REACTORES: DISCONTINUO

(TAD) Y MEMBRANA

INTRODUCCION Definición de Reacción Química.

Se conoce como reacción química a aquella operación unitaria que tiene por objeto distribuir

de forma distinta los átomos de ciertas moléculas (compuestos reaccionantes o

reactantes) para formar otras nuevas (productos). El lugar físico donde se llevan a cabo las reacciones químicas se denominan

REACTOR QUÍMICO.

Los factores que hay que tener en cuenta a la hora de llevar a cabo o desarrollar una reacción química son:• Condiciones de presión, temperatura, y composición necesarias para

que los• materiales entren en estado de reacción.• Las características termodinámicas y cinéticas de la reacción• Las fases (sólido, líquido, gaseoso) que se encuentran presentes en la

reacciónFormas de cambios químicos:• Descomposición, consiste en que una molécula se divide en moléculas

más• pequeñas, átomos o radicales.• Combinación, ésta se realiza cuando una molécula o átomo se une con

otra• especie para formar un compuesto nuevo.• Isomerización, en este caso la molécula no efectúa ninguna

descomposición• externa o adición a otra, es simplemente un cambio de configuración• estructural interna.

DEFINICIÓN DE REACTOR QUÍMICO

Un reactor químico es una unidad procesadora diseñada para que en su interior se lleve a cabo una o varias reacciones químicas. Dicha unidad procesadora

esta constituida por un recipiente cerrado, el cual cuenta con líneas de entrada y salida para sustancias

químicas, y esta gobernado por un algoritmo de control.

Son ellos los reactores discontinuo, continuo de tanque agitado y tubular.

Figura 1. Esquema de diferentes tipos de reactores.

Discontínuo Contínuo de tanque agitado Tubular

1•Asegurar el tipo de contacto o modo de fluir de los reactantes en el interior del tanque, para conseguir una mezcla deseada con los materiales reactantes.

2 •Proporcionar el tiempo suficiente de contacto entre las sustancias y con el catalizador, para conseguir la extensión deseada de la reacción.

3•Permitir condiciones de presión, temperatura y composición de modo que la reacción tenga lugar en el grado y a la velocidad deseada, atendiendo a los aspectos termodinámicos y cinéticos de la reacción.

LOS REACTORES QUÍMICOS TIENEN COMO FUNCIONES PRINCIPALES:

BALANCE DE MASA PARA EL DISEÑO Y ANÁLISIS MICROBIOLÓGICOS EN REACTORES EN GENERAL

REACTOR POR LOTES “BATCH”

• El reactor tanque agitado discontinuo o reactor por lotes (batch) no tiene flujo de entrada de reactivos ni flujo de salida de productos, ˙Ni0 = ˙Ni = 0.

• Es un reactor con agitador que homogeniza la mezcla.

Definición

• Este tipo de reactor se considera mezclado ideal en su interior, es decir, la mezcla de reacción es perfectamente homogénea, no hay gradientes de concentración ni de temperatura y por tanto la velocidad de reacción es la misma en todo el volumen de reacción.

Características de los

reactores discontinuos

Tambiénpueden ocurrir

diversas historias térmicas u otros eventos al azar, que en algunos casos, como en el de la

producción de polímeros, pueden afectar las

propiedades del producto obtenido.

Opera por ciclos, cada ciclo comprende

algunas o todas de las siguientes tareas: carga de reactivos, puesta a

punto a las condiciones de reacción,

çcondiciones de descarga, limpieza y

vuelta a cargar.

por efecto de la agitación, idealmente el reactor es

homogéneo

El reactor discontinuo opera en estado no estacionario y por lo mismo, la conversión

aumenta con el tiempo siempre y cuando el sistema no esté en equilibrio químico.

TIPOS DE OPERACIÓNEl balance de masa para cualquier especie química i, integrada sobre el volumen de reacción V , resulta

Isotérmica La ecuación de energía, en este caso el balance de calor, se integra sobre el control de volumen V

Que es un conjunto de ecuaciones diferenciales ordinarias, una para cada especie que se transforma químicamente. Este sistema de EDOs deberá resolverse para modelar el comportamiento de un tanque agitado discontinuo que opera a temperatura constante

La ecuación debe resolverse para modelar un tanque discontinuoaislado, es decir, sin transferencia de calor hacia o desde los alrededores.

Adiabática

Las ecuaciones principales de diseño del reactor discontinuo, derivadas de los balances molar y de calor pueden expresarse

así:

PARA ENTENDER UN POCO MASA ESTE TIPO DE REACTORES SE PLANTEA EL SIGUIENTE BALANCE

SUSTITUYENDO TÉRMINOS

GRAFICANDO LAS ECUACIONES TENEMOS:

COMPONENTES

NUTRIENTES

Para aguas residuales industriales es muchas veces necesario agregar nutrientes como nitrógeno y fósforo en forma de urea y fosfato de di-amonio para optimizar la actividad de los microbios. Normalmente las aguas residuales municipales vienen enriquecidas de nitrógeno y fósforo y no será necesario agregar nutrientes adicionales.

SISTEMA DE BOMBEO PARA EXCESO DE LODO

Con el fin de mantener una concentración adecuada de biomasa en el RSB, el exceso de biosólidos deberá ser eliminado del reactor utilizando bombas sumergibles las cuales están programadas para operar automáticamente de acuerdo a los requerimientos del proceso

DIGESTOR AERÓBICO PARA LODO .

En muchas aplicaciones es necesario proporcionar

digestores aeróbicos para almacenamiento y

estabilización del lodo. Un sistema de aireación con

difusores de burbuja fina es utilizado en el digestor con el fin de mantener condiciones

aeróbicas

SISTEMA DE CONTROL

Un controlador lógico programable es utilizado para controlar todas las funciones del proceso Bio-Batch. Un sistema de Control SCADA en una PC puede ser proporcionado en caso de ser requerido.

APLICACIONES

VENTAJAS

VENTAJAS EN EL PROCESO Ecualización, tratamiento biológico, clarificación

secundaria, sedimentación y decantación pueden ser obtenidas en el mismo tanque reactor.

Los ciclos dentro del sistema pueden ser programados para eliminación de nutrientes.

Operación y control flexible para el tratamiento de varios tipos de flujos.

Presenta un comportamiento para expansión lineal. Condiciones anóxicas/anaeróbicas opcionales en el

mismo tanque. Alta capacidad para la eliminación de nutrientes. Eliminación del crecimiento de filamentos. Proceso libre de malos olores.

DISEÑO Y EQUIPO Plantas que van desde los 20 m3/día a

150,000 m3/día o más. Diseño modular de fácil expansión y

modificación. Posible expansión y modificación para

tanques existentes. Todos los componentes del sistema RSB

“Bio-Batch” son de la más alta calidad para varios años de operación en buen estado.

Decantador con diseño amigable para el operador con unidad de accionamiento accesible desde la plataforma.

EJEMPLO: Una solucion A ingresa a 130°C a un reactor

TAD con una concentracion inicial de 0,1 molg/lt, realizandose una reaccion quimica en fase liquida segun la sgte estequiometrica A B de los datos termodinamicos se sabe que la masa de reactivos debe calentarse hasta 70°C para que recien comienze la reaccion quimica este calentamiento se lo realiza dentro del reactor quimico durante 10 min. la reaccion se realiza adiabaticamente durante 2 horas y se emplean 15 min. para cargar y descargar al reactor, Calcular:

A) El area de intercambio de calor del equipo.

Datos adicionalesTcalefaccion= 95°CU= 23 cal/d2min°CCpm=1500 cal/molg°CΔH= -45000 cal/molgK= 5x10-2 e-200 lt

V= 40 lts

OPERACIÓN 1:BALANCE DE ENERGIA:

Fo Cpm (To-T) - Q - =

V CCpm

-Q = V C Cpm

Q= u A (T1 – T2)

C= Cao

-UA (T – TE)= V CAO CPM

CV: (T1 – Te)= udt= du

Top =

= = ln u

Ln (T – Te) =

A= ln

U= 23 cal/d2min°C x 100 d2 / 1m

U= 2300 cal/m2 min °C

A=

A= 0.249m2 = = 0.25 m2

REACTORES BIOLOGICOS DE

MEMBRANA

Son aquellos que combinan la reacción y la separación en una sola unidad; La tecnología de

Birreactor de Membrana (MBR) se puede definir como la combinación de dos procesos; degradación biológica

y separación por membrana, en uno único en el que los sólidos en suspensión y microorganismos

responsables de la biodegradación son separados del agua tratada mediante una unidad de filtración por

membrana.

REACTORES DE MEMBRANA

Los reactores de membrana están compuestos por dos

partes principales

Reactor biológico: responsable de la degradación de los

compuestos presentes en el agua residual

Modulo de membranas: encargado de llevar a cabo la

separación física  de la mezcla

Estos sistemas pueden adoptar dos configuraciones básicas

Membranas sumergidas o sistema sumergido

Membranas externas o sistema de bucle externo

MEMBRANAS FUERA DEL REACTOR BIOLÓGICO

MEMBRANAS DENTRO DEL REACTOR BIOLÓGICO

VENTAJAS DE LOS MBR CON MEMBRANAS EXTERIORES:

Facilita la operación al poderse manipular los tanques independientemente.

Se pueden gestionar las membranas sin influir en el reactor, limpiezas químicas, mantenimiento, control,…

Se pude vaciar el reactor sin peligro de dañar las membranas.

INCONVENIENTES MBR CON MEMBRANAS EXTERIORES:

Gasto energético superior Necesario bombeo recirculación

TIPOS DE MEMBRANA

BIOMEMBRANAalta cargaexternas y 

conectadas en serie.

ultrafiltaración

BIOMEMBRANACarga media

Mantiene constante el flujo de filtración

micro – o ultrafiltaración

BIOMEMBRANA- de apoyo con burbujas de

aire(media contaminacion)La baja velocidad, asi como la aireación con pulsaciones a la entrada del módulo, producen la turbulencia necesaria sobre

la superficie de las membranas

las aguas de la industrias gráficas, química y farmacéuticas y para el tratamiento de los lixiviados de vertedero, aguas residuales del reciclado de aceites usados.- residuos líquidos industriales asi como las aguas de la limpieza de cubas de transporte

El lodo activo del reactor biológico, se bombea a gran velocidad, a través de módulos de membranas externas y  conectadas en serie. La presión de impulsión necesaria para vencer la caida de presión , sirve para dar salida al agua depurada.

Según la composición del agua residual se aplican distintas configuraciones de módulos y membranas . Altas velocidades de impulsión sirven para crear las turbulencias necesarias en las membranas.

Membrana para carga alta

de cerveceras, lácteas, industria química y talleres de galvanizado, industria del automóvil o lixiviados de vertedero.

es para aguas residuales de carga media, el proceso óptimo, ya que esta relacionado con  costos de  inversión,- energia- y costos de sustitución de membranas  bajos unidos a un alto rendimiento de filtración

Membrana de carga media

es idóneo para la descontaminación de aguas residuales de media contaminación, como son por ejemplo las aguas residuales urbanas, las aguas negras y grises de barcos, lavanderias , hosteleria, aguas residuales de hoteles y refugios de montaña, descontaminación de aguas freáticas etc.

Los lodos activos del bioreactor se bombean a baja velocidad a través de los módulos de membranas colocados en posición vertical. La baja velocidad, asi como la aireación con pulsaciones a la entrada del módulo, producen la turbulencia necesaria sobre la superficie de las membranas.

El proceso permite dada su flexibilidad y posibilidades las mejores condiciones para tratar aguas residuales con fuertes variaciones de caudal, de forma económica. De esta forma por ejemplo se puede hacer frente a picos de caudal mediante bombas reguladas con variardor  de frecuencia

Apoyo con burbujas de aire

La demanda de agua potable aumenta constantemente debido fundamentalmente al desarrollo industrial y al aumento de la densidad de población en zonas concretas y, como consecuencia, la cantidad de agua residual que se vierte. Este incremento en la demanda y el volumen de agua contaminada y su impacto sobre el medio está haciendo que la presión sobre los niveles de contaminación sea más exigente y la calidad requerida se acerque a los requerimientos de reutilización. Los reactores biológicos de membrana suponen un adelanto a los sistemas tradicionales, incorporando en una única etapa las operaciones de aireación, decantación secundaria y filtración.

INTRODUCCION

La aplicación de las tecnologías de membranas permite la separación del fango y el líquido mediante membranas, obteniendo ventajas importantes frente a la separación en los tradicionales decantadores secundarios. El aumento de la demanda de agua ha impulsado la implantación de estos sistemas a escala real, especialmente en aquellos casos en que se plantea la posibilidad de reutilización de agua.

USOS Y APLICACIONES

FUNCIONAMIENTOSe basa en que el agua del reactor

biológico es filtrada pasando a través de las paredes de una

membrana, debido a una pequeña depresión producida por una

bomba centrífuga

El agua filtrada es extraída del sistema mientras el fango y los

compuestos de tamaño superior al poro de la membrana quedan

retenidos y permanecen o retornan al reactor biológico

Este ciclo se alterna con un corto contra lavado, en el que se invierte el sentido del flujo para forzar el paso del agua filtrada

desde el interior al exterior de la membrana para limpiarla. Periódicamente, en función del grado de ensuciamiento, se realizan

limpiezas químicas en profundidad de las membranas mediante su inmersión en una

solución de limpieza

VENTAJAS Y DESVENTAJAS

La filtración por membrana garantiza una calidad de agua tratada independientemente de la decantabilidad del fango.

Las membranas retienen los sólidos en suspensión y sustancias coloidales, lo que permite su reutilización para diversos usos.

La oferta de nutrientes en el biorreactor respecto a la biomasa puede ser regulada, de forma que se generan tiempos de permanencia prolongados de la biomasa y de los nutrientes en el sistema, minimizando así la formación de lodos excedentes

VENTAJAS

Elevado costo de implantación y explotación

Las altas concentraciones de fango pueden influir de forma negativa en el rendimiento de la membrana, aumentando el TPM (Transmembrane Pressure) o disminuyendo el flujo a través de la membrana

DESVENTAJAS