Reactor químic

Un reactor químic és un equip en l'interior del qual té lloc una reacció química, dissenyat per a maximizar la conversió i la selectivitat d'eixa reacció en el menor cost possible. Si la reacció química és catalizada per una enzima purificada o per l'organisme que la conté, es parla de biorreactores. El disseny d'un reactor químic requerix coneiximents de termodinàmica, cinètica química, transferència de massa i energia, aixina com de mecànica de decorreguts; balanços de matèria i energia són necessaris. Per lo general es busca conéixer el tamany i el tipo de reactor, aixina com el método d'operació. Ademés, en base en els paràmetros de disseny s'espera poder predir en alguna certea la conducta d'un reactor davant certes condicions; per eixemple, un bot en escaló en la composició d'entrada.

Tipos de reactors químics

Existixen vàries formes de classificar-los:

Segons el modo d'operació

Reactors discontinus: són aquells que treballen per càrregues, és dir s'introduïx una alimentació, i s'espera un temps donat, que ve determinat per la cinètica de la reacció, despuix del qual es trau el producte. Reactors continus: són tots aquells que treballen de forma contínua.

Segons el tipo de fluix intern

Reactors ideals: solen ser descrits en equacions ideals senzilles i no consideren efectes físics més complexos o destorbament menuts. Reactors no ideals: consideren el patró de fluix, l'existència de zones mortes dins del reactor a on el material no circula, ademés consideren una dinàmica de decorreguts més complexa, solen descriure's coneixent la cinètica de les reaccions, la RTD (distribució d'edat del decorregut) del fluix, el tipo de mesclat podent ser este tardà o immediat, i coneixent si el tipo de decorregut és micro o macro decorregut.

Segons les fases que alberguen

Reactors homogéneus: tenen una única fase, líquida o gas. Reactors heterogéneus: tenen vàries fases, gas-sòlit, líquit-sòlit, gas-líquit, gas-líquit-sòlit.

Idealment, poden supondre's tres tipos de reactors homogéneus:

Reactor Batch

Archiu:Batch reactor caps block 1 .svg

símbol reactor Batch

Archiu:Rührbehälter Bauform caps block 2 .jpg

Vista d'un recipient d'agitació esmaltado

Treballen en estat no estacionario i el més senzill seria un tanc agitat. Este reactor té la ventaja de que el seu cost d'instrumentació és baix, ademés de ser flexible en el seu us (se li pot detindre de modo fàcil i ràpit). Té la desventaja d'un elevat cost en el seu funcionament i de mà d'obra per la gran cantitat de temps que es passa parat per la càrrega, descàrrega i neteja; Ademés no sempre és possible implementar un sistema de control adequat. Este reactor sol usar-se en chicotetes produccions o proves pilot. Assumint que en un reactor Batch la composició és uniforme en qualsevol instant i basant-se en la selecció d'un component limitante; Les equacions de disseny per a este tipo de reactor en estat estacionario es deduïxen de la següent forma (es pren com a eixemple l'espècie molar A):

$Entrada=Salida-Generado+Consumido+Acumulado$

$0=0+0+Consumo+Acumula$

$(r_{A}V)=\frac{d{N}_A}{dt}$ Sent V el volum del decorregut en el reactor i $(-r_A)$ la velocitat de reacció per al component limitante. Evaluant els térmens de l'equació anterior es pot calcular el temps de residència necessari per a alcançar la conversió desijada.

$r_{A}V=\frac{d{N}_A}{dt}$

$-r_{A}V=N_{A0}\frac{d{X}_A}{dt}$

$t=\underset{0}{\overset{X_A}{\int }}\frac{N_{A0}}{-r_{A}V}dX$

a on X representa la conversió conseguida i està relacionada en la concentració, estan relacionades per:

$C_{A0}{X}_A=C_{A0}-C_A$

X pren un valor entre 0 i 1

Per a aquelles reaccions en les que el volum de la mescla canvia proporcionalment a la conversió l'equació es transforma en

$t=\underset{a}{\overset{b}{\int }}\frac{N_{A0}}{-r_A{V}_A(1+\epsilon X_A)}dX$

Sent $\epsilon$ una constant representativa del canvi del volum en relació en la conversió, en térmens matemàtics:

$\epsilon =\frac{V_{x_A=1}-V_{x_A=0}}{V_{x_A=0}}$

per a canvis en atres components es té:

${\epsilon }_A{X}_A={\epsilon }_B{X}_B$

A banda del temps de reacció, en un procés industrial deu afegir-se el temps de càrrega, descàrrega i neteja per a un este tipo de reactors i en general processos en lots.

El balanç d'energia per a este tipo de reactor oferix 3 possibilitats que depenen del modo d'operació i de les exigències de producció requerides.

• modo politrópico:    $m\cdot C_p\cdot \frac{dT}{dt}=U\cdot A\cdot (T_{servicio}-T_{reactor})+R\cdot -{\Delta }_{r}H\cdot V$

• modo isotèrmic:       $0=U\cdot A\cdot (T_{servicio}-T_{reactor})+R\cdot -{\Delta }_{r}H\cdot V$

• modo adiabàtic:     $m\cdot C_p\cdot \frac{dT}{dt}=R\cdot -{\Delta }_{r}H\cdot V$

En mencionar servici es fa referència als servicis tèrmics, com a eixemple es pot mencionar el sistema de calfament per vapor, o l'us d'un bescanviador de jaqueta en un recipient.