Ingeniería de las Reacciones

REACTORES QUÍMICOS

Un reactor químico es una unidad de proceso que tiene el fin de llevar a cabo una o varias reacciones químicas. Esta definición generalmente implica un sistema bien delimitado, casi siempre un recipiente cerrado, con líneas de entrada y salida claramente especificadas y un estricto algoritmo de control.

La ciencia que desarrolla y enseña los métodos para calcular lo que puede hacerse con un reactor químico se llama Ingeniería de Reacciones, proporciona las bases para realizar el diseño de un reactor de manera que éste cumpla con su objetivo: proporcionar un producto dado a partir de reactantes conocidos, con una velocidad y selectividad determinadas, mediante un proceso seguro y respetuoso con el medio ambiente.

Tipos de Reactores

Existen tres formas de clasificar los reactores para racionalizar su diseño. La primera clasificación se basa en su modo de operación. Éste puede ser continuo o discontinuo. Dentro del continuo la extensión de la reacción puede ser distinta en cada punto, pero su valor en ese punto no se modifica con el transcurso del tiempo. Por otro lado, el discontinuo se caracteriza por  la variación de la extensión, y con ello de las propiedades de la mezcla reaccionante con el tiempo.

Otra clasificación se puede hacer teniendo en cuenta la “forma”. Si el tanque contiene un agitador, la composición y temperatura tenderán a ser homogéneas en todo el reactor y por tanto las propiedades en el mismo serán uniformes. Este tipo de reactor es conocido como “reactor de tanque agitado”. Por otra parte, si el tanque carece de agitador, no hay mezcla en la dirección del flujo y se idealiza otro tipo de reactor, el reactor de flujo en pistón, que es el “reactor tubular”. Esta clasificación es fundamental en el diseño, ya que permite introducir en el cálculo de cada tipo de reactor tratamientos simplificados para tener en cuenta los fenómenos de transporte de calor y materia.

Una tercera clasificación que se basa en el número de fases presentes en la mezcla reaccionante. Si el sistema tiene lugar en variar fases la reacción será heterogénea, mientras que si solo se presenta en una fase la reacción será homogénea.

Dependiendo del tipo de flujo pueden clasificarse en: Reactores ideales: Son aquellos en los que el tipo de flujo es ideal. Se distinguen dos tipos el reactor de mezcla perfecta el reactor de flujo en pistón.

Reactor discontinuo de tanque agitado (BATCH)

Básicamente, un reactor discontinuo es un recipiente en el que los reactantes son introducidos al comienzo de la reacción y, después de que la temperatura y la presión alcanzan un determinado nivel, la reacción se deja transcurrir el tiempo necesario para alcanzar el grado de conversión deseado.  Los componentes esenciales de estos reactores son: un recipiente capaz de contener un volumen V de reacción, un cambiador de calor (externo o interno) y un agitador. La presencia de un agitador en el interior del reactor es necesaria para mezclar los reactantes al comienzo de la reacción, para mantener en suspensión un catalizador sólido o bien para mantener en intimo contacto dos fases líquidas inmiscibles. La agitación también es necesaria para que la temperatura sea la misma en todos los puntos del reactor. Este reactor suele usarse en pequeñas producciones o pruebas piloto. 

Reactor continúo de tanque agitado (CSTR)

Normalmente se utiliza para grandes producciones, la característica principal de este tipo de reactores, al igual que en los reactores discontinuos, es la asunción de completa uniformidad de temperatura, composición y presión a lo largo de todo el reactor. Llamado también reactor de retro mezclado, reactor ideal de tanque con agitación, o reactor CFSTR (Constant Flow Stirred Tank Reactor), y como su nombre lo indica, es el reactor en el que su contenido está perfectamente agitado, y su composición en cada instante es la misma en todos los puntos del reactor. Por consiguiente la corriente de salida de ese reactor tiene la misma composición que la del fluido contenido en el mismo. A este tipo de flujo le denominaremos flujo en mezcla completa, y el reactor correspondiente reactor de flujo en mezcla completa. Generalmente se utilizan para realizar reacciones en fase fluida (gaseosa, líquida o pulverulenta), con altas tasas de conversión por unidad de volumen y flexibilidad de operación. Están indicados para pequeñas producciones en las cuales existe una gran variabilidad en las condiciones del producto obtenido tanto en lo que se refiere a sus especificaciones como al volumen de producción.

Reactor de flujo pistón (PFR)

También se conoce como reactor de flujo de tapón, de flujo tubular ideal, y de flujo uniforme; por lo general se le denomina reactor de flujo en pistón y a su modelo  de flujo se le designa por flujo en pistón. Se caracteriza por que el flujo del fluido a través de él es ordenado, sin que ningún elemento del mismo sobrepase o se mezcle con cualquier otro elemento situado antes o después de aquel; en realidad, en este reactor puede haber mezcla lateral del fluido, pero nunca ha de existir mezcla o difusión a lo largo de la trayectoria del flujo. La condición necesaria y suficiente para que exista flujo en pistón es que el tiempo de residencia en el reactor sea el mismo para todos los elementos del fluido. Generalmente se utilizan para realizar reacciones en fase fluida con altas velocidades de reacción.Al ser grandes los volúmenes de producción los costes repercutidos por el precio de las instalaciones en el producto final es muy bajo.

Bibliografía

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•      Santamaría, Jesús M, Javier Herguido, Miguel Á. Menéndez y Antonio Monzón, 2002. Ingeniería de Reactores. Editorial Sintesis. España.

•     Scott Fogler, H. 2008. Elementos de Ingeniería de las Reacciones Químicas. Cuarta edición. Pearson Education.