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Procesos Biotecnológicos II 2013

Reactores Químicos

Clase 3 Teóricos Prof. G. Picó

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reactor

Un recipiente donde ocurre una transformación química bajo condiciones reguladas

¿ qué es un reactor químico?

2

3

Funciones principales de un reactor químico

1) Manejo adecuado de las variables del proceso (p, V, T, catalizadores, pH, etc)

2) Mejorar el proceso de mezcla entre los componentes

3) Hacer que el tiempo de contacto entre reactivos sea el adecuado

LOGRAR UN BUEN RENDIMIENTO DEL PRODUCTO

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Permite el manejo de las variables de estado

T, p, pH, [ ], pO2, etc

Determina la relación entre las variables de estado

ECUACIONES DE ESTADO

Leyes generales

Conservación de materia

Conservación energía

Conservación de movimiento

Ecuación MATEMATICA

TOMA DE DECISIONES

Dimensiones del equipo

Necesidades del proceso: calefacción, refrigeración, presión

3

5

ANALISIS DE COSTOS

VIABILIDAD

6

Clasificación de los reactores

Numero de fases: homogéneo

heterogéneo

Tipo de operación (carga y descarga de reactivos y productos):

Discontinuos

continuos

Forma de mezcla de los reactivos: reactores ideales

Reactores reales

Según entrada y salida de la energía: isotérmicos,

adiabáticos

4

7

Dimensionado del reactor:

Volumen total

Altura del tanque (H/D)

Consumo de energía de agitacion

Tipo de Reactor

ESCALADO DEL RECTOR

Se sigue los mismos caminos que para escalar un agitador

P/V cte, Re cte, Na cte

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Las ecuaciones provienen de

Balance de materia

Balance de energia

Balance de energía mecánica 8agitación)

Ecuaciones de estado fisicas

Ecuaciones químicas (estequiométricas)

5

9

Velocidad de reacción• La velocidad de reacción es la velocidad mediante una especie es

transformada por unidad de volumen.

• La velocidad de reacción (mol/L3/s) puede se espresda mediante:

– La velocidad de desaparición de un reactivo: -rA

O como– La velocidad de formación de un producto: rP

9999

10

Según el tipo de flujo interno:Reactores ideales: suelen ser descritos con ecuaciones ideales sencillas y no consideran efectos físicos más complejos o perturbaciones pequeñas.

Parte del supuesto que la mezcla de todos los componentes dentro del reactor es perfecta.

Reactores no ideales: consideran el patrón de flujo, la existencia de zonas muertas dentro del reactor donde el material no circula, además consideran una dinámica de fluidos más compleja

CLASIFICACION DE LOS REACTORES

Según las fases que albergan:Reactores homogéneos: tienen una única fase, líquida o gas.

Reactores heterogéneos: tienen varias fases, gas-sólido, líquido-sólido, gas-líquido, gas-líquido-sólido.

V, CA

6

11

Reactores Ideales

V, CA

V, CA

REACTOR IDEAL1. Los reactantes están mezclados a la entrada del reactor, el tiempo de mezcla es cero.

2. No se forman agregados moleculares.

3. Se sigue un modelo de flujo ideal.

Las condiciones para alcanzar el mezclado cercano al ideal son:

la relación HT - DT (relación altura del tanque vs diámetro del tanque).

- la viscosidad del medio

- velocidad de agitación

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Los reactores ideales

La clasificacion se basa en como varia la velocidad de reacción

1- Reactor discontinuo, o en lote o batch

tiempo

Velo

cid

ad

de r

eacci

ón

Vaciado y

descarga

V, CA

7

13

tiempo

Velo

cid

ad

de r

eacci

ón

Reactor continuo

V, CA

Fo CoA

F1 CA

Reactor de pistón

Reactores continuos: estan en estado estacionario

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Balance de masas

=

+

−

=+−

=

+

−

time

mole

time

mole

time

mole

time

mole

dt

dNGFF

jSpeciesof

onAccumulati

RateMolar

jSpeciesof

Generation

RateMolar

outjSpecies

ofRate

FlowMolar

injSpecies

ofRate

FlowMolar

j

jjj

0

Fj0 FjGj

System Volume, V

14141414

8

15

Balance de Masas

Ecuacion general de balance de masas Volumen constante: V

In − Out + Generation = Accumulation

FA 0 − FA + rA∫ dV = dNA

dt

FA0 FAGA

System Volume, V

15151515

16

V, CA

Reactor por lote, discontinuo o batch

PtosAa →

[ ] [ ] {[ ]} [ ]masa queentra masa que sale masa generada masa consumida masa acumulada enel sistema− + − =

9

17

Balance de masas reactor discontinuo

FA 0 − FA + rA∫ dV = dNA

dt

FA 0 = FA = 0

dNA

dt= rAV

Batch

VrdVr AA =∫Well Mixed

17171717

18

Balance de masas

dt =dNA

rAVintegrando

Tiempo necesario para reducir el numero de moles de A de NAo

a NA.

t = 0 NA=NA0t = t NA=NA

∫−

=

A

A

N

N A

A

Vr

dNt

0

18181818

10

19

Balance de masas

∫−

=

A

A

N

N A

A

Vr

dNt

0

NA

t19191919

20

dtvCvdt

dC

dtVol

dN

reaccióndeordenoniendocteVolsi

vVoldt

dN

AAAAA

AA

−=−==

=

−=

1sup,

∫=

A

oA

C

CA

A

v

dCt

AA Ckv −=

Ao

A

A

C

C

AA

AC

C

A

kC

Ct

Ck

dC

v

dCt

A

oA

A

oA

ln−=

−== ∫∫

t es el tiempo requerido para que el reactivo A adquiera una concentración CA, siendo la concentración inicial CAo

OTRA FORMA DE LLEGAR

11

21

CACoACA

Av−

1

Area bajo la curva = tiempo

Sentido de la reacción

Graficamente:

Ao

A

A kC

Ct ln−=

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EjemploSupongamos que la reacción elemental, y de primer orden, A Bse lleva a cabo en un reactor por lote (batch). la constante de velocidad de reacción (k a 20 C) es igual a 0.05 min -1.

• Calcular el tiempo que se requiere para convertir 90 % del reactivo A.• Cual es el efecto de incrementar la velocidad de reacción?• Como puede conseguirse este efecto?

Ao

A

A kC

Ct ln−=

CACoACA

Av−

1

Area bajo la curva = tiempo

Sentido de la reacción

SI LA ESTEQUIOMETRIA DE LA REACCION ES MAS COMPLEJA

SE TRABAJA CON FRACCIONES DE REACCIÓN

X, varía entre 0 y 1o

A

AoA

AC

CCX

−=

12

23

2) Reactor continúo tipo tanque agitado (CSTR):(Continuously Stirred Tank Reactor )

V, CA

Fo CoA

F1 CAtiempo

Velo

cid

ad

de r

eacci

ón

Estos reactores trabajan en estado estacionario, los valores de las variables no varían con el tiempo.

Tambien denominados de ordeñe constante

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Balance de Masas

Ecuación general de balance de masas Volumen constante: V

In − Out + Generation = Accumulation

FA 0 − FA + rA∫ dV = dNA

dt

FA0 FAGA

System Volume, V

13

25

FA 0 − FA + rAV = 0

V =FA 0 − FA

−rA

VrdVr AA =∫Si la mezcla es perfecta

Es el volumen necesario para disminuir el flujo de FA0 a FA.

Reactores continuosBalance de masa

25252525

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Ventajas y desventajas entre el reactor por lote y el reactor continúo

Es adecuado para la produción de grandes cantidades de productos durante un tiempo muy largo

Es adecuado para trabajar con volumenes de producción menores

Reactor continuoReactor discontinuo

No se puede emplear para cualquier sistema. Se emplea para el sistema para el cual ha sido diseñado

Se puede emplear en diferentes tipos de racciones

Su mantenimiento es de alto costoSu mantenimiento es económico

Se detiene en tiempos largos, el proceso de re acondicionamiento generalmente es costoso

El proceso se puede detener, para limpiar facilmente el reactor.

Reactor continuoReactor discontinuo

14

27

Reactor continuoReactor discontinuoComo trabaja continuamente, el re acondicionamiento se hace en tiempos largos.

Se pierde mucho tiempo entre cada ciclo, debido a la limpieza y re acondicionamiento

El producto producido es uniformeEl producto producido puede variar de calidad entre los ciclos.

Reactor continuoReactor discontinuo

Alto costo de instalación e infraestructura

Su costo de instalación es bajo

Fácil de intercalar en un proceso continuo

No se puede intercalar en un proceso continuo, necesita tanques para guardar el producto

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Reactores en serie

a) Por lote o discontinuo Ao

A

A kC

Ct ln−=

tiempo

% d

e tr

ansf

orm

ació

n

0

60

30

V, CA

V, CA

t1 t2

15

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Reactores en serie

a) Continuo

V, CA

Fo CoA

F1 CA

V, CA

Fo CoA

F1 CA

rCCoFVt /)(/ −−==

V =FA 0 − FA

−rA

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Conclusión y Resumen

En los Procesos Biotecnológicos se emplea:

1- el reactor por lote o discontinuo

Se emplea para microorganismos:bacterias, hongos, levaduras

Porqué ?

Se debe a la curva de crecimiento de un microorganismo

tiempo

crecimientoEstado estacionario muerte

Nu

me

ro d

e m

icro

org

an

ism

os

V, CA

16

31

2- Reactores continuos o de ordeñe continuo

- Se emplean para reacciones catalizadas enzimaticamente, con enzima inmobilizada.

-Se emplean con células animales, que tienen un tiempo de vida de varias semanas