UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN FACULTAD DE INGENIERA DE PROCESOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA QUIMICA
CURSO: FENOMENOS DE TRANSFERENCIA DOCENTE: DR ALEJANDRO SALAS TEMA: REACTOR QUIMICO NOMBRE: TACO FLORES DELIA MARISSA
Arequipa-2!" REACTOR QUIMICO
Equipo en cuyo interior ene lugar una reacción química, diseñado para maximizar la conversión y selecvidad de la reacción con el menor costo, empo, y mayor efciencia posibles. Un reactor químico es una unidad procesadora diseñada para que en su interior se lleve a cabo una o varias reacciones químicas. ic!a unidad procesadora est" constuida por un recipiente cerrado, el cual cuenta con líneas de entrada y salida para sustancias químicas, y est" gobernado por un algoritmo de control. Los reactores químicos enen como funciones principales: # $segurar el po de contacto o modo de %uir de los reactantes en el interior del tanque, para conseguir una mezcla deseada con los materiales reactantes. # &roporcionar el empo sufciente de contacto entre las sustancias y con el catalizador, para conseguir la extensión deseada de la reacción. # &ermir condiciones de presión, temperatura y composición de modo que la reacción tenga lugar en el grado y a la velocidad deseada, atendiendo a los aspectos termodin"micos y cin'cos de la reacción.
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TI!O" #E REACTORE" QU$MICO"
Existen infnidad de pos de reactores químicos, y cada uno responde a las necesidades de una situación en parcular, entre los pos m"s importantes, m"s conocidos, y mayormente ulizados en la industria se puede mencionar los siguientes(
REACTOR #I"CO%TI%UO Es aquel en donde no entra ni sale material durante la reacción, sino m"s bien, al inicio del proceso se introduce los materiales, se lleva a las condiciones de presión y temperatura requeridas, y se de)a reaccionar por un empo preestablecido, luego se descargan los productos de la reacción y los reactantes no converdos. *ambi'n es conocido como reactor po +atc!.
REACTOR CO%TI%UO. ientras ene lugar la reacción química al interior del reactor, 'ste se alimenta constantemente de material reactante, y tambi'n se rera ininterrumpidamente los productos de la reacción.
REACTOR "EMICO%TI%UO( Es aquel en el cual inicialmente se carga de material todo el reactor, y a medida que ene lugar la reacción, se va rerando productos y tambi'n incorporando m"s material de manera casi conn-a.
REACTOR TU&ULAR. En general es cualquier reactor de operación connua, con movimiento constante de uno o todos los reacvos en una dirección espacial seleccionada, y en el cual no se !ace ning-n intento por inducir al mezclado. *ienen orma de tubos, los reacvos entran por un extremo y salen por el otro.
TA%QUE CO% A'ITACI(% CO%TI%UA Este reactor consiste en un tanque donde !ay un %u)o connuo de material reaccionante y desde el cual sale connuamente el material que !a reaccionado. /a agitación del contenido es esencial, debido a que el %u)o interior debe estar en constante circulación y así producir una mezcla uniorme.
REACTOR #E LEC)O *LUI#I+A#O 0e uliza para reacciones donde intervengan un sólido y un %uido 1generalmente un gas2. En estos reactores la corriente de gas se !ace pasar a trav's de las par3culas sólidas, a una velocidad sufciente para suspenderlas, con el movimiento r"pido de par3culas se obene un alto grado de uniormidad en la temperatura evitando la ormación de zonas calientes.
REACTOR #E LEC)O *I,O /os reactores de lec!o f)o consisten en uno o m"s tubos empacados con par3culas de catalizador, que operan en posición vercal. /as par3culas catalícas pueden variar de tamaño y orma( granulares, cilíndricas, es'ricas, etc. En algunos casos, especialmente con catalizadores met"licos como el plano, no se emplean par3culas de metal, sino que 'ste se presenta en orma de mallas de alambre. El lec!o est" constuido por un con)unto de capas de este material. Estas mallas catalícas se emplean en procesos comerciales como por e)emplo para la oxidación de amoniaco y para la oxidación del acetalde!ído a "cido ac'co.
REACTOR #E LEC)O CO% E"CURRIMIE%TO En estos reactores el catalizador sólido est" presente como en el lec!o f)o. /os reacvos se !acen pasar en corrientes paralelas o a contracorriente a trav's del lec!o.
REACTOR #E LEC)O #E CAR'A M(-IL. Una ase %uida pasa !acia arriba a trav's de un lec!o ormado por sólidos. El sólido se alimenta por la parte superior del lec!o, se mueve !acia deba)o de la columna y se saca por la parte inerior.
REACTOR #E &UR&U,A" &ermiten !acer burbu)ear un reacvo gaseoso a trav's de un líquido con el que puede reaccionar, porque el líquido conene un catalizador disuelto, no vol"l u otro reacvo. El producto se puede sacar del reactor en la corriente gaseosa.
REACTOR CO% COM&U"TI&LE E% "U"!E%"I(% 0on similares a los reactores de burbu)eo, pero la ase 4líquida5 esta ormada por una suspensión de líquidos y par3culas fnas del catalizador sólido.
REACTOR #E ME+CLA !ER*ECTA En este reactor las propiedades no se modifcan ni con el empo ni con la posición, ya que suponemos que estamos traba)ando en estado de %u)o estacionario y la mezcla de reacción es completamente uniorme. El empo de mezcla ene que ser muy pequeño en comparación con el empo de permanencia en el reactor. En la pr"cca se puede llevar a cabo siempre que la mezcla %uida sea poco viscosa y est' bien agitada
REACTORE" #E RECIRCULACI(% &ueden ser 678 90&709*9:7 0E&$;$7;, cuando se toma parte de la corriente de salida y se llevan directamente a la entrada del reactor. 098 90&709*9:7 0E&$;$7;, cuando en la salida del reactor colocamos un disposivo separador que !ace que se separen reacvos y productos, luego los reacvos se recirculan de nuevo al reactor
REACTORE" #E MEM&RA%A 0on aquellos que combinan la reacción y la separación en una sola unidad< la membrana selecvamente remueve una 1o m"s2 de las especies reactantes o productos. Estos reactores !an sido com-nmente usados para aplicaciones en las cuales los rendimientos de la reacción est"n limitados por el equilibrio. *ambi'n !an sido propuestos y usados para otras aplicaciones< para incrementar el rendimiento y la selecvidad de reacciones enzim"cas y catalícas in%uyendo a trav's de la membrana sobre la concentración de una 1o m"s2 especies intermedias, removi'ndolas selecvamente 1o ayudando a mantenerlas en una concentración ba)a2, evitando la posibilidad de que dic!os compuestos envenenen o desacven el catalizador y para proveer una interase controlada entre dos o m"s reactantes.
*ERME%TA#ORE" Este po de reactores ulizan !ongos, los cuales orman un culvo, el cual a su vez se transorma en una 4sopa5 espesa que conene crecimientos flamentosos. Un e)emplo se encuentra en la abricación de anbiócos como la penicilina.
REACTOR TRIC.LE &E#. Este po de reactor supone la existencia de un %u)o connuo de gas y otro de líquido !acia aba)o sobre un lec!o f)o de par3culas sólidas catalícas, las caracteríscas de las par3culas sólidas y de su empaquetamiento, )unto con los caudales y propiedades de las dos corrientes de %uidos determinar"n el r'gimen de %u)o del reactor y tambi'n sus propiedades %uido=din"micas.
*ambi'n se pueden mencionar los reactores 907*>;9670, que son aquellos que traba)an u operan a una misma temperatura constante< y tambi'n los reactores 907+?;9670, que son aquellos que traba)an u operan a una misma presión constante. En muc!as situaciones estos modelos ideales son v"lidos para casos reales, en caso contrario se !abr"n de introducir en los balances de materia, energía y presión t'rminos que re%e)en la desviación de la idealidad. 0i por e)emplo la variación de las propiedades se debe a enómenos de transporte de materia o calor se pueden introducir las leyes de @icA o @ourier respecvamente.
TI!O" #E REACTORE" CO% "U" CARACTERI"TICA"/ -E%TA,A" 0 #E"-E%TA,A"
1REACTOR &ATC) CARACTER$"TICA": B0istema cerrado BEstado no estacionario B0e cargan los reacvos al inicio, se reran los productos al fnal -E%TA,A": 7peración sencilla +a)o costo inicial #E"-E%TA,A": C*iene la desventa)a de un elevado costo en su uncionamiento y de mano de obra debido a la gran candad de empo que se pasa parado debido a la carga, descarga y limpieza. C$dem"s no siempre es posible implementar un sistema de control adecuado.
2REACTOR !*R O TU&ULAR
CARACTER$"TICA": B0istema cerrado BEstado no estacionario B0e cargan los reacvos al inicio, se reran los productos al fnal #E"-E%TA,A": B+a)os empos de residencia B&ara cada %u)o !ay un empo de residencia dierente U"O": BDases y vapores B$lta producción B9ntercambio de calor B;eactores !eterog'neos catalícos
3REACTOR C"TR O TA%QUE A'ITA#O
CARACTER$"TICA": B0istema abierto BEstado estacionario B;eacvos y productos entran y salen constantemente
-E%TA,A": B+a)o costo de operación B6onnuos B@"cil control B*emperatura constante #E"-E%TA,A": B8o permite altos empos de residencia B&oco efciente rente a una &@;
4REACTOR "EMI &ATC) O "EMICO%TI%UO CARACTER$"TICA": C0istema cerrado BEstado no estacionario
-E%TA,A": B0emi connuo B+uen control de temperatura B&uede mantener ba)a la concentración de un reacvo
#E"-E%TA,A": B+a)a producción B$ltos costos de operación
5REACTOR #E LEC)O EM!ACA#O
CARACTER$"TICA": /a regeneración del catalizador requiere del uso de gases< Es com-n usar un sistema de re= circulación a fn de aumentar la efciencia de re=acvación. Es en estado estacionario.
#E"-E%TA,A": CEste sistema presenta difcultades en el control de temperatura debido a la ormación de zonas calientes y rías en el interior del lec!o. C8o se puede usar un tamaño de catalizador pequeño debido a la ormación de tapones y caídas de presión.
6REACTOR #E LEC)O *LUI#I+A#O
CARACTER$"TICA": El %u)o es comple)o, no es bien conocido, solo se puede esmar de orma aproximada los mecanismos de transerencia de masa, desde el punto de vista de transerencia el contacto no es muy efciente debido a la dierencia de varias barreras sicas, esto obliga a usar una mayor candad de catalizador.
-E%TA,A": El control de temperatura se realiza de orma m"s "cil, comparado con el reactor de lec!o empacado. /a reacvación del catalizador en caso de ser necesaria es m"s "cil y efciente debido a la %uidización presente debido a que es posible bombear y transportar el catalizador. Este po de %u)o es adecuado para par3culas de tamaño pequeño, ideal para reacciones r"pidas en donde se necesita una "rea de contacto grande.
7 REACTOR I"OT8RMICO"
CARACTER$"TICA":
ezcla uniorme 1F, 6onc, * Uniorme2 7peración no estacionaria 1 las condiciones cambian con el empo2. 0istema cerrado. Existe intercambio de calor entre el sistema reaccionante y su entorno -E%TA,A": Es sencillo e ideal para estudios a escala experimental.
9REACTOR )ETERO'8%EO"
CARACTER$"TICA": C0u naturaleza obedece leyes cin'cas dierentes, C/a dierencia radica en el n-mero de ases sicas involucradas, los mecanismos de transerencia tanto de calor como de energía son m"s comple)os debido a que est"n presentes m"s de un mecanismo,
#E"-E%TA,A: &or su comple)idad los balances de materia y energía son m"s comple)os, pudiendo ser de naturaleza conecva o conducva.
!ARTE" #E U% REACTOR QUIMICO
Manmetro: El manómetro es un instrumento ulizado para la medición de la presión en los %uidos, generalmente determinando la dierencia de la presión entre el %uido y la presión local. E;ector apor: El eyector a c!orro de vapor es el aparato m"s simple que !ay para extraer el aire, gases o vapores de los condensadores y de los equipos que operan a vacío en los procesos industriales. Es un po simplifcado de bomba de vacío o compresor, sin partes móviles, como v"lvulas, pistones, rotores, etc. 0u uncionamiento est" dado por el principio de conservación de la candad de movimiento de las corrientes involucradas. Camisa
vapor, si la reacción necesita calor, o congelantes como el 67G y el 8G, para enriar, si la reacción así lo amerita, ene sus v"lvulas de carga y descarga, y sus reguladores de presión y temperatura. !ur?aapor: Un purgador de vapor es un po de v"lvula autom"ca que descarga el condensado producido en los procesos que consumen vapor. -@l>ula ula apor: Un purgador de vapor es un po de v"lvula autom"ca que descarga el condensado producido en los procesos que consumen vapor. *ORMA" #E CLA"I*ICACIO% #E U% REACTOR QUIMICO "e?Bn el mo
;eactores disconnuos( son aquellos que traba)an por cargas, es decir se introduce una alimentación, y se espera un empo dado, que viene determinado por la cin'ca de la reacción, tras el cual se saca el producto. ;eactores connuos( son todos aquellos que traba)an de orma connua.
"e?Bn el po
;eactores ideales( suelen ser descritos con ecuaciones ideales sencillas y no consideran eectos sicos m"s comple)os o perturbaciones pequeñas. ;eactores no ideales( consideran el patrón de %u)o, la existencia de zonas muertas dentro del reactor donde el material no circula, adem"s consideran una din"mica de %uidos m"s comple)a, suelen describirse conociendo la cin'ca de las reacciones, la ;* 1distribución de edad del %uido2 del %u)o, el po de mezclado pudiendo ser este tardío o inmediato, y conociendo si el po de %uido es micro o macro %uido.
"e?Bn las fases que alDer?an
;eactores !omog'neos( enen una -nica ase, líquida o gas. ;eactores !eterog'neos( enen varias ases, gas=sólido, líquido=sólido, gas=líquido, gas= líquido=sólido.
&or lo general se busca conocer el tamaño y po de reactor, así como el m'todo de operación, adem"s en base a los par"metros de diseño se espera poder predecir con cierta cerdumbre la conducta de un reactor ante ciertas condiciones.