Principis i Classificació dels Reactors Químics Industrials

Conceptes Fonamentals en Enginyeria de Reaccions

Conversió

Fracció del reactiu que es transforma en producte. Es calcula per avaluar l'eficiència de la reacció.

Estequiometria

Relació molar entre reactius i productes.

Temperatura

• Exotèrmic: Cal refredar per protegir el catalitzador.
• Endotèrmic: Cal escalfar (amb vapor o resistència).

Pressió

• Alta: Afavoreix els productes.
• Baixa: Utilitzada en processos com la gasificació.

Temps de Residència

Temps real que una molècula roman dins del reactor.

Temps Espacial

Relació entre el volum del reactor i el cabal d'alimentació. És el temps teòric necessari per tractar un volum igual al del reactor.

Sistemes d'Agitació

• Objectiu: Aconseguir una mescla homogènia i propietats uniformes.
• Llit Mòbil: Sense agitació mecànica; el moviment es produeix per gravetat o gas.
• Llit Fluiditzat: Agitació mitjançant un gas ascendent.

Criteris d'Optimització

• Rendibilitat
• Cost d'inversió
• Cost d'operació
• Seguretat
• Medi ambient

Característiques Clau d'un Reactor Químic

Els factors que defineixen el funcionament i el disseny d'un reactor són:

• Estequiometria: Relació molar entre reactius i productes.
• Equilibri Químic: Determina el límit màxim de conversió.
• Entalpies de Reacció: Energia alliberada o absorbida durant el procés.
• Cinètica: Velocitat de reacció.
• Transport: Moviment de massa i energia.
• Rèntim Tèrmic: Control i evolució de la temperatura.
• Rèntim de Circulació: Com es mou el fluid dins del reactor.
• Grau de Mescla: Qualitat de la mescla entre els components.
• Operacions unitàries: Tractaments previs i posteriors a la reacció.

Característiques de Disseny

1. Estat físic de reactius i productes
2. Estequiometria
3. Equilibri Químic
4. Canvis energètics
5. Cinètica

Característiques de Funcionament

1. Grau de mescla
2. Rèntim de circulació
3. Rèntim tèrmic
4. Fenòmens de transport

Classificació dels Reactors Químics

Tipus Segons el Rèntim de Circulació

1. Reactor Discontinu (Batch)

   • Sistema tancat, sense entrada ni sortida de material durant la reacció.
   • Avantatges: Baix cost d'inversió, molt versàtil.
   • Inconvenients: Alt cost operatiu, difícil estandardització.
   • Funciona en règim no estacionari.
   • Ideal per a petits volums i productes variats.

2. Reactor Continu

   • Els reactius entren i els productes surten constantment.
   • Avantatges: Cost operatiu baix, gran producció, fàcil d'estandarditzar.
   • Inconvenients: Alt cost d'inversió, poca versatilitat.
   • Funciona en règim estacionari (excepte en l'encesa o parada).

3. Reactor Semicontinu

   • Combinació de discontinu i continu: una part es carrega al principi i una altra s'afegeix o es controla durant el procés.
   • Ideal per a reaccions exotèrmiques o amb baixa solubilitat.
   • Permet un millor control del procés.

Tipus Segons el Rèntim Tèrmic

1. Adiabàtic (No Isotèrmic)

   • No intercanvia calor amb l'exterior.
   • La temperatura varia segons la naturalesa de la reacció.

2. Isotèrmic

   • La temperatura es manté constant.
   • Requereix un sistema de refrigeració o calefacció eficient.

3. No Adiabàtic, No Isotèrmic

   • Hi ha intercanvi de calor amb l'entorn.
   • La temperatura és variable, però controlada.

Geometries Específiques de Reactors

Reactor de Tanc Agitat (RTA) (Mescla Perfecta)

• Els reactius entren i es barregen perfectament dins del tanc gràcies a l'agitació constant.
• La temperatura (T) i la concentració (C) del fluid de sortida són idèntiques a les de l'interior del reactor.
• S'utilitza habitualment per a dissolucions (Líquid-Líquid o Sòlid-Líquid).

Tipus de Tancs Agitats

• RDTA (Reactor Discontinu de Tanc Agitat): Rèntim no estacionari; la reacció canvia amb el temps.
• RCTA (Reactor Continu de Tanc Agitat): Rèntim estacionari; tot es manté estable. Si hi ha reactius sense reaccionar, calen reactors en sèrie o millorar l'agitació.
• RSCTA: Combinació dels dos anteriors (Semicontinu).

Reactor Tubular (RT)

• Els reactius passen pel tub en línia recta sense barrejar-se entre seccions (flux pistó).
• A mesura que avancen, la concentració canvia progressivament.
• El temps de permanència és igual per a totes les molècules.
• Ideal per a reaccions gas/líquid.
• Funciona en estat estacionari.

Reactor Multitubular

• Té molts tubs petits dins d'un gran recipient.
• Cada tub pot contenir catalitzador.
• Permet entrades múltiples i facilita l'escalfament o refredament.

Reactor de Llit Fix

• Els reactius passen per un llit de partícules sòlides (catalitzadors) que no es mouen.
• Proporciona una gran superfície de contacte per afavorir la reacció.
• És com un tub farcit amb sòlid, molt utilitzat en la indústria (refinació, síntesi, etc.).

Reactor de Llit Mòbil

• Similar al llit fix, però el sòlid es mou lentament dins del reactor.
• Els fluids circulen en paral·lel o contracorrent.
• Permet regenerar el catalitzador mentre el reactor continua funcionant.