1. INTRODUCCIO-.Con el gran progreso de la humanidad de los últimos años, el uso de las reacciones químicas que se pueden dar dentro de un reactor químico, para obtener determinados productos, se convirtió en una parte esencial para el desarrollo de la humanidad. Los reactores son equipos que nos permiten controlar una reacción y aprovechar el calor generado, el uso de variables como presión, temperatura y concentración, son importantes por varias razones, como por ejemplo la eficiencia con la que producen las reacciones también porque permite controlar los procesos de producción y aprovechar mejor las condiciones para obtener productos de mejor calidad, más puros, también porque reciclan algunos productos sobrantes como por ejemplo un reactor nuclear puede calentar agua o producir energía eléctrica a partir de la energía térmica que se obtuvo del proceso nuclear llevado a cabo. En el contexto de la industria química, un reactor químico es una unidad de procesos diseñada para llevar a cabo uno 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 estricto algoritmo de control [1]. Por esta razones es necesario introducirnos más en lo que es una reactor y sus aplicaciones en los diferente procesos. En el presente trabajo se pretende conocerán la clasificación y los tipos de reactores que existen, pero se dará una mayor importancia a las pautas para la elección correcta de un determinado reactor según el proceso donde se desee incorporarlo. 2. OBJETIVO. ¿Conocer las principales tipos de los reactores? ¿Conocer los criterios de selección de un reactor? ¿ Estudiar la influencia de el calor en los reactores? 3. MARCO TEÓRICOS-. 3.1. Reactor Químico. Un reactor químico es una unidad de proceso diseñado para que en su interior se lleve a cabo una o varias reacciones químicas. Dicha unidad de proceso está constituida por un recipiente cerrado, el cual cuenta con líneas de entrada y salida para sustancias químicas y está gobernado por un algoritmo de control. Los reactores químicos tienen como funciones principales: • Asegurar el tipo de contacto o modo de fluir de los reactantes en el interior del tanque, para conseguir una mezcla deseada con los materiales reactantes. • Proporcionar el tiempo suficiente de contacto entre las sustancias y con el catalizador, para conseguir la extensión deseada de la reacción. • Permitir condiciones de presión, temperatura y composición de modo que la reacción tenga lugar en el grado y a la velocidad deseada, atendiendo a los aspectos termodinámicos y cinéticos de la reacción. 3.2. Reacción Homogénea y Heterogénea. Las Reacciones Químicas pueden dividirse en: Reacción Homogénea involucra solo una fase. Reacción Heterogénea cuando se involucra más de una fase para que la reacción se lleve a cabo. Por lo tanto, puede involucrar más de dos fases. Entonces de acuerdo a lo anterior podemos encontrar reactores que operen con reacción homogénea u heterogénea. 3.3. Reactores homogéneos y heterogéneos. Los reactores químicos pueden dividirse en dos categorías principales, homogéneas y heterogéneas. En los reactores homogéneos existe solo una fase, generalmente de gas o liquido; si interviene más de una reacción ha de conseguirse una mezcla de los mismos para conseguir un todo homogéneo. La mezcla de las reacciones es, con frecuencia, la forma de iniciar la reacción, si bien, en ocasión, se mezclan los reaccionantes y se llevan después a la temperatura que se desea. En los reactores heterogéneos están presentes dos, o incluso tres fases, son ejemplos corrientes los sistemas gas-liquido, gas-solido, liquido-solido y liquido-liquido. En aquellos casos en el que una de las fases es un sólido, este es con frecuencia un catalizador; los reactores catalíticos gas-solido forman, en particular, una clase importante en el sistema heterogéneo las reacciones químicas pueden ser verdaderamente heterogéneas con reacciones químicas. En un reactor catalítico gas-solido la reacción tiene lugar en la superficie del solido es, por consiguiente heterogénea; sin embargo, el burbujeo de una gas atreves de un liquido puede servir para disolver el gas en el liquido, en el que reacción de forma homogénea es necesario realizar el contacto entre fases gas-liquido. Los reactores heterogéneos presentan generalmente una mayor variedad de configuración y forma de contacto que los reactores homogéneos. 3.4. Reactor continuo y discontinuo. Otro tipo de clasificación que permite subdividir a los reactores homogéneos y heterogéneos es el modo de operación estos pueden ser continuos y discontinuos. Un reactor por lotes es un recipiente agitado en el cual los reactivos son precargados y que se vacía cuando la reacción se ha completado. Por eso se utilizan mayoritariamente en la industria química. Una desviación excesiva de la reacción. en las que tanto el calor generado como la composición permanecen constantes durante la operación. La flexibilidad permite manufacturar nuevos productos sin tener que construir una nueva planta o sin tener que hacer grandes cambios de equipo. alimentaria o farmacéutica.1. Los típicos reactores continuos son recipientes agitados. Reactor discontinuo. La producción en gran volumen de un producto estándar generalmente proporciona una buena recuperación del capital invertido. el proceso necesitará mínimas modificaciones durante su vida de trabajo para mantenerse competitivo. todos los reactivos son cargados inicialmente en el reactor y la reacción continúa entonces hasta completarse.4. ya sea de modo simple o en cascada. con tuberías de flujo de descarga. 3. en relación a los procesos discontinuos: • Se requiere menos espacio • Se requiere menos material • Se necesita menor volumen de almacenaje. suele ser difícil de controlar.2. Reactor continúo. donde es muy importante ofrecer una gran variedad de productos e introducir otros nuevos muy rápidamente.4. Los equipos de procesos discontinuos se diseñan para manejar un rango de operaciones y productos. Dado que los requerimientos de productos no cambian significativamente. frecuentemente para reacciones exotérmicas y para las de dos fases (gas-líquido) se utiliza una operación semi-discontinua. Además los procesos continuos tienen otras ventajas. En éstas sólo parte de los . La ventaja clave es la flexibilidad de este tipo de procesos. En estos sistemas todos los reactivos son continuamente cargados al reactor y los productos son continuamente descargados. Los procesos continuos tienen una principal ventaja. 3. En los reactores discontinuos. Los reactores continuos se caracterizan por trabajar en condiciones estacionarias. la economía de escala. Esta flexibilidad también permite producir pequeñas cantidades de un producto sin arriesgar toda la productividad. ya que estos sectores industriales operan en mercados altamente competitivos. Por ello. Comparación entre los reactores discontinuos y continuos. A escala industrial. constantes.. por ejemplo. Cuadro 1. Los reactores discontinuos o por lotes se caracterizan por trabajar en condiciones no estacionarias.3.5. el tamaño de la planta y la complejidad relativa. más conocidos. es decir.reactivos son cargados inicialmente. Diseñado para producir productos específicos. para corregir condiciones anormales. uso Producto Entorno Intervención del operador Continuo Ocurre continua y simultáneamente. entre los tipos más importantes. Discontinuo Ocurre una secuencia específica. Usualmente estado fijo con presión. Variable. Principalmente. 3. Diseñado para ser capaz de producir muchos productos. Un flujo continuo. 3. En la etapa de diseño de un proceso. Existen infinidad de tipos de reactores químicos. Una cantidad limitada (lote). De este modo.4. y el resto de reactivos y catalizador son añadidos de modo controlado. y mayormente utilizados en la industria se puede mencionar los siguientes: . Características Operación de proceso Diseño de equipo. Comparación entre procesos continuo y discontinuo. si ocurre una pérdida de control es posible detener la carga de reactivos. flujo. El reactor es el equipo principal de la mayoría de procesos y la elección del tipo correcto puede realmente mejorar la seguridad del proceso. La selección del tipo de proceso suele venir dada por consideraciones como. a menudo cambiando notablemente entre operaciones. que durante la operación la composición y la generación de calor cambian. Las características de los reactores continuos y discontinuos se muestran en la Cuadro 1. etc. Un caso particular de proceso discontinuo es el llamado proceso semi-discontinuo. en el que uno de los reactivos se va adicionando de modo continuo. y cada uno responde a las necesidades de una situación en particular. una de las elecciones que hay que hacer es la del reactor que se va a usar. Necesario regularmente como parte de las operaciones de proceso. Tipos de Reactores Químicos. se utilizan dos métodos de proceso: continuo y discontinuo (por lotes o batch). d) REACTOR TUBULAR. En estos reactores la corriente de gas se hace pasar a través de las partículas sólidas. b) REACTOR CONTINUO. a una velocidad suficiente para suspenderlas. éste se alimenta constantemente de material reactante. Mientras tiene lugar la reacción química al interior del reactor. Los reactores de lecho fijo consisten en uno o más tubos empacados con partículas de catalizador.a) REACTOR DISCONTINUO. En general es cualquier reactor de operación continua. no se emplean partículas de metal. Estas mallas catalíticas se emplean en procesos comerciales como por ejemplo para la oxidación de amoniaco y para la oxidación del acetaldehídico a ácido acético. En algunos casos. etc. con el movimiento rápido de partículas se obtiene un alto grado de uniformidad en la temperatura evitando la formación de zonas calientes. Las partículas catalíticas pueden variar de tamaño y forma: granulares. y a medida que tiene lugar la reacción. y también se retira interrumpidamente los productos de la reacción. al inicio del proceso se introduce los materiales. Es aquel en donde no entra ni sale material durante la reacción. g) REACTOR DE LECHO FIJO. se va retirando productos y también incorporando más material de manera casi continúa. con movimiento constante de uno o todos los reactivos en una dirección espacial seleccionada. c) REACTOR SEMICONTINUO. se lleva a las condiciones de presión y temperatura requeridas. e) TANQUE CON AGITACIÓN CONTINUA. Es aquel en el cual inicialmente se carga de material todo el reactor. . f) REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO. También es conocido como reactor tipo Batch. especialmente con catalizadores metálicos como el platino. que operan en posición vertical. luego se descargan los productos de la reacción y los reactantes no convertidos. Este reactor consiste en un tanque donde hay un flujo continuo de material reaccionante y desde el cual sale continuamente el material que ha reaccionado. sino que éste se presenta en forma de mallas de alambre. La agitación del contenido es esencial. y en el cual no se hace ningún intento por inducir al mezclado. debido a que el flujo interior debe estar en constante circulación y así producir una mezcla uniforme. cilíndricas. los reactivos entran por un extremo y salen por el otro. esféricas. y se deja reaccionar por un tiempo preestablecido. Se utiliza para reacciones donde intervengan un sólido y un fluido (generalmente un gas). Tienen forma de tubos. El lecho está constituido por un conjunto de capas de este material. sino más bien. i) REACTOR DE LECHO DE CARGA MÓVIL. cuando en la salida del reactor colocamos un dispositivo separador que hace que se separen reactivos y productos. Estos reactores han sido comúnmente usados para aplicaciones en las cuales los rendimientos de la reacción están limitados por el equilibrio. pero la fase líquida está formada por una suspensión de líquidos y partículas finas del catalizador sólido. En este reactor las propiedades no se modifican ni con el tiempo ni con la posición. evitando la posibilidad de que dichos compuestos envenenen o desactiven el catalizador y para proveer una interface controlada entre dos o más reactantes. cuando se toma parte de la corriente de salida y se llevan directamente a la entrada del reactor.h) REACTOR DE LECHO CON ESCURRIMIENTO. Los reactivos se hacen pasar en corrientes paralelas o a contracorriente a través del lecho. m) REACTORES DE RECIRCULACIÓN. ya que suponemos que estamos trabajando en estado de flujo estacionario y la mezcla de reacción es completamente uniforme. se mueve hacia debajo de la columna y se saca por la parte inferior. También han sido propuestos y usados para otras aplicaciones. El sólido se alimenta por la parte superior del lecho. Son similares a los reactores de burbujeo. para incrementar el rendimiento y la selectividad de reacciones enzimáticas y catalíticas influyendo a través de la membrana sobre la concentración de una (o más) especies intermedias. no volátil u otro reactivo. removiéndolas selectivamente (o ayudando a mantenerlas en una concentración baja). luego los reactivos se recirculan de nuevo al reactor. n) REACTORES DE MEMBRANA. . Pueden ser CON DISPOSITIVO SEPARADOR. En estos reactores el catalizador sólido está presente como en el lecho fijo. l) REACTOR DE MEZCLA PERFECTA. El producto se puede sacar del reactor en la corriente gaseosa. k) REACTOR CON COMBUSTIBLE EN SUSPENSIÓN. Son aquellos que combinan la reacción y la separación en una sola unidad. En la práctica se puede llevar a cabo siempre que la mezcla fluida sea poco viscosa y esté bien agitada. la membrana selectivamente remueve una (o más) de las especies reactantes o productos. Una fase fluida pasa hacia arriba a través de un lecho formado por sólidos. j) REACTOR DE BURBUJAS. porque el líquido contiene un catalizador disuelto. Permiten hacer burbujear un reactivo gaseoso a través de un líquido con el que puede reaccionar. El tiempo de mezcla tiene que ser muy pequeño en comparación con el tiempo de permanencia en el reactor. SIN DISPOSITIVO SEPARADOR. Elección del Reactor.o) FERMENTADORES. Este tipo de reactores utilizan hongos. En general. ya que tomar en cuenta todos los tipos de reactores. tal como muestra la Cuadro 2. los cuales forman un cultivo. antes de ayudarnos a una elección nos confundirían más para elegir un reactor para un determinado proceso. Para un mejor análisis y para una buena elección se tomaran en cuenta los principales tipos de reactores que existen. que son aquellos que trabajan u operan a una misma presión constante. de Reactor de Flujo Pistón o Tubular “plug flow” (PFR) o reactores de tanque continuamente agitados (CSTR). . Este tipo de reactor supone la existencia de un flujo continuo de gas y otro de líquido hacia abajo sobre un lecho fijo de partículas sólidas catalíticas. maximizando la selectividad (rendimiento) del producto deseado y alcanzando una velocidad de producción elevada. También se pueden mencionar los reactores ISOTÉRMICOS. el cual a su vez se transforma en una sopa espesa que contiene crecimientos filamentosos. que son aquellos que trabajan u operan a una misma temperatura constante. 3. y también los reactores ISOBÁRICOS. p) REACTOR TRICKLE BED. junto con los caudales y propiedades de las dos corrientes de fluidos determinarán el régimen de flujo del reactor y también sus propiedades fluido-dinámicas. La elección del tipo de reactor debería hacerse con el objetivo de evitar reacciones peligrosas no deseadas. Un ejemplo se encuentra en la fabricación de antibióticos como la penicilina. si se pretende una producción pequeña lo más adecuado es utilizar un reactor discontinuo o semi-discontinuo. las características de las partículas sólidas y de su empaquetamiento. mientras que para grandes tasas de producción es mejor usar reactores continuos.6. Gran exotermia controlable. La propagación de un fuego o explosión se puede evitar al dividir el proceso en pequeñas unidades aisladas paralelamente. Comparación entre diferentes tipos de reactores. Grandes exotermias difícil de controlar. La agitación suministrada una herramienta de seguridad. las unidades deben ser aisladas unas de otras. se acumulan reactivos). un proceso discontinuo puede ser ventajoso (siempre y cuando se realice un control analítico cuidadoso de la calidad . Las características que determinan la elección de un proceso discontinuo o batch son: • Cuando están involucradas operaciones peligrosas. con este tipo de procesos el riesgo de incendio se reduce considerablemente. los materiales reactivos se van añadiendo al sistema en pequeñas cantidades. Agitación presente solo si son disponibles mezcla en línea. Posibles puntos calientes. La agitación suministra una herramienta de seguridad. Grandes inventarios. Se reducen los riesgos por un error del operador. • Cuando la seguridad depende de la pureza del producto. Todos los materiales. Condiciones estacionarias. • Ya que no hay variaciones de las condiciones de proceso con el tiempo. Difícil de enfriar grades masas. Gran inventario. • Cuando puedan tener lugar dos reacciones paralelas. Velocidad de adición controlable. Condiciones estacionarias. Problemas de precipitación. minimizando el riesgo si éstos son peligrosos. si están involucrados materiales inflamables.PFR CSTR Ventajas Discontinuo Semi-Discontinuo Bajo Inventario. Difícil empezar y detener. La agitación suministra una herramienta de seguridad. Las características que determinan la elección de un proceso continuo (PFR y CSTR) son: • Para una velocidad dada de producción. por ello. Bajo rendimiento. • El equipo de proceso no está sujeto a fluctuaciones cíclicas de presión y temperatura. Desventajas Dependencia del proceso. Problemas de precipitación. el control automático se puede aplicar más fácilmente. pero sólo interesa una de ellas. • Los productos intermedios son consumidos tan rápidamente como se forman. El flujo puede se diluido para ralentizar la reacción. un proceso continuo dará rendimientos más elevados. La temperatura de inicio es critica (si es muy baja. Cuadro 2. Difícil de diseñar. . En la práctica puede ser más conveniente adoptar una alternativa intermedia entre estos dos extremos. Influencia del calor de reacción sobre el tipo de reactor. a) ¿Cual es el calor de reacción? b) ¿Cual es el intervalo aceptable en el que puede permitirse que varié la temperatura? Las respuestas a estas preguntas puede ser clave para todo el diseño. a menos que se realicen las previsiones necesarias para que el calor se transfiera a medida que el proceso tiene lugar de reacción. la reacción puede entonces transcurrir bajo control de modo seguro sólo en un reactor semi-discontinuo. con el fin de mantener controlada la reacción. En el diseño de un reactor. el calor equivalente al calor de reacción ha de ser transferido desde o hacia el reactor. En reaccione fuertemente exotérmicas donde se produce un considerable aumento de temperatura de la mezcla de reacción donde esto puede arruinar la reacción. si son los reactivos. la temperatura de la mezcla de la reacción aumenta o disminuirá a medida que tiene lugar la reacción. que solamente en algunos casos están pequeño que puede despreciar. De todos modos. Si la temperatura de la mezcla de reacción permanece constante (operación isotérmica). Sin embargo.del producto en cada lote). los que pueden dar subproductos en reacciones paralelas. si la producción de calor por unidad de masa es muy alta. una operación semi-discontinua dará rendimientos más altos. proporciona 3. que en uno semi-discontinuo. • Si el producto deseado se descompone por una reacción consecutiva.7. el rendimiento será más alto en un reactor discontinuo. un proceso discontinuo o semi-discontinuo rendimientos más altos de producto. • Para reacciones simples. en el caso de una reacción fuertemente exotérmica puede ser necesario realizar una cierta transferencia de calor desde el reactor. hay dos cuestiones muy importantes que plantearse. Si el calor no se transfiere (operación adiabática). especialmente cuando la operación estrictamente isotérmica implicaría un esquema de control complicado y costoso. Generalmente el intervalo de temperatura se puede especificar por aproximación como un límite inferior temperatura esta determinado con frecuencia por la velocidad de reacción y el límite superior por la aparición de reacciones laterales no deseables. pero un aumento moderado de la temperatura puede ser aceptable. En todo cambio químico es acompañado por un calor de reacción. En la figura 2 se indica algunas formas en que el contenido del reactor discontinuo puede calentarse o enfriarse. Si el reactor estuviese constituido por una sola unidad. Figura 1.1. es decir o bien la temperatura de entrada sería demasiado alta y produciría reacciones no deseables o la reacción no sería completa por que la temperatura en la salida sería demasiado baja. El problema se resuelve de forma adecuada dividiendo el reactor en tres secciones. Se suministra el calor desde el exterior en cada sección y las temperaturas intermedias aumentan. Reactores con transmisión de calor.3. la caída de temperatura sería muy eleva.2. En la figura 1 se presenta el reactor de una planta de reformado catalítico de nafta de petróleo. Proceso importante para mejorar el índice de octano de la gasolina.7. Planta de reformado catalítico de nafta de petróleo. En lo posible se prefiere una operación adiabática por su simplicidad de diseño. Si el reactor no opera adiabáticamente se ha de incluir en su diseño la transmisión de calor. . La división del reactor en secciones tiene la ventaja que las temperatura intermedias pueden ajustarse. de tal modo que cada sección del reactor opera adiabáticamente. 3. Reactores Adiabáticos. La mayoría de la reacción de reformado es endotérmica por lo que si la operación es adiabática la temperatura descenderá en el curso de la reacción.7. según se indica en la figura 3b. mientras que en c se utiliza un cambiador de calor externo con una bomba de recirculación. análogamente se realiza en el laboratorio. Operación de reactores autotérmicos. Figura 3. Métodos de transmisión de calor a reactores tubulares. el cambiador de calor externo puede ser un condensador de reflujo. Si uno de los componentes de la mezcla de reacción. 3. se trata de recuperar calor a partir de los mismo.Figura 2. un . Reactor discontinuo en los que se indican métodos diferentes de calentamiento y enfriamiento. los productos de reacción abandonaran el reactor a una temperatura alta y en interés de la economía. Si para que la reacción tenga lugar a una velocidad razonable se requiere temperaturas elevadas. Si la cantidad de calor que ha de transferirse es elevada. es volátil a la temperatura de operación. Si la reacción se lleva acabo a una temperatura elevada y es fuertemente endotérmica el reactor estará directamente en contacto con el fuego producido por la combustión de petróleo o gas será semejante a un horno tubular. la relación entre la superficie de transmisión de calor y el volumen del reactor será también elevado y el reactor será semejante a un cambiador de calor.7. En a y b la camisa y el serpentín forman parte integral del reactor.3. En la figura 3 se indica formas de diseño de reactores tubulares que incluyen la transmisión de calor. como puede ser el disolvente. Puesto que hade suministrarse calor a los reaccionantes para que almacenen la temperatura de reacción. método muy común consiste en emplear los productos calientes para calentar la alimentación a la entrada. Figura 4. Operación de reactores autotérmicos. La característica esencial de un reactor autotermico es el retorno al punto de entrada del calor de reacción. con el fin de elevar la temperatura y por consiguiente. Se utiliza el término autotermico para describir un sistema que puede mantenerse completamente asimismo en sus necesidades de energía. se producirá el calor de reacción necesaria para compensar las pérdidas del sistema y para obtener la diferencia de temperatura necesaria en el cambiador de calor. Si la reacción es exotérmica en grado suficiente. la velocidad de la reacción . según se indica en la figura 4a. Equilibrio químico y cinética química. el ingeniero debe guiarse por los conocimientos físicos y químicos fundamentales de la reacción. La reacción ha de ponerse en ignición por elevación de la temperatura de los reaccionantes hasta un valor suficientemente elevado para que comience la reacción. La elección de la temperatura. permiten determinar hasta donde puede proseguir la reacción si se deja el tiempo suficiente para que pueda alcanzar el equilibrio. En sentido estricto toda reacción química es reversible y con independencia de la rapidez con que transcurre. En relación con la operación autotermica de un reactor continúo tanque agitado. Por otro lado. con el subtitulo de equilibrio químico y la cinética química. En este caso. está íntimamente ligada con el diseño del proceso global. Elección de las condiciones del proceso. presión. produciéndose una reacción rápida. 3. Por consiguiente para condiciones especificas. En la figura 4d se representa otro tipo de proceso de combustión en el cual una llama laminar de forma cónica se estabiliza en el orificio de un sencillo quemador de gas. Otra característica del sistema autotermico es que. son la termodinámica. aunque en último extremo es capaz de automantenerse. 3. las leyes de la cinética química permiten . La cámara de combustión de un cohete con combustible líquido es un reactor de este tipo. Por otra parte. la reacción puede tener lugar únicamente en la zona ocupada por el catalizador.8. Con el fin de especificar las variables anteriores. de forma que el perfil de temperatura tiene la forma indicada a lo largo del reactor. flujo de alimentación de reaccionantes y composiciones a la entrada del reactor. Esto puede realizarse de distintas forma. para unas condiciones particulares de temperatura y presión. Los dos principios básicos que intervienen en la elección de las condiciones para llevar a cabo una reacción. las leyes del equilibrio químico. siendo los productos gases calientes que son expedidos con velocidad elevada. en el que la alimentación fría se mezcla instantáneamente con un volumen grande de productos calientes. el retorno del calor de combustión se produce por transferencia en dirección opuesta a la del flujo de la mezcla fría de reacción.de la corriente de entrada de reaccionante. la operación estable puede obtenerse solamente en un intervalo limitado de condiciones de operación. En ambos casos se trata de reactores catalíticos por tratarse de estos reactores. como en el figura 4b. a través de la constante de equilibrio. no puede continuar más allá del punto de equilibrio químico de la mezcla de reacción. En la figura 4c se representa un reactor continuo de tanque agitado. según se indica en la figura 4. En reactor tubular dicho reactor puede conseguir por intercambio externo de calor.8. se requiere una fuente externa de calor para iniciarlo.1. Mientras que la constante de equilibrio depende únicamente de la temperatura.2.8. si es baja. la conversión en el equilibrio de la composición de la mezcla inicial de reacción y en general de la presión. Así pues en aquellos casos en que la reversibilidad de una reacción provoca una limitación importante. entonces la obtención de conversiones aceptables puede conseguirse únicamente empleando presiones altas o bajas. Si la constante de equilibrio es muy elevada la reacción puede considerarse irreversible. si bien el ingeniero no dispone de ecuaciones completas de velocidad. La constante de equilibrio para una reacción. toda ecuación completa de velocidad para una reacción reversible ha de incluir las constantes de equilibrio o su equivalente. 3. en realidad. Dos ejemplos importantes son las reacciones: C 2 H 4 H 2O C 2 H 5OH N 2 3H 2 2NH 3 Ambos transcurren con disminución en el número de moles y por esta razón se utilizan presiones elevadas para obtener conversiones de equilibrio satisfactorias. El paso siguiente consiste en calcular los valores de la constante de equilibrio es ese intervalo de temperatura. desde el punto de vista práctico puede considerarse que la reacción es irreversible. de acuerdo con la relación: d ln K p dT H RT 2 Siendo -∆H el calor de reacción. La primera pregunta que hay que formularse es: ¿en qué intervalo de temperatura tendrá lugar la reacción química con velocidad razonable (en presencia naturalmente de un catalizador que puede haberse desarrollado para la reacción)?. que puede ser las más adecuadas.determinar la velocidad con que tendrá lugar la reacción hacia ese grado de reacción máximo. Kp depende solamente de la temperatura. para determinar el límite hasta el cual puede llegar la reacción en condiciones de temperatura y composición de reacción. no sería prudente para la ingeniería prescindir del cálculo de la constante de equilibrio. así como comprobar la posición del mismo. aun caso que una reacción se suponga irreversible. empleando los principios de la termodinámica química. Si la constante de equilibrio es muy elevada. Calculo de la conversión del equilibrio. La constante de equilibrio se utiliza. Las leyes del equilibrio termodinámico y de cinética has de considerarse conjuntamente al decidir las condiciones del proceso. por lo tanto. ha de calcularse la conversión de equilibrio de forma que puede elegirse las . especialmente para conversiones elevadas. Sin embargo. que se puede considerar como 1 mol-g de etilbenceno que entra al reactor: en el equilibrio se convierte una fracción α e del mismo.1) Parte (i). equilibrio. al demostrar como las características básicas de la reacción. sino también un balance de materia del reactor. 3. (1.9. Solución: En primer lugar es necesario elegir una base de cálculo. cinético y eliminación de productos laterales. Este cálculo requiere no solo el uso de la constante de equilibrio.αe ) moles-g de etilbenceno. A esta temperatura. Sea la presión total a la salida del reactor P. PEs y PH las presiones parciales de etilbenceno. Proceso de fabricación de estireno por deshidratación de etilbenceno. De acuerdo con la ecuación estequiometrica anterior se formaran αe moles-g de estireno y αe moles-g de hidrogeno. que es un proceso bien conocido para la obtención de estireno: C6 H 5 * CH 2 * CH 3 C6 H 5 * CH : CH 2 H 2 Se dispone de un catalizador que permite obtener una velocidad de reacción adecuada a 560°C. C6 H 5 * C2 H 5 Reactor C6 H 5 * C2 H 5 C6 H 5 * C 2 H 3 H2 Temperatura 560 C = 833 K Presión P (1 bar = 1 * 10 N/m ) 5 2 . pueden satisfacerse de forma bastante inteligente empleando vapor de agua como diluyente. permaneciendo sin convertir ( 1 . Para evitar confusiones es conveniente plantear el balance de materia con toda claridad. la constante de equilibrio para la reacción es: PEs * PH K P 100 mbar PEt Siendo PEt. Un estudio del diseño de este proceso es además muy instructivo. que supondremos después igual a 1 Bar.condiciones de trabajo más ventajosas en el reactor. es decir. incluso en este caso relativamente sencillo. Supongamos que se trata de investigar a partir de las leyes básicas de deshidrogenisacion de etilbenceno. estireno e hidrogeno respectivamente. Ha de notarse que en la ecuación 1. separando y reciclando los reaccionantes).1: e e P P PEs * PH (1 e ) (1 e ) e2 KP P (1 e ) PEt (1 e2 ) P (1 e ) Es decir: e2 P 1 * 104 N/m 3 1 e2 (1. Una solución mejor.2) Así pues. a la salida del reactor.ENTRA moles a moles 1 .e P 1 e e P 1 e e P 1 e Por cada mol de etilbenceno que entra en el reactor.2 se observa que α e aumenta cuando P disminuya. El gas inerte más adecuado para este proceso es el vapor de agua. Si la mezcla de reacción esta en equilibrio. Se indicaran a continuación algunos métodos para mejorar este valor. es decir la conversión máxima posible empleando etilbenceno puro a 1 bar es solamente de un 30%. Para una presión total P. manteniendo al mismo tiempo la presión total ligeramente en exceso sobre la atmosférica. cuando P = 1 bar. las presiones parciales se indicas en la columna c (suponiendo un comportamiento de gas ideal). lo cual no es más que la expresión cuantitativa del principio de Le Chatelier. se indican en la columna b. .αe αe αe Total 1 + αe SALE b moles c moles C6 H 5 * C 2 H 5 C6 H 5 * C 2 H 3 H2 1 - - e 1 e e 1 e 1 . entre otras razones porque puede condensarse fácilmente.30.e 1 e 1 . lo cual no es muy satisfactorio (aunque es posible en algunos procesos operar a presiones bajas. el número total de moles aumenta a 1 + αe y la fracciones molares de las distintas especies en la mezcla. en comparación con un gas como el nitrógeno que originaria mayores problemas de separación. ya que al aumentar el número de moles en la reacción . Una ellas es que cualquier entrada de aire atreves de algún poro podría provocar la ignición. se favorece la descomposición de etilbenceno disminuyendo la presiones subatmosfericas. αe = 0. las presiones parciales indicadas han de satisfacer la ecuación 1. ´ C 6 H 5 * C 2 H 5 Reactor C6 H 5 * C 2 H 5 H 2O C6 H 5 * C2 H 3 H2 H 2O Temperatura 560°C = 833 K Presión P (1 bar = 1*10 N/m ) 5 2 ENTRA moles a moles 1–αe ´ SALE b moles c moles C6 H 5 * C 2 H 5 1 16 ´e 1 . ´e 16 ´e 1 . la conversión máxima posible ha aumentado al 70%. Solución: Se plantea de nuevo el balance global de materia sobre la base de 1 mol de etilbenceno que entra al reactor. determínese la nueva conversión en equilibrio α e.3) Por lo tanto cuando P = 1 bar.4 N/m3 ´ ´ (16 e )(1 e ) ´ e ´ e (1.3 se deduce que la conversión de equilibrio aumenta al hacerlo la ´ . Alimentación formada por etilbenceno y vapor de agua: Si la alimentación al proceso está formado por etilbenceno diluido con vapor de agua.Parte (ii). α e = 0.70 es decir. en la relación 15 moles/ 1 mol de etilbenceno. ´e P P P C6 H 5 * C 2 H 3 H2 - αe ´ ´ ´ 16 e ´ e e ´ ´ ´ e 16 ´e e - αe ´ 16 e 16 ´e H2O 15 Total 15 16 + α e ´ 15 ´e 16 ´e P P ´ ´ ´ PSt * PH e2 (16 e ) (16 e ) KP P ´ ´ ´ (1 e ) PEt (16 e )(1 e ) P ´ (16 e ) Es decir: ´ e2 P 1 * 10. De la ecuación 1. La relación óptima vapor de agua a etilbenceno ha de determinarse por un balance económico. Rendimiento relativo global 0. Selección final de las condiciones de reacción en el proceso de obtención de estireno. de una aleación más costosa de forma de resistir las severas condiciones de trabajo. La reacción de deshidratación es fuertemente endotérmico. obteniéndose una temperatura de 630°C a la entrada del lecho catalítico. El empleo de vapor de agua en el proceso de fabricación de estireno tiene además otra ventaja. La presencia de una proporción . Si el etilbenceno se calentase más lentamente hasta 630°C por intercambio de calor. El etilbenceno se calienta en los cambiadores de calor hasta 520°C y se mezcla después rápidamente con el vapor de agua más caliente. Los tubos del cambiador de calor tendrían que fabricarse. de forma que el reactor puede operar adiabáticamente. siendo el calor de reacción a 560°C (-∆H) = -125 Kj/Kmol. tiende a producirse descomposición y carbonización de las superficies de transmisión de calor.90.relación vapor carga de agua a etilbenceno.40. Presión de operación 1 bar. La mayor parte del vapor de agua. Un proceso para la obtención de estireno a partir de etilbenceno empleando 15 moles de vapor de agua / 1 mol de etilbenceno. Figura 5. a medida que se utiliza al hacerlo más vapor de agua su coste aumenta y no compensa el aumento en la conversión de etilbenceno. Con el fin de tratar de evitar la carbonización se hace pasar 10% del vapor de agua empleada. por esta causa. Conversión por paso 0. Parte (iii). se calienta separando de la corriente de etilbenceno y a una temperatura más elevada (710°C) que se requiere a la entrada del reactor. Sin embargo. Resulta instructivo estudiar con detalle las condiciones que se ensayaron originalmente para este proceso (figura 5). atreves de un cambiador de calor. La más importante de ellas es que actúa como una fuente interna de suministro de calor. juntamente con etilbenceno. un 90% del total que se emplea. Solución. elevad de vapor de agua en el reactor evita asimismo la deposición de coque sobre el catalizador. El proceso de obtención de estireno opera con una conversión de etilbenceno de . que el reactor opere con una conversión por paso igual a la conversión de equilibrio. b) Suministra una fuente interna de calor que hace posible la operación adiabática. al ser el calor de reacción endotérmica. en comparación con la conversión de equilibrio de 0. por lo tanto. Como se observa en el proceso de fabricación de estireno.40 está determinada por la velocidad de reacción sobre el catalizador. La conversión real de 0. El valor de 630°C para la temperatura de entrada se determina.010 restante en reacciones laterales no deseadas. El empleo de vapor de agua en el proceso descrito de fabricación de estireno e sun ejemplo de cómo el ingeniero ha de emplear un cierto grado de ingenio en el diseño del reactor.70. consumiéndose el . de forma que la . c) Evita la formación de coque sobre el catalizador y los problemas de carbonización en los calentadores de etilbenceno. generalmente. La velocidad de una reacción química disminuya a medida que se aproxima al equilibrio. 3.) El etilbenceno que no reacción se separa y recicla al reactor. es decir. Elección definitiva de las condiciones del reactor. Las ventajas que proporción el vapor de agua pueden resumir en la forma siguiente: a) Disminuye la presión parcial del etilbenceno sin necesidad de operar a presiones por debajo de la atmosférica.90. pero aumentarían las reacciones y disminuiría el rendimiento global del proceso. es igual a 0. El rendimiento global del proceso.040 por paso. Ha de notarse que la conversión por paso podría incrementar aumentando la temperatura a la entrada del lecho catalítico a más de 630°C. Examinado la constante de equilibrio de las reacciones en que interviene el carbón: C 6 H 5 * CH 2 * CH 3 8C 5H 2 C H 2 O CO H 2 Puede demostrarse que la formación de coque no es posible para relaciones elevadas vapor de agua/benceno. mediante un balance económico entre el coste de separación del etilbenceno que no ha reaccionado (que es elevado si la temperatura y conversión por paso son bajas) y el coste del etilbenceno consumido en reacción lateral innecesarias (que se elevado si la temperatura es elevada). no es posible. a la temperatura que predomina en el reactor.10. (La operación adiabática se caracteriza porque la temperatura disminuye al aumentar la conversión y la reacción tiende a pararse a la salida. moles de etilbenceno que se transforma en estireno por mol de etilbenceno que se suministra. Tanque con agitación continua. Reactor de lecho de carga móvil. CONCLUSIONES. Reactor de lecho fluidizado. se calcula a partir de la cinética de la reacción. la elección final de la temperatura. Reactor de lecho con escurrimiento. el objetivo es aumentar la conversión de la fracción convertida del reaccionante más barato. reactor de flujo pistón o tubular “plug flow” (PFR) o reactores de tanque continuamente agitado (CSTR . Reactor con combustible en suspensión. Para la determinación de qué reactor se puede usar se debe tomar en cuanto el proceso donde se desea incorporar y las condición del procesos. siempre que se disponga de datos. que pueden realizarse con ayuda de un ordenador. ha de elegirse aquella que proporcione el beneficio máximo par ale proyecto considerado globalmente. Dentro de los principales tipo de reactores están los: Reactor tubular. relación de reaccionantes y conversión a la que ha de operar el reactor depende de la evaluación económica global del proceso.conversión de equilibrio solo puede alcanzar si el reactor es muy grande o la reacción es extremadamente rápida. Fermentadores. los reactores discontinuos y semi discontinuo. Reactores de membrana. Aunque puede existir toda una serie de condiciones técnicas factibles. 4. Dentro de los diferentes tipos de reactores. Reactor de burbujas. vamos a tomar en cuenta estos cuatro tipos de reactores que nos ayudara a tener unos mejores criterios de selección según el proceso donde se desee incorporarlos. Reactor de lecho fijo. Reactor de mezcla perfecta. los costes de separación de los productos y los costes correspondientes a las corrientes de recirculación. desde el punto de vista económico. Ha de tener en cuenta en la misma los costes de reaccionantes. ambos pueden convertirse completamente en uno solo paso únicamente si se alimenta al reactor en proporciones estequiometrias. predicha por la constante de equilibrio. utilizar en exceso. Los Reactores más usado en la industria química son. Si intervienen dos o más reaccionantes en la reacción. Para un tamaño de reactor determinado. puede ser ventajoso. . Estos criterio de selección se pueden observa en el presente cuadro. En muchos casos. la relación estequiometria del reaccionantes es mucho más barato que el otro (especialmente agua o aire). Por último. presión. Reactores de recirculación. Han de incluir los diversos tipos de coste de operación. El tamaño de reactor necesario para obtener una conversión máxima. conversión final y tamaño del reactor. El flujo puede se diluido para ralentizar la reacción. Condiciones estacionarias. Desventajas Dependencia del proceso. Difícil de enfriar grades masas. La agitación suministra una herramienta de seguridad. Agitación presente solo si son disponibles mezcla en línea. La agitación suministrada una herramienta de seguridad. . se debe tomar en cuenta la energía que genera la reacción y el calor que es expulsado por dicha reacción. Velocidad de adición controlable. Condiciones estacionarias. La agitación suministra una herramienta de seguridad. Problemas de precipitación. Bajo rendimiento. Difícil de diseñar. Para esto se debe tomar en cuenta si la reacción es muy exotérmica. o camisas o serpentines en el reactor donde estos no ayudan a tener un mejor control de la reacción y así evitamos que se arruine el proceso. Difícil empezar y detener. Problemas de precipitación. Posibles puntos calientes. Hay que tomar en cuenta que como todo proceso se puede determinar el comportamieto de las reacción para ayudarno a entender mejor con se comporta dicha reacción tenemos a la termodinámica con el equilibrio químico y la cinetica química. Gran exotermia controlable. Todos los materiales. Todos estos criterios no ayudan a evitar reacciones peligrosas o descontrol de una determinada reacción. si es así se puede introducir intercambiadores de calor al proceso. Grandes inventarios. se acumulan reactivos). Según la reacción que conlleve un determinado proceso.PFR CSTR Ventajas Discontinuo Semi-Discontinuo Bajo Inventario. La temperatura de inicio es critica (si es muy baja. Gran inventario. Grandes exotermias difícil de controlar. 6. Introduccion a la teoría de los reactores químicos. 3.. Richardson. Elements of Chemical Reacction Enegineering Third Edition.1999 4. J. 5. Dr. Introducción a los Reactores Químicos. Reactores químicos. Jesús M.G. Ingeniería de reactores. H. 2. Rogelio Cuvas García. Denbing K. Editorial Síntesis 2002. BIBLIOGRAFÍA. 1984.M.F. Coulson y J.A. Scott Folgler.5. 1990. Editorial Reverte S. Henry Mendiburu Diaz. . Santamaría y Javier Herguido. PrenticeHall International editions. Diseño de reactores químicos Tomo III. 1..