¿Alguna vez has pensado en cómo ocurren las reacciones químicas que hacen que cosas como la medicina y el combustible sucedan?
Sabes que estas reacciones no ocurren por sí solas porque eres un estudiante de ingeniería o un ingeniero.
Necesitan condiciones exactas, cantidades cuidadosamente medidas de reactivos y catalizadores, y el tipo correcto de reactor.
El reactor por lotes ayuda con esto.
El reactor por lotes es una herramienta importante para cualquier ingeniero químico porque puede manejar una amplia gama de reacciones y las condiciones de esas reacciones se pueden controlar con mucha precisión.
En este artículo, entraré en detalles sobre los reactores por lotes, hablando sobre sus partes, beneficios y usos.
Tanto si es un ingeniero experimentado como si acaba de empezar, este artículo le proporcionará la información que necesita para comprender los reactores por lotes y la importancia que tienen en el mundo de la ingeniería química.
Introducción a los reactores discontinuos
Definicion formal:
Un reactor químico en el que se introducen los reactivos y el catalizador en las cantidades deseadas y luego se cierra el recipiente para la entrega de material adicional.
Los reactores discontinuos son máquinas flexibles que se pueden utilizar para muchas operaciones de proceso diferentes.
Algunas de las cosas más comunes que hacen los reactores por lotes son:
Los sólidos se pueden disolver en líquidos con la ayuda de reactores discontinuos.
Los sólidos y el disolvente se introducen en el reactor y la mezcla se agita hasta que se disuelven todos los sólidos.
- Mezcla de productos: los reactores por lotes se utilizan para mezclar diferentes productos para hacer la mezcla que desea.
Esto puede ser útil en la industria de alimentos y bebidas, donde se mezclan diferentes ingredientes para hacer un determinado producto.
- Reacciones químicas: la mayoría de las reacciones químicas se realizan en reactores por lotes.
Después de agregar los reactivos al reactor, la mezcla se deja reaccionar durante un tiempo determinado.
Al final del lote, se retiran los artículos.
- Destilación por lotes: los reactores por lotes también se pueden usar para la destilación por lotes, que es una forma de separar partes de una mezcla en función de sus puntos de ebullición.
Ventajas y desventajas de los reactores por lotes
Los reactores discontinuos tienen una serie de beneficios, tales como:
Los reactores por lotes son versátiles porque pueden hacer más de una cosa en un solo recipiente sin romper la contención.
Los reactores discontinuos pueden fabricar diferentes productos en el mismo reactor porque pueden usarse para más de una cosa.
- Conversiones altas: los reactivos pueden permanecer en el reactor durante mucho tiempo, lo que conduce a conversiones altas.
- Facilidad de hacer y cambiar: Los reactores por lotes son bastante fáciles de hacer y cambiar.
Pero los reactores por lotes también tienen algunos problemas, como:
- Retromezclado: El retromezclado ocurre cuando el material no se extrae hasta que finaliza la reacción.
Esto acorta la vida del catalizador y genera muchos desechos.
- Cantidades limitadas: los reactores por lotes no son la mejor manera de fabricar una gran cantidad de un producto de una sola vez.
- Variabilidad de los productos: los productos elaborados por los reactores por lotes pueden ser diferentes de un lote a otro.
- Dificultades con la producción a gran escala: los reactores por lotes no son buenos para hacer muchas cosas a la vez.
- Costoso de operar: los reactores por lotes deben encenderse y apagarse con frecuencia, lo que hace que su funcionamiento sea costoso.
Características de diseño de los reactores discontinuos
Los reactores discontinuos se fabrican con algunas partes similares, tales como:
- Puertos para inyectar reactivos y eliminar productos: los reactores por lotes tienen puertos para inyectar reactivos y eliminar productos.
- Intercambiador de calor o sistema de agitación: se puede agregar un intercambiador de calor o un sistema de agitación a un reactor por lotes.
- Volumen constante: los reactores por lotes generalmente tienen un volumen constante, pero algunos están hechos para que el volumen se pueda cambiar para mantener una presión constante.
En resumen, los reactores por lotes son contenedores simples que se utilizan en las industrias de procesos para una amplia gama de tareas.
Son versátiles, se pueden usar para más de una cosa, tienen altas tasas de conversión y son fáciles de hacer y cambiar.
Pero también tienen algunos problemas, como el retromezclado, cantidades limitadas, diferentes productos, dificultad para hacer muchos de ellos, una vida corta para el catalizador y desperdicio.
Los reactores por lotes a menudo se usan para trabajos a pequeña escala, probar nuevos métodos y fabricar productos costosos.
También se utilizan a menudo en laboratorios para la producción a pequeña escala y para iniciar el proceso de fermentación de bebidas.
Aceptar lo impredecible: la emoción y los riesgos de los reactores por lotes
¿Todavía es difícil de entender? Déjame cambiar un poco el punto de vista:
¡Químicos, presten atención! ¿Quieres que tu trabajo sea más interesante? ¿Cansado de que te pasen las mismas cosas una y otra vez? El reactor por lotes es todo lo que necesita.
El reactor por lotes es perfecto para el caos, la imprevisibilidad y tal vez incluso un poco de emoción porque puede agregar reactivos y catalizadores en las cantidades que desee y luego cerrar el recipiente para evitar que entren más materiales.
¿A quién le importa el control y la consistencia? Acepte el hecho de que el reactor por lotes es difícil de predecir y vea a dónde lo lleva.
De acuerdo, solo fue una broma hecha para parecer un anuncio de televisión.
Ahora volvamos a la explicación.
Componentes de reactores discontinuos
Los reactores por lotes son recipientes que se utilizan en las industrias de procesos para disolver sólidos, mezclar productos, realizar reacciones químicas y destilar por lotes.
El recipiente del reactor, el medio de reacción, el espacio de cabeza y un agitador son las cuatro partes principales.
Vasija del reactor
La parte principal de un reactor por lotes es la vasija del reactor, que a menudo está hecha de acero, acero inoxidable, acero revestido de vidrio, vidrio o una aleación exótica.
Puede ser menor de 1 litro o mayor de 15.000 litros.
La mayoría de las veces, los líquidos y los sólidos se introducen en el reactor a través de orificios en la tapa superior.
Los vapores y los gases salen de los agujeros en la parte superior y los líquidos salen de los agujeros en la parte inferior.
Medio de reacción
El objeto en el que tiene lugar la reacción se denomina medio de reacción.
Dependiendo del tipo de reacción que se realice, puede ser en fase gaseosa, fase líquida o fase líquido-sólido.
espacio de cabeza
Headspace es el espacio vacío sobre el medio.
Da espacio para el gas o vapor que se produce durante la reacción.
Agitador
El agitador es necesario para mezclar las diferentes partes y agregar o quitar calor de la reacción.
Dependiendo del tipo de reacción, se puede realizar con impulsores de flujo axial o impulsores de flujo radial para proporcionar diferentes tipos de mezcla.
Ventajas y desafíos de los reactores por lotes
Una de las mejores cosas de los reactores por lotes es su flexibilidad.
Una sola embarcación puede realizar una serie de tareas diferentes sin romper la contención.
Esto es útil cuando se trabaja con materiales tóxicos porque reduce el riesgo de que los trabajadores se lastimen.
Pero los reactores por lotes tienen algunos problemas, como el retromezclado, que puede hacer que la calidad del producto sea mala porque los reactivos no se distribuyen uniformemente en el recipiente.
Diseño y dimensionamiento de reactores discontinuos
Se deben tener en cuenta varias cosas al diseñar y dimensionar un reactor por lotes para una determinada reacción.
Estos incluyen la cinética de la reacción, transferencia de calor, transferencia de masa, mezcla y comportamiento de fase.
El diseño debe garantizar que el reactor pueda llevar a cabo la reacción de manera segura y eficiente, cumplir con las especificaciones del producto y mantener los costos de producción lo más bajos posible.
La mayoría de las veces, calcular el tamaño de un reactor por lotes significa calcular el volumen del reactor necesario para convertir los reactivos de cierta manera y permitir suficiente mezcla y transferencia de calor.
Para obtener el mejor rendimiento del reactor, el proceso de diseño y dimensionamiento puede incluir experimentos, simulaciones y modelos.
En un reactor por lotes, el tiempo que lleva alcanzar un cierto nivel de conversión depende de qué tan rápido vaya la reacción y cuánta conversión desee.
Entonces, para calcular el volumen correcto del reactor por lotes para una determinada reacción, debe pensar en cosas como la velocidad de la reacción, las concentraciones iniciales de los reactivos, el nivel de conversión que desea y la cantidad de tiempo que el reactor estará corriendo
Esta información podría usarse para determinar el tamaño correcto para un reactor por lotes mediante el cálculo de parámetros como las constantes de velocidad de reacción y los coeficientes estequiométricos.
A diferencia de los CSTR y los PFR, que pueden procesar grandes cantidades de reactivos de forma continua a lo largo del tiempo, los reactores por lotes solo pueden manejar una cierta cantidad de reactivos a la vez.
Por lo tanto, es posible que un reactor por lotes no pueda manejar la misma cantidad de especies A por día que un reactor de flujo continuo.
Pero los reactores por lotes siguen siendo útiles para operaciones a pequeña escala, probar nuevos procesos que aún no se han desarrollado por completo y fabricar productos costosos.
En resumen, los reactores por lotes tienen varias partes importantes, como el recipiente del reactor, el medio de reacción, el espacio de cabeza y el agitador.
Tienen beneficios como ser flexibles y poder usarse para más de una cosa, pero también tienen problemas como la retromezcla.
Para diseñar y dimensionar un reactor por lotes para una determinada reacción, debe pensar en cosas como la cinética de reacción, la transferencia de calor, la transferencia de masa, la mezcla y el comportamiento de fase.
Cálculos en reactores discontinuos
Ecuación de balance de moles y reacción en serie
Para un reactor por lotes con una reacción en serie, necesitamos usar la ecuación de balance de moles para calcular qué cantidad de sustancia hay en el reactor.
La ecuación de balance de moles se usa para calcular qué tan rápido está cambiando la cantidad de cada mol en el reactor.
La ecuación de balance de moles para un reactor discontinuo es:
dN_i/dt = r_i*V
donde N_i es el número de moles de la especie i, t es el tiempo, r_i es la velocidad de reacción de la especie i y V es el volumen del reactor.
Siempre que queramos saber cuánto de cada especie hay en un reactor por lotes durante una reacción en serie, podemos usar esta ecuación.
Dimensionamiento de un reactor de saponificación por lotes para el proceso en caliente
La saponificación es un proceso químico que convierte las grasas y la lejía en jabón.
Para el proceso de saponificación en caliente se utiliza un reactor discontinuo.
Para el proceso en caliente, el tamaño del reactor de saponificación por lotes dependerá de la cantidad de jabón que se necesite fabricar y del tipo de jabón que se esté fabricando.
Además del tamaño del reactor, el área de la superficie del reactor también puede cambiar la velocidad de la reacción.
Si usa un reactor con deflectores o uno con una relación de aspecto más alta, puede aumentar el área de superficie.
Para el proceso de saponificación en caliente, la temperatura del reactor debe mantenerse entre 70°C y 85°C.
La duración de la reacción depende de la cantidad de jabón que quieras hacer.
Puede tomar desde varias horas hasta varios días.
Se puede utilizar un reactor discontinuo para estudiar la cinética de la saponificación.
Usando un reactor por lotes con agitación magnética y una camisa de vidrio, los estudiantes pueden calcular las constantes de velocidad de una reacción de segundo orden a diferentes temperaturas.
La reacción de saponificación también se puede usar para calcular la conversión de la reacción en un reactor tubular de lecho empacado.
Pruebas y optimización en reactores discontinuos
Realización de pruebas de reactores por lotes con sólidos
Cuando se realiza una prueba de reactor por lotes con un sólido, los reactivos sólidos y líquidos generalmente se mezclan en un recipiente con un agitador.
A continuación, se deja reaccionar la mezcla durante un tiempo determinado.
Después de eso, el sólido generalmente se separa del líquido por filtración o centrifugación.
Luego, para saber hasta dónde llegó la reacción, se mide la concentración de las especies de interés en la fase líquida.
Al planificar una prueba de reactor por lotes con un sólido, también debe pensar en el tamaño de las partículas del sólido, la concentración inicial de los reactivos y el nivel de conversión que desea.
Prueba de reactor por lotes de laboratorio modificada
La biodegradación de compuestos orgánicos volátiles en lodos activados se ha probado en un reactor por lotes en el laboratorio.
La prueba se ha modificado para incluir fibras de microextracción en fase sólida (SPME) para el muestreo en fase gaseosa.
Esto elimina la necesidad de un tubo de aspiración y facilita su uso con sólidos.
Sistemas de reactores secuenciales por lotes (SBR)
Un reactor secuencial por lotes (SBR) es un sistema de lodos activados que trata las aguas residuales al llenarlas y luego drenarlas.
En este sistema, las aguas residuales se colocan en un reactor de un solo lote.
Se utilizan dos o más reactores por lotes en un orden establecido para obtener el mejor rendimiento del sistema.
Los sistemas SBR se han utilizado para tratar aguas residuales tanto de ciudades como de fábricas.
Ecuación de balance de materiales
La ecuación de balance de materiales se puede usar para averiguar qué sucede en los reactores por lotes cuando ocurren reacciones químicas.
Por ejemplo, la ecuación d dt ∫V cj dV = Q0cj0 − Q1cj1 + ∫V. Rj dV se puede usar para reactores por lotes bien agitados porque las integrales son simples de evaluar debido a la buena mezcla dentro del reactor.
Reactores semicontinuos
Los reactores semicontinuos tienen características tanto de reactores discontinuos como de reactores de tanque agitado que funcionan todo el tiempo (CSTR).
Pueden agregar alimentación mientras se lleva a cabo la reacción, como los CSTR, pero están llenos de reactivo al comienzo, como los reactores por lotes.
La mayoría de las veces, los reactores semicontinuos se utilizan cuando una reacción necesita agregar un reactivo lentamente o cuando la reacción está demasiado caliente para realizarse en un reactor discontinuo.
Descripción general del reactor por lotes
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casos de uso
| Utilizada en: | Descripción: |
|---|---|
| Síntesis de productos químicos: | Durante la síntesis química, los reactores por lotes a menudo se utilizan para fabricar una amplia gama de productos, como medicamentos, productos químicos especiales y plásticos. En este proceso, el reactor por lotes se llena con las cantidades correctas de reactivos y catalizadores, y luego se sella el recipiente para que no se puedan agregar más materiales. Después de que haya pasado una cierta cantidad de tiempo, el producto se retira de la reacción. |
| Polimerización: | La polimerización es el proceso de combinar monómeros para hacer polímeros. Los reactores discontinuos se utilizan a menudo en este proceso. El reactor discontinuo se utiliza para iniciar la reacción y mantenerla bajo control. Esto hace posible controlar con precisión el tamaño y la forma del polímero que se fabrica. Esto significa que se puede fabricar una amplia gama de productos poliméricos con diferentes propiedades. |
| Fermentación: | En el proceso de fermentación, que se utiliza para fabricar biocombustibles, medicamentos y productos alimenticios, a menudo se utilizan reactores por lotes. En este proceso, los nutrientes y otras cosas se introducen en el reactor junto con los microorganismos. Luego se cierra el reactor y se les da a los microorganismos una cierta cantidad de tiempo para fermentar los ingredientes. Pasado ese tiempo, el producto se saca del reactor. |
| Tratar con la basura: | Los reactores discontinuos también se pueden usar para tratar aguas residuales y otros tipos de desechos. En este método, los desechos y los productos químicos o microorganismos que descomponen los desechos se colocan en un reactor. A continuación, se apaga el reactor y se deja que la reacción continúe durante un tiempo determinado. Cuando finaliza la reacción, los residuos que se han limpiado se sacan del reactor. |
| Transferencia de calor: | Los reactores por lotes se pueden usar para calentar o enfriar un producto o hacer otras cosas que impliquen transferencia de calor. En este proceso, se bombea un fluido de transferencia de calor a través de la camisa del reactor para mover el calor hacia o desde el producto en el reactor. Este es un proceso que se usa a menudo para hacer alimentos y bebidas. |
Conclusión
Al final, el reactor por lotes es una herramienta importante para los ingenieros químicos en muchos campos diferentes.
Le permite controlar las condiciones de una reacción con mucha precisión, lo cual es importante para hacer productos consistentes y de alta calidad.
Pero a pesar de que el reactor por lotes es una gran pieza de tecnología, no es una panacea.
No se puede usar para todo tipo de reacción porque tiene algunos defectos.
Como ingenieros, es nuestro trabajo seguir generando nuevas ideas y probando nuevas tecnologías que puedan ayudarnos a solucionar estos problemas y facilitar la fabricación de productos químicos complejos.
Podemos crear un futuro mejor para nosotros y para el planeta si superamos los límites de lo que es posible.
Así que sigamos buscando y probando cosas nuevas para encontrar soluciones mejores, más eficientes y más duraderas.
Enlaces y referencias
Saldos de moles:
https://www.pearsonhighered.com/assets/samplechapter/0/1/3/5/0135317088.pdf
Reactores en Ingeniería de Procesos:
https://www.researchgate.net/publication/241765470_Reactors_in_Process_Engineering
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