Qué es un reactor en una fábrica: función, tipos y función en plantas de proceso

¿Qué es un reactor en una fábrica?Un reactor es el recipiente de una planta de fabricación donde las materias primas se convierten deliberadamente en una sustancia diferente y más valiosa mediante una reacción química o bioquímica controlada; todo lo demás en la planta existe para alimentarla, separarse de ella o purificar su producción. Lo que diferencia a un reactor de un simple tanque es que su tamaño y forma están determinados por tres equilibrios resueltos juntos: un equilibrio molar que fija el volumen, una ley de velocidad que fija el tiempo y un balance de energía que normalmente fija el límite, porque las velocidades de reacción aproximadamente se duplican por cada aumento de 10°C y las exotermas típicas liberan 50-250 kJ/mol con un aumento de temperatura adiabático de 50-300°C. Las cuatro configuraciones que se encuentran en las fábricas son el reactor discontinuo, el reactor de tanque agitado continuo, el reactor de flujo pistón y el lecho fluidizado, y la elección entre ellos está determinada por la tasa de producción, la carga térmica y la lista de productos más que por preferencia.

El trabajo de un reactor es tomar una alimentación y entregar un producto con una conversión, selectividad y calidad definidas, y tres realidades físicas deciden cómo se logra eso:

• Conversión de alimento en producto mediante química controlada:En una planta de fertilizantes, el reactor convierte amoníaco y dióxido de carbono en urea, en una planta de polímeros construye largas cadenas a partir de monómeros y en una biorrefinería, un fermentador produce células que elaboran el producto. El reactor es el paso que agrega valor: las unidades anteriores, como la destilación o la cristalización, solo separan y purifican lo que crea el reactor. Esta es la razón por la que las plantas se diseñan alrededor del reactor, con reactores, circuitos de separación y reciclaje dispuestos de manera que la alimentación sin reaccionar se devuelva en lugar de descartarse, porque lograr una conversión completa en un solo paso suele ser antieconómico y muchas reacciones están limitadas por el equilibrio, por lo que es normal una conversión del 90-98% en un solo paso con reciclaje.
• Mantener la reacción dentro de su envoltura segura:Debido a que las velocidades dependen exponencialmente de la temperatura, el reactor es también el principal peligro de la planta. Una reacción exotérmica libera calor que eleva la temperatura, lo que acelera la reacción, que libera más calor; sin una eliminación adecuada, el lote se escapa, hierve el disolvente, eleva la presión más allá del límite del recipiente y puede descomponer el contenido. Por lo tanto, un reactor de fábrica lleva múltiples capas protectoras independientes: control automático de temperatura y alimentación, un disparo independiente de alta temperatura que detiene la alimentación y aplica enfriamiento completo, enfriamiento de emergencia en una utilidad separada y alivio de presión dimensionado por la metodología DIERS para el caso reactivo específico. La geometría del recipiente, el área de la camisa o bobina y la ubicación del sensor de temperatura se eligen de manera que el calor generado siempre pueda eliminarse en cada punto del recipiente, no solo en promedio.
• Establecimiento de la calidad del producto mediante el tiempo de residencia y el mezclado:El reactor no sólo decide cuánto producto se forma, sino también qué producto se forma. Cuando dos reacciones compiten, su relación depende de la temperatura y la concentración, por lo que el perfil de temperatura del reactor selecciona la lista de productos y, en la polimerización, establece el peso molecular y, por lo tanto, propiedades como la resistencia y el índice de fusión. La distribución del tiempo de residencia es igualmente importante: un recipiente real siempre se desvía de la mezcla ideal y esa distribución amplía la distribución del producto, reacciona de forma exagerada algunas moléculas y reduce la conversión efectiva. Las fábricas logran esto con una relación longitud-diámetro superior a aproximadamente 3 para reactores tubulares, deflectores para suprimir la derivación y cascadas de tres a seis tanques agitados en serie donde se desea un comportamiento de flujo pistón sin sacrificar la mezcla y la transferencia de calor.

Cuatro configuraciones cubren casi todas las tareas de fábrica y cada una se elige por un motivo específico:

• Reactor por lotes:Los más flexibles y más comunes en química fina, farmacéutica, resinas y especialidades. Se cargan los reactivos, la reacción pasa por un perfil de temperatura y adición, y se descarga el contenido. Su punto fuerte es la flexibilidad, el mismo recipiente produce muchos productos y el largo tiempo de residencia favorece las reacciones lentas; La operación semipor lotes, en la que se alimenta un reactivo a lo largo del tiempo, controla la liberación de calor y la selectividad. Sus debilidades son el tiempo no productivo, la carga, el calentamiento, el enfriamiento, la limpieza y la descarga pueden consumir entre el 30% y el 60% del ciclo, y la variabilidad entre lotes, razón por la cual las industrias reguladas agregan documentación extensa.
• Reactor de tanque agitado continuo:Se alimenta y descarga continuamente, perfectamente mezclado para que el contenido se asiente en todas partes en la concentración de salida. Proporciona un producto consistente, es fácil de controlar y maneja bien las lechadas, lo que lo hace natural para la polimerización y la fermentación. La penalización es el volumen: debido a que todo el tanque se encuentra en la concentración de salida más lenta, un CSTR necesita de dos a diez veces el volumen de un reactor de flujo pistón para el mismo trabajo. Las plantas recuperan gran parte de eso con una cascada de tres a seis CSTR en serie, obteniendo la mayor parte del beneficio del flujo pistón mientras se mantiene la mezcla del tanque agitado y la transferencia de calor.
• Reactor de flujo pistón y tubular:El material se mueve como rodajas finas sin mezcla axial, por lo que la concentración cae progresivamente a lo largo y la velocidad promedio es mayor que en un CSTR. Los reactores tubulares brindan la mayor productividad volumétrica y una excelente transferencia de calor por unidad de volumen debido a la alta relación superficie-volumen, por lo que son estándar para reacciones en fase gaseosa a alta temperatura, como el craqueo con vapor a 750-870 °C y para reacciones exotérmicas rápidas. Las limitaciones son una mayor caída de presión para los tubos empaquetados, dificultades con las incrustaciones y los sólidos, y el hecho de que una fuga no tiene dónde disiparse, por lo que necesitan una cuidadosa instrumentación de temperatura distribuida.
• Lechos Fluidizados, Empacados y Especializados:Cuando se trata de un catalizador sólido, el modo de contacto sigue la vida útil del catalizador y la carga térmica. Un lecho fijo o empaquetado es simple y proporciona un comportamiento de flujo pistón, pero no puede cambiar el catalizador sin una parada, lo que resulta adecuado para alimentaciones limpias con una vida útil del catalizador de uno a cinco años. Un lecho fluidizado suspende el catalizador en un flujo de gas ascendente, lo que proporciona un funcionamiento casi isotérmico y una circulación continua del catalizador, lo cual es esencial cuando el catalizador se desactiva en segundos, como en el craqueo catalítico fluido a 500-540 °C, a costa del desgaste y el arrastre del ciclón. Una columna de lodo o de burbujeo suspende el catalizador fino en líquido para una excelente eliminación de calor y se utiliza en hidrogenación y servicio Fischer-Tropsch.