Principios y Tipos de Reactores Químicos: Optimización y Catálisis

Principios Fundamentales en el Diseño de Reactores Químicos

Optimización de la Temperatura y el Volumen del Reactor

La progresión óptima de temperatura es aquella que minimiza el volumen del reactor para una conversión de reactante determinada. Para lograr un volumen mínimo, la velocidad de reacción debe ser máxima en cualquier posición del reactor. Consecuentemente, la temperatura óptima es aquella para la cual la velocidad de reacción es máxima a cualquier nivel de conversión.

Conceptos Clave en Cinética y Diseño de Reactores

• Estereoespecíficas: Reacciones que reconocen solo una configuración molecular específica.
• Regioespecíficas: Reacciones que reconocen un grupo funcional entre otros en la misma molécula.

Productividad Celular y Tiempo Espacial

En biorreactores, se busca la máxima productividad celular cerca del lavado celular, con la máxima biomasa a la salida. Para ello, se trabaja cerca de las velocidades de dilución óptimas.

El Tiempo Espacial se define como el tiempo necesario para tratar un volumen de alimentación igual al volumen del reactor.

Selectividad de Reacción

La Selectividad es la relación entre la velocidad de formación de productos deseados y la de productos no deseados, dependiendo de los coeficientes estequiométricos.

• Para un parámetro a > 0: La selectividad de la actividad es mayor cuanto mayor sea la concentración de [A], lo que implica una mayor selectividad hacia el producto D.
• En un Reactor de Flujo Pistón:
  • Para a < 0: La selectividad es menor con una menor concentración de [A].
  • Si a = 0: La selectividad no depende de [A] y no afecta el tiempo de residencia en el reactor.

Influencia de la Concentración Inicial (C₀) y el Orden de Reacción

En un Tanque Agitado Continuo, la concentración inicial (C₀) se diluye. El flujo es continuo (siempre presente), a diferencia del flujo discontinuo (no siempre presente).

Con una concentración elevada de A (Cₐ), las reacciones con mayor orden de reacción respecto a A son favorecidas. Es importante destacar que los órdenes de reacción no afectan la distribución de productos si el valor de C₀ es constante.

Tipos de Reactores Químicos

Reactor Discontinuo (Batch Reactor)

Características y Aplicaciones

• La concentración inicial (C₀) es constante en todos los puntos del sistema.
• Es un sistema cerrado: solo se añade O₂ o agentes antiespuma a lo largo de la fermentación.
• Aplicaciones: Industria alimentaria, farmacéutica y biológica.
• Se mantienen condiciones estériles en periodos cortos para preservar la línea celular.

Reactor Discontinuo Fed-Batch (Alimentación por Lotes)

Características y Ventajas

• La concentración inicial (C₀) es constante en todo el reactor.
• La alimentación se realiza en cargas sucesivas; no se retira producto durante el proceso.
• Permite manipular la concentración de nutrientes/sustrato.
• Aplicaciones: Producción de levadura, pan, antibióticos.
• El control de la concentración de sustrato/nutrientes evita la inhibición.
• El sustrato se añade según se consume, optimizando el proceso.

Reactor Continuo (CSTR - Continuous Stirred-Tank Reactor)

Características y Beneficios

• La concentración inicial (C₀) es constante en todos los puntos.
• Presenta flujo de entrada y salida (velocidad constante).
• Ofrece gran productividad, mejor control del proceso y menores costos operativos.

Biorreactor PFR (Plug Flow Reactor)

Características

• Presenta una mezcla mínima, comportándose como un flujo pistón.
• La concentración inicial (C₀) varía en función de la posición, no depende del tiempo.
• Muestra gran efectividad a la entrada y baja a la salida.

Catálisis Heterogénea y Reactores Catalíticos

Catálisis Heterogénea: Etapas del Proceso

El proceso de catálisis heterogénea involucra una serie de etapas, que pueden ser físicas o químicas:

1. Etapas Físicas (Capa Límite):
   1. Difusión externa: de la fase fluida a la superficie externa del catalizador.
   2. Difusión interna: de la superficie de la partícula a los poros.
2. Etapas Químicas (Centro Activo):
   1. Adsorción: de reactivos al sitio catalítico.
   2. Reacción superficial: en el centro activo.
   3. Desorción: de los productos.
3. Etapas Físicas (Partícula - Salida):
   1. Difusión interna: de los productos desde los poros a la superficie de la partícula.
   2. Difusión externa: de la superficie externa al fluido.

Reactores de Lecho Fijo

Descripción y Tipos

Es una columna formada por partículas de catalizador por donde pasa un fluido, sufriendo una caída de presión (ΔP). La porosidad es constante, lo que facilita la eliminación de CO. Se observa una mayor concentración de catalizador en la parte inferior debido a la mayor concentración de reactivos.

Tipos de Reactores de Lecho Fijo:

• Lecho único.
• Múltiples lechos horizontales.
• Múltiples lechos en la misma carcasa o separados.

Consideraciones de Diseño:

• Mayor tamaño de partículas: Menor pérdida de carga, pero mayor resistencia a la difusión en los poros.

Otros Tipos de Reactores Catalíticos

• Reactor de Lecho Escurrido (Trickle Bed Reactor): Contiene un catalizador sólido y un fluido gas-líquido que provoca una caída de presión.
• Reactor de Lecho Fluidizado: El catalizador está en movimiento, similar al comportamiento de un CSTR (Continuous Stirred-Tank Reactor).
• Reactor de Lecho Transportado: Caracterizado por un flujo de gas excesivo, con un comportamiento cercano al flujo pistón.