jueves, 28 de febrero de 2013

Introducción a los Reactores Químicos. Reactores Continuos.



En la cotidianidad nos damos cuenta del sinfín de compuestos químicos utilizados. Todas las personas del ámbito de la química, bien sea ingeniería o la ciencia pura, deberían peguntarse-no estoy delimitando, cualquiera se lo podría preguntar-dónde se producen los reactivos que se utilizan a escala de laboratorio y a nivel industrial, con los cuales la vida se hace un poco más sencilla, o preguntarse, y esta vez refiriéndome a mis colegas del mundo de la química, de dónde salen los compuestos que generalmente desarrollamos en nuestras reacciones químicas. Por más inverosímil que sea una reacción química determinada debemos tener en cuenta que todas son posibles y todas, algunas más que otras, tienen una importancia considerable debido a que en algunas el producto generado ofrece algún beneficio con respecto a otro, siendo la producción del compuesto suplente un tanto más económico, por ejemplo. Es muy amplia la justificación de la producción de compuestos químicos ya que hay casos en los cuales la necesidad del producto coloca el aspecto económico en segundo plano. Al condensar todas las consideraciones que hemos tratado le damos una respuesta directa a la interrogante anterior. La respuesta es en un Reactor Químico, el cual se define como un equipo en cuyo interior se desarrolla una reacción química, diseñado con el objeto de maximizar la conversión y la selectividad de la reacción seleccionada con el menor costo posible. Esto hace que los reactores químicos sean sin duda alguna una de las unidades de procesos más importantes en el ámbito de la Ingeniería Química. Para poder comprender su operación y diseño, es necesario contar con conocimientos previos en el área de cinética química. El dominio del diseño de reactores y cinética química son aspectos fundamentales que distinguen un ingeniero químico de cualquier otro en un campo de aplicación determinado. El estudio de reactores se condensa en una rama de la Ingeniería Química denominada "Ingeniería de las Reacciones Químicas", la cual evalúa las reacciones químicas en los reactores a escala industrial. Su objeto de estudio es el diseño y funcionamiento óptimo de las unidades de procesos mencionadas anteriormente. Es atrevido decirlo, pero autores mencionan que la Ingeniería de Reacciones es lo que hace que la Ingeniería Química sea una rama de la Ingeniería. No necesariamente es así. Hay otras unidades de procesos que también tienen un papel fundamental en Ingeniería Química y que se estarán estudiando más adelante.

Los reactores químicos tienen una clasificación bastante simple.
  1. Según su modo de operación se encuentran los reactores discontinuos y continuos. 
  2. Según el tipo flujo dentro de la unidad se tienen los reactores ideales y no ideales.
  3. Según las fases albergadas se cuentan con los reactores homogéneos y heterogéneos.
La continuidad o discontinuidad responde al hecho de cómo opera el reactor. Los reactores discontinuos son también denominados reactores por lotes, debido a que una cantidad de reactivo es colocado en la unidad, esperando un tiempo determinado en el cual la reacción transcurre para luego retirar el producto final. El tiempo de espera depende de la cinética química de la reacción a tratar. Por otra parte, un reactor continuo es aquel en donde su alimentación se hace en forma continua y no por lotes o cargas.

Reactor discontinuo Batch.
A pesar de que los reactores más utilizados a escala industrial son los reactores continuos, cabe destacar que éstos, en casos donde la producción sea descomunal, casi nunca se comportan idealmente, ya que en ellos, con el pasar del tiempo, se va generando zonas muertas en donde el fluido no circula. Esto va a depender de lo corrosivo que sean los reactivos en la reacción trabajada, y aunque sean reactores denominados ideales por la sencillez de su diseño, se deben tomar en cuenta todas las consideraciones que podrían hacer que el rendimiento de operación se vea disminuido.

En esta introducción abarcaremos más a fondo las características de los reactores continuos, estudiando los dos más utilizados a nivel industrial y en muchas síntesis de gran utilidad. En próxima instancia abarcaremos el estudio de reactores discontinuos y estableceremos diferencias en cuanto a los reactores estudiados en esta oportunidad. Finalizando con reactores de estudios más complejos como los catalíticos y heterogéneos.

Los reactores continuos utilizados con mayor frecuencia son los de tanque agitado o de mezcla completa y los reactores de flujo en pistón. Los reactores continuos de tanque agitado (CSTR), o también denominados de flujo de mezcla completa (RFMC), son unidades de reacción que operan en estado estacionario. Consiste en un tanque en donde la alimentación posee la misma concentración de la corriente de salida en cualquier punto del interior del mismo, y teóricamente se alcanza la máxima conversión de los reactivos en el instante en que éstos entran a la unidad. Cuentan con un sistema de agitación que garantiza el mezclado de los reactivos para generar un mayor rendimiento de los productos de salida. Cada reacción en particular necesita ciertas revoluciones de mezclado pero en el diseño se considera una holgura en las revoluciones por minuto del motor de agitación para garantizar un mayor mezclado que en teoría se considera un mezclado perfecto, pero a nivel físico puede no cumplirse ese criterio por consideraciones que abarcan desde el sistema mecánico del reactor que proporciona el mezclado, hasta la compatibilidad de los reactivos a la hora de reaccionar, sin embargo, ajustándose a condiciones ideales puede darse un mezclado de alta eficiencia, garantizando la máxima conversión de los reactivos en la unidad. 

Reactor continuo de tanque agitado
A nivel industrial es uno de los reactores más comunes debido a su rentabilidad económica. Su diseño, al igual que los demás reactores, depende de la cinética química y naturaleza de la reacción, y de la cantidad de producto deseado se quiera generar 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 práctico, en la síntesis de compuestos orgánicos oxigenados a partir de alcoholes, es necesario un calentamiento que catalice la reacción, es por esto que entre los reactores de tanque se tienen los denominados reactores con chaquetas de calentamiento, en los cuales un fluido caliente transfiere calor a las paredes de la unidad para proporcionar la energía necesaria a la reacción a desarrollar. Consiste en un intercambiador de calor colocado en serie al reactor en donde el fluido realiza un recorrido cíclico, transportándose desde la salida caliente del intercambiador, entrando a la chaqueta del reactor, y saliendo frío para entrar al intercambaidor y ser calentado nuevamente.



Reactor de Mezcla Completa con chaqueta de calentamiento
Reactor de tanque agitado con sistema de calentamiento
Otra alternativa para catalizar ciertas reacciones químicas en las cuales el calentamiento no basta es la implementación de catalizadores sólidos. Esta modificación de los CSTR se conoce como reactores empacados. El ingeniero debe determinar cuánta masa de catalizador necesita la reacción en estudio para evitar gastos innecesarios debido a que los catalizadores utilizados con frecuencia tienden a ser en algunas ocasiones relativamente costosos. Un ejemplo práctico es la síntesis de glicerol a partir de la oxidación de alcohol alílico, utilizando catalizadores de Wolframio, por lo general sólidos.

Otro de los reactores continuos a estudiar que también cuenta con gran utilidad a nivel industrial, es el reactor de flujo en pistón o reactor tubular (PFR). Al igual que el CSTR, opera de forma estacionaria, solamente que no se considera que la concentración de las especies es uniforme en toda la mezcla, sino que se incrementa progresivamente a medida que la reacción se va dando en el haz de tubos, y su conversión progresa a lo largo del recorrido. Consiste en un haz de tubo que puede ser unitubular o pluritubular, dependiendo de la demanda del compuesto deseado y de la disposición del espacio en donde opere la unidad. Su principal ventaja en comparación al reactor de tanque agitado es que, al calcular el volumen del reactor, en ingeniero consultor para la construcción puede buscar la disposición del reactor que implique el menor espacio posible, ya que el haz de tubos puede construirse de varias maneras.
Reactor de Flujo en Pistón con Intercambio de Calor sobre el haz de tubos
Reactor de Flujo Pistón combinado con Intercabiador de Calor
Al igual que los reactores de mezcla completa, los RFP pueden contar con un intercambio de calor y empaques de catalizador que requiera la reacción. En los reactores de flujo pistón el calentamiento más utilizado es el diseño de un intercambiador de calor de doble tubo, en donde el interno pertenezca al del reactor, fluyendo el fluido de calentamiento por el externo. Algunas veces es poco eficiente este método ya que la velocidad de los reactivos es más rápida que la velocidad del fluido de calentamiento, por ello, se emplean deflectores en el tubo externo para generar una turbulencia que maximice el intercambio de calor en las paredes del reactor. Es por la cualidad de combinar un intercambiador de calor en su misma estructura que es considerado uno de los reactores más versátiles en diversas síntesis.

RFP con haz de tubos de menor espacio
Debido a que en el reactor de flujo pistón a medida que los reactivos se desplazan a lo largo del mismo, la conversión va incrementando, al momento de empacarlo con catalizador el ingeniero debe ser muy cuidadoso ya que debe saber la conversión exacta de los reactivos en una posición determinada para colocar el catalizador, y luego, más adelante en el haz de tubos, volver a empacar con otra conversión hasta alcanzar la máxima al final del reactor. Es la principal desventaja en comparación con el reactor de mezcla completa ya que el empaque debe hacerse progresivamente a medida que la conversión de los productos aumente.

Hemos analizado cada uno de los casos por separado de cada uno de los reactores continuos más utilizados, pero hay casos donde sólo se puede alcanzar cierta conversión en uno de ellos, no necesariamente la máxima, y el equipo no puede promover una más alta. En esos casos se cuenta con los sistemas de reactores, que no es más que colocar un reactor de flujo pistón y uno de tanque agitado en serie. Cuál de los dos esté primero va a responder a las consideraciones de diseño y la naturaleza de la reacción. Se dan los casos en donde el RFP va primero que el CSTR, o viceversa, y en casos más remotos se tienen los mismos tipos de reactores en serie variando únicamente los volúmenes de los mismos. 
Sistemas de Reactores. Serie de dos CSTR con dos RFP.

Teóricamente se sabe que para algunas reacciones determinadas en las cuales se quieran alcanzar altas conversiones, la serie RFP-CSTR, es la más indicada. De igual forma, los reactores continuos seguirán siendo los más confiables en la producción de compuestos químicos a gran escala, compuestos que estarán destinados a cualquier campo que lo requiera, y que seguirán en las mentes de los suspicaces que aun se preguntan dónde se producen.






Para los suspicaces, les dejamos estos colosos de las reacciones químicas. Esperamos sus comentarios ante la introducción a este complejo mundo inmerso en el complejo mundo de la Ingeniería Química.

Reactor de Flujo en Pistón
Reactor Continuo de Tanque Agitado