Análisis de Procesos : 8. Reactores

PROBLEMA

Un reactor químico es el equipo diseñado con la finalidad de llevar a cabo una reacción química en su interior, ahí ocurre una transformación de reactivos a productos.

Su diseño busca maximizar la transformación y la selectividad de una reacción química, de manera más eficiente involucrando todos los aspectos de la industria, tales como lo son los costos el tiempo, etc. Los reactores estan en diferentes presentaciones, pero todos tienen funciones principales muy semejantes:

Asegurar que la mezcla de reactantes entre en contacto y pueda fluir de manera eficaz en el interior del reactor, para poder producir una mezcla especifica para los productos.
Suministrar el catalizador en todo el flujo de manera uniforme, para conseguir la extension deseada de la reacción. (Cuando aplique).
Administrar las condiciones necesarias de presión, temperatura y composición, de modo que la reacción se vea favorecida, en cuestión de grado, velocidad, así como de propiedades termodinámicas.

Algunos de los tipos de reactores se presentan a continuación.

8.1 Reactor discontinuo

También conocido cono reactor tipo Batch, este tipo de reactor solo se tiene una alimentación, eso quiere decir que, no entra ni sale materia durante el proceso de reacción, después de la alimentación, se programan los parámetros solicitados, presión, temperatura, concentración, tiempo, etc., y al finalizar el tiempo preestablecido se procede a la descarga de los productos y el o los reactivos que no reaccionaron. Se puede decir que este reactor es:
Entrada de reactivos →Reacción→Salida de productos

PROBLEMAS
1. En un reactor discontinuo que opera isotérmicamente se alcanza un 70% de conversión de reactivo líquido en 13 minutos. ¿Qué tiempo espacial se requiere para efectuar esta operación en un reactor de flujo pistón y en uno de mezcla completa?

2. En un reactor discontinuo se planifica la conversión de A en R. La reacción se efectuara en fase líquida, la estequiometría es A→R y la velocidad de reacción es la indicada en la siguiente tabla:

Calculese el tiempo que ha de reaccionar cada carga para que la concentración descienda de Ca0 = 1.3 mol/L hasta Caf=0.3mol/L.

8.2 PFR

Este tipo de reactor trabaja en estado estacionario, lo cual significa que en un punto determinado las propiedades se vuelven constantes. En este reactor se supone el comportamiento flujo ideal de pistón, por lo cual ninguna de las propiedades dentro del sistema varia con relación al tiempo. En el reactor PFR los reactivos se introducen de forma continua, de igual manera la extracción es continua, la temperatura, la presión y la composición varían con relación a la longitud del reactor.

Este reactor tiene un costo operativo bajo, su operación es continua y es de fácil control automático en producción.

PROBLEMAS
1. Una alimentación acuosa de A y B (400L/min, 100mmol/L A, 200 mmol/L B) va a ser convertida en producto en un reactor de flujo en pistón. La cinética de la reacción esta dada por: A+B→R, y -rA=200CaCb molL/min
Halle el volumen del reactor requerido para alcanzar el 99.9% de conversión del producto A.

2. Un reactor de flujo pistón (2m^3) se procesa una solución acuosa (100L/min) contenido un reactivo A (Ca0=100mmol/L). Esta reacción es revertible y esta representada por A⇆R,
-rA=0.04minCa-0.01minCr
Halle primero la constante de equilibrio y despues la conversión del reactor.

8.3 CSTR

También llamado reactor de mezcla completa, este tipo conocido como CSTR esta en continua agitación, y se asume que las propiedades de los reactivos son constantes en todos los puntos en el interior. Este tipo presenta las siguientes características:

La propiedades como concentración, temperatura y rapidez de reacción son totalmente uniformes dentro del reactor gracias a la agitación eficiente.
Debido a su agitación continua y su composición uniforme, todos los elementos de la mezcla tienen la misma probabilidad de abandonar el reactor en cualquier momento.
Existe un cambio en escalón desde el valor de entrada al valor de salida de cualquier propiedad del sistema.
La densidad no necesariamente es constante, esto significa que la densiada de las corrientes de entrada pueden variar contra las de salida.
Es posible adicionar un intercambiador de calor para controlar la temperatura dentro.

PROBLEMAS
1. Se planea reemplazar un reactor de mezcla completa por uno que tiene doble del volumen. Para la misma velocidad de alimentación y la misma alimentacion acuosa (10mol A/L), Halle ña nueva conversión. La cinética de la reacción esta dada por: A→R, -rA=kCa^1.5. La conversión actual es del 70%.