Conceptos básicos de reactores químicos

Los reactores químicos son fundamentales para la industria y la ingeniería química. En términos generales, se trata de tanques en donde se producen diversas reacciones químicas, las cuales, tienen como consecuencia un cambio en la composición de los elementos que se encuentran dentro del reactor.

Reactor químico del tipo batch

Los reactores químicos pueden tener diferentes tipos de geometría o dimensión, dependiendo del diseño original que tengan y la función específica para la que han sido creados.

En este artículo, veremos el concepto básico de reactor químico, su descripción, importancia y los principales tipos de reactores químicos. Toda esta teoría es importante para el diseño de reactores sólidos. En próximos artículos se desarrollará y definirá cada tipo de reactor químico por separado, ya que es un tema bastante extenso.

Tabla de contenidos

✔Conceptos básicos de reactores químicos

Conceptos básicos de reactores químicos

Es necesario tener en cuenta una serie de conceptos básicos que nos permitirán entender el funcionamiento de los reactores químicos. Estos conceptos son los siguientes:

Fase

Se trata de una región uniforme en un sistema. Al ser uniforme, sus propiedades físicas y su composición química también son uniformes.

Sistema homogéneo

Son aquellos sistemas en donde la reacción presenta una sola fase. Por ende, su composición es la misma en cualquier parte del sistema.

Sistema heterogéneo

Es aquel sistema que requiere más de una fase para que se lleve a cabo la reacción. En los reactores con sistema heterogéneo, existe más de una fase.

Elemento de volumen

Es la región del sistema que cuenta con propiedades que pueden considerarse constantes.

Tiempo de residencia (t)

Es el tiempo de permanencia de un fluido dentro del reactor, o tiempo efectivo de reacción. En ocasiones, este tiempo de residencia es igual para todos los elementos del fluido, mientras que en otras oportunidades, presentan una distribución de tiempos de residencia, o RTD, por sus siglas en inglés.

Tiempo de residencia promedio

Es el tiempo promedio de permanencia de todos los elementos del fluido, dentro del reactor.

Definición de reactor químico

Reactor químico horizontal. Imagen de MAN

Un reactor químico es una unidad procesadora diseñada para que en su interior se lleven a cabo una o varias reacciones químicas. Estas unidades, por lo general, están constituidas por recipientes cerrados, los cuales cuentan con líneas de entrada y salida para las sustancias químicas con las que se va a trabajar. Asimismo, suelen poseer accesorios internos y externos para mantener su diseño, y se encuentran gobernadas por algoritmos de control de procesos.

Este tipo de unidades son diseñadas para maximizar la conversión y la selectividad de la reacción o reacciones, que se llevan a cabo dentro del reactor, con el menor coste posible. Cuando un reactor utiliza como catalizador una enzima, es conocido como biorreactor. Los reactores químicos son diseñados para que los reactivos contenidos dentro de ellos, puedan reaccionar entre sí de la mejor manera posible.

Para lograr el diseño de un reactor químico de manera eficiente, se requieren conocimientos claros en diversas áreas de estudio de la ingeniería, como la termodinámica, la cinética química, la transferencia de calor y masa, la mecánica y el manejo de fluidos.

De forma general, se puede decir que los objetivos fundamentales del diseño de reactores, es conocer las dimensiones de éstos, el tipo de reactor que se va a utilizar y el método de operación que éste utilizará. Además, hay que tener en cuenta los parámetros de diseño para poder predecir con un grado aceptable de certidumbre, el desempeño del reactor en las condiciones de operación requeridas.

Funciones principales de un reactor químico

Las funciones principales de un reactor químico son las siguientes:

Asegurar que se lleve a cabo un contacto eficiente de los reactantes dentro del tanque de reacción, para de este modo conseguir la reacción deseada.
Proporcionar el tiempo de residencia necesario para que la reacción entre reactantes y catalizador se lleve a cabo.
Permitir condiciones de operación deseadas (presión, temperatura y concentraciones) para que la reacción en su interior y la cinética química se lleven a cabo, atendiendo los aspectos termodinámicos y cinéticos asociados a la reacción.

Importancia de los reactores químicos

Debido a que los reactores químicos tienen la función de realizar cambios químicos en su interior (dados por una o varias reacciones), son utilizados a gran escala en diferentes tipos de industrias: Alimenticias, tratamiento de aguas, químicas, farmacéuticas, petroquímicas, reciclaje, entre otras, que requieren de este tipo de conversiones para realizar diferentes tareas, como disolución de sólidos, destilación, extracción líquido-líquido, polimerización, mezclas de productos, etc.

Por lo tanto, los reactores son unidades procesadoras vitales para una gran cantidad de industrias, allí radica su importancia, además de permitir al ingeniero controlar la transformación, según sus parámetros de diseño.

Clasificación de los reactores químicos

Los reactores químicos se pueden clasificar de diferentes formas: Según su modo de operación, según la fase que albergan y según el tipo de flujo interno que tengan. Es un punto bastante extenso, de modo, que realizaremos una descripción básica de cada uno de ellos y en futuros artículos desglosaremos de manera más detallada cada uno de los tipos de reactores químicos que existen.

Clasificación de reactores químicos según su modo de operación

Según su modo de operación, los reactores químicos pueden dividirse en tres grandes grupos: Reactores intermitentes (discontinuos o reactores batch), reactores semi-continuos y reactores continuos.

Reactores intermitentes o reactores batch

Reactores químicos en planta industrial. Imagen de Pharm-Genics

Este tipo de reactor tiene la particularidad de trabajar por cargas, es decir, una vez que se alimenta con los reactantes, se debe esperar un tiempo a que finalice la reacción (tiempo de residencia) y al finalizar la reacción, se obtiene el producto. Luego de la limpieza, si fuese necesario, estaría listo para otro trabajo por lotes. Podemos concluir que en la operación de un reactor intermitente o batch, se realizan los siguientes pasos:

Agregar una carga de reactivos.
Llevar el reactor a sus condiciones de operación.
Mantener las condiciones de reacción según el cálculo del tiempo de residencia.
Llevar el reactor a las condiciones necesarias para retirar el producto.
Limpiar el reactor.

La característica principal de este tipo de reactores, es que la concentración de los reactantes va cambiando dentro del reactor a medida que avanza el tiempo de permanencia de éstos.

Reactores semi-continuos

Los reactores semi-continuos se encuentran a mitad de camino entre los reactores intermitentes y los continuos. Son una especie de híbridos, cuya principal característica es que son reactores que trabajan con flujo en estado transitorio o no estacionario, es decir, donde existen acumulaciones de masa dentro de ellos, pero hay un flujo de entrada y salida de masa con los alrededores.

Reactores continuos

Como su nombre lo indica, este tipo de reactores químicos trabajan de manera continua. Para ello, mantienen un flujo estable de alimentación de reactivos y salida de productos. Durante su operación no varía el grado de la reacción, y a lo largo del tiempo presenta diferentes composiciones de los reactivos.

Los reactores continuos permiten tener un mejor control sobre la calidad de los productos, siendo ideales para procesos industriales que requieran una gran cantidad de producto. Hay que destacar que su instalación y puesta en marcha es costosa ya que requieren de grandes sistemas de control, sin embargo, sus costos de operación son bajos. En conclusión, son utilizados mayoritariamente en industrias que requieren volúmenes de producción muy altos, como por ejemplo, en la refinación del petróleo.

Características básicas según el modo de operación

Según el modo de operación (ya sea continua o intermitente), los reactores presentan las siguientes características:

Reactores de operación intermitente	Reactores de operación continua
Obtención de cinéticas de reacción, gracias a la simpleza de la interpretación de los datos.	Diseño específico.
Flexibilidad (productos de temporada).	Requieren que las especificaciones del producto no se alteren en gran medida a través del tiempo.
Fabricación de productos de costo alto.

Clasificación de reactores químicos según las fases que albergan

Como comentamos líneas arriba, los reactores químicos también pueden clasificarse según las fases que albergan, así, podemos tener reactores homogéneos y reactores heterogéneos.

Clasificación de los reactores químicos según las fases que albergan

Los reactores homogéneos representan sistemas homogéneos que requieren de una sola fase para completar la reacción química, generalmente, son muy simples.
Los reactores heterogéneos, por su parte, representan sistemas heterogéneos que requieren más de una fase para completar la reacción. Estos a su vez, pueden clasificarse en catalíticos y no catalíticos, siendo los primeros los que utilizan catalizadores para elevar la velocidad de la reacción. Asimismo, los reactores catalíticos pueden sub-clasificarse según el tipo de estados con los que pueden trabajar, ya sean sólido-gas, gas-líquido, sólido-líquido y sólido-líquido-gas.

Clasificación de reactores según el tipo de flujo interno

Este último tipo de clasificación es un poco más extensa que las anteriores, ya que toma en cuenta diferentes casos de flujo interno. Aunque, básicamente los podemos resumir en dos tipos: Los reactores ideales, los cuales pueden ser descritos por ecuaciones simples y no consideran perturbaciones pequeñas o efectos físicos complejos, y los reactores no ideales, los cuales consideran el patrón del flujo, las zonas muertas dentro del reactor, la mecánica del fluido, el tipo de mezclado, entre otros factores.

Estos dos tipos de reactores se pueden clasificar según el método de contacto de las corrientes del flujo interno, en:

Reactores de mezcla completa: Son aquellos en los que se hace todo lo posible para que las corrientes de flujo dentro del reactor se mezclen por completo.
Reactores de flujo pistón: Las corrientes de flujo interno dentro de este tipo de reactor no se mezclan entre sí.

Reactores de mezcla completa

Diagrama de reactor de mezcla completa. Imagen de EssentialChemicalIndustry

Los reactores de mezcla completa pueden clasificarse según el tipo de mezcla, en dos grupos:

Reactores de mezcla completa ideal.
Reactores de mezcla completa no ideal (intermitentes o batch).

Reactores de mezcla completa ideal

Estos son los más sencillos de todos los diseños, siendo reactores de mezcla completa de flujo continuo. Estos reactores de tanque agitado, también son llamados CSTR, por sus siglas en inglés (Continuos Stirred Tank Reactor).

Las principales características de estos reactores, debido a las propiedades del flujo, son las siguientes:

Presentan una agitación eficiente, lo que garantiza un fluido uniforme dentro del tanque (los elementos del fluido están uniformemente mezclados y distribuidos dentro del tanque), teniendo todos los fluidos la misma probabilidad de salir del tanque en cualquier momento.
Poseen una distribución de tiempos de residencia (RDT). Esta distribución puede apreciarse de manera intuitiva, considerando lo siguiente:

Unos elementos del fluido pueden presentar tiempos de residencia muy cortos, si va directamente desde la entrada a la salida del tanque.
Por el contrario, otros elementos del fluido pueden presentar tiempos de residencia muy largos, ya que toman parte del movimiento de reciclado de fluido dentro del tanque.

Las propiedades dentro del fluido son constantes (temperatura, concentración, rapidez de reacción), debido al sistema de agitación continuo y eficiente. Dichas propiedades, incluso pueden apreciarse a la salida del reactor.
Presentan un cambio de escalón desde el valor de entrada hasta el valor de salida de cualquier propiedad del sistema.
La densidad de las corrientes, tanto de entrada como de salida, no siempre es la misma, por lo tanto, la densidad no siempre es una propiedad constante dentro del reactor.
Permiten la adición de un intercambiador de calor, para de este modo, tener un mejor control de la temperatura.

Reactores intermitentes

Los reactores intermitentes o reactores batch, son reactores que contienen un tanque agitado para poder fomentar la reacción. Son muy utilizados en laboratorios de investigación y en operaciones industriales. Sus condiciones de operación son muy controladas, lo que permite observar la reacción y documentarla con facilidad.

Las principales características de los reactores intermitentes o reactores batch, son las siguientes:

Son sistemas cerrados que no intercambian masa con sus alrededores.
El tiempo de residencia del fluido siempre será el mismo.
La operación de este tipo de reactor es característica en estado no estacionario, ya que las concentraciones del fluido cambian con el tiempo dentro del reactor.

Debido a la agitación que se presenta dentro del reactor, puede asumirse que la composición y la temperatura son homogéneas dentro de éste, lo que implica que puede considerarse al reactor como el elemento de volumen.

La energía dentro de la carga cambia, de acuerdo a como se esté llevando la reacción, por lo tanto, es posible la adición de un intercambiador de calor para controlar la temperatura.

Reactores de flujo pistón

Diagrama de reactor tubular. Imagen de EssentialChemicalIndustry

En los reactores de flujo pistón o reactores PFR, por sus siglas en inglés (Plug Flow Reactor), no se presentan mezclas de las corrientes del proceso, siendo esta su principal característica.

Las características de este tipo de reactor son las siguientes:

Ausencia de mezclado axial del fluido dentro del reactor.
Propiedades de fluido uniformes, incluso en el plano radial.
La densidad de las corrientes puede ser variable, según la dirección de éstas.
Permiten transferencia de calor con los alrededores.
Todos los elementos del fluido presentan el mismo tiempo de residencia.
Las propiedades del sistema cambian según la dirección del flujo.
En dirección axial dentro del reactor, cualquier porción del fluido tiende a comportarse como un sistema cerrado que se encuentra en movimiento.
El volumen de un elemento del fluido no es necesariamente constante cuando circula a lo largo del recipiente.

A grandes rasgos, estos son los principales tipos de reactores químicos que se pueden encontrar. Las condiciones de diseño y parámetros varían según el tipo de reactor, así como, las condiciones de operación. Es por ello, que se estudia cada tipo de reactor por separado, de modo que se pueda detallar su funcionamiento y las ecuaciones que los gobiernan.

Como siempre, quedo atento a sus comentarios, si tienen alguna consulta o desean intercambiar experiencias sobre reactores químicos los invito a compartirlas.