativamente fácil de mantener, sin piezas móviles, y suele

producir la mayor conversión por volumen de reactor de todos los reactores de flujo. Otras ventajas

son

  • Alto rendimiento.
  • Poca o ninguna mezcla posterior.
  • Control estricto de la temperatura.

Las desventajas son:

  • Instrumental caro.
  • Costes de funcionamiento elevados (mantenimiento, limpieza).
  • Flujo de calor no uniforme de la sección radiante del horno.

La principal desventaja del reactor tubular es la dificultad para controlar la temperatura dentro del

reactor. Esto suele dar lugar a puntos calientes, especialmente cuando la reacción es exotérmica.

El reactor tubular puede tener la forma de un tubo largo o de varios reactores más cortos dispuestos

en un banco de tubos figura 8.