QUÍMICA INDUSTRIALREACTORES QUÍMICOS

REACTORES QUÍMICOS Un reactor químico es

un equipo en cuyo interior tiene lugar una reacción química, estando éste diseñado para maximizar la conversión y selectividad de la misma con el menor coste posible. Si la reacción química es catalizada por una enzima purificada o por el organismo que la contiene, hablamos de biorreactores.

Clases de Reacciones Químicas Típicas en un Reactor Químico Reacciones Homogéneas: Cuando se afecta solamente una fase, ya sea

gaseosa, sólida, o líquida. Reacciones Heterogéneas: Cuando se requiere la presencia de al menos

dos fases para que tenga lugar la reacción a una velocidad deseada. Reacciones Enzimáticas: Utilizan catalizadores biológicos (proteinas con

alto peso molecular, con centros activos, y que trabajan a bajas temperaturas)

Reacciones Catalíticas: Son aquellas reacciones que requieren de una sustancia adicional (que no aparece en el balance global) para modificar la velocidad de reacción; esta sustancia por su mera presencia provoca la reacción química, reacción que de otro modo no ocurriría.

Reacciones No Catalíticas: Los materiales reactantes no necesitan ninguna sustancia adicional para dar lugar a la reacción química

Reacciones Autocatalíticas: En esta reacción, uno de los productos formados actúa como catalizador, participando en otra etapa del proceso donde velocidad de reacción es más rápido que en la primera.

Reacciones Endotérmicas: Son aquellas que adsorben calor del exterior. Reacciones Exotérmicas: Son aquellas que liberan calor hacia el exterior.

Las variables clave del proceso son:

Tiempo de retención (τ) Volumen (V) Temperatura (T) Presión (P) Concentración de las especies químicas (C1, C2, C3, ...

Cn) Coeficientes de transferencia de calor(h, U)

Un reactor químico es una unidad procesadora diseñada para que en su interior se lleve a cabo una o varias reacciones químicas. Dicha unidad procesadora esta constituida por un recipiente cerrado, el cual cuenta con líneas de entrada y salida para sustancias químicas, y esta 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.

CLASIFICACIÓNSegún el modo de operación: Reactores discontinuos: son aquellos que trabajan por

cargas, es decir se introduce una alimentación, y se espera un tiempo dado, que viene determinado por la cinética de la reacción, tras el cual se saca el producto.

Reactores continuos: son todos aquellos que trabajan de forma continua.

Según las fases que albergan:

Reactores homogéneos: tienen una única fase, líquida o gas.

Reactores heterogéneos: tienen varias fases, gas-sólido, líquido-sólido, gas-líquido, líquido-líquido, gas-líquido-sólido.

Para el diseño de un reactor se establece un modelo teórico para su desarrollo. A este tipo de reactor se le denomina ideal y establece los parámetros a groso modo que un reactor debe cumplir.

Dentro de la idealidad existen básicamente tres tipos de modelos de reactores:

Reactores Ideales

Reactores discontínuos: trabajan en estado no estacionario y el más sencillo sería un tanque agitado.

Tipos de Reactores Ideales

Reactores continuos tipo tanque agitado (CSTR): estos reactores trabajan en estado estacionario, es :decir que sus propiedades no varían con el tiempo. Este modelo ideal supone que la reacción alcanza :la máxima conversión en el instante en que la alimentación entra al tanque, es decir que en cualquier :punto de este equipo las concentraciones son iguales a las de la corriente de salida.

Reactores en flujo pistón (PFR): estos reactores trabajan en estado estacionario, es decir las :propiedades en un punto determinado del reactor son constantes con el tiempo. Este modelo supone un flujo ideal de pistón, y la conversión es función de la posición.

En muchas situaciones estos modelos ideales son válidos para casos reales, en caso contrario se habrán de introducir en los balances de materia, energía y presión términos que reflejen la desviación de la idealidad. Si por ejemplo la variación de las propiedades se debe a fenómenos de transporte de materia o calor se pueden introducir las leyes de Fick o Fourier respectivamente.

a) REACTOR DISCONTINUO. b) REACTOR CONTINUO. c) REACTOR SEMICONTINUO: d) REACTOR TUBULAR. e) TANQUE CON AGITACIÓN CONTINUA. f) REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO. g) REACTOR DE LECHO FIJO. h) REACTOR DE LECHO CON ESCURRIMIENTO. i) REACTOR DE LECHO DE CARGA MÓVIL. j) REACTOR DE BURBUJAS. k) REACTOR CON COMBUSTIBLE EN SUSPENSIÓN. l) REACTOR DE MEZCLA PERFECTA.

Reactores Reales

m) REACTORES DE RECIRCULACIÓN. n) REACTORES DE MEMBRANA. o) FERMENTADORES. p) REACTOR TRICKLE BED.

También se pueden mencionar los reactores ISOTÉRMICOS, que son aquellos que trabajan u operan a una misma temperatura constante; y también los reactores ISOBÁRICOS, que son aquellos que trabajan u operan a una misma presión constante.

Reactores Reales

PRODUCCIÓN INDUSTRIAL DE ÓXIDO DE PROPILENO

El óxido de propileno es un compuesto

orgánico líquido, incoloro y volátil, el cual es producido industrialmente a gran escala. Una de sus aplicaciones más importante es la producción de polioles para la producción de plasticos de poliuretano.

La fabricación del óxido de propileno (OP) no se efectúa industrialmente por oxidación directa del propileno con aire u oxígeno debido a la baja selectividad de esta vía de obtención, ya que el metilo en posición alílica resulta fácilmente oxidable. Por este motivo su fabricación se efectúa bien por la antigua vía de la clorhidrina o bien mediante oxidación indirecta.

Óxido de propileno vía clorhidrina El proceso se basa en la reacción del propileno con el ácido

hipocloroso y en la deshidrocloración posterior de las propilenclorhidrinas (α y β en proporción 9/1)

Se procede por la conversión de propileno a propilenclorhidrinas.

La reacción produce una mezcla de 1-cloro-2-propanol y 2-cloro-1-propanol, los cuales son dehidroclorinados.

En el proceso industrial se utiliza cal para la absorción de cloruros normalmente.

El ácido hipocloroso se obtiene burbujeando cloro en agua en un reactor tipo torre evitando el contacto del cloro con el propileno antes de la formación del ácido, por lo cual, el propileno se alimenta al reactor por encima de la entrada del cloro. La reacción es exotérmica y tiene lugar a 35 – 50 ºC, y a la salida del reactor la concentración es de 4,5 – 5 %p de propilenclorhidrina. El rendimiento del cloro y del propileno es del 8 – 90 %, siendo el principal subproducto el dicloropropano.

El propileno no reaccionado se lava con sosa cáustica y se recicla, purgándose una pequeña proporción para evitar acumulación de inertes. En el saponificador, se neutraliza el ácido clorhídrico con hidróxido cálcico, a la vez que se produce el OP. Por el fondo del saponificador se borbotea vapor, produciendo un stripping del OP en la corriente que pasa al decantador, donde se separan los fangos de cloruro cálcico.

El rendimiento de la transformación de la propilenclorhidrina es del 95 %. Esta vía de fabricación tiene el inconveniente del consumo de cloro que se transforma en un residuo sin valor (CaCl2) resultando menos económica que la oxidación indirecta. Sin embargo, dado que el consumo específico de cloro es menor en la obtención del OP que en el caso del OE muchas fábricas que estaban produciendo inicialmente OE por esta vía, no pudieron hacer frente a la competencia del OE fabricado por oxidación directa y, con ligeras modificaciones de proceso, pasaron a fabricar el OP.