Qué es un reactor químico: tipos, ecuaciones de diseño y aplicaciones industriales

Qué es un reactor químico: tipos, ecuaciones de diseño y aplicaciones industriales

Respondiendo a la pregunta central:¿Qué es un reactor químico?Un reactor químico es un recipiente diseñado para convertir reactivos en productos mediante una reacción química controlada, y todo en su diseño se sigue de tres balances:una balanza de moles que establece el volumen, una ley de velocidad que establece el tiempo, y un equilibrio de energía que generalmente establece el límite.donde la composición cambia con el tiempo y el volumen resulta de la integración de dN/dt = rV; el reactor de tanque de agitación continua, donde la balanza es algebraica, V = F ((X_out - X_in) / (-r), y los contenidos son uniformes en la concentración de salida; el reactor de flujo de enchufe,donde la balanza es diferencial a lo largo de la longitud, dV = dF/(-r), y la concentración disminuye progresivamente; y el lecho fluidizado, utilizado cuando el catalizador debe circular.Porque las tasas de reacción se duplican aproximadamente por cada aumento de 10 ° C por la relación Arrhenius, y debido a que los exotérmicos típicos liberan 50-250 kJ/mol con un aumento de temperatura adiabática de 50-300 °C, la eliminación de calor en lugar de la química es lo que más a menudo limita un reactor.

1Los tres equilibrios que definen cada reactor

Independientemente de la configuración, tres ecuaciones siempre se resuelven, y explican por qué los reactores se ven como lo hacen:

• El Balance de la Mole:El equilibrio mol es una declaración de conservación: lo que entra, menos lo que sale, menos lo que reacciona, es igual a lo que se acumula.Así que el tiempo requerido es la integral de dN_A/(r_A x V) desde la conversión inicial a la finalPara un reactor de tanque de agitación continua en estado estacionario no hay acumulación, por lo que el equilibrio es algebraico, V = F_A0 x X / (-r_A),evaluado a la concentración de salida porque todo el tanque se sitúa a esa concentraciónPara un reactor de flujo de enchufe, la balanza se escribe en una rebanada diferencial, dV = dF_A/(-r_A), e integrada a lo largo de la longitud.para cualquier reacción de orden positivo el reactor de flujo de enchufe necesita menos volumen que el CSTR para la misma conversión, por lo general por un factor de dos a diez, porque el CSTR diluye todo el contenido a la concentración más baja y más lenta inmediatamente.
• La ley de la tasa y la dependencia de la temperatura:La expresión de velocidad convierte el equilibrio en un número, y casi siempre es Arrhenius en forma, k = A x exp ((-Ea / RT), con energías de activación típicamente de 40-120 kJ / mol.Eso significa que la tasa se duplica aproximadamente por cada aumento de 10 ° C en la temperatura cercana al ambiente.En el caso de los reactores de combustibles sólidos, el control de la temperatura es muy sensible, lo que también significa que un reactor diseñado a una temperatura incorrecta puede perder un orden de magnitud en tamaño.La dependencia de la concentración importa tanto: una reacción de primer orden se ralentiza exponencialmente a medida que se consume el reactivo, por lo que el último porcentaje de la conversión toma un tiempo desproporcionado,Por eso muchos procesos se detienen en el 90-98% y reciclan en lugar de perseguir la conversión completaCuando dos reacciones compiten, la selectividad depende de la relación de sus velocidades, y dado que las dos suelen tener diferentes energías de activación,La temperatura se convierte en la herramienta principal para dirigir la pizarra del producto.
• El equilibrio energético y la eliminación de calor:Cada reactor que ejecuta una reacción con un calor de reacción diferente de cero debe eliminar o suministrar calor, y el equilibrio se escribe como la tasa de generación de calor frente a la tasa de eliminación a través de la chaqueta,La generación aumenta con el volumen, mientras que la eliminación aumenta con la superficie, por lo que el problema empeora a medida que el reactor se hace más grande; este es el fallo clásico de escalada,donde una reacción que se controla fácilmente en un matraz de 1 litro se escapa en un recipiente de 5 m3El número de Damkohler sin dimensiones, la relación entre el caudal característico o el tiempo de mezclado y el tiempo de reacción, indica al diseñador qué régimen se aplica: debajo de aproximadamente 0.01 la reacción está controlada cinéticamente, por encima de aproximadamente 100 es de mezcla o transferencia de masa limitada. Cuando una exotermia es significativa, el diseño debe incluir un viaje de alta temperatura independiente, refrigeración de emergencia con un servicio independiente,y relevo dimensionado por la metodología DIERS.
• Distribución del tiempo de residencia y reactores reales:La distribución del tiempo de residencia, medida mediante la inyección de un trazador y el monitoreo de la concentración de salida, cuantifica la salida:una CSTR da una desintegración exponencial con una extensión tan amplia como la media, un reactor de flujo de enchufe da un pulso estrecho, y un recipiente real se encuentra entre y está modelado por el modelo de tanques en serie con un número efectivo de tanques,o mediante un modelo de dispersión con un número de PecletEsto es importante porque la dispersión del tiempo de residencia amplía directamente la distribución del producto en la polimerización, reacciona en exceso algunas moléculas en reacciones en serie y reduce la conversión efectiva.Las soluciones comunes son deflectores para suprimir el bypassing y el remolino, una relación longitud/diámetro superior a aproximadamente 3 para los reactores tubulares y, para los tanques de agitación, una cascada de tres a seis recipientes en serie,que da la mayor parte del beneficio del flujo de enchufe con la mezcla y transferencia de calor de un tanque de agitación.

2Las cuatro configuraciones de los reactores y cómo elegirlas

La configuración se deriva de la velocidad de producción, la carga térmica, la vida útil del catalizador y la lista de productos:

• Reactor de lote:El reactor por lotes es el más flexible y el más utilizado en productos químicos finos, farmacéuticos, resinas, recubrimientos y especialidades.la reacción se realiza a través de un perfil de temperatura y adiciónSu fuerza es la flexibilidad: el mismo recipiente produce muchos productos, la receta se puede ajustar entre lotes, y el largo tiempo de residencia se adapta a las reacciones lentas.Sus debilidades son el tiempo no productivo para cargar, calefacción, refrigeración, limpieza y descarga, que pueden consumir el 30-60% del ciclo, variabilidad de lote a lote y dificultad para eliminar el calor,ya que la carga térmica completa se libera durante un corto período de tiempoLa operación de semipartida, en la que un reactivo se alimenta a lo largo del tiempo, es la respuesta estándar al problema del calor y también da control sobre la selectividad y, en la polimerización, sobre el peso molecular.
• Reactor de tanque de agitación continua:Un CSTR se alimenta y descarga continuamente, se mezcla bien para que el contenido sea uniforme en la composición de la salida y funciona en estado estacionario.maneja bien las suspensiones y los materiales viscosos, y es la opción natural para las reacciones de fase líquida que necesitan una buena mezcla o que deben mantenerse a una concentración fija, como en muchas polimerizaciones y en fermentación.porque todo el tanque se encuentra en la concentración de salida, la reacción se ejecuta a su velocidad más lenta en todas partes, por lo que un CSTR necesita de dos a diez veces el volumen de un reactor de flujo de enchufe para la misma tarea.Es por eso que los procesos que necesitan una alta conversión utilizan una cascada de CSTR en serie, por lo general de tres a seis, lo que recupera gran parte de la ventaja del flujo de enchufe manteniendo los beneficios de mezcla y transferencia de calor.
• Reactores de flujo por enchufe y tubulares:En un reactor de flujo de enchufe, el material se mueve a través de una serie de rebanadas delgadas sin mezcla axial,por lo que la concentración y la conversión varían a lo largo de la longitud y la tasa de reacción promedio es mayor que en un CSTRLos reactores tubulares ofrecen la mayor productividad volumétrica y una excelente transferencia de calor por unidad de volumen debido a la alta relación superficie/volumen.y una distribución de tiempo de residencia estrecha que es esencial para controlar la distribución de productosSon el estándar para reacciones de fase gaseosa a altas temperaturas, como el craqueo por vapor a 750-870°C, para reacciones exotérmicas rápidas en las que un pequeño diámetro mantiene el flujo de calor manejable,y para las reacciones en las que la mezcla posterior destruya la selectividadLas limitaciones son una alta caída de presión para tubos empaquetados, dificultad con la contaminación y con sólidos, y el hecho de que un fugitivo no tiene dónde disiparse,por lo que los reactores tubulares necesitan una instrumentación cuidadosa y a menudo un perfil de temperatura distribuido.
• Camas fluidizadas, envasadas y especializadas:Cuando se utiliza un catalizador sólido, el modo de contacto se elige en función de la duración del catalizador y de la carga térmica.pero la eliminación de calor es pobre y la cama no se puede cambiar sin un apagadoUn lecho fluidizado suspende el catalizador en el gas ascendente.dando una excelente uniformidad de temperatura y la capacidad de circular el catalizador continuamenteEl proceso de desactivación es esencial cuando se desactiva en cuestión de segundos, como ocurre en el fracturamiento catalítico de fluidos a 500-540 °C; la pena es el desgaste, el arrastre que requiere ciclones y la re-mezcla.Un lecho ebullido expande el catalizador con el flujo de fluido y permite el reemplazo en líneaUna columna de lodo o burbujas suspende un catalizador fino en líquido para una excelente eliminación de calor y se utiliza en el servicio de hidrogenación de Fischer-Tropsch y.

Configuración de los reactores químicos Matriz de comparación

Preguntas frecuentes (FAQ)

P: ¿Cuál es la diferencia entre un CSTR y un reactor de flujo de enchufe?

Un reactor de tanque de agitación continua está perfectamente mezclado, por lo que su contenido es uniforme y se sienta en todas partes a la concentración más baja de reactivo, la concentración de salida.Un reactor de flujo de enchufe no tiene mezcla axialPara cualquier reacción de orden positivo, esto hace que el reactor de flujo de enchufe sea más rápido en promedio y por lo tanto más pequeño:La obtención de la misma conversión suele requerir de dos a diez veces menos volumen que un CSTREn la práctica, los ingenieros a menudo utilizan una cascada de tres a seis CSTR en serie.que se aproxima al flujo del enchufe manteniendo la mezcla excelenteLa otra diferencia es operativa: un CSTR es fácil de controlar y mantiene bien el estado estacionario.Mientras que un reactor tubular tiene una mayor caída de presión y es más sensible a la contaminación y a la fuga.

P: ¿Por qué el control de la temperatura es tan crítico en un reactor químico?

R: Debido a que la velocidad de reacción aumenta aproximadamente exponencialmente con la temperatura. Con una energía de activación típica de 40-120 kJ / mol, la velocidad se duplica por cada aumento de 10 ° C cerca del ambiente.En una reacción exotérmica esto crea un bucle de retroalimentación positivaSi el sistema de eliminación de calor no puede mantener el ritmo en todos los puntos, el lote acelera en un escape.que puede hervir el disolventeEn muchos procesos, el control deficiente cuesta más la calidad que la seguridad:donde dos reacciones en competencia tienen diferentes energías de activación, la temperatura determina la selectividad, y cuando se está ejecutando una polimerización, la temperatura determina el peso molecular.un bloqueo que detiene la alimentación y aplica el enfriamiento completo a alta temperatura, y la capacidad de relevo dimensionada por la metodología DIERS.

P: ¿Cómo puedo elegir entre la operación por lotes y la operación continua?

R: Cuatro factores lo determinan: el volumen: continuo se prefiere por encima de aproximadamente 5.000-10.000 toneladas anuales para un solo producto,Bajo esa complejidad de capital y control de una planta continua es difícil de justificar. lista de productos: si la planta produce muchos grados o productos, el lote gana en flexibilidad, ya que un tren continuo produce material de transición fuera de las especificaciones en cada cambio de grado.Características de reacción: las reacciones muy rápidas o muy exotérmicas son más fáciles de controlar continuamente en un reactor de pequeño volumen, mientras que las reacciones lentas con un tiempo de residencia largo son más baratas en un recipiente de lote.Y la consistencia de la calidad: continua da un producto más estable una vez alineado, pero el lote permite ajustar y rastrear cada lote, lo que es importante en las industrias reguladas.Reacción continua con acabado del lote, o reacción por lotes alimentando un tren de separación continua.

P: ¿Qué sistemas de seguridad necesita un reactor químico?

R: La protección es en capas. Seguridad inherente en primer lugar: elegir una alimentación semi-partida para que el inventario no reaccionado sea pequeño, diluir los reactivos,y seleccionar un disolvente cuyo punto de ebullición alcance la temperatura máximaControl básico del proceso siguiente: temperatura, presión y flujo de alimentación controlados automáticamente con alarmas.un viaje independiente de alta temperatura y alta presión que cierra los alimentadores, aplica un enfriamiento completo y, si está diseñado, inyecta un inhibidor de reacción o descarga el lote en un tanque de extinción.con la carga de alivio determinada por la metodología DIERS para el caso específico de fuga, ya que los sistemas reactivos pueden ser gaseosos, de vapor o híbridos, y la respuesta correcta cambia sustancialmente el área requerida.un depósito de depósito o depurador que pueda aceptar el material liberado de forma segura en lugar de descargarlo a la atmósfera.