Reactores semi-continuos o semi-batch

Los reactores semi-continuos son un tipo de reactores híbridos, entre reactores intermitentes y reactores continuos. Son reactores químicos en los que se adiciona una cierta cantidad de reactivos al inicio del lote, y permiten adicionar más reactivos a lo largo de la reacción, y al finalizar el lote se retiran los productos del interior del reactor. Es por esta característica, que los reactores semi-continuos son utilizados en procesos industriales que requieren un control minucioso de la reacción química que se lleva a cabo para crear el producto deseado.

Los reactores semi-continuos son de gran importancia para procesos industriales que requieren control minucioso de la velocidad de reacción. Imagen de tcl

En este artículo definiremos a los reactores semi-continuos, explicaremos su modo de operación y las ventajas y desventajas del uso de este tipo de reactores químicos.

Tabla de contenidos

Definición de reactores semi-continuos o semi batch

Definición de un reactor semi-continuo o semi-batch

Definición de un reactor semi-continuo. Imagen de slideplayer

También conocidos como reactores semi-batch, los reactores semi-continuos son una variación de los reactores por lote o reactores batch. La diferencia con los reactores batch, radica en que los reactivos son adicionados de manera intermitente o continua a otro reactivo que se encuentra en el interior del reactor, a medida que avanza la reacción química.

Esta reacción química puede ser monofásica o multifásica. De manera similar a los reactores intermitentes, los reactores semi-continuos se caracterizan porque su operación es en estado transitorio, de modo, que trabajan por ciclos de operación un tanto más complejos que los ciclos de los reactores intermitentes. Tomando en cuenta esta característica, podemos decir que:

Un reactor semi-continuo o reactor semi-batch es un reactor químico diseñado para una reacción multifásica, en la que una fase fluye continuamente a través del recipiente que contiene un lote de otra fase.

Destacando que la operación es inestable y en estado transitorio con respecto a la fase del lote, y puede estar en estado estacionario o transitorio con respecto a la fase que fluye, como sería el caso de un reactor catalítico de lecho fijo o un reactor de lecho fijo sólido para reacciones de gases.

Podemos concluir en que un reactor semi-continuo o semi-batch es una especie de reactor batch, el cual se modifica para permitir la adición dosificada de reactivos a lo largo del lote, a diferencia del reactor batch tradicional, que sólo permite introducir los reactivos al inicio del lote. De esta manera, se tiene un control mucho más completo de la reacción, lo que se complementa con un mezclado eficiente para poder mantener las condiciones de reacción constantes dentro del reactor.

Importancia de los reactores semi-continuos o semi-batch

Diagrama de un reactor semi-continuo o semi-batch

Diagrama de un reactor semi-continuo. Imagen de researchgate

Por lo general, en los reactores químicos la velocidad de reacción tiende a no ser homogénea con el espacio (como es el caso de los reactores tubulares) y con el tiempo (como es el caso de los reactores intermitentes) y la fuerza conductora de un proceso espontáneo disminuye exponencialmente con el tiempo.

La capacidad de enfriamiento y calentamiento de un reactor debe ser diseñada para el momento en el cual se dé la máxima producción de calor por la reacción. Para lograr este objetivo es recomendable utilizar reactores semi-continuos, ya que permiten dosificar la adición de reactivos y controlar la velocidad de la reacción.

Cabe destacar, que la mayoría de las reacciones industriales son exotérmicas, y una forma de controlar la cantidad de calor que se libera en la reacción, es dosificando la adición de los reactivos, por lo tanto, en los casos en donde puede ser incluso peligrosa la liberación de grandes cantidades de calor por parte de la reacción, es recomendable el uso de reactores semi-continuos, siendo muy importantes en este tipo de situaciones.

Modo de operación de un reactor semi-continuo o semi-batch

En una reacción homogénea en fase líquida en un reactor semi-continuo, un reactivo A se carga inicialmente en el recipiente del reactor y el reactivo B se añade a una velocidad prescrita a medida que avanza la reacción. Podemos visualizar esta operación en la siguiente figura:

Dibujo que representa el modo de operación de un reactor semi-continuo

Ejemplo de modo de operación de un reactor semi-continuo

Cuando en un reactor semi-continuo se realiza una reacción gas-líquido, podemos notar como la estequimometría muestra que un reactivo A se dispersa en forma de burbujas a través de un lote de reactivo B. Por ejemplo, en reactores catalíticos de lecho fijo, el lecho del catalizador es la fase de lote, y la fase de gas que reacciona fluye a través del lecho. Este funcionamiento es adecuado para un catalizador que se desactiva lentamente con el tiempo.

Ventajas y desventajas del uso de reactores semi-continuos o semi-batch

El uso de este tipo de reactores presenta una serie de ventajas y desventajas, las cuales describiremos a continuación:

Ventajas

En comparación a un reactor intermitente, permiten controlar mucho mejor la temperatura, especialmente en reacciones muy exotérmicas, evitando el aumento incontrolable de temperaturas.
Los reactores semi-continuos, permiten mantener la concentración del reactivo relativamente alta o baja, esto es ventajoso para suprimir las reacciones secundarias, mejorando de esta manera el rendimiento del producto.
Es posible obtener una mayor conversión del reactivo, especialmente si la reacción se encuentra limitada por equilibrio químico.
Facilitan las reacciones gas-líquido.

Desventajas

Ofrecen una tasa de producción que puede ser limitada, debido a la naturaleza cíclica de la reacción.
Costo de operación relativamente alto.
El diseño o el análisis de rendimiento son relativamente complejos, debido a que estos reactores operan en estado transitorio.
El funcionamiento de los reactores semi-continuos puede requerir de válvulas complejas y de diversos tipos de tuberías.