Reactor Tanque Agitado de Mezcla Perfecta Semicontinuo Diseño de Reactores Químicos
F.Cunill, M.Iborra, J.Tejero
Un reactor semicontinuo es una variación de un reactor discontinuo. Un reactor se considera semicontinuo en una gran diversidad de circunstancias, puede tener algunos elementos en continuo y otros en discontinuo. En este tipo de reactores un reactante se añade de forma intermitente o de forma continua a otro es añadido por cargas en el reactor, o un producto puede ser eliminado de forma intermitente o continua del reactor a medida que la reacción tiene lugar. El sistema de reacción puede ser homogéneo o heterogéneo, es decir, de una sola fase o multifásico. Como reactor discontinuo, su operación es inherentemente no estacionaria y generalmente caracterizada por un ciclo de operación, aunque más complicado.
Por ejemplo, en un fermentador se carga un reactante que produce por reacción dióxido de carbono el cual se retira continuamente. Otro ejemplo se halla en las reacciones gas-líquido, como las reacciones de cloración, en las que se hace burbujear el gas de manera continua sobre un líquido cargado.
También es un reactor en el que una fase se alimenta continuamente, fluye de manera continua a través del reactor, mientras que la otra fase se halla cargada en el reactor. Esta operación es no estacionaria respecto a la fase cargada y puede ser estacionario, como por ejemplo en un reactor catalítico de lecho fijo, o no estacionario respecto a la fase que fluye, como en un lecho fijo con sólido reactante.
Este tipo de reactores presenta una gran cantidad de variaciones, por lo que es muy difícil generalizar el diseño o el análisis. Consecuentemente, a continuación se van a tratar ciertos modos de operación, que denominaremos reactores semidiscontinuos y reactores semicontinuos.
La figura (a) muestra un reactor semidiscontinuo en el que se lleva a cabo una reacción homogénea del tipo A+B→Productos. Inicialmente el reactante A se ha cargado en el reactor y el reactante B se añade con un caudal determinado. Pueden darse situaciones en las que se retire un producto y en las que no.
La figura (b) muestra un reactor semidiscontinuo en el que se lleva a cabo una reacción heterogénea gas-líquido (G-L) en la que se forma un producto gaseoso que se retira a medida que la reacción evoluciona, un ejemplo es la eliminación del vapor de agua en la reacción de esterificación.
La figura (c) muestra una combianción de los dos casos anteriores.
La figura (d), (e) y (f) muestran reactores semicontinuos. La figura (d) corresponde a un reactor gas-líquido, como por ejemplo la fermentación anaeróbica en la que se alimenta O2 o aire continuamente al substrato líquido (producción de penicilina). La figura (e) muestra un lecho fijo catalítico en el que el sólido catalítico opera en discontinuo mientras que la fase fluida lo hace en continuo. Un lecho fluidizado puede operar en una manera similar. Un reactor de deposición química de vapor también opera de la misma manera, aunque el gas fluye continuamente sobre un sólido en forma de superficie. Este tipo de operación es adecuada cuando el catalizador no se desactiva o se desactiva muy lentamente.
Si el catalizador se desactiva se usa la configuración mostrada en la figura (f), dos lechos fijos en paralelo que operan de forma alternada combinando reacción y regeneración.
El reactor semicontinuo es probablemente el tipo de reactor más frecuente en la industria química, especialmente en la de química fina, en los laboratorios de química orgánica y en los procesos biotecnológicos. Los motivos por lo que ello sucede son los siguientes:
Diseño
El diseño de este tipo de reactores es en estado no estacionario. Sin embargo, en algunos casos es posible simplificarlo realizando ciertas aproximaciones. Así por ejemplo, en el caso (f), si el flujo de gas continuo es suficientemente elevado puede considerarse que su composición no varía; también en el caso (e) cuando el catalizador se desactiva lentamente.
Caso 1
La reacción en fase líquida A+B→C, se lleva a cabo en un reactor tanque agitado ideal (de mezcla perfecta) en el que se ha cargado el reactante A y el reactante B se añade lentamente. El BMM sobre A es
El BMM global en unidades másicas es
si la densidad del sistema es constante
con lo que el BMM de A resulta
Por otro lado el BMM de B es
Expresado en función de conversión deben debe implementarse las siguientes ecuaciones:
Evidentemente, como en los casos ya estudiados, el modelo matemático requiere también del balance macroscópico de entalpia
Cuyos términos se concretaran según el tipo de reactor semicontinuo y del régimen de operación, isotermo o adiabático. Es necesario señalar que el área de intercambio de calor también puede ser variable. En este tipo de reactores, al igual que en los discontinuos, el diseño del intercambio de calor puede ser complicado y determinante. Por otro lado, la densidad y el calor específico pueden ser constantes o variables. Si el orden de la reacción no es ni cero ni uno, y/o la reacción es no isoterma la resolución de este sistema de ecuaciones debe ser numérica.
Este tipo de reactores presenta una gran cantidad de variaciones, por lo que es muy difícil generalizar el diseño o el análisis. Consecuentemente, a continuación se van a tratar ciertos modos de operación, que denominaremos reactores semidiscontinuos y reactores semicontinuos.
La figura (a) muestra un reactor semidiscontinuo en el que se lleva a cabo una reacción homogénea del tipo A+B→Productos. Inicialmente el reactante A se ha cargado en el reactor y el reactante B se añade con un caudal determinado. Pueden darse situaciones en las que se retire un producto y en las que no.
La figura (b) muestra un reactor semidiscontinuo en el que se lleva a cabo una reacción heterogénea gas-líquido (G-L) en la que se forma un producto gaseoso que se retira a medida que la reacción evoluciona, un ejemplo es la eliminación del vapor de agua en la reacción de esterificación.
La figura (c) muestra una combianción de los dos casos anteriores.
La figura (d), (e) y (f) muestran reactores semicontinuos. La figura (d) corresponde a un reactor gas-líquido, como por ejemplo la fermentación anaeróbica en la que se alimenta O2 o aire continuamente al substrato líquido (producción de penicilina). La figura (e) muestra un lecho fijo catalítico en el que el sólido catalítico opera en discontinuo mientras que la fase fluida lo hace en continuo. Un lecho fluidizado puede operar en una manera similar. Un reactor de deposición química de vapor también opera de la misma manera, aunque el gas fluye continuamente sobre un sólido en forma de superficie. Este tipo de operación es adecuada cuando el catalizador no se desactiva o se desactiva muy lentamente.
Si el catalizador se desactiva se usa la configuración mostrada en la figura (f), dos lechos fijos en paralelo que operan de forma alternada combinando reacción y regeneración.
El reactor semicontinuo es probablemente el tipo de reactor más frecuente en la industria química, especialmente en la de química fina, en los laboratorios de química orgánica y en los procesos biotecnológicos. Los motivos por lo que ello sucede son los siguientes:
- Permiten controlar las concentraciones y con ello mejorar la selectividad del sistema de reacciones
- El control de la temperatura, sobre todo en reacciones exotérmicas
- Evitar la toxicidad de sustratos para producir organismos o enzimas aislados
- Eliminar el producto permite aumentar la conversión y la selectividad
- Evitar la acumulación de reactantes propensos a la descomposición térmica
- Simular la producción continua especialmente para pequeña escala
- al igual que en el reactor discontinuo, la producción se ve limitada por la naturaleza cíclica.
- el coste de operación puede ser elevado.
- el diseño y el análisis de operación es complicado por ser estado no estacionario
- un dispositivo como (f) requiere un sistema de tuberías y de válvulas complejo.
Diseño
El diseño de este tipo de reactores es en estado no estacionario. Sin embargo, en algunos casos es posible simplificarlo realizando ciertas aproximaciones. Así por ejemplo, en el caso (f), si el flujo de gas continuo es suficientemente elevado puede considerarse que su composición no varía; también en el caso (e) cuando el catalizador se desactiva lentamente.
Caso 1
La reacción en fase líquida A+B→C, se lleva a cabo en un reactor tanque agitado ideal (de mezcla perfecta) en el que se ha cargado el reactante A y el reactante B se añade lentamente. El BMM sobre A es
El BMM global en unidades másicas es
si la densidad del sistema es constante
con lo que el BMM de A resulta
Por otro lado el BMM de B es
Expresado en función de conversión deben debe implementarse las siguientes ecuaciones:
Evidentemente, como en los casos ya estudiados, el modelo matemático requiere también del balance macroscópico de entalpia
Cuyos términos se concretaran según el tipo de reactor semicontinuo y del régimen de operación, isotermo o adiabático. Es necesario señalar que el área de intercambio de calor también puede ser variable. En este tipo de reactores, al igual que en los discontinuos, el diseño del intercambio de calor puede ser complicado y determinante. Por otro lado, la densidad y el calor específico pueden ser constantes o variables. Si el orden de la reacción no es ni cero ni uno, y/o la reacción es no isoterma la resolución de este sistema de ecuaciones debe ser numérica.
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Son los conservantes que se usan en mayor cantidad. Ambos actúan por desecación osmótica. Al subir la concentración de los solutos, se podrá provocar la plasmolisis de los organismos presentes. Para conseguir el mismo efecto hará falta 6 veces más azúcar que sal.
Son usados con gran profusión, sobre todo en carnes y queso. Su aplicación tiene una serie de efectos sobre el alimento.
Se usan benzoatos o parabenos, los ésteres. Históricamente se ha usado mucho. Su actividad depende del pH, de manera que a mayor acidez, mayor efecto. Su función es modificar el tránsito de la membrana. Se usan como potentes antifúngicos, para evitar el crecimiento de hongos y mohos.
Se usan en forma de sorbatos. Se pueden usar en combinación con los nitritos. Tienen utilidad contra géneros como Vibrio,... Impiden la germinación de esporas. Actúan a nivel de la membrana celular.
Se usa en forma de gas, con efectos conservantes. Se han usado tambien sulfito (H2SO3), bisulfito (HS2O3) y metabisulfito. El pH va ascendiendo, siendo más bajo con el dióxido de azufre y más alto con el metabisulfito.
Es un gas tóxico e inflamable. Produce vómitos, nauseas,... Se ha de ser precavido en su manipulación. Es un potente agente alquilante, siendo también tóxico para los microorganismos. Puede usarse para llegar donde no llegarían otros conservantes, como muchos gases. Se puede usar para en bajas concentraciones para el tratamiento y conservación de cereales, ya que también matará insectos.
Durante mucho tiempo se pensó en usar antibióticos como conservantes, pero actualmente es una idea en desuso. Lo que más se ha usado es la nisina, que es una bacteriocina, sustancias actualmente de mayor interés. En general están muy en desuso.
