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Reactores ideales y no ideales - Coggle Diagram
Reactores ideales y no ideales
Origen
La ingeniería de la reacción química o Ciencia de los Reactores, de acuerdo a la definición en el Congreso de Ámsterdam de 1957, tiene por objeto el Diseño y control de reactores químicos para producciones industriales
Definición
Un reactor es cualquier porción del espacio donde la materia circula, se intercambia y se transforma
Reactores ideales
Condiciones que lo hacen ser ideal
Los reactantes están mezclados a la entrada del reactor, es decir, el tiempo de mezcla es cero y todo el volumen es útil para la reacción.
No se forman agregados moleculares
Se sigue un modelo de flujo ideal. El modelo de flujo tiene dos extremos de mezcla que representan la máxima mezcla posible y la inexistencia de la misma y que constituyen los dos modelos de flujo ideales posibles.
Modelos de flujos ideales
Mezcla perfecta
Sistema discontinuo
La mezcla del sistema es perfecta, muy buena, por lo que en un instante dado la composición y temperatura en el sistema son uniformes, pero variables con el tiempo
Sistema continuo
La mezcla del sistema es perfecta, muy buena, por lo que en un instante dado la composición y temperatura en el sistema son uniformes, pero variables con el tiempo
Flujo en pistón
En el sistema no hay ningún tipo de mezcla en la dirección del flujo, por lo que el fluido pasa sin mezclarse como si se moviera a lo largo del reactor impulsado por un pistón
Tipos de reactores
Reactor Discontinuo de Tanque Agitado (RDTA) o Batch Reactor
Se caracteriza por no tener flujo de entrada de reactivos, ni de salida de productos mientras se lleva a cabo el proceso
Tiene la ventaja de que su costo de instrumentación es bajo, además de ser flexible en su uso
Tiene la desventaja de un elevado costo en su funcionamiento y de mano de obra debido a la gran cantidad de tiempo que pasa detenido debido a la carga, descarga y limpieza.
Aplicaciones
Se usa en la producción industrial en pequeña escala, en la investigación científica en estudios de calorimetría, en la cristalización, cinética, polimerización, y síntesis. También se emplea en la elaboración de nuevos productos.
Se utiliza en la industria farmacéutica donde se elaboran numerosos medicamentos. Asimismo, se usa en la iniciación de la fermentación de algunas bebidas.
Reactor Semicontinuo de Tanque Agitado (RSCTA) o Semibatch Reactor
Reactor Continuo de Tanque Agitado (RCTA) o Continuous-Stirred Tank
Reactor (CSTR) or Backmix Reactor
Son adecuados de forma particular para reacciones en fase líquida, y operan en estado estacionario de modo que, en general, se considera que se produce una mezcla perfecta
Presentan como ventaja que se modelan sin variaciones especiales en la concentración, temperatura o velocidad de reacción en todos los puntos del recipiente lo que genera simplicidad de construcción
Entre las aplicaciones de estos reactores se puede destacar la polimerización para la producción de plásticos y pinturas, producción de acetato de sodio para la formación de jabones, producción de nitrobenceno para los explosivos, producción de etílglicol y propilenglicol para anticongelantes, hidrolización de anhídrido acético para producir ácido acético y oxidación de Diésel para su deshidrodesulfuración.
Reactor Continuo Tubular de Flujo de Pistón (RFP) o Plug-Flow Tubular
Reactor (PFR)
Es aquel reactor que trabaja en estado estacionario y en donde la composición del fluido varía de un punto a otro a través de la dirección del flujo de dicho fluido. Para ello, se supone un flujo ideal de pistón, de modo, que la conversión sea función de la posición
Muy utilizados para sistemas reactivos de gases y vapores. Son ideales cuando se requiere una producción grande de manera continua. Frecuentemente utilizados tanto para reacciones exotérmicas o endotérmicas.
Muy populares para la refinación de petróleo y producción de butano, etano y propano.
Reactores no ideales
Factores que afectan el comportamiento ideal
Estado de agregación
Macrofluido
Las moléculas se mantienen agrupadas
Ejemplos: Gotas dispersas no coalescentes, partículas sólidas y líquidos muy viscosos
Microfluido
Las moléculas individuales se mueven libremente
Gases y líquidos ordinarios no muy viscosos
Estado de agregación
Distribución de tiempos de residencia
Se denomina “tiempo de residencia” de las moléculas o partículas individuales en el reactor, al tiempo que tarda una molécula desde que entra al reactor hasta que sale del mismo.
La distribución de tiempos de residencia (DTR) se determina experimentalmente mediante técnicas de estímulo-respuesta que emplean trazadores,
Características de los trazadores
Especie no reactiva, fácil de detectar, propiedades físicas similares a la mezcla, etc
Aplicaciones
Como herramienta de diagnóstico para detectar y caracterizar el desarrollo del flujo
Para la estimación de los valores de los parámetros para los modelos de flujo no ideal
Para evaluar el desempeño de un recipiente como un reactor
Técnica estimulo-respuesta
Esta es la técnica más usada para medir la DTR de forma experimental. En ese caso, se emplea un trazador, que es un material distinguible del fluido que está siendo estudiado; el trazador se inyecta a la entrada, y se monitorea su concentración a la salida
El trazador inyectado es el estímulo o señal, y el resultado del monitoreo es la respuesta. Idealmente, la señal debe estar bien definida
Mezclado inmediato y tardío
Modelos matemáticos de un solo parámetro para flujo no ideal
Modelo de flujo disperso en pistón
El modelo de dispersión caracteriza con bastante exactitud el flujo en reactores como lechos de relleno o tuberías largas con flujo laminar, es decir, en aquellos casos que no se encuentran muy alejados del comportamiento de flujo pistón ideal
Este modelo caracteriza el transporte de materia en la dirección axial en términos de una difusividad longitudinal aparente o efectiva, que se superpone al flujo de pistón.
Supone también que la velocidad y concentración de los reactantes es constante a lo largo del diámetro de la conducción. La magnitud de la dispersión se considera independiente de la posición dentro del recipiente, por lo tanto no habrá ni regiones estancadas, ni cortocircuitos de fluido
Modelo de tanques en serie
Este modelo supone que el reactor puede representarse por varios tanques de mezcla completa ideal del mismo tamaño en serie, y el único parámetro es el número de tanques, basado en el concepto de que un número suficientemente grande de reactores de mezcla completa se aproxima al flujo en pistón, cuando tiende a un valor elevado desde el punto de vista práctico