¿Qué son los reactores químicos? Tipos de reactores químicos

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificación: 2024-01-02 13:53

Una reacción química es un proceso que conduce a la transformación de reactivos. Se caracteriza por cambios que resultan en uno o más productos que son diferentes del original. Las reacciones químicas son de diferente naturaleza. Depende del tipo de reactivos, la sustancia obtenida, las condiciones y tiempo de síntesis, descomposición, desplazamiento, isomerización, ácido-base, redox, procesos orgánicos, etc.

Los reactores químicos son contenedores diseñados para llevar a cabo reacciones con el fin de producir el producto final. Su diseño depende de varios factores y debe proporcionar el máximo rendimiento de la manera más rentable.

Vistas

Hay tres modelos básicos principales de reactores químicos:

• Periódico.
• Agitación continua (CPM).
• Reactor de flujo de émbolo (PFR).

Estos modelos básicos se pueden modificar para cumplir con los requisitos del proceso químico.

Reactor por lotes

Las unidades químicas de este tipo se utilizan en procesos por lotes con bajos volúmenes de producción, largos tiempos de reacción o donde se logra una mejor selectividad, como en algunos procesos de polimerización.

Para ello, por ejemplo, se utilizan recipientes de acero inoxidable, cuyo contenido se mezcla con palas de trabajo internas, burbujas de gas o mediante bombas. El control de la temperatura se realiza mediante camisas de intercambio de calor, enfriadores de riego o bombeo a través de un intercambiador de calor.

Los reactores por lotes se utilizan actualmente en las industrias química y de procesamiento de alimentos. Su automatización y optimización crea dificultades, ya que es necesario combinar procesos continuos y discretos.

Los reactores químicos semicontinuos combinan operación continua y discontinua. Un biorreactor, por ejemplo, se carga periódicamente y emite constantemente dióxido de carbono, que debe eliminarse continuamente. De manera similar, en la reacción de cloración, cuando el cloro gaseoso es uno de los reactivos, si no se introduce continuamente, la mayor parte se volatilizará.

Para asegurar grandes volúmenes de producción se utilizan principalmente reactores químicos continuos o tanques metálicos con agitador o flujo continuo.

Reactor agitado continuo

Los reactivos líquidos se introducen en tanques de acero inoxidable. Para garantizar una interacción adecuada, las cuchillas de trabajo los mezclan. Así, enEn reactores de este tipo, los reactivos se alimentan continuamente al primer tanque (vertical, de acero), luego ingresan a los siguientes, mientras se mezclan completamente en cada tanque. Aunque la composición de la mezcla es homogénea en cada tanque individual, en el sistema como un todo la concentración varía de tanque a tanque.

La cantidad promedio de tiempo que una cantidad discreta de reactivo pasa en un tanque (tiempo de residencia) se puede calcular simplemente dividiendo el volumen del tanque por el caudal volumétrico promedio que lo atraviesa. El porcentaje esperado de terminación de la reacción se calcula utilizando la cinética química.

Los tanques están hechos de acero inoxidable o aleaciones, así como con recubrimiento de esm alte.

Algunos aspectos importantes de NPM

Todos los cálculos se basan en una mezcla perfecta. La reacción procede a una velocidad relacionada con la concentración final. En el equilibrio, el caudal debe ser igual al caudal, de lo contrario el tanque se desbordará o se vaciará.

A menudo es rentable trabajar con varios HPM en serie o en paralelo. Los tanques de acero inoxidable ensamblados en una cascada de cinco o seis unidades pueden comportarse como un reactor de flujo pistón. Esto permite que la primera unidad opere a una concentración de reactivo más alta y, por lo tanto, a una velocidad de reacción más rápida. Además, se pueden colocar varias etapas de HPM en un tanque de acero vertical, en lugar de que los procesos se lleven a cabo en diferentes contenedores.

En la versión horizontal, la unidad multietapas está dividida por tabiques verticales de varias alturas a través de los cuales la mezcla fluye en cascadas.

Cuando los reactivos están mal mezclados o difieren significativamente en densidad, se utiliza un reactor vertical de etapas múltiples (revestido o de acero inoxidable) en modo de contracorriente. Esto es efectivo para llevar a cabo reacciones reversibles.

La pequeña capa pseudolíquida está completamente mezclada. Un gran reactor comercial de lecho fluidizado tiene una temperatura sustancialmente uniforme, pero una mezcla de corrientes miscibles y desplazadas y estados de transición entre ellas.

Reactor químico de flujo pistón

RPP es un reactor (inoxidable) en el que uno o más reactivos líquidos son bombeados a través de una tubería o tuberías. También se les llama flujo tubular. Puede tener varias tuberías o tubos. Los reactivos entran constantemente por un extremo y los productos salen por el otro. Los procesos químicos ocurren a medida que pasa la mezcla.

En RPP, la velocidad de reacción es gradiente: en la entrada es muy alta, pero con una disminución en la concentración de reactivos y un aumento en el contenido de productos de salida, su velocidad se ralentiza. Normalmente se alcanza un estado de equilibrio dinámico.

Tanto la orientación horizontal como la vertical del reactor son comunes.

Cuando se requiere transferencia de calor, se encamisan los tubos individuales o se utiliza un intercambiador de calor de carcasa y tubos. En este último caso, los productos químicos pueden sertanto en carcasa como en tubo.

Los recipientes metálicos de gran diámetro con boquillas o baños son similares a los RPP y son muy utilizados. Algunas configuraciones usan flujo axial y radial, varias carcasas con intercambiadores de calor incorporados, posición del reactor horizontal o vertical, etc.

El recipiente de reactivos se puede llenar con sólidos catalíticos o inertes para mejorar el contacto interfacial en reacciones heterogéneas.

Es importante en el RPP que los cálculos no tengan en cuenta la mezcla vertical u horizontal; esto es lo que significa el término "flujo pistón". Los reactivos se pueden introducir en el reactor no solo a través de la entrada. Así, es posible lograr una mayor eficiencia del RPP o reducir su tamaño y costo. El rendimiento de RPP suele ser superior al de HPP del mismo volumen. Con valores iguales de volumen y tiempo en reactores de pistón, la reacción tendrá un mayor porcentaje de finalización que en unidades de mezcla.

Equilibrio dinámico

Para la mayoría de los procesos químicos, es imposible lograr una finalización del 100 por ciento. Su velocidad disminuye con el crecimiento de este indicador hasta el momento en que el sistema alcanza el equilibrio dinámico (cuando no se produce la reacción total o el cambio de composición). El punto de equilibrio para la mayoría de los sistemas está por debajo del 100 % de finalización del proceso. Por esta razón, es necesario llevar a cabo un proceso de separación, como la destilación, para separar los restantes reactivos o subproductos deobjetivo. Estos reactivos a veces se pueden reutilizar al comienzo de un proceso como el proceso Haber.

Aplicación de PFA

Los reactores de flujo de pistón se utilizan para llevar a cabo la transformación química de compuestos a medida que se mueven a través de un sistema tubular para reacciones a gran escala, rápidas, homogéneas o heterogéneas, producción continua y procesos de alta generación de calor.

Un RPP ideal tiene un tiempo de residencia fijo, es decir, cualquier líquido (pistón) que entre en el tiempo t lo dejará en el tiempo t + τ, donde τ es el tiempo de residencia en la instalación.

Los reactores químicos de este tipo tienen un alto rendimiento durante largos períodos de tiempo, así como una excelente transferencia de calor. Las desventajas de los RPP son la dificultad para controlar la temperatura del proceso, lo que puede provocar fluctuaciones de temperatura no deseadas, y su mayor costo.

Reactores catalíticos

Aunque este tipo de unidades a menudo se implementan como RPP, requieren un mantenimiento más complejo. La velocidad de una reacción catalítica es proporcional a la cantidad de catalizador en contacto con los productos químicos. En el caso de un catalizador sólido y reactivos líquidos, la velocidad de los procesos es proporcional al área disponible, la entrada de productos químicos y la retirada de productos y depende de la presencia de mezcla turbulenta.

Una reacción catalítica es, de hecho, a menudo de varios pasos. No sololos reactivos iniciales interactúan con el catalizador. Algunos productos intermedios también reaccionan con él.

El comportamiento de los catalizadores también es importante en la cinética de este proceso, especialmente en las reacciones petroquímicas a alta temperatura, ya que se desactivan mediante la sinterización, la coquización y procesos similares.

Aplicando nuevas tecnologías

RPP se utilizan para la conversión de biomasa. En los experimentos se utilizan reactores de alta presión. La presión en ellos puede alcanzar los 35 MPa. El uso de varios tamaños permite variar el tiempo de residencia de 0,5 a 600 s. Para alcanzar temperaturas superiores a 300 °C, se utilizan reactores calentados eléctricamente. La biomasa es suministrada por bombas HPLC.

Nanopartículas de aerosol RPP

Existe un interés considerable en la síntesis y aplicación de partículas de tamaño nanométrico para diversos fines, incluidas aleaciones de alta aleación y conductores de película gruesa para la industria electrónica. Otras aplicaciones incluyen mediciones de susceptibilidad magnética, transmisión de infrarrojo lejano y resonancia magnética nuclear. Para estos sistemas es necesario producir partículas de un tamaño controlado. Su diámetro suele estar en el rango de 10 a 500 nm.

Debido a su tamaño, forma y alta área de superficie específica, estas partículas se pueden utilizar para producir pigmentos cosméticos, membranas, catalizadores, cerámicas, reactores catalíticos y fotocatalíticos. Los ejemplos de aplicación de nanopartículas incluyen SnO₂ para sensoresmonóxido de carbono, TiO₂ para guías de luz, SiO_{2 para dióxido de silicio coloidal y fibras ópticas, C para rellenos de carbono en neumáticos, Fe para materiales de grabación, Ni para pilas y, en menor medida, paladio, magnesio y bismuto. Todos estos materiales se sintetizan en reactores de aerosol. En medicina, las nanopartículas se utilizan para prevenir y tratar infecciones de heridas, en implantes óseos artificiales y para imágenes cerebrales.}

Ejemplo de producción

Para obtener partículas de aluminio, se enfría una corriente de argón saturada con vapor metálico en un RPP de 18 mm de diámetro y 0,5 m de longitud desde una temperatura de 1600 °C a una velocidad de 1000 °C/s. A medida que el gas pasa por el reactor, se produce la nucleación y el crecimiento de partículas de aluminio. El caudal es de 2 dm3/min y la presión es de 1 atm (1013 Pa). A medida que se mueve, el gas se enfría y se sobresatura, lo que conduce a la nucleación de partículas como resultado de colisiones y evaporación de moléculas, repetidas hasta que la partícula alcanza un tamaño crítico. A medida que se mueven a través del gas sobresaturado, las moléculas de aluminio se condensan en las partículas, aumentando su tamaño.