REACTORES MULTIPLES
TIPOS DE REACTORESReactores ideales.
REACTOR DISCONTINUO. Los reactantes se introducen en el reactor
se mezclan, se deja que reaccionen un tiempo determinado, y
finalmente se descarga la mezcla resultante. Es esta operacin de
tipo estacionaria en la que la composicin va variando con el
tiempo, aunque en cada instante es uniforme en todos los puntos del
reactor.
REACTOR DE TIPO FLUJO EN PISTON. Tambin se conoce como reactor
de flujo de tapn, de flujo tubular ideal, y de flujo uniforme; por
lo general se le denomina reactor de flujo en pistn y a su modelo
de flujo se le designa por flujo en pistn.Se caracteriza por que el
flujo del fluido a travs de l es ordenado, sin que ningn elemento
del mismo sobrepase o se mezcle con cualquier otro elemento situado
antes o despus de aquel; en realidad, en este reactor puede haber
mezcla lateral del fluido, pero nunca ha de existir mezcla o
difusin a lo largo de la trayectoria del flujo.La condicin
necesaria y suficiente para que exista flujo en pistn es que el
tiempo de residencia en el reactor sea el mismo para todos los
elementos del fluido.
REACTOR DE MEZCLA COMPLETA. Llamado tambin reactor de retro
mezclado, reactor ideal de tanque con agitacin, o reactor CFSTR
(Constant Flow Stirred Tank Reactor), y como su nombre lo indica,
es el reactor en el que su contenido esta perfectamente agitado, y
su composicin en cada instante es la misma en todos los puntos del
reactor. Por consiguiente la corriente de salida de ese reactor
tiene la misma composicin 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.
En la figura Se pueden apreciar los tres tipos de reactores
ideales
1.1. Reaccin continua y discontinua.Ciertos productos obtenidos
en cantidades mas bien pequeas (productos farmacuticos, colorantes
y otros) se fabrican discontinuamente. En una fabrica de este tipo
de productos, uno puede sorprenderse por la presencia de centenares
de autoclaves, cada uno de ellos utilizado para producir una
tonelada de un producto un da y una tonelada de otro producto
completamente diferente al da siguiente. Un sistema as ofrece una
gran flexibilidad, especialmente cuando la citada fbrica tiene una
gama de cientos e incluso miles de productos cada uno producido en
una escala ms bien pequea. Otra ventaja de la operacin discontinua
es que el costo de capital es a menudo menor que el correspondiente
proceso continuo.
Por esta razn el sistema adecuado para nuevos procesos que en
una etapa de desarrollo mas avanzada funcionaran en forma continua.
Las razones por las que el proceso continuo se adopta finalmente,
en la mayora de las industrias qumicas de gran escala son
principalmente estas:Disminucin del costo de trabajo (es decir,
menor mano de obra en el crudo lenguaje de la administracin). A
causa de la eliminacin de ciertas operaciones, tales como el
repetido llenado y vaciado de recipientes discontinuos.Facilidad de
control automtico. Tambin esto reduce costos de trabajo, aunque
generalmente requiere un considerable costo de capital.Mayor
constancia en las condiciones de la reaccin y por tanto, mayor
constancia en la calidad del producto.
Factores que afectan la operacin.La diferencia de comportamiento
entre una reaccin continua y discontinua se puede analizar en
funcin de los siguientes factores:
Diferencias en distribucin de tiempo y residencia.Diferencias en
historia de la concentracin.Diferencias en historia de la
temperaturaEl primero de todos se refiere a los tiempos de
residencia y su variacin. Mientras en la reaccin discontinua todos
los elementos del fluido reaccionan en el mismo periodo de tiempo,
ello no sucede en ninguno de los procesos continuos.
2. DEFINICIONSISTEMA DE REACTORES MULTIPLES2.1. REACTOR CONTINUO
TIPO TANQUE CON AGITACIN (C.S.T.R.) O REACTOR DE MEZCLA COMPLETASe
emplea frecuentemente en serie: los reactantes se alimentan
continuamente al primer tanque, desde el cual fluyen a travs de
otros reactores de la serie mantenindose agitacin adecuada en cada
uno de ellos para lograr la uniformidad de concentracin.
Considerando el sistema como un todo, existe un gradiente de
concentraciones escalonado.Las diversas etapas de una batera de
reactores de tanque con agitacin pueden hacerse en uno solo en
lugar de efectuarse en diversos tanques. Si es horizontal, el
reactor de mltiples etapas est dividido por tabiques verticales de
diferentes alturas, por encima de las cuales rebosa la mezcla
reaccionante. Cuando los reactantes son parcialmente miscibles y
sus densidades lo suficientemente distintas, el reactor vertical
conduce a la operacin en contracorriente, de hecho de considerable
importancia en las reacciones reversibles. Por tanto este tipo de
reactor consta de varios (a menudo tres o cuatro) tanques bien
agitados en serie y tiene un flujo continuo del material en reaccin
desde un tanque al siguiente y una alimentacin constante de nuevos
reaccionantes al primero. Como los recipientes son poco esbeltos
(por ejemplo cilindros de altura igual al dimetro), es esencial una
buena agitacin de su contenido; de lo contrario una gran parte del
fluido pasara directamente de la entrada a la salida, y una buena
parte del volumen del recipiente seria espacio muerto.En efecto la
caracterstica mas importante es la agitacin; el reactor C.S.T.R.
puede ser descrito en consecuencia en trminos mas abstractos, como
un sistema de reaccin de varias etapas para el que la primera
aproximacin mas idnea es la estimacin de su comportamiento, se basa
en la hiptesis de una mezcla perfecta en cada etapa.La mezcla hace
que dentro de cada tanque, todos los elementos del fluido tengan
virtualmente la misma composicin y que esta sea la misma que la
composicin de salida. Esto origina un cambio discontinuo de
composicin desde un tanque al siguiente, y tambin una prdida por
recirculacin; una molcula que entra en un tanque en un momento dado
tiene una probabilidad finita de encontrar casi inmediatamente el
camino de la corriente necesaria de salida. Esta es la razn por lo
que es corrientemente necesario utilizar varios tanques en serie;
si hubiese solo uno o dos, podran producirse prdidas apreciables de
reactivo sin reaccionar. Y aunque est perdida, es en cierto
sentido, una consecuencia de la agitacin, habra un re circulante
mucho mayor, dentro de un tiempo corto comparado con el tiempo de
residencia medio, si no hubiese agitacin, puesto que esto dara
lugar, como se ha mencionado, a un paso directo entre la entrada y
la salida.Otra ventaja del C.S.T.R., adems de la sencillez de su
construccin, es la facilidad de regular la temperatura. Los
reaccionantes que entran en el primer recipiente se sumergen
inmediatamente en un gran volumen de fluido que ha reaccionado
parcialmente y, debido a la misma agitacin, no tienden a formarse
puntos locales calientes. As mismo, los tanques del C.S.T.R.
permiten disponer de un rea muy grande de superficie de
refrigeracin. Adems de la superficie interna suficientemente grande
en forma de serpentines de refrigeracin sumergidos. Una ventaja
adicional, en comparacin con el reactor tubular, es su posibilidad
de apertura. Esto facilita la limpieza de las superficies internas,
lo que es importante en el caso de reacciones donde pueden
depositarse materia solida, como en procesos de polimerizacin y en
reacciones en las que se forma material resinoso como subproducto.
Por estas razones los campos tpicos de aplicacin del C.S.T.R. son
procesos continuos de sulfonacin, nitracin, polimerizacin, etc. Se
utilizan muy ampliamente en la industria qumica orgnica y
especialmente en la produccin de plsticos, de explosivos, caucho
sinttico, etc. 2.2. CARACTERSTICAS DE LOS REACTORES CONTINUOS TIPO
TANQUE. Las caractersticas principales de este tipo de reactores
son las siguientes: 1. La reaccin qumica se lleva a cabo en sistema
abierto1. Los reactantes se aaden y descargan continuamente1.
Operan a rgimen estable.En la figura podemos observar los reactores
tipo tanque agitado en serie y en uno solo.
2.3. REACTORES DE FLUJO PISTON EN SERIE Y/O EN PARALELOPara
reactores de flujo en pistn conectados en paralelo o en una
combinacin de paralelo y serie, podemos tratar el sistema global
como un solo reactor de flujo en pistn y volumen igual al volumen
total de las unidades individuales, si la alimentacin est
distribuida de tal manera que las corrientes de fluido tienen la
misma composicin. As, para reactores en paralelo, el valor de V/F o
T ha de ser el mismo para cada una de las ramas en paralelo.
Cualquier otro modo de alimentacin es menos eficaz.
El sistema de la Fig. Consta de tres reactores de flujo en pistn
situados en dos ramas paralelas. En la rama D hay un reactor de 50
litros en serie con otro de 30 litros. En la rama E hay un reactor
de 40 litros.
La rama D contiene dos reactores en serie, luego puede
considerarse como un solo reactor de volumen
VD = 50 + 30 = 80 litros
Ahora bien, para los reactores en paralelo el valor de V/F ha de
ser idntico en cada una de las ramas si la conversin ha de ser la
misma. Por consiguiente:
En consecuencia, por la rama D han de entrar los dos tercios de
la alimentacin.
3. CARACTERIZACION-FISICAMENTEREACTOR DE MEZCLA COMPLETA EN
SERIE
3.1. DESCRIPCIN
Comparado con un solo reactor de mezcla perfecta, los reactores
en serie pueden lograr un nivel de conversin mayor. Los reactores
en serie permiten una conduccin flexible del proceso porque en los
reactores individuales es posible ajustar por separado temperaturas
y tiempos de residencia diferentes
La CE310.03 pertenece a una serie de equipos que permite
realizar ensayos en distintos tipos de reactor. Junto con la unidad
de alimentacin CE310, pueden estudiarse el funcionamiento y
comportamiento de los reactores continuos de mezcla perfecta en
serie.
La unidad de alimentacin CE310 posee un circuito de agua de
calefaccin, todas las conexiones necesarias, bombas, depsitos
parareactivos y un depsito para los productos de reaccin.
La CE310.03 se fija con tornillos moleteados a la unidad de
alimentacin. En el funcionamiento de 3reactores continuo en serie,
dos bombas de la unidad de alimentacin impelen los reactivos al
primer reactor. Un agitador se encarga de realizar una mezcla
homognea y, por tanto, del contacto de los reactivos. Mediante la
reaccin de los reactivos se forman el producto. La mezcla del
producto y losreactivos no convertidos sale del reactor a travs de
un rebosadero y se recoge sucesivamente en dos reactores idnticos
posteriores. Tras el tercer reactor hay una larga seccin de
manguera para determinar la conversin con un equilibrio casi
completo de la reaccin. Esta conversin puede utilizarse como
referencia para las conversiones enlos reactores de mezcla perfecta
individuales. A travs de grifos de 3vas tambin es posible estudiar
el funcionamiento de 1 o de 2 etapas. Los tiempos de residencia en
los reactores son ajustados a travs del nmero de revoluciones de
las bombas en la unidad de alimentacin. Las conversiones en los
distintos reactores y al final de la larga seccin de manguera se
determinan midiendo la conductividad. Para este fin, los tres
reactores y la seccin de manguera disponen de un orificio para un
sensor combinado de conductividad y temperatura cada uno. A travs
de la unidad de mando se puede seleccionar cada uno de los sensores
de conductividad y temperatura y se pueden visualizar los valores
en los indicadores situados en el armario de distribucin de la
unidad de alimentacin. Adems, los valores de medicin pueden
registrarse y editarse con ayuda de un software de adquisicin de
datos (a travs de la CE310).
3.2. CONTENIDO DIDCTICO / ENSAYOS
- fundamentos de una reaccin de saponificacin- conversin en cada
reactor
* en funcin del tiempo de residencia * en funcin de la
temperatura
3.3. ESPECIFICACIN
[1] reactores continuos de mezcla perfecta en serie para la
conexin a la unidad de alimentacin CE310[2] 3 reactores de mezcla
perfecta idnticos de vidrio conectados en serie[3] posibilidad de
conmutacin a funcionamiento de 1, 2 o 3 etapas a travs de grifos[4]
seccin de manguera para determinar la conversin con un equilibrio
casi completo de la reaccin[5] unidad de mando con conmutador
selector para sensores de conductividad y temperatura y elementos
de mando para 3 agitadores[6] registro de la conductividad y la
temperatura a travs de la CE310
3.4. DATOS TCNICOS
3 reactores- dimetro exterior: 130mm cada uno- dimetro interior:
120mm cada uno- altura: 150mm cada uno- capacidad del reactor:
aprox. 500mL cada unoRevoluciones del agitadors: 3x
0...330min-1Seccinde manguera- dimetro interior: aprox. 9mm-
longitud: 280cm- capacidad del reactor: aprox. 180mLRangos de
medicin- conductividad: 4x 0...200mS/cm- temperatura: 4x
0...100C
Dimensiones y pesos
LxAnxAl: 460x470x520mm (unidad de reactores)LxAnxAl:
180x180x230mm (seccin de manguera)LxAnxAl: 370x160x300mm (unidad de
mando)Peso: aprox. 32kg
Necesario para el funcionamiento
Etilo acetato, sosa custica(para la reaccin de
saponificacin)
Volumen de suministro
1 unidad dereactores1 seccin de manguera1 unidad de mando3
sensores de conductividad y temperatura
N de artculo
083.31003 CE 310.03 Reactores Continuos de Mezcla Perfecta en
Serie
DISTINTIVO
* Reactores continuos de mezcla perfecta en serie parala conexin
a la unidad de alimentacin CE3101* Materiales transparentes para
observar el proceso1* Posibilidad de determinacin de la conversin
en una reaccin de saponificacin para cada etapa
A nivel industrial es uno de los reactores ms comunes debido a
su rentabilidadeconmica. Su diseo, al igual que los dems reactores,
depende de la cintica qumica y naturaleza de la reaccin, y de la
cantidad de producto deseado sequieragenerar para determinar su
volumen. Dependiendo de la naturaleza de las especies a reaccionar,
los reactores de mezcla completa pueden presentar ciertas
modificaciones. Para citar un ejemplo prctico, en la sntesis de
compuestos orgnicos oxigenados a partir de alcoholes, es necesario
un calentamiento que catalice la reaccin, es por esto que entre los
reactores de tanque se tienen los denominados reactores con
chaquetas de calentamiento, en los cuales unfluido caliente
transfiere calor a las paredes de la unidad para proporcionar la
energa necesaria a la reaccin a desarrollar. Consiste en un
intercambiador de calor colocado en serie al reactor en donde el
fluido realiza un recorrido cclico, transportndose desde la salida
caliente del intercambiador, entrando a la chaqueta del reactor, y
saliendofro para entraral intercambiador y ser calentado
nuevamente.
CARACTERISTICAS DE FUNCIONAMIENTO Opera en forma continua Se
presenta una agitacin eficiente y el fluido dentro del recipiente
esta uniformemente mezclado, todos los elementos del fluido tienen
la misma probabilidad de abandonar el reactor en cualquier tiempo.
Existe una distribucin de tiempos de residencia. Dicha distribucin
puede apreciarse considerndose lo siguiente: Un elemento del fluido
puede moverse directamente desde la entrada a la salida, puede
existir un tiempo de residencia muy corto. Otro elemento del fluido
puede participar en el movimiento de reciclado producto de la
agitacin y por lo tanto presentar un tiempo de residencia largo. Se
puede observar que la corriente de salida tambin presenta las
mismas propiedades que el fluido dentro del recipiente. La
conversin que alcanza un reactor de mezcla completa depende de: El
volumen Tiempo espacial Velocidad de la reaccin en el reactor El
flujo Concentracin del alimento
http://www.sc.ehu.es/iawfemaf/archivos/materia/00911.htm
http://www.gunt.de/static/s4366_3.php
