Diseño de reactores

SELECCIÓN DE
REACTORES
QUÍMICOS.
I N S T I T U T O T E C N O L O G I C O
D E O R I Z A B A
Transcrito por MauricioMartínez Rodríguezde una
tesisde curso especial de titulaciónconfechade
diciembre de 1989.

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Tabla de contenido
PRÓLOGO................................................................................................................................. 2
1. INTRODUCCIÓN .................................................................................................................... 3
1.1 El reactor químico y la reacción química................................................................................ 3
1.2 Reactores ideales................................................................................................................. 4
1.3 Reacción continua y discontinua........................................................................................... 5
1.4 Factores que afectanla operación......................................................................................... 6
2. CLASIFICACIÓN DE LOS REACTORES QUÍMICOS ...................................................................... 9
2.1 Aspectos mecánicos o detalles de construcción..................................................................... 9
2.2. Intercambio de materiales con su medio ambiente..............................................................18
2.3. Clasificación de acuerdo a las fases presentes......................................................................23
2.4. Clasificación en base a la presencia de catalizadores............................................................25
2.5. Clasificación en base a su temperatura de operación ...........................................................34
2.6. Reactores especiales..........................................................................................................35
3. SELECCIÓN DE REACTORES QUÍMICOS ..................................................................................37
3.1. Selección de equipo de proceso..........................................................................................37
3.2. Especificaciones para un reactor químico............................................................................40
3.3. Factores que influyen en la selección del tipo de reactor......................................................41
3.4. Factores técnicos...............................................................................................................42
3.5. Factores sociales................................................................................................................49
3.6. Factores económicos..........................................................................................................50
3.7. Usos industriales de los reactores químicos.........................................................................60
3.8. Ventajas de los reactores químicos .....................................................................................61
3.9. Desventajas de los reactores químicos................................................................................61
4. PROBLEMAS DE APLICACIÓN ................................................................................................63
Conclusiones...........................................................................................................................69
Bibliografía..............................................................................................................................70

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PRÓLOGO.
El tipode problemaindustrialal que nosreferimoseneste trabajoes:comoelegirel tipode reactor
para una reacción química determinada.
Cuando el ingeniero químico se enfrenta a un problema de este tipo, generalmente tiene que
considerarprefijadas doscosas:laescalade operacióny la cinéticade la reacción.A partirde estas
tiene considerable libertadde elección,puede adoptarunprocesodiscontinuoounode losdiversos
tiposde procesoscontinuos;dentrode ciertoslimitespuede elegirlastemperaturasypresionesde
operación; así como los valores que crea mas convenientes para la concentración inicial de los
reaccionantes.
La finalidaddelpresente trabajoesmostrarloscasosaseguirenlaselecciónde unreactor químico.
Se incluye información que es útil para otro tipo de equipo.
Después de la introducción, en el capitulo segundo se muestra una clasificación de los reactores
químicos hecha en base a lo investigado; se describen también sus características principales.
El capitulo tercero es el tema central de este trabajo, incluye información sobre los factores mas
importantes a considerar en la selección de reactores químicos, así, como sus ventajas y
desventajas, al igual que sus usos industriales lo cual facilita la selección.
El ultimocapitulopretendemostrarpormediode todolodescritoen losprimeroscapítulosytema
central en que se lleva a cabo la selección de los costos de los reactores químicos.
El seleccionar equipo requiere de muchos factores y de un criterio que se logra por medio de
conocer todas las variables a intervenir en el proceso. En este trabajo se describen los factores y
variables a tomar en cuenta cuando se requiere llevar a cabo una cierta reacción.
CAPITULO I. INTRODUCCION.

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1.1. El reactor químico y la reacción química.
En la actualidad los procesos químico-industriales se han de proyectar para obtener
económicamenteundeterminadoproducto,apartirde diferentesmateriasprimas,que sesometen
a etapas diferentes de tratamiento como:
Etapas de tratamientofísicopara ponerlasenla formaen que puedenreaccionarquímicamente,y
a continuación pasan al reactor. Los productos de reacción han de someterse después a nuevos
tratamientos físicos (separaciones, purificaciones, etc.) para obtener el producto deseado.
En efecto la transformación de unos productos en otros de mayor utilidadtiene lugar a través de
transferencia de calor y materia dependiente de la termodinámica, cinética y mecanismos de la
propia reacción química.
Un reactor químicoesun aparato que proporcionaunespacio,aisladode losalrededores,dondela
reacción química puede tener lugar en condiciones deseadas de temperatura, presión y
concentración.
Las reacciones químicas como se realizan en condiciones industriales son casi siempre complejas.
En un sistema de reactor existirá la reacción principal,o deseada,junto con una o mas reacciones
secundarias. Las reacciones secundarias producen subproductos indeseables y reducen así el
rendimiento de la reacción.
La corriente producto del reactor debe tratarse de modo que se separe y se verifique la materia
prima que no ha reaccionado y el producto deseado. La materia prima no reaccionada puede
recircularse al reactor, el producto deseado se procesa posteriormente, y el subproducto no
deseado se recupera y se dispone del mismo de alguna manera.
Una reacción química tiene diversas variables importantes:
1. La cinéticade lasreacciones.La velocidadconque losproductos químicosreaccionanesla
característica más importante para seleccionar un reactor. Las velocidades de las diversas
reaccionesdependennormalmente fuertemente de la temperatura y de la composición.
La velocidad de reacción se define formalmente como el cambio de numero de moles de un
componente conrespectoal tiempo,porunidadde volumende mezclareaccionante.Estacantidad
es negativa cuando es reaccionante y positiva cuando se trata de un producto.
La velocidad de reacción se escribe normalmente en la forma:
𝑟 = 𝑘𝐶 𝐴
𝑎
𝐶 𝐵
𝑏
y 𝑘 = 𝐴𝑒−
𝐸
𝑅𝑇
Se conocen muchas formas diferentes de la reacción general. Un análisis matemático exacto es
normalmente bastante complejo y, con frecuencia, estos análisis se restringen a formas más
sencillas.Enmuchoscasosexistepocadiferenciaconlaformaexactautilizada,yunanálisissencillo
es normalmente suficiente.

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Con objeto de determinar las constantes A y E en la ecuación para k es necesario tener dato de
velocidad de reacción para dos o mas temperaturas. Estos se disponen raramente, y cuando
existen,confrecuenciaesdifícil saberel mecanismoexactode la reacción.Como consecuenciano
es frecuente que un conocimiento preciso de A y E exista. Para muchos casos de selección de
reactores químicos no es necesario este conocimiento. Sin embargo, es muy bueno disponer de
datos de velocidad de reacción para dos o más temperaturas.
2. El efecto calorífico de la reacción. Casi todas las reacciones químicas tienen un efecto
calorífico.Con frecuencia,este efectocaloríficoesimportante yun reactor debe diseñarse
de modoque suministre oacepte calor.El producto de la velocidadde reacciónyel efecto
calorífico de la reacción es una característica de la reacción de gran importancia debidoa
que este valor determina el tamaño y la forma del área de transmisión de calor asociada
con el reactor.
3. La naturalezacorrosivade los materialesreaccionantes.Obviamenteestodeterminael tipo
de material de construcción del reactor, y esto a su vez, tiene un efecto importante en el
diseño y coste del reactor.
Respecto a esto, en la construcción de los reactores se emplean técnicas diversas. Para presiones
muy elevadas se utilizan tanto la foja y el laminado como el torno y la autógena. A temperaturas
elevadas,avecesse necesitanrevestimientosaislantesparareducirlatemperaturade laarmadura
metálicay permitirasí el empleode paredesmas finas. Tambiénpuedenenfriarse lasparedespor
circulación de la carga fría a través de un espacio anular, o bien por enfriamiento externo. El
enfriamientoesnecesarioavecesparahacer mínimala corrosión;así enlapreparaciónde cloruros
metálicos a temperaturas elevadas, los reactores están aislados con un espesor considerable de
material cerámico;perocomo hay siempre laposibilidadde fugas,esconveniente enfriar también
lasparedesde acerohasta temperaturasinferioresa320 0
C pormediode chorrosexternosde aire;
de otro modo, el acero puede quemarse por acción del cloro.
4. El valor económico relativo de los reactantes, productos y subproductos.
1.2.Reactores ideales.
Hablaremos en breve de estos tres tipos de reactores, ya que estos son relativamente fáciles de
estudiar, a la vez que suelen representar el mejor modo de poner en contacto los reactantes, sin
que importen las condiciones de operación. Por estas razones se tratan de diseñar los reactores
reales de tal manera que sus flujos se aproximen a los de estos modelos ideales.
REACTOR DISCONTINUO. Los reactantes se introducen en el reactor se mezclan, se deja que
reaccionen un tiempo determinado, y finalmente se descarga la mezcla resultante. Es esta
operaciónde tipoestacionariaenlaque lacomposiciónvavariandoconel tiempo,aunqueencada
instante es uniforme en todos los puntos del reactor.

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REACTOR DE TIPO FLUJO EN PISTON. También se conoce como reactor de flujo de tapón, de flujo
tubular ideal, y de flujo uniforme; por lo general se le denomina reactor de flujo en pistón y a su
modelo de flujo se le designa por flujo en pistón.
Se caracteriza por que el flujo del fluido a través de él es ordenado, sin que ningún elemento del
mismo sobrepase o se mezcle con cualquier otro elemento situado antes o después de aquel; en
realidad, en este reactor puede haber mezcla lateral del fluido, pero nunca ha de existir mezcla o
difusión a lo largo de la trayectoria del flujo.
La condiciónnecesariaysuficienteparaque existaflujoen pistónesque eltiempode residenciaen
el reactor sea el mismo para todos los elementos del fluido.
REACTOR DE MEZCLA COMPLETA. Llamado también reactor de retro mezclado, reactor ideal de
tanque con agitación, o reactor CFSTR (Constant Flow StirredTank Reactor), y como su nombre lo
indica,es el reactor en el que su contenidoestaperfectamente agitado,ysu composiciónencada
instante esla mismaentodoslos puntosdel reactor.Por consiguientelacorriente de salidade ese
reactor tiene lamismacomposiciónque ladel fluidocontenidoenel mismo.A este tipode flujole
denominaremosflujoenmezclacompleta,yel reactor correspondiente reactorde flujoenmezcla
completa.
En la figura 1.2.1. Se pueden apreciar los tres tipos de reactores ideales
1.3.Reacción continua y discontinua.
Ciertos productos obtenidos en cantidades mas bien pequeñas (productos farmacéuticos,
colorantes y otros) se fabrican discontinuamente. En una fabrica de este tipo de productos, uno
puede sorprenderse porlapresenciade centenaresde autoclaves,cadauno de ellosutilizadopara
producir una tonelada de un producto un día y una tonelada de otro producto completamente
diferenteal díasiguiente.Unsistemaasíofreceunagranflexibilidad,especialmentecuandolacitada
fábrica tiene una gama de cientos e incluso milesde productos cada uno producido en una escala
más bienpequeña.Otraventajade laoperacióndiscontinuaesque el costode capital esamenudo
menor que el correspondiente proceso continuo.Por esta razón el sistema adecuado para nuevos

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procesosque enunaetapade desarrollomasavanzadafuncionaranenformacontinua.Lasrazones
por las que el proceso continuo se adopta finalmente,en la mayoría de las industrias químicas de
gran escala son principalmente estas:
a) Disminucióndel costode trabajo(esdecir,menormanode obra enel crudo lenguaje de la
administración). A causa de la eliminación de ciertas operaciones, tales como el repetido
llenado y vaciado de recipientes discontinuos.
b) Facilidad de control automático. También esto reduce costos de trabajo, aunque
generalmente requiere un considerable costo de capital.
c) Mayor constancia en las condiciones de la reacción y por tanto, mayor constancia en la
calidad del producto.
La correcta elecciónentre lareaccióncontinuaydiscontinuadependemuchode lamagnitudde los
costos de trabajoen relacióna losde capital.Lo que es mejorpar aun país muy industrializadono
lo es necesariamente para otro que lo este menos.
Ahora podemos preguntarnoscual es la diferencia científica,en contraposición con la económica,
entre la reacción continua y discontinua. La cinética de las reaccionesse estudia generalmente en
el laboratorio en condiciones discontinuas pero la aplicación de los resultados al diseño de un
procesocontinuonoimplicanuevosprincipiosde cinética,puestoque loscambiosmolecularesson
los mismos. La diferencia estriba en la existencia de un estado de flujo en el proceso continuo, y
esto puede ocasionar cambios importantes de carácter macroscópico. En particular, no todas las
moléculas que pasan a través del sistema fluyente tendrán necesariamente igual tiempo de
residencia,ni tendránlamismahistoriaencuantoaloscambiosde concentraciónotemperatura.A
estos factores pueden causar cambios considerables de rendimiento o de velocidad media de
reacción,encomparaciónconunprocesodiscontinuo.Esespecialmenteelcasocuandola reaccionó
se complica por la existencia de las reacciones secundarias. Aquí el rendimiento del producto
deseadopuede diferirconsiderablementeentre las operaciones continuaydiscontinua,ytambién
entre los dos tipos principales de procesos continuos. El rendimiento de la reacción no es
necesariamente mas bajo para el procesocontinuo(en algunos casos puede ser mas elevado). Sin
embargo en ejemplos donde es mas bajo, este factor puede contrapesar las ventajas normales de
la operación continua de modo que favorezca al sistema discontinuo.
1.4.Factores que afectan la operación.
La diferencia de comportamiento entre una reacción continua y discontinua se puede analizar en
función de los siguientes factores:
a) Diferencias en distribución de tiempo y residencia.
b) Diferencias en historia de la concentración.
c) Diferencias en historia de la temperatura
El primero de todos se refiere a los tiempos de residencia y su variación. Mientras en la reacción
discontinua todos los elementos del fluido reaccionan en el mismo periodo de tiempo, ello no

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sucede en ninguno de los procesos continuos. En el caso del C.S.T.R. el factor que da lugar a los
distintostiemposde residenciaparalasdiferentesmoléculaseselcomportamientocomosi hubiese
mezclaperfecta.El reactor tubular(exceptocuandose aplicala condiciónlímite de flujode pistón)
los tiempos de residencia de moléculas o de elementos del fluido individuales se distribuyen
análogamente en un cierto intervalode valores. Una de las causas es la variación de la velocidad
del fluido en una sección recta, es decir,el hechode que algunos elementos del fluido se muevan
más rápidamente atravésdel reactorque otros.Otra causa es ladifusión(molecularoturbulenta),
y esto ocurre tanto en dirección del flujo como en dirección normal. El efecto de la difusión
longitudinal es reducir el tiempo medio de residencia de las moléculas reaccionantes y también
aumentarel intervalode lostiemposde residencia.Ladifusiónlateral actúaendirecciónopuestay
tiende a aproximar el comportamiento del sistema en flujo de pistón.
Siempre que ocurren estas variaciones de tiempos de residencia aparecen varias consecuencias
importantes.Unade ellasesunaumentoenel tamañonecesariode reactorpara unaproduccióny
una eficienciade conversióndadas.Esobvioque,si unafracciónapreciable delreaccionante pasaa
través del reactor en un tiempo mucho mas corto que el valor medio de paso (también llamado
tiempode permanencia) tiene que seraumentadoparadar esa fracciónde reactante oportunidad
de reaccionar mejor. Otras consecuencias importantes aparecen en tipos especiales de procesos;
en ciertos tipos de reacciones de polimerización aumenta el intervalo de pasos molecularesen el
producto;enun procesode cristalizaciónhayunaumentosimilarenel intervalode lostamañosde
partículas; y en ciertos tipos de cinéticas química puede reducirse el rendimiento del producto
deseado.
El significadode lahistoriade laconcentraciónnoesquizáel mismoque ladistribuciónde tiempos
de residenciaaunque losdosfactoresestánrelacionados.El ultimoestadeterminadopor la fluido
dinámica del sistema y por la presencia de la difusión y de la mezcla; el primero depende
parcialmente de estos factores, pero también de la presencia de la reacción misma; cada tipo de
reacción traza su propia y peculiar clase de historia.
Mientras en un proceso discontinuo o tubular las concentraciones de los reaccionantes cambian
continuamente,enunC.S.T.R.que comprendavariostanquesenserie lasconcentracionescambian
discontinuamente; es decir,hay un cambio brusco desde un tanque al siguiente.Además la altura
de las etapasesta determinadaporla propia reacción,así como el tamaño de los tanques.Cuanto
mayorsea el ordende la reacción,mayor eslafracción de laconversióntotal que tiene lugarenlos
primerostanquesde laserie, enque lasconcentracionesde lasreaccionessonmaselevadas. Asíla
altura de las ultima etapas, disminuye con la reacción a las primeras.
Como consecuenciade elloesposible que por dos diferentestiposde procesoscontinuostenerla
misma distribución de tiempo de residencia (referida a su sustancia mezcladora) y tener sin
embargo, diferentes historias de concentración y diferentes comportamientos.
En resumen el comportamiento del reactor como tal depende de la historia de la concentración,
pero esta se origina por la propia reacción, así por el tipo de flujo que exista dentro del sistema.

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La historia de la temperatura tiene lugar naturalmente en efectos mayores que la historia de la
concentración, y ello es particularmente importante en reactores tubularesde lecho fijo. El fluido
se mueve cerca del eje de un reactor puede pasar a través de una secuencia de temperaturas
completamente diferentes a las del fluido que se mueve mas cerca de la pared.
La composiciónglobaldelfluidoalasalidaes,consecuentemente,funcióndeloque esvirtualmente
un numero infinito de diferencias de historia.

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CAPITULO II. CLASIFICACIÓN DE LOS REACTORES QUIMICOS.
2.1. Aspectos mecánicos o detalles de construcción.
Tomando en cuenta la forma de los reactores podemos clasificarlos de la forma siguiente:
REACTOR TANQUE. Este es quizáel tipode reactor de más uso común enla industriaquímica.En
la mayoría de los casos, esta equipadoconalgún mediode agitación(por ejemplo,centrifugación,
oscilación o sacudidas) así como elementos para la transferencia de calor (por ejemplo,
intercambiadores de calor de cubierta externos e internos). Esta clase admite tanto la operación
discontinuacomola continuaen ampliasgamas de temperaturasy presiones.Conlaexcepciónde
líquidos muy viscosos, el tanque con agitación produce un mezclado casi perfecto (por retro
mezclado). En una operación continua se pueden conectar en serie varios reactores de este tipo.
También existen depósitos de reacción unitarios de funcionamiento continuo, divididos en cierta
cantidad de compartimientos, cada uno de los cuales equivale a un tanque con agitación.
REACTOR TUBULAR. Este tipode reactorse construye yaseadeunsolotubocontinuoovarios tubos
en paralelo. Los reactivos penetran por un extremo del reactor y el producto sale por el otro, con
una variación continua en composición de la mezcla de reacción entre estos dos puntos. La
transferenciade calorhacia el reactor o desde este,se lograpor mediode una camisa o un diseño
CLASIFICACION DE LOS
REACTORES QUIMICOS.
Aspectos
mecánicoso
detallesde
construcción
Reactor tipotanque
Reactorestubulares
Intercambiode
materialesconsu
medioambiente.
Reactorescontinuos
Reactoresdiscontinuos
Reactoressemicontinuos
Fasespresentes
Reactoreshomogéneos
Reactoresheterogéneos
Presenciade
catalizadores
Reactorescataliticos
Reactoresautocatalíticos
Reactoresnocatalíticos
Temperaturade
operación.
Reactoresisotérmicos
Reactorespseudoisotérmicos
Reactoresnoisotérmicos
Reactoresadiabáticos
Reactoresnoadiabáticos
Reactores
especiales

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de tubos del reactor pueden estar empacados con gránulos de catalizador o solidos inertes. El
reactor tubular tiene aplicación en los casos en los que es indispensable el retro mezclado en la
direccióndel flujo.Lasreaccionestalescomoladisociacióncatalíticade hidrocarburos,laconversión
de aire en NO, y la oxidación de NO en NO2, son ejemplos de la aplicación de este genero de
reactores.
2.1.1. Reactores tipo tanque con agitación.
La agitaciónse lograpormediodeagitadores de formasdiversas(principalmente turbinasohélices),
o bienporcirculaciónforzadaporunabombaexternaosumergida.Losreactorespequeñospueden
agitarse por vaivén, por sacudidas o por volteo de todo el recipiente. El diseño del sistema de
agitaciónincluye el numero,tamañoy posiciónde los agitadoresy tabiquesdeflectores.a manera
de orientaciónlaeficaciade agitaciónpuede expresarse enfunciónde lapotenciasuministradaala
unidad de volumen de los reactantes como sigue:
Intervalode agitación Moderada Vigorosa Intensa
Potencia
suministrada, CV/m3
0.12-0.25 0.60 Mas de 1.25
Desde el puntode vistade eficaciade unreactor, la agitaciónvigorosaenun reactor continuotipo
tanque con agitaciónproporcionaraun90 % de la conversiónque se lograría con mezcla perfecta.
Entre los dispositivos para lograr la transmisión de calor se incluyen paredes encamisadas,
serpentinesinternosycambiadoresde calor externos.El calentamiento tambiénpuedeefectuarse
por contacto directo o eléctricamente. Si la reacción transcurre con desprendimientode vapores,
para su enfriamiento debe emplearse un condensador de reflujo. La elección del dispositivode
calefaccióndependede lafacilidadconque se ensucie lasuperficie ylaconsiguiente frecuenciade
limpieza, el área de superficie necesaria, las posibilidades de averías por fugas del agente de
transmisión del calor y la temperatura y presión del mismo.Como el área de transmisión tiene un
valor moderado, resulta mas conveniente el empleo de la camisa de calefacción. Para mejorar las
condicionesde transmisión,lacamisapuedeestardispuestade formaque el agentede transmisión
sigaun recorridoenespiral yfluyaa una velocidadelevada.Enalgunosrecipientesse hafundidoel
serpentín de transmisiónde calorenel interiorde lasparedes,loquepermite elempleode agentes
de transmisión de calor a presión elevada.

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En la figura2.1 es posible apreciarlasformasenque se puede llevaracabo la transmisiónde calor
en los reactores de tanque con agitación.
Los reactores cilíndricos son los mas corrientes, predominando los de tipo vertical. Los reactores
verticales se utilizan en los siguientes casos:
a) Para tratamiento de suspensiones o lodos.
b) Cuando se desea gran área de superficie libre de liquido con miras a la evaporación o a la
absorción de gases.
c) Cuandoesperjudicial laelevaciónenel puntode ebullicióndebido a la carga hidrostática.
d) Cuando se tratan materiales viscosos.
En losreactoresverticalesconagitación,laalturadel liquidoesaproximadamente igualal diámetro
del recipiente; si se desea que la altura sea mayor, será necesario el empleo de una bomba de
circulacióno de variosagitadorescon deflectoresespeciales.Enla figura2.2. podemosapreciarun
tipo de reactor vertical, y en las figuras 2.3. y 2.4 los reactores horizontales.

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Los reactores continuos de tanque con agitación de múltiples etapas; son tan corrientes los
reactoresde unsolocuerpocomolosde múltiples.Losúltimossonmascaros,perose adaptanmas
fácilmente a las variaciones en el numero de etapas paralelas para aumento de flujo, y a la
transmisiónde cantidadesvariablesde calor.Cuandoesposible,el flujose hace porgravedadentre
las etapas, ya que el mantenimiento de las bombas es siempre un problema. Los tipos de un solo
cuerpo son mas compactos, mas baratos y mas fáciles de manejar y mantener.
En la figura 2.5 podemos apreciar los reactores de tanque con agitación de varias etapas.

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2.1.2. Reactores tubulares.
El reactortubularse denomina asíporque enmuchoscasostienelaforma de untubo.Sinembargo
loque se entiendegeneralmenteporreactortubularescualquierreactorcontinuoenel que existe
un movimientoestacionariode unoode todoslosreactantesenuna direcciónespacial elegida(los
reactantesentranpor una parte del sistemao un extremomejordicho,y salenpor el otro) y enel
que no se intenta inducir mezcla entre elementos del fluido en diferentes puntos a lo largo de la
dirección del flujo; es decir, es el tipo de reactor continuo para el que la hipótesis mas adecuada
para predecirsucomportamientoenprimeraaproximaciónesimaginarque el fluidose mueve alo
largodel mismocomounemboloo pistón.Losreactorestubularesse utilizanenmuchasreacciones
gaseosas en gran escala y también en determinadas reacciones en fase liquida. Los reactores
tubulares se utilizan mucho para reacciones catalíticas. Aquí el reactor se llena con partículas del
catalizador solido, y por esta razón se le designa como reactor de lecho fijo. El reactor consta
frecuentementede muchasdocenase inclusocientosde tubosenparalelo,fijosentre doscabezas,
como un cambiador de calor de tubos y envolventes.Los tubos suelen tener un diámetro de unos
pocos centímetros y una longitud de varios metros.
Hay tres tipos principales de reactores tubulares:
1) Tubo sencillo encamisado
2) Cambiador de calor de carcasa y tubos
3) Hornode tubo(retortatubular),enelcual lostubosrecibencalorporradiaciónyconvección
de los gases de combustión.
Este último se emplea para procesos endotérmicos, mientras que los otros son apropiados tanto
para procesos endotérmicos como exotérmicos. El reactor de tubo sencillo es muy simple.

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2.1.2.1. Reactor de carcasa y tubos.
La reacciónpuede tenerlugarenel interioroenel exteriorde lostubos.Lazonade reacciónpuede
contener relleno para mezclar las fases o aumentar la turbulencia,un catalizador solido en forma
de gránulos o trozos grandes, tener las paredesrevestidascon un catalizador, o bien estar vacíos.
Los agentesde transmisióndel calorpuedenserde cualquier naturaleza:refrigerantes,agua,vapor
de agua, Dowthermy salesfundidas.Lafigura2.6 ilustrael principiofrecuentemente adoptadode
emplear la mezcla reaccionante como agente de calefacción, de enfriamiento dentro del mismo
reactor. En el reactor indicado, el aire reaccionante se precalienta por contacto indirecto con los
productos de reacción y a su vez se enfría rápidamente.

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2.1.2.2. Hornos tubulares.
Se aplicanen el cracking de hidrocarburospara obtenerolefinasogasolinasy, en general siempre
que se requieran temperaturas bastante elevadas.
El horno consta de una cámara de combustión revestida con refractario, con una serie de tubos
montadosenlas paredesy enla bóveday a vecesenla solera.En la secciónde radiaciónlos tubos
están en contacto directo con las llamas. La sección de convección puede estar en la cámara
principal,separadaporunaparedde altar,obienenelconductodehumos.Lostubosde convección
pueden tener una de estas emisiones:
a) Precalentar la carga
b) Mantener la temperatura de reacción alcanzada en la sección de radiación
c) Recuperarel calor,bienporel calentamientodelaire de combustión,obienporgeneración
de vapor.
En la figura 2.7 podemos apreciar los tipos básicos de hornos tubulares.

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2.2. Intercambio de materiales con su medio ambiente.
De acuerdoa estascaracterísticas noses posible clasificar a los reactores de la siguiente manera:
REACTOR CONTINUO.Losreactivosse introducenylosproductosse extraensimultáneamenteyen
forma continua en los reactores de esta índole. Este puede tener la forma de un tanque, una
estructura tubular o una torre, y tiene multitud de aplicaciones en plantas de gran escala con el
propósito de reducir los costos de operación y facilitar el control de calidad del producto.
REACTOR DISCONTINUO. Este tipo admite todos los reactivos al principio y los procesa según un
curso predeterminadode reaccióndurante el cual no se alimentaose extrae ningúnmaterial.Por
lo común, el reactor tiene la forma de un tanque con o sin agitación, y se usa primordialmente en
una producción a pequeña escala. La mayoría de los datos cinéticos básicosdel diseño del reactor
se obtienen de esta clase de equipo.
REACTOR SEMICONTINUO. A esta categoría pertenecen aquellos reactoresque no satisfacen por
completolasdosclasesantesmencionadas.Enunode loscasos, algunosde losreactivosse cargan
al principio, en tanto que los restantes se dosifican continuamente conforme se desarrolla la
reacción. Otro tipo es similar al reactor discontinuo, excepto que uno de los productos o mas se
extrae en forma continua.
2.2.1. Reactor continuo tipo tanque con agitación (C.S.T.R.)
Se empleafrecuentemente enserie:losreactantesse alimentancontinuamente al primertanque,
desde el cual fluyen a través de otros reactores de la serie manteniéndose agitación adecuada en
cada uno de ellos para lograr la uniformidad de concentración. Considerando el sistema como un
todo, existe un gradiente de concentraciones escalonado.
Las diversas etapas de una batería de reactores de tanque con agitación pueden hacerse en uno
soloenlugarde efectuarse endiversostanques.Si eshorizontal,el reactorde múltiplesetapasesta
dividido por tabiques verticales de diferentes alturas, por encima de las cuales rebosa la mezcla
reaccionante. Cuando los reactantes son parcialmente miscibles y sus densidades lo
suficientemente distintas,el reactor vertical conduce a la operación en contracorriente, de hecho
de considerable importancia en las reacciones reversibles.
Por tanto este tipo de reactor consta de varios(a menudotres o cuatro) tanquesbienagitadosen
serie y tiene un flujo continuo del material en reacción desde un tanque al siguiente y una
alimentaciónconstantede nuevosreaccionantesal primero. Comolosrecipientessonpocoesbeltos
(porejemplocilindrosde alturaigual al diámetro),esesencialunabuenaagitaciónde sucontenido;
de locontrario unagran parte del fluidopasaríadirectamentede laentradaala salida,yunabuena
parte del volumen del recipiente seria espacio muerto.
En efectolacaracterística mas importante esla agitación;el reactor C.S.T.R.puede ser descritoen
consecuencia en términos mas abstractos, como un sistema de reacción de varias etapas para el

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que la primera aproximación mas idónea es la estimación de su comportamiento, se basa en la
hipótesis de una mezcla perfecta en cada etapa.
La mezcla hace que dentro de cada tanque, todos los elementos del fluido tengan virtualmente la
misma composición y que esta sea la misma que la composición de salida. Esto origina un cambio
discontinuode composicióndesdeuntanque al siguiente, y tambiénunaperdidaporrecirculación;
una molécula que entra en un tanque en un momento dado tiene una probabilidad finita de
encontrarcasi inmediatamente el caminode lacorriente necesariade salida.Estaeslarazón porlo
que escorrientementenecesarioutilizarvariostanquesenserie;si hubiesesolounoodos,podrían
producirse perdidas apreciables de reactivo sin reaccionar. Y aunque esta perdida, es en cierto
sentido, una consecuencia de la agitación, habría un re circulante mucho mayor, dentro de un
tiempo corto comparado con el tiempo de residencia medio, si no hubiese agitación, puestoque
esto daría lugar, como se ha mencionado, a un paso directo entre la entrada y la salida.
Otra ventaja del C.S.T.R., además de la sencillezde su construcción, es la facilidad de regular la
temperatura. Los reaccionantes que entran en el primer recipiente se sumergen inmediatamente
en un gran volumende fluidoque ha reaccionadoparcialmente y,debidoala mismaagitación,no
tiendenaformarse “puntoslocalescalientes”. Asímismo,lostanquesdel C.S.T.R.permitendisponer
de un área muy grande de superficie de refrigeración. Además de la superficie interna
suficientemente grande en forma de serpentines de refrigeración sumergidos. Una ventaja
adicional, en comparación con el reactor tubular, es su posibilidad de apertura. Esto facilita la
limpieza de las superficies internas,lo que es importante en el caso de reacciones donde pueden
depositarse materiasolida,comoenprocesosdepolimerizaciónyenreaccionesenlasque se forma
material resinoso como subproducto.
Por estas razones los campos típicos de aplicación del C.S.T.R. son procesos continuos de
sulfonación, nitración, polimerización, etc. Se utilizan muy ampliamente en la industria química
orgánica y especialmente en la producción de plásticos, de explosivos, caucho sintético, etc.
2.2.1.2. Características de los reactores continuos tipo tanque.
Las características principales de este tipo de reactores son las siguientes:
1. La reacción química se lleva a cabo en sistema abierto
2. Los reactantes se añaden y descargan continuamente
3. Operan a régimen estable.
En la figura 2.8 podemos observar los reactores tipo tanque agitado en serie y en uno solo.

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2.2.2. Reactor continuo tubular.
Se caracterizaporungradiente continuode condicionesde concentracionesenladireccióndelflujo,
encontraste conel gradienteescalonadocaracterísticode losreactoresC.S.T.R.yestánconstituidos
pro uno o varios conductos o tubos en paralelo.

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Los reactantes entran continuamente por un extremo y los productos salen por el otro.
Normalmente se alcanza el estado estacionario, lo que significa una gran ventaja para el control
automático y para el trabajoexperimental.Estancorriente ladisposiciónhorizontalcomovertical.
Cuando se requiere transmisión de calor se suele utilizar un tubo envolvente o una construcción
análogade carcasaytubosde un cambiadorde calor,enelultimocaso,losreactantespuedenentrar
porel interioroporel exteriorde lostubos.Lacámarade reacciónpuede estarrellenade partículas
solidas,catalíticas(si es necesario) oinertes,paramejorar la transmisiónde calorpor aumentode
la turbulencia o para aumentar la superficie de interfase en las reacciones heterogéneas.
El reactor tubular esta especialmente indicado en los casos siguientes:
a) Necesidad de un elevado intercambio de calor;
b) Operación a presiones elevadas y temperaturas muy altas o muy bajas,
c) Cuando son suficientes pequeños periodos de reacción.
2.2.2.1. Características de los reactores continuos tubulares.
Las características de los reactores tubulares son las siguientes:
1. La reacción se lleva a cabo en sistema abierto.
2. Todos los reactantes y productos se añaden y descargan continuamente.
3. Operan a régimen estable. Por ende, ninguna de las propiedades del sistema varia con
respecto al tiempo en un punto dado del reactor.
4. La temperatura,presióny composiciónpuedenvariarconrespectoal tiempode residencia
o longitud del reactor.
En la figura 2.9 se muestran ejemplos de reactores tubulares.

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2.2.3. Reactores semicontinuos.
Se suele emplearunsolotanque conagitación.Algunosde losreactantesse carganenel reactorde
una vez, y los restantes entran como alimentación continua. Este modo de operación es muy
convenientecuandose producenefectostérmicosnotables,yaque permite retrasarlasreacciones
tanto endotérmicascomoexotérmicaspor limitaciónde laconcentraciónde unode losreactantes,
manteniéndose así la reacción dentro de los limites adecuados para la transmisión del calor.
También es conveniente este tipo de operación cuando la formación de productos en
concentracioneselevadaspuedeoriginarproductossecundariosindeseables,obiencuandounode
los reactantesesun gas de solubilidadlimitada,que solamente puedaentrarcomoalimentacióna
la velocidad de disolución.

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2.2.4. Reactores discontinuos
Este reactor tiene la ventaja del pequeño coste de instalación y la flexibilidad de funcionamiento
(puede pararse de modofácil y rápido).Tiene ladesventajadel elevadocoste de funcionamientoy
manode obra;el tiempoinvertidoparalacarga, descarga y limpiezaesconsiderablementegrande,
y el control de calidaddel productoesdeficiente.Enconsecuencia,podemosafirmarque el reactor
discontinuo solo es adecuado para la producción de pequeñas cantidades de sustancias o para la
producción de muchas sustancias diferentes en el mismo aparato. Por el contrario, el proceso
continuo es casi siempre más económico para el tratamiento químico de grandes cantidades de
sustancias.
2.3. Clasificación de acuerdo a las fases presentes.
Tomando en consideración las fases presentes podemos clasificar a los reactores del modo
siguiente:
FASE HOMOGENEA:
- Gas
- Liquido
FASE HETEROGENEA:
- Gas-liquido
- Liquido-liquido
- Gas-solido
- Liquido-solido
- Solido-liquido-gas
Para los reactores de marcha continua distinguiremos dos tipos extremos de realizaciones:
- Reactor tubular o con gradiente de concentración
- Reactor perfectamente agitado o de concentración uniforme

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En realidad a menudo, los reactores serán intermedios entre estos dos tipos, siendo un caso
importante el del reactor “en etapas” o con dos zonas de concentración.
En latablaanterior,podemosobservarlaclasificaciónde losreactoresenbasealas fasespresentes.
En la siguientefigurapodemosapreciarlossistemashomogéneosysusdiversostiposde reactores.

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2.4. Clasificación en base a la presencia de catalizadores.
Tomandoen cuentala presenciaoausenciade catalizadorespodemosclasificara losreactoresdel
modo siguiente:
- Reactores catalíticos
- Reactores auto catalíticos
- Reactores no catalíticos
2.4.1. Reactores catalíticos.
Los tres tiposprincipalesde reactoresconuna fase fluidayuna solidaque sirve de catalizadorson:
los reactores de lecho fijo, los de lecho móvil y los de lecho fluidizado.
2.4.1.1. Reactores de lecho fijo.
El catalizadorbajolaformade partículas,(esferasocilindros) enlasque ladimensiónvariade 0.1a
1 cm esta mantenido fijo en el interior de uno o varios tubos que constituyen la envoltura del
reactor. Si el intercambio de calor lo exige, se pueden tener varios tubos en paralelo y de esta
manera el reactor podrá ser del tipo isotérmico, pero lo mas corriente es la temperatura que sea
favorable a la reacción, como en el caso del reactor amoniaco.
2.4.1.2. Reactores de lecho móvil

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Como su nombre loindica,este tipode reactoresposee unlechode catalizadorenmovimiento;el
catalizador circula bajo el efecto de la gravedad, de arriba abajo. El fluido circula en corriente
paralela o en contracorriente. Fácilmente se comprende las ventajas que pueden resultar de tal
disposición:
- Facilidad de regeneración del catalizador en un reactor concebido únicamente para esta
operación.
- Fácil sustitución del catalizador durante la marcha de la unidad.
- Control mas flexible de la temperatura, pudiéndose calentar o enfriar el catalizador antes
de su introducción al reactor.
Sin embargo estas ventajas se ven contrastantes por las complicaciones necesarias para hacer
circular el catalizador, el catalizador debe poseer buenas propiedades mecánicas y, en particular,
una gran resistencia al desgaste.
2.4.1.3. Reactor de lecho fluidizado.
La técnica de lecho posee,llevadasal extremo,lasventajasdel lechomóvil; también sudesarrollo
se ha efectuadorápidamente y,actualmente,se cuentannumerososprocesosque se beneficiande
estas ventajas.
Este reactor se empleaendeterminadasreaccionescatalizadasporsolidosyquizáelejemplomejor
conocido sea el mas antiguo: el craqueo catalítico de hidrocarburos.
La técnica de fluidizaciónha sido también aplicada con éxito a ciertas reacciones en que un gas
reaccione con un solido para formar un segundo producto solido o gaseoso.
En todos estos casos la materia solida en forma de partículas finas se encuentra en un recipiente
cilíndrico vertical. La corriente del fluido asciende a través de las partículas a una velocidad
suficientemente grande para suspenderlas, pero insuficientemente para arrastrarlas fuera de la
zonade fluidización.Eneste estadoellechode partículasse asemejaaunaebullición;puedenverse
estallarburbujasdel fluidoascendente(generalmente ungas) enlaparte superiorde la superficie.
En las figuras 2.11 a 2.17 podemos apreciar diferentes tipos de reactores catalíticos.

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Reactores de lecho fijo: figuras 2.11 a, b, c.
Reactores de lecho fluidizado: figuras 2.11 d, e, f.
Reactores de lecho móvil: figura 2.11 g.

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2.4.2. Reactores auto catalíticos.
Cuando un reactante desaparece de acuerdo a una ecuación cinéticade primeroa segundoorden
en un reactor discontinuo, al principio su velocidad de desaparición es rápida ya que su
concentración del reactante es elevada, y después disminuye progresivamente a medida que el
reactante se vaconsumiendo.Sinembargo,enuna reacciónautocatalítica,al principiolavelocidad
es pequeña debido a que hay poco producto presente,aumenta a un valor máximo a medida que
el reactor se consume.

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Para saber, el reactor más adecuado para un fin determinado (el que tiene un volumen mas
pequeño) se encuentra que:
1. Para presionesbajasel reactorde mezclacompletaresultamásadecuadoque el reactorde
flujo en pistón.
2. Para conversionessuficientemente altasel reactorde flujo en pistón es el mas adecuado.
Se indica también que, como inicialmente debe estar presente algúnproducto en la alimentación
para que se efectúe la reacción auto catalítica, no podría operar un reactor de flujo en pistón con
una alimentación de reactante puro; en tal caso habría que añadirle continuamente a la
alimentación algún producto, presentándose así una nueva oportunidad para emplear un reactor
con recirculación.
2.4.3. Reactores catalíticos.
Para esta clasificación solamente debemos considerar los reactores que no utilizan un catalizador
para llevar a cabo la reacción requerida.
2.5. Clasificación en base a su temperatura de operación.
De acuerdo a esto vamos a clasificar a los reactores de la forma siguiente:
- Reactores isotérmicos (temperatura constante)
- Reactores pseudoisotérmicos (temperatura mas o menos constante)
- Reactores no isotérmicos (temperatura no constante)
- Reactores adiabáticos
- Reactores no adiabáticos.
2.5.1. Reactores isotérmicos.
En estosreactores,se mantiene latemperaturadurante la reacciónde manera que será necesario
añadir o eliminar calor del reactor, según la reacción sea endotérmica o exotérmica
respectivamente. Este es el reactor más fácil de calcular, pero su utilización es limitada.
2.5.2. Reactores no isotérmicos.
Una cantidadde calor se añade o eliminadel reactor,de maneraque latemperaturanopermanece
constante durante el transcurso de la reacción. Este es el tipo de reactor mas utilizado en
aplicaciones industriales.
2.5.3. Reactores Pseudo-isotérmicos.
A esta clasificaciónvamosa considerarlosreactoresque tenganun comportamientointermedioa
los dos tipos mencionados anteriormente. Es decir, que algunasveces durante el transcurso de la
operación la temperatura será constante y otras no.
2.5.4. Reactores adiabáticos.

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Supone un aislamiento total del reactor con el medio exterior. Las variaciones de la temperatura
dentro del reactor vienen determinadas por el calor de reacción.
2.5.5. Reactores no adiabáticos.
Se supone para este tipo de reactores una pérdida de calor a los alrededores.
NOTA:esimportante aclararque para estaclasificaciónlosreactoresmasutilizadosparaoperación
adiabáticayenbase a su temperaturade operaciónson:el reactorde flujoen pistónyel reactorde
flujo de mezcla completa.
También es importante mencionar que el clasificar a los reactores en base a su temperatura de
operación implica que los diferentes tipos de reactores pueden operar de acuerdo a los
requerimientos necesarios para llevar a cabo la reacción deseada; es decir, los reactores pueden
operar de forma isotérmica, adiabática, pseudo-isotérmico, etc., según se requiera.
2.6. Reactores especiales.
Las instalaciones diseñadas en principio para las operaciones de contacto entre fases, como la
adsorción, la destilación o la extracción, se emplean frecuentemente para la realización de
reacciones químicas. Muchas reacciones heterogéneas en fase fluida se efectúan en columnasde
relleno.
Las operaciones electroquímicas, tales como la oxidación, la reducción y la electrolisis requieren
aparatos especiales.
El filtroprensade placasymarcossirve comoreactorde polimerización,yse empleacuandoresulta
desventajoso el calentamiento o enfriamiento de los marcos.
En la figura 2.18 podemos apreciar un reactor de polimerización de filtro prensa.

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2.6.1. Reactores de llama.
Algunasreaccionesentre gasesse efectúanatemperaturaselevadassincatalizador,pormezclade
losreactantesen un quemadorde descargade lamezclaincandescente enunamismaboquilladel
generador, en la cámara o bien en la salida de la misma.
Las reacciones en llamas permiten obtener rápidamente las temperaturas mas altas. Si a
continuación se dispone de un enfriamiento rápido por eyección de una corriente fría, puede
evitarse laformaciónde subproductos.Lallamasoloesestable dentrode loslimitesrelativamente
estrechos de velocidades de reacción y caudal de los gases.
Las velocidades espaciales varían ampliamente, dependiendo del tipo de reacción de que se
dispongao no de una cámara de premezcladode losreactantesantesdel reactor. El diseñode los
reactores es relativamente sencillo y consta de boquillas de mezclado o quemadores, cámara
abierta y sistemas de enfriamiento.
En la figura 2.19 podemos observar este modelo de reactor.
En la mayoría de los casos,losreactoresson recipientesde procesoasícomo hornos,mezcladores,
equipos de contactores de gas-solido,intercambiadores de calor u otro equipo convencional de
proceso químico, adaptados o modificados para una reacción específica.

P á g i n a | 37
CAPITULO III. SELECCIÓN DE REACTORES QUÍMICOS.
3.1.Selección de equipo de proceso.
La selecciónde lostiposytamañosdel equipoparala plantade procesorequiere unaconsiderable
experiencia en este campo para poder efectuar un buen trabajo, principalmente si el proceso es
parcial o totalmente nuevo. Si el proceso es uno ya establecido o en operación en alguna parte,
entonces la tarea se reduce a una serie de cálculos comparativos, aumentando o reduciendo el
tamañodel equipoyaccesoriosincorporandolasinnovacionesymejoraspertinentesque sugierala
experiencia pasada. Cualquier proceso nuevo requiere un estudio completo de los procesos y
operacionesunitariasimplicados,yposteriormente se hace la selecciónde lostiposy tamañosdel
equipo necesario para un buen funcionamiento.
3.1.1. Procedimiento de selección de equipo.
Despuésde que el ingenierohahechouna listade todas las necesidadesdel equipobasándose en
losdiagramasde ingenieríaydespuésde haberrealizadoloscálculosde diseñonecesariosllenauna
forma con las especificaciones para cada pieza de equipo importante, usando equipo normal
siempre que sea posible. Si se necesitan cotizaciones del equipo se deben presentar a los
proveedores hojas de especificaciones detalladas. Frecuentemente los vendedores o las
asociaciones de fabricas pueden suministrar esqueletos para ser llenados con las especificaciones
necesarias.
Si el diseño se va a utilizar solo para una estimación preliminar del costo y para un trabajo de
distribuciónyarreglode la planta se puede utilizarunahoja de especificacionescomolamostrada
en la figura 3.1 toda o solo una parte. Este tipo es particularmente importante y adecuado para
resumir los cálculos del equipo en un curso de diseño de plantas. La selección de estimación de
costos de la tabla 3.1 la explicaremos mas adelante en la parte de Factores económicos.

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3.1.2. Equipo especial y equipo normal
El valorde utilizarequiponormal del tipode bombasycambiadoresde caloresbienreconocidoen
el campo de la ingeniería química. De todo el equipo se requiere siempre buen funcionamiento y
servicio;loserroresen el juicioson peligrosos –e inexcusables– sobre todo si se dispone de datos
sobre equiposparecidosenprocesossimilares.Laexperienciade losdemásesmuyvaliosayse debe
utilizar lo más posible.

P á g i n a | 39
Los fabricantes del equipo están siempre deseosos de dar servicio, ya que esta es siempre una de
lasformas mejoresde ganarse al ingeniero químico.Muchainformaciónvaliosaparala soluciónde
problemasse puede obtener consolopedirlaalos fabricantesde equipo,que venposibilidadesde
obtenerasí un pedido.Sinembargotienen tambiénmuchointerésennointroducirse encamposo
procesos donde saben que su equipo no dará resultados satisfactorios.
Aunque eningenieríaquímicaesun axiomael seleccionarequiponormal siempre que se pueda,el
ingeniero se enfrenta a menudo con una situación en la cual su problema requiere un diseño
especial yprobablemente el usode materialesespeciales.Enestoscasos,se debe acudira todo su
entrenamientoyexperienciaparadiseñarel equiponecesario.Al hacerestono debe tenerningún
temoral diseño, yaque tienelasespecificacionesyentiendelasreglasdel diseñode maquinas;todo
loque tiene que haceresaplicarse latareade convertirsusespecificacionesenundibujolineal que
el fabricante puedaconvertirasuvezenuna piezatridimensional de equipo. Granparte del equipo
para el manejo de materiales y para los procesos unitarios esta normalizado y, siempre que sea
posible utilizarlo,se debe preferiral de diseñoespecial.Conestonosolose obtendráuncostoinicial
sustancialmente menor, sino que la duplicación del equipo y las reparaciones del equipo viejo se
harán con mucha mayor facilidad.
Hay que asegurarse de haber agotado completamente la literatura comercial sobre el tema antes
de embarcarse enel diseñodel equipoespecial.El equiponormal yaha sidoprobadoyha resistido
lasmás rigurosaspruebasde servicio;hadadoresultadosprácticos yhapasadopor largosperiodos
de experimentación;generalmente,esel resultadode muchasmodificacionesal diseñooriginal.La
normalización no solo significa un costo mínimo de fabricación, sino también el que una maquina
construidade acuerdoa lospatronesyen tamañosnormaleshasidoporlogeneral diseñadaconla
mayor minuciosidad. En estas circunstancias los fabricantes pueden garantizar, y garantizan, una
operaciónsatisfactoriadel equipo.undiseñonuevoesunexperimentotantoparael que lo diseña
como para el que lo va a usar; tiene que comportarse satisfactoriamente durante unlargoperiodo
de tiempo para que sea aceptado como el mas adecuado. Sin embargo cuando el ingeniero se
encuentraante unproblemaque requiereel diseñode unnuevoequipo,nodebe dudarenllevarlo
a cabo.
3.1.3. Especificaciones.
Antesde empezarunabúsquedaenel catalogode ingenieríaquímicayenlosarchivosde literatura
comercial o de ponerse en contacto con los fabricantes de equipo, se debe formular una
especificación cuidadosamente escrita en la cual se detallen los márgenes de operación y demás
requisitos necesarios. La escritura de las especificaciones no debe considerarse como un arte
especial, sino como un requisito que debe cumplir cada ingeniero químico. Las especificaciones
deben contener toda la información que se considere esencial, incluyendo composición,
características físicas y químicas de los materiales que se vayan a manejar, tipo y calidad de los
serviciosauxiliaresdisponibles,necesidadesde estosserviciosenel equipo,empaqueymarcadode
los recipientes, requisitos para el empaque y cotizaciones. Los fabricantes de equipo suelen
suministrar una forma en la cual se incluyen las preguntas de cada fabricante que considere

P á g i n a | 40
necesarias, si se contesta correctamente, para hacerse del equipo. Sin embargo, siento tan bueno
este servicio, se puede ahorrar el tiempo que se pierde en la correspondencia mandando una
especificación bien escrita al fabricante.
3.2. Especificaciones para un reactor químico.
El dimensionadode losreactores químicoses un trabajo específico del ingenierode proceso.Para
la determinación del tamaño, estilo y forma de un reactor químico, se consideran los datos de la
cinéticaquímicajuntamenteconlosdatosobtenidosenlaspruebasefectuadasenlasplantaspiloto.
Por lo mismo, los reactores se construyen de manera muy especial.
Hay ciertos procesos que es preferible manejarlos en autoclave, especialmente aquellos que
requieren de operaciones intermitentes, tales como algunas operaciones de polimerización. La
demanda de autoclaves con agitadores y superficies de calor adjunto, ha influido en varios
fabricantesde equipoparaproducirlíneascompletasde estosequiposenvariostamañosestándar,
que se pueden adquirir de inmediato. Resulta muy económico adaptar las necesidades a los
tamañosestándarde las autoclaves.El ingenierode procesodebe fijarlacapacidadde la autoclave
ya que el fabricante de lamismanoestafamiliarizadoconla reacción,yconfrecuenciaespreferible
evitar el dar información a la reacción correspondiente.
El fabricante de la autoclave puede y debe haceralgunaspreguntaspara la fabricacióndel áreade
transferencia de calor, agitador y algunos accesorios mecánicos. Por la experiencia que tiene el
fabricante, él esel más indicadopara resolverproblemasreferentesaempaquescuandose tienen
altas presiones; tambiénesel másindicadopara el cálculodel espesorde la pared del recipientea
presiónymétodosde fabricaciónconmaterialesde aleación.Lasautoclavespuedensercalentadas
con agua caliente, “Dowtherm” y por calentamiento eléctrico. Cada uno de estos sistemas,
especialmente el de fuego directo, Dowtherm y el de calentamiento eléctrico, requieren de
considerables conocimientos, que los fabricantes de autoclaves han adquirido a través de muchos
años de experiencia.
Al fabricante debe dársele la información necesaria para la selección y diseño del sistema de
agitación,del sistemapara transferenciade calor y del recipiente.Losfabricantesestánenterados
de lossecretosde algunosprocesos,porloqueseráconvenientedescribirlesla reacciónentérminos
de algún fluido que sea similar. Las propiedades físicas del mismo deben ser razonablemente
exactas.
A medida que se van mejorando, las técnicas de cinética aplicada harán posible la ejecución
continua de muchas reacciones en reactores colocados a lo largo de tuberías, las cuales
tradicionalmente se han efectuado en autoclaves como reacciones intermitentes.
INFORMACION REQUERIDA POR EL VENDEDOR.
1. Propiedades físicas y químicas.
a. Densidad de la mezcla de reacción a las condiciones de operación.
b. Viscosidad de la mezcla de reacción a las condiciones de operación.

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c. Toxicidad e inflamabilidad de la mezcla de reacción.
d. Algunos otros factores o descripción del material (o materiales similares) que sea
posible proporcionar.
e. Si se va a usar una autoclave para diferentes reacciones, proporcionar el intervalo de
las propiedades físicas.
2. Condiciones de operación.
a. Presión máxima en el interior de la autoclave.
b. Temperatura máxima (dar el ciclo tiempo-temperatura o limites aproximados). Es
necesario dar una idea de la velocidad a que aumente la temperatura para diseñar la
presión adecuada en el recipiente.
c. Tipo preferido de calentamiento.
d. Presión de operación en las chaquetas (presión y temperatura del medio de
calentamiento).
e. Si se necesita enfriamiento, describir el medio de enfriamiento.
f. Describir el grado de agitación requerido. Sugerir el tipo de agitador requerido.
g. Describir los sistemas de temperatura automática y control de presión.
3. Materiales de construcción.
Describirlosmaterialesbasándose enlaexperienciaque se tenga con el fluido manejado.
4. Varios.
a. Hacer una lista de tamaño, número y localización preferentemente de las conexiones
requeridas.
b. Características de la energía eléctrica.
c. Equipo auxiliar necesario.
d. ¿Se requiere equipo a prueba de explosión?
e. Localización (describirlo)
f. Si se necesitan uniones especiales.
3.3.Factores que influyen en la selección del tipo de reactor.
Cuando se lleva a cabo la selección preliminar del tipode reactor, ya debe haberse establecido la
cinéticade lareaccióny laforma enque se ve afectadapor losparámetrosclave del proceso,como
también deben haberse determinado las condiciones óptimas de operación. En el diseño de un
reactor industrial, las consideraciones más importantes para un tipo de reactor dado son, por lo
común, el costo y el beneficio. Así, pues los criterios que se eligen para dicha selección debenser
tales que reduzcan los costos al mínimo o incrementen el beneficio al máximo. Estos criterios se
determinan a través de factores que se clasifican en tres grupos distintos, a saber: técnicos,
económicos y sociales.

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Los aspectos técnicosse relacionanconlos factoresquímicosyfísicosdel proceso que controlanel
rendimiento y la calidad del producto, en tanto que los factores económicos incluyen la inversión
del capital y los costos de operación.
Los factores socialescomprendenaquellosque notienenunvalormonetariodirecto,porejemplo,
la seguridadyla satisfacciónde losoperadoresylosefectosdañinosque puedaproducirel reactor
en el medio ambiente.
3.4.Factores técnicos.
Hay solotresclasesde reactoresquegeneralmentese tomanenconsideraciónyson:el discontinuo
(o semicontinua), el continuo en tanque agitado y el tubular. El rendimiento en producto, y su
calidad(ocomposición) estánreguladosporfactorestécnicos que son característicos de cada clase
de reactor y sus condiciones de funcionamiento.
Véase el sistema de reacción:
aA + bB  dD (producto deseado)
b´B + d´D  sS (indeseado)
el Porcentaje Global de RendimientoYydel productodeseadoD,basadoenel reactivo limitanteA,
se define como sigue:
𝑌 =
𝑎
𝑏
×
𝑁 𝐷𝑓 − 𝑁 𝐷0
𝑁𝐴0 − 𝑁𝐴𝑓
× 100
En donde los subíndices f y 0 representan las condiciones de salida (finales) del reactor y las de
entradas (iniciales), respectivamente. La relación estequiométrica a/d se incluye para que Y tenga
un valor del 100 % en caso de una conversión completa de A.
3.4.1. Factores químicos.
Los factores químicosdel procesoincluyenel tipode reacción (simple ocompleja),lavelocidadde
reacción, la capacidad de producción y la necesidad de catalizador.
En unareacciónde ordensimple,ladistribucióndel productose fijapormediode laestequiometria.
En los párrafos siguientes se presenta un análisis breve del tipo de reactor preferido para algunas
delas clases de reacción mas importantes.
REACCION AUTOCATALITICA.Lahidrolisisdeléstercatalizadaconacidoesunejemplode la reacción
auto catalítica en la que uno de los productos actúa como catalizador.
A + D  B + D
En donde D es el catalizador.Al iniciarse la reaccióndebe estarpresente unacantidadpequeñade
D.

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En esta clase de reacción, la velocidad del mecanismo es inicialmente baja debido a que CD es
pequeño;pero,conel desarrollode la reacción,el aumentode CD aceleralavelocidadaunmáximo
despuésde lo cual se hace más lentadebidoauna reduccióngradual de CA. para llevara cabo este
tipode reacciónen unsistemade reactorcontinuoa una velocidadcercanaala máxima(yobtener
un gran rendimiento), el sistema preferido seria aquel que consistiera en un reactor de tanque
agitadoseguidoporotrotubular.Estose debe aque,conun mezcladoeficiente,ladosificaciónque
entra en el reactor de tanque agitado adoptaría inmediatamente la misma composición que la
mezclaresidente,que se ajustade tal modoque se acerque a la velocidad máximade reacción.En
el reactor tubular,el cambio registradoenCD partiendode un valorelevadoa otro menor,se hace
de un modo gradual para sostener la reacción a una velocidad elevada tanto tiempo como sea
factible. También se puede adoptar una combinación alternativa que utilice un reactor de tanque
agitado con los medios necesarios para separar y reciclar el reactivo restante en la corriente del
producto.
POLIMERIZACION. Las reacciones comprendidas en la formación de polímeros son uno de los
ejemplos de reacciones complejas asociadas con procesos de transferencia de cadena de mayor
importancia desde el punto de vista industrial. La distribución del producto es muy complicada y
cubre una gran variedad de longitudes de cadena y pesos moleculares como resultado de la
influencia de varios factores químicos y físicos del proceso. Las propiedades del polímero que
constituyen el producto se controlan a través de la distribución del mismo, que es el factor clave
para seleccionar el tipo de reactor.
Debidoalanaturalezasumamenteviscosade lamezclade reacción,lamayoríade lasreaccionesde
polimerizaciónse llevanacaboen reactoresde tanque agitado,yaseade funcionamientocontinuo
o discontinuo.Ladecisiónesta,entonces,entreestasdosclasesde reactoresyestareguladaporlos
requisitos de la capacidad de producción y la distribución del producto.
Para produccionesapequeñaescalacasi siempre se prefiere unreactor discontinuo.Estaclase de
reactores se caracteriza también por el hecho de que todos los componentes tienden a tener un
tiempo de residencia uniforme conforme la concentración del monómero sigue decreciendo al
desarrollarse la reacción.La situación inversa prevalece en el caso del reactor continuode tanque
agitado. Así, pues,el reactordiscontinuo daráun rendimientode pesosmolecularesque el reactor
continuo.Parareaccioneslentasde polimerización,el sistemacontinuopuederequerirunabatería
de reactores de tanques agitados para satisfacer las necesidades de producción.
REACCIONES CONSECUTIVAS. En el curso de una reacción consecutiva elemental del tipo 𝐴
𝐾1
→ 𝐵
𝐾2
→ 𝐷, si B es el productodeseado,esobvioque CB pasa por unmáximoenalgún puntointermedio.
En un reactor continuo de tanque agitado, hay elementos distintos del fluido reaccionante que
tendrían una variedad de tiempos de residencia debido a las condiciones de flujo no ideal que
existendentrodel reactor,loque dificultael métodoparallegaral rendimientomáximo.Así,pues,
el reactor discontinuo debe preferirse para reacciones de esta índole, ya que es más o menos
sencilloajustarel tiempode residenciade todalamezclade reaccióna un valorcercano al óptimo.

P á g i n a | 44
Un reactor tubularcon un mínimo de retro mezclado,generaríatambiénunresultadocomparable
al del reactor discontinuo.
REACCIONES PARALELAS.
𝐴
𝐾1
→ 𝐵
𝐴 → 𝐷
Supóngase que B es el producto buscado. La ecuación relativa de producción es:
𝑑𝐶 𝐵
𝑑𝐶 𝐷
=
𝐾1
𝐾2
× 𝐶 𝐴
𝑚−𝑛
Cuando m es mayor que n el rendimiento de B se ve favorecido por una gran concentración de A.
Esta condición se logra en un reactor discontinuo o tubular en el que el cambio de concentración
del reactivo sea gradual y la concentración promedio del reactivo sea superior a la del reactor
continuo de tanque agitado. No obstante, el rendimiento de este último mejora en cierto grado
empleando una batería de tanques conectados en serie.
Por el contrariocuandom esmenorque n,laconcentraciónbajade A favoreceráel rendimientode
B. Obviamente, esto se satisface utilizando un sistema de reactor continuo y tanque agitado.
3.4.2. Reactores físicos.
En esta clasificaciónse incluye lamodalidadde transferenciade calor (isotérmicos,adiabáticayde
otraíndole),el gradoderetromezcladoylacantidadylasclasesdefasescomprendidas.Losfactores
están casi siempre tan íntimamente asociados con los factores químicos del proceso, que no
siempre es posible separarlos.
MODALIDAD DE TRANSFERENCIA DE CALOR. Para obtener un rendimiento máximo de la reacción,
quizá sea necesario diseñar una modalidad de transferencia de calor tal que se obtenga la
programación de la temperatura optima. Esta programación de la temperatura puede ser
isotérmica, adiabática o algún otro perfil de temperatura predeterminado y establecido según los
balances de materia y energía.
En unareacciónexotérmica,cuandolacantidadde calorliberadoestal que lavelocidadde reacción
se sustenta a pesar de la concentración decreciente del reactivo, es preferible emplear un reactor
de tanque agitado. Por otro lado, conviene usar un sistema de reactor tubular de flujo con
intercambiadores de calor externo cuando se tenga una cantidad excesiva de calor que ejerza un
esfuerzodesfavorableenlaconversiónde equilibrio.Enestecasoesfactibleusarunreactortubular
de flujo, o bien un sistema de reactor discontinuo de tanque agitado inyectandoen varios puntos
cierta dosificación de la alimentación.
Cuando se trata de reacciones endotérmicas,conforme la temperatura desciende al desarrollarse
la reacción, tanto la velocidad de reacción como la conversión de equilibrio disminuirán. En estas

P á g i n a | 45
circunstancias, los procesos generales se controlan a través de la velocidad de la transferencia de
calor,encuyo caso se requeriránintercambiadoresde calorentre lasetapas.Porlotanto,el diseño
de losintercambiadoresde caloradoptaráquizáel papelmásimportanteque lareacciónmismadel
tipode reactor. Noobstante,casi siempre se prefiere usareneste casoun reactortubularde flujo.
GRADO DE RETROMEZCLADO.
Este factor varia desde un máximo para un reactor de retro mezclado, hasta un mínimo para un
reactorideal de flujotapón.El gradode retromezcladoparareactoresprácticosse ubicaentreestos
dos extremos.
CLASES DE FASES COMPRENDIDAS.
Muchas reacciones catalizadas con un sólido se llevan a cabo en reactores tubulares llenos. Entre
losejemplossobresalientesse incluyenlasíntesisdelamoniaco,laoxidaciónde SO2 yladisociación
catalítica de los hidrocarburos de petróleo. Sin embargo, también se usa una gran cantidad de
variantes de los reactores básicos (es decir, tubulares y de tanque agitado) así como de otros de
diseñoespecial.Entre estosestánlosde lechofluidizado,losde fase dispersada,hornosde secado
y hornos de crisol, así como torres de absorción de gas.
3.4.3. Selección del tipo de reactor en base al número y clase de fases presentes.
A partir de una gran cantidad de conocimientos y experiencias ahora disponibles respecto a la
cinética de reacción aplicada, puede demostrarse que las reacciones y los reactores químicos
quedanmejorclasificadossegúnel numeroyclasesde fasespresentes.Este métodode clasificación
permite compaginar las necesidades de la reacción (tiempo de residencia, temperatura, presión,
agitación,resistenciaalacorrosión)conlascaracterísticasdel reactorparaque seacapazdepermitir
dichas necesidades. Los varios tipos de reactores químicos (tubos cortos rellenos, tubos largos
vacíos,recipientesagitadosylechosfluidizados) poseencaracterísticasbastantediferentesrespecto
a agitación, caída de presión, distribución de tiempos de residencia, y materialesde construcción.
Teniendoencuentalas necesidadesespecialesde la reaccióny las características de losreactores,
esposible compaginarlosy así escogerel reactoradecuadopara la reacciónparticularencuestión.
En base a lo descrito anterior tenemos la siguiente clasificación:
Tipo de reacción Reactor aconsejable para la reacción
Homogénea: fase
gaseosa
Tubular vacío, continuo
Homogénea: fase
líquida
Tubular vacío o recipiente agitado, continuo
Heterogénea:
líquido-líquido
Recipiente agitado, por cargas o continuo
Heterogénea:
líquido-gas
Recipiente agitado, semicontinua o continuo.
Torre de absorción continuo.
Heterogénea:
líquido-sólido
Recipiente agitado, por carga o continuo
Columna de relleno, continuo

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Heterogéneo:
líquido-sólido-gas
Tubos cortos rellenos (sólidos estacionarios, gas en circulación),
lecho de relleno fijo grande (adiabático)(sólidos estacionarios, gas en
circulación),
lecho móvil (sólidos de gran tamaño descendentes, gas ascendente),
sólidosfluidizados(gasascendente,sólidoscirculandobienmezclados).
Antes de realizar una selección del reactor químico se necesita tener una serie de datos:
1. Las condiciones de reacción: debe determinarse mediante trabajos de laboratorio la
temperatura, presión, caudales, catalizadores, concentraciones, tiempos de reacción,
conversiones y rendimientos. Pueden obtenerse de un solo experimento,pero se debe
disponer de datos experimentales. No es necesariodeterminar la cinética o el mecanismo
de la reacción,perodebe realizarse unadeterminaciónexperimental de lascondicionesde
reacción, geometría del reactor, conversión y rendimiento.
2. El calor de reacción: esnecesarioconocerel calordesprendidooabsorbidoporlareacción,
o sinoestimarloconbastante exactitud.Normalmente el calorde reaccióndebe estimarse
(loque no esdifícil) debidoaque esdifícil sumedición.El calorde reaccióndesprendido(o
absorbido) porunidadde volumeny unidadde tiempoen el reactor. A partir de este dato
el diseñador puede poseer una idea bastante clara sobre la capacidad necesaria de
intercambio de calor del reactor.
3. Las necesidadesde agitación y mezcla de reacción: la mezclade las sustancias contenidas
en el reactor puede que tengaque ser intensa(paradar lugar a una transferenciade masa
y calor) o nula(como en el caso de mezclashomogéneasde gasesy líquidos).Una intensa
agitación necesita de equipos e instalaciones mecánicamente bastante complejas y que
pueden presentar muchos problemas de coste y relación de materiales.
4. El material de construcción del reactor y del equipo auxiliar: si el poder corrosivo de la
masa reaccionante espequeño,el reactorpuede construirse enmaterialesconvencionales
(acero) y casi con cualquier forma. Por el contrario si existe un problema importante de
corrosión y deben utilizarse materiales cerámicos, el tamaño y la forma, a la vez que las
características de transmisión de calor y transferencia de materia quedan fuertemente
restringidas.
Utilizando la clasificación de las reacciones dadas, tenemos:
HOMOGÉNEAS: Fase gaseosa.
Básicamente el reactorconsisteenmúltiplestubospequeñosconectadosenparaleloyque trabajan
encontinuo.Lasreaccionesson rápidasenunsegundoomenos,lasvelocidadesde flujoaltas,ylos
efectoscaloríficoselevadosynormalmenteendotérmicos(aunqueexistanreaccionesexotérmicas).
La transmisión de calor es mala, el flujo turbulento (flujo pistón) y la temperatura es siempre
bastante alta. Deben utilizarse materiales resistentesal calor y el diseñador debe tener muy en
cuenta aunque estén en pequeñas cantidades a los gases corrosivos (oxigeno o cloro).

P á g i n a | 47
Utilícese:
- Caída de presión: 0.2 libras/pulg2
./pie
- Tubos de acero inoxidable de 2 pulgadas de diámetro y 20 pies de longitud.
- Densidad del flujo másico del gas: 3000 libras m/(hr)(pie2
)
En las reacciones endotérmicas puede aportarse calor mediante hornos de radiación (utilícese 18
000 Btu / (hr) (pie2
)).Tantoparacalentamientocomorefrigeraciónse puede utilizaruncoeficiente
global de 5Btu /(hr) (pie2
) (0
F).debeconocerse latemperaturade seguridadporroturade lostubos
que dependeráde lapresióninterna.Enunaprimeraaproximaciónutilíceseparael aceroinoxidable
1200 0
F.
Ejemplos: pirolisis de hidrocarburos ligerosa etileno, propileno y acetileno; nitraciónde parafinas
(exotérmicos); des metilación térmica de tolueno.
Homogéneas: fase líquida.
Se utilizan recipientes bien agitados tanto en reacciones por cargas como en continuo. Úsese un
reactortubularsolamenteparareaccionescontinuas.Se puedeemplearunúnicorecipienteagitado
o una combinación en serie de dos, tres o cuatro. Casi siempre se utilizan cuatro.
1. Recipientes agitados. Utilizar recipientes con agitador de turbina y cortacorrientes; un
consumo de potencia de 2 hp/1000 galones; supóngase el contenido del recipiente
completamentemezclado;uncoeficiente detransmisiónde caloral encamisadooserpentín
de 250 Btu/ (hr) (pie2
) (0
F).si lasnecesidadesde transmisiónde calorsonexcesivas,utilizar
un intercambiador exterior. El tamaño del mezclador (tiempo nominal de residencia) se
determina a partir de los experimentos de laboratorio.
2. Reactores tubulares. El reactor tubular puede utilizarse para reacciones con poco o nulo
calor de reacción. En este caso el flujo puede ser laminar, el tubo largo y la temperatura y
presión fácilmente controlados. La distribución de tiempo de residencia puede tomarse
como los de flujo pistón aunque el modelo sea flujo laminar.
si lareacciónesmasrápidaoel calorde reacciónmayor(peronoelevado) esnecesarioflujo
turbulento. Puede utilizarse entonces una velocidad de 5 pies/seg, un coeficiente de
transmisión de calor de 25 Btu / (hr) (pie2
) (0
F) y una caída de presión (libra/pulg2
./pie):
0.7/D (donde D es el diámetro en pulgadas del tubo). La distribución de los tiempos de
residencia será igual a la del flujo pistón.
Muchas vecesse conectaen serie recipientesagitadosyreactores tubulares.Lasprimeras
y rápidasfasesde lareacciónse llevanacaboenel tanque agitado,dondelatransmisiónde
caloresmejoryluegoenel reactortubulartienenlugarlasmenosintensasperomaslargas.
Ejemplo: polimerización en continuo de estireno.
Heterogéneas: líquido-líquido.
En este caso se necesita de una buena dispersión y transmisión de calor. Utilícese recipientes
agitados con turbina y cortacorriente con un consumo de 5 hp/1000 galón; U=150 Btu/ (hr) (pie2
)

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(0
F);preverunacámaraexteriorparalaseparaciónde fases,o,si se necesitaunarápidaseparación,
utilícese una centrifuga.
Ejemplo: nitración de tolueno con mezcla de ácidos.
Heterogéneas: líquido-gas.
Utilícese tanquesagitadosconcortacorriente yagitaciónconturbina;úsese 10 hp/1000 galónpara
líquidos no gasificados y una velocidad de:
0.2 pies / seg para gases que se absorben en su mayor parte.
0.1 pies / seg para gases que se absorben en un 50 %.
0.05 pies / seg para gases que en su mayor parte no se absorben.
Tómese U=100 Btu/ (hr) (pie2
) (0
F);supóngase quelafraccióndel volumenreaccionante queesgas,
es 0.20.
Ejemplos: oxidación con aire u oxigeno de p-xileno a ácido tereftálico.
Heterogéneas: líquido-sólido.
Utilícese recipientesagitadosconturbinay con rompe corrientes;conuna potenciade 10 hp/1000
galón, una relación longitud/diámetrodel recipiente: 2; U=100 Btu / (hr) (pie2
) (0
F), coeficiente de
transmisión de la masa liquida, kL=3.5 pie/hr; si se utiliza un catalizador finamente dividido puede
utilizarse 5 libras solido / pie3
de suspensión.
Ejemplos: disolución de sales sólidas; extracción de arenas con ácidos.
Heterogéneas: líquido-sólido-gas.
1. Recipiente agitado.Agitadoconturbina,concortacorrientesal máximo,10 hp/1000 galón;
U=100 Btu / (hr)(pie2
)(0
F);
𝐿
𝐷
= 2 ; velocidad del vapor entre 0.05 y 0.2 pie/seg; contenido
en solidos 5 libras solidos / pie3
de suspensión; fracción de gas en la suspensión 0.2.
Ejemplos: hidrogenación de aceite de semillas de algodón; producción de hidrocarburos
ligeros a partir de CO2 e H2.
2. Reactor de lechofijode goteo.Salidasestacionarias,liquidoendescensoygasascendente.
El diseño es análogo al de una torre de absorción. Utilizar g=1000 libras / (hr)(pie2
) o 3
pie/segcomovelocidad superficial,L=1500 librasm/(hr)(pie2
).El calorde reaccióndebe ser
pequeño.
Ejemplo: hidrosulfuración de fracciones de petróleo.
Heterogéneas: sólido-gas.

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1. Reactor tubular de pequeños tubos con relleno. Salidas estacionarias, con el gas en
movimiento ascendente o descendente. Utilícense tubos de 1.5 pulgadas de diámetro;
tamañode laspartículassolidas0.20pulgadas;caídade presiónmenordel15% de lapresión
de las aguas arriba, en reacciones exotérmicas puede esperarse un fuerte aumento de la
temperatura.
Ejemplos:oxidacióndel o-xilenoaanhídridoftálico;síntesisde clorurode viniloa partirde
ácido cianhídrico y acetileno.
2. Reactor de lecho grande con catalizador y en operación adiabática. No existe transmisión
de calor,el calorde reacciónse absorbeoesproporcionadoporcambiosenelcalorsensible
en el gas. Muchas veces se mezcla con los reactantes grandes cantidades de gases inertes
como diluyentes. La caída de presión y los caudales se utilizanen valores análogosa la de
los tubos con relleno. El diámetro del lecho puede ser tan grande como se desee. La
distribución del gas puede ser un problema.
Ejemplo: hidrolisis en fase vapor de cloro benceno a fenol.
3. Reactor de lecho fluidificado.
1. Velocidad del gas 0.5 pie/seg.
2. Modelo de flujo del gas, mezcla perfecta. Considérese el reactor de lecho fluidificado
como un recipiente de mezcla perfecta.
3. Coeficiente global de transmisión de calor a la superficie sin recubrimientos. 50 Btu/
(hr)(pie2
)(0
F).
4. Caída de presión por pie de altura del lecho 0.3 libras/pulgada2
. Dado que pueden
necesitargrandescantidadesde gasdimensióneseycalcúlese lapotenciadel ventilador
o soplante.
5. Prevéase unalongitudsupletoriadel100% de lalongituddelreactorparaexpansióndel
lecho y receptáculo de la elutriación de los sólidos.
6. Los solidos se elutriarán del lecho. Prever ciclones separadores y filtros de gases.
Suponer una velocidad de elutriación de 0.01 libras m/(pie2
)(seg.).
3.5. Factores sociales.
Los factores comprendidos en esta clasificación no se evalúan directamente en términos
monetarios,perosi puedeninfluirenla decisióndel tipode reactor que se adquiera.Porejemplo,
una de lasclasespuede sermasseguraensu funcionamientoque otras.Esmaslacaracterística del
diseñode unreactorllegaafacilitarlaoperaciónsimplificandoconellolalaborde lostrabajadores.
Algunasclasesde reactoresgenerandesechosque sondifícilesde tratar y tiendena contaminarel
ambiente.
3.6. Factores económicos.
ESTIMACION DEL COSTO DE LOS EQUIPOS.

P á g i n a | 50
Existe unaextensabibliografíasobre costode equipo.estabibliografíatienebastante valorparaun
ingeniero de procesos, pero debe utilizarse con prudencia. Hay varios aspectos dignos de
consideración:
3.6.1. Índice de costos de los equipos-tiempo.
Los costos de los equipos e instalaciones químicas no permanecen constantes, sino que cambian
con el tiempo. Como regla general puede afirmarse que los costos crecena medida que el tiempo
pasa. Se han hecho muchos intentos de correlacionar costes de equipo con diversos índices
económicos de manera que así se reflejasen dichas variaciones. La figura 3.6.1. muestra una
representación gráfica de algunos de estos índices frente al tiempo. Nótese que en ordenadas la
escala es logarítmica.

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El índice más ampliamenteconocidoesel Engineering News-RecordIndex,que calculaypublicala
revistaEngineeringNewRecord.Fueel primerode losíndicesyeselquemasse utilizaenlaindustria
de laconstrucción.Enuníndice medioponderadodeloscostesdelacero,madera,cemento,ymano
de obra. El rápido incremento de los costos de construcción, de gran importancia en la industria
química, resultaevidente al contemplarel graficoen cuestión.Muchas correlacionesde loscostes
de equipos de la industria química, toman como base un determinado índice ENR (por ejemplo el
de 1957). Este método fue utilizado ampliamente para equipos e instalaciones de la industria
química hasta1957, pero desde entoncesloscostesde construcciónhancrecidomas rápidamente
que los de equipo de proceso.Ahora en el momento presente, no es aconsejable utilizar el índice
ENR para predecir los costos del equipo.
Aquí puede hacerse unapertinente aclaraciónenloconcernienteal costode lasmodernasplantas
químicas.El índice ENR para costos de construccióncrece mucho mas rápidamente que losíndices
relativosal costo de los equipos.Laconclusióna la que se llegadel estudiode estosíndices,y que
viene confirmado por la experiencia practica, es que los costos de las plantas químicas están
creciendo rápidamente,debido primordialmente al rápido crecimientoen el costo de los trabajos
de construcción (acero, hormigón, preparación del terreno, e instalación del equipo) bastante
mayor que el crecimiento en el costo de los equipos de proceso.
Otros índices son:
a) El Marshall and StevensIndex, ahora bautizadocomoMarshall andSwift,que esun índice
promedio ponderado del costo de los equipos en ocho diferentes industrias de proceso.
Este índice se publica con regularidad en el Chemical Engineering.
b) El Plant Cost Index, que viene publicadoregularmenteenlarevistaChemicalEngineering.
c) El índice de preciosal por mayor del Departamentode Comerciode EE.UU. que se publica
regularmente en el Business Statistics. Esta cifra, junto al Consumer Price Index, se
contemplacomounamedidadel poderde compradel dólarestadounidense.Debieraserla
medida mas segura que existe del costo de los equipos de proceso.
En el grafico de la figura 3.6.1 puede observarse que los tres índices (a), (b) y (c) crecen casi a la
mismavelocidadyque cualquierade ellospuede utilizarseparaponeral día, o predecir,loscostes
de equipo mediante la razón:
𝑐𝑜𝑠𝑡𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑑𝑖𝑎 𝑑𝑒 ℎ𝑜𝑦 = 𝑐𝑜𝑠𝑡𝑒 𝑎𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 ×
(𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 í𝑛𝑑𝑖𝑐𝑒)
(𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑎𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 𝑑𝑒𝑙 í𝑛𝑑𝑖𝑐𝑒)
Debe tenerse en cuenta que estos costes son costes de compra del equipo. normalmente vienen
ofertadoscomoFOB en losalmacenesdel proveedor.Despuésde comprarlosel industrial químico
debe pagar todos los costes de transporte a la planta y la instalación y conexionado en la misma
planta.Losgastosde transporte,instalaciónyconexión,puedenservariasvecessuperioresal costo
de compra. Evidentementeque unequipode unainstalaciónquímicadebe conectarse conel resto
de la planta para que pueda tener algún valor. Consecuentemente los costos de transporte,

P á g i n a | 52
instalación,aislamiento,tuberías,conexionadoeléctrico,e instrumentación debe añadirse al costo
del equipo antes de hacer cualquier estudio significativo.
3.6.2. Relaciones entre costo de equipo-tamaño.
Otro aspecto debe considerarse, es el hecho de que los costos de los equipos de proceso, en un
momentodado,cambianconel tiempo,potenciaopesodelequipo.engeneral cuantomayoromas
potente es una maquina, tanque o recipiente, cuesta mas que otro menor, pero no en una
proporción directa. Normalmente se aplica una función tamaño-costo de la siguiente manera:
𝑐𝑜𝑠𝑡𝑜 = 𝐾( 𝐴) 𝑛
Ó
( 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜) 𝐿
( 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜) 𝑆
= (
𝐴 𝐿
𝐴 𝑆
)
𝑛
Donde:
A = alguna característica que define el tamaño tal como volumen, área o potencia.
K = Constantes, valor del costo cuando A es la unidad.
L y S = Subíndices que indican tamaño mayor y menor respectivamente.
Una funciónde este tipo,cuandose presentaencoordenadasdoble logarítmicaesunalínearecta.
En estas coordenadas es preferible relacionar los costos y los tamaños de un tipo particular de
equipo en un gran margen de tamaño, de 100 o mas veces. Por tanto estos gráficos o ecuaciones
son muy útiles porque presentan gran cantidad de información de una manera muy compacta.
Algunosingenierosconsideranque nesunaconstante paratodoslostamañosyparatodostiposde
equipos.A vecesse hacenexplicacionesrelativasalareglade los“Seis-décimos“ó“Siete-décimos”,
significado que n puede considerarse constante e igual a 0.6 ó 0.7. esto es verdaderamente una
aproximaciónmuyatractiva,peronolosuficientementebuenaenuntrabajocorrecto.Cadatipode
equipo posee su propio valor de n, y este valor puede o no permanecer constante. Los autores
modernos reconocen este hecho y hacen hincapié en que se debe conocer cada valor de n.
3.6.3. Relaciones entre coste de los equipos e instalaciones y negocio.
Otroaspectoa considerarenel calculode los costosesque enlabibliografíanose tienenencuenta
las relaciones de negocio que puedenexistir. Los proveedores de equipo para la industria química
puede que cambien sus precios subiéndolos o bajándolos del precio según:
1. El tipo de competencia en ventas que existe en un negocio. Algunas clases de equipo las
vendenmuchosproveedores,conloqueexiste unagrancompetencia.Lospreciosofertados
por diversos vendedores son muy parecidos y bastante competitivos, sin embargo un
vendedorpuede que reduzcasuspreciosinclusohasta30 % si cree,o se le hace creer,que
con ellorecibiráungran pedido. Porotro ladoalgunosequipossololosfabricanunao dos

P á g i n a | 53
firmas. Disfrutan de un monopolio y por tanto venden solo a altos precios y con grandes
beneficios.
La competencia o su ausencia, influyen mucho en el costo de compra de los equiposde la
industria química.
2. La coyuntura económica y el volumen de negocio de los vendedores.Los fabricantes de
equipo están muy ligados por su fabrica, maquinaria y trabajadores especializados. Si los
negocios no van bien, muchas veces se ven obligados a ofertar a bajo precio, solamente
para obtener un pedido que les permita mantener a su fabrica y obreros ocupados.
También, en ocasiones, una compañía puede que quiera entrar en un nuevo capo o
recuperar uno en el que ya había estado, por lo que baja los precios. En tales casos los
preciosofertadospuede queseanmasbajosque ensuspropioscostosyportantomenores
que los que se podría esperar. Por el contrario, si los fabricantes están trabajandomucho
en pedidos rentables, no se preocupan si obtienen o no nuevos pedidos. En los años
anterioresalaultimacrisis,debidoalafuertepresiónejercidaporlaconstruccióndeplantas
químicas, se debe con frecuencia esta ultima situación.
3. La naturaleza de las relaciones entre el fabricante y el comprador del equipo. sucede a
veces, y en la época actual de absorciones y fusiones sucede con harta frecuencia, que
suministrador y comprador pertenecen a un mismo grupo de empresas (corporaciones,
holding,trust,etc.).enestoscasosel comprador no tienenotraalternativaque comprarel
equipo de dicho suministrador. No existe competencia con otros proveedores.
3.6.4. Precisión de la estimación de costos preliminar.
Las estimacionesde costosdetipopreliminar,y especialmente realizadasporingenierosde proceso
sinla asistenciade profesionalesde laestimaciónde costes,nosonprecisas.Unintervaloprobable
de precisión podría ser de -35 % a +25% tendiendo mas a acercarse al limite por defecto.
Una estimaciónfinal seguradebehacerseencolaboraciónconestimadoresde costosprofesionales,
y solo después de que se han recibido ofertas de los fabricantes de equipo. la preparación de la
estimación fina es un trabajo largo y complicado y realmente no corresponde al ingeniero de
proceso.
A pesar de la imprecisióninherente enlasestimacionespreliminares,estasdebenllevarse acabo.
Deben hacerla los ingenieros de proceso y la información que dispongan en aquel momento. No
debe realizarse nada hasta que la estimación preliminar de costes haya finalizado.
3.6.5. Una compilación de coste de equipo.
En la tabla 3.6.5.1. se incluyen los costos de compra de equipo instalado, para recipientes de
proceso. Los costes se han corregido en cuanto a tiempo, refiriéndolos todos al mes de Julio de
1970. Esta lista de costes se ha copilado en base a los trabajadores de Guthrie, Peters and
Timmerhaus,yBauman.Loscostesse hantabuladooexpresadode formatal que puedefácilmente
calcularse el costo para un determinado tamaño en particular.

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En la tabla anterior a cada concepto se le ha asignado dos costes:
1. El coste de compra, que es el coste ofertado por el constructor del equipo. no incluye
ningunode losgastosquese derivande cualquierhechoanterioralainstalaciónenlaplanta
y puesta o punto para su funcionamiento.
2. El costo instalado, que es el costo de compra del equipo mas los gastos en que se incurre
hasta que el equipoestacorrectamente instaladoy verdaderamente listo para funcionar.
Se han tabulado los costes de esta manera por dos motivos:

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1. En los cálculos de balances económicos,se necesita utilizar el costo instalado marginal de
un equipoenparticularyel costode compra no reflejaconexactitudelverdaderocoste de
colocar un equipo en disposición de funcionamiento en una planta química.
2. Existenvariosprocedimientos rápidosaproximadosque permitenestimarel costo final de
la plantaa partir de loscostosde comprade losequipos.Estosprocedimientosson rápidos
y bastante exactos para una estimación preliminar y son muy utilizados por lo que se
necesita conocer el coste de compra. Además es conveniente tener una estimación del
costo de compra de losequiposque permitaun chequeoconlos preciosofertadospor los
suministradores.
NOTA:Solamente sehanincluidoloscostosde losrecipientesde procesoporel interésque se tiene
de estos en este trabajo. Pero existen tablas para un gran diversidad de equipos.
3.6.6. Guía rápida para costo de equipo.
En la figura 3.6.6.1. se muestra una forma rápida para la determinación del costo de equipo
mencionadoenlalistaadjuntaalafigura.Enestatablase muestranlascoordenadasXyY,lascuales
están localizadas en el nomograma de la figura 3.6.6.1; cuando se requiere estimar el costo de un
equipodeterminadose buscaenlatabla,de acuerdoa la capacidad,potencia,etc.Segúnel tipode
equipo y por medio de las coordenadas X y Y que le correspondan nos vamos al nomograma, se
localizan y por medio de una línea intersectamosestos puntos y nos dará el costo aproximadodel
equipo; estos costos van a estar referidos a los índices Marshall y Stevens para junio de 1960.
Estas tablasson muy útiles;perohayque tomar encuenta que son muyantiguasy para untrabajo
actual, deberemos por algún método poner al día estos costos, considerando por supuesto un
margen de error.

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3.7. Usos industriales de los reactores químicos.
3.7.1. reactores tubulares
a) Son generalmente usados para gases y vapores.
b) Cuando se desea una producción continua y grande
c) Para reacciones endotérmicas y exotérmicas.
d) Empacados con catalizadores solidos, actúan como reactores catalíticos de cama fija.
e) Empacados con un reactante solido, actúan como reactores heterogéneossólido-gasde
cama fija.
3.7.2. reactores tipo tanque.
a) Son generalmente usados para líquidos.
b) Cuando se desea una producción continua.
c) Para reacciones medianamente exotérmicas o endotérmicas.
3.7.3. Reactores de lecho móvil.
a) Para lograr intercambios de calor intensos, del orden de 8000 a 80 000 kcal/h.m3
.0
C.
b) Para efectuar reacciones catalíticas en las que el catalizador solido se ensucia fácilmente,
pero puede regenerarse de modo continuo.
c) Se ha utilizado desde hace mucho tiempo para reacciones en las que tomaban partes
sólidos.(hornoalto,hornode cal).En general se utilizaeste reactorcuandoel reactante es
sólido.
3.7.4. Reactores de lecho fluidizado.
a) Se emplean principalmente para el contacto de gases con sólidos.
b) En la mayoría de los casos se emplea el tipo de lecho de fase densa.
c) El tipo de fase diluida se emplea cuando es difícil mantener una distribución adecuada de
tamaños para lograr una fase densa estable.
3.7.5. Reactores de lecho fijo.
a) Isomerización en fase vapor.
b) Para cracking tipo Houdry o ciclo versión.
c) Síntesis de NH3
d) Des hidrogenación de los butanos a los butenos.
e) Fabricación de oxido de etileno.
f) Si se trata de unsistemasólido-fluido,se utilizaestetipode reactorcuandosupermanencia
va a ser prolongada.

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3.8 Ventajas de los reactores químicos.
3.8.1. Reactores tubulares.
a) Su costo de operación es bajo comparado con el de los reactores intermitentes.
b) Por lo general su operación es continua.
c) Se facilita el control automático de la producción cuando opera en forma continua.
d) Más eficiente, en general, que el reactor continuo tipo tanque, cuando opera en forma
continua.
3.8.2. Reactores continuos tipo tanque.
a) Su costo de operación bajo comparado con el de los intermitentes.
b) Su operación es continua.
c) Se facilita el control automático de la producción.
d) Se tiene una sola temperatura en el sistema de reacción.
3.8.3. Reactor discontinuo.
a) Versátil.
b) Rendimiento elevado del producto.
3.8.4. Reactor semicontinuo.
a) Buen control de temperatura.
b) La distribuciónde productosdeseadase obtiene regulandolaconcentraciónde unreactivo.
3.8.5. Reactor de lecho fijo.
a) Simplicidad de operación.
b) Bajo costo de construcción.
c) Bajo costo de mantenimiento.
3.8.6. Reactor de lecho fluidizado.
a) Temperatura uniforme
b) Operación continua con regeneración de catalizador.
c) Mayor eficiencia en el contacto solido-fluido.
3.9 Desventajas de los reactores químicos.
3.9.1 Reactores continuos tubulares.
a) su costo inicial es alto.
b) No se recomienda su uso para reacciones que requieren mucho tiempo de residencia.
c) El tiempo de residencia esta fijo par aun flujo dado de alimentación.

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3.9.2 Reactores continuos tipo tanque.
a) Su costo inicial es alto.
b) Para tiempos de residencia muy grandes, su tamaño es a la ves muy grande.
c) Menos eficiente en general que el reactor tubular.
3.9.3. Reactor discontinuo.
a) Costos de operación elevados.
b) Producción a pequeña escala.
c) Difícil control de calidad del producto.
3.9.4. Reactor semicontinuo.
a) Costos de operación elevados.
3.9.5. Reactor de lecho fijo.
a) Transferencia de calor grande.
b) Difícil mantener una distribución uniforme de flujo.
c) Dificultad para regenerar el catalizador.
d) En lechos fijos grandes resulta difícil el control de temperatura.
e) En reacciones muy exotérmicas es muy probable que se formen zonas calientes o frentes
calientes móviles que puedan perjudicar al catalizador.
f) No pueden emplear tamaños muy pequeños de catalizadores debido a la formación de
“tapones” y a que originan pérdidas de presión elevadas.
3.9.6. Reactor de lecho fluidizado.
a) Mayor costo de operación, debido a altas caídas de presión
b) Erosión del equipo (abrasión).
c) Mayor costo de mantenimiento.
d) Formación de burbujas (bajas conversiones)
e) Son adecuadas para emplear partículas de tamaño pequeño como catalizador.
f) Atrición del catalizador.

P á g i n a | 62
CAPÍTULO IV. PROBLEMAS DE APLICACIÓN.
Dentro de este tema trataremos la aplicaciónde los recursos mencionados en el capituloanterior
para la resolución de un problema dado.
 PROBLEMA NUMERO 1.
Para un proceso de nitración, cuya finalidad es obtención de nitrobenceno, utilizando bencenoy
acido nítrico como reactivos en presencia de acido sulfúrico como catalizador; las condiciones de
operación son, presión 1 atmosfera, temperatura en un intervalo de 45-950
C. Se requiere conocer
el tipode reactoradecuado, así comolos costosde compray como equipoinstalado,si se necesita
un reactor de 3000 galones de capacidad.
SOLUCION.
Para determinar el tipo de reactor mas adecuado a la reacción, podemosrecurrir a la información
presentadaenlasección3.4.3del capitulo3,donde enbase al tipode reacción recomiendanel tipo
de reactor.
En el enunciadodel problemase observaque losreactivosestánenfase liquidayque sonsustancias
inmiscibles,porellopodemoshablarde una reacciónheterogénealíquido-líquido.En el capítulo 3
secciónreaccionesheterogéneasse proporcionainformaciónsobre eltipodereactormásadecuado
para estareacción,así comotipode agitadorpara este reactor.Entoncessegúnestainformaciónse
necesita un reactor agitado con turbina y cortacorrientes con un consumo de 5 hp/1000 galones.
Una vezdeterminadoel tipode reactoradecuado,procederemosalaestimacióndeloscostos.Para
ellorecurriremosalatabla3.6.5.1donde se muestraunainformacióndefácil interpretaciónyforma
sencilla de resolución para la obtención de los dos tipos de costos que se requieren.
Tomando como datos la presión, capacidad del tanque y potencia del agitador para la capacidad
requerida.
En la tabla, para la presión necesaria hay reactores de tres tipos diferentes de material de
construcción;tomaremosuntanque de aceroinoxidabledebidoaque estamostrabajandoácidosy
por tanto es el mas conveniente.
Entonces procedemos a sustituir:
Costo del tanque de acero inoxidable: 57 (3000)0.82
= 40468.23 dólares
Costo del agitador de acero inoxidable: 2000 (15)0.56
=9112.57 dólares.
COSTO TOTAL DE COMPRA DE REACTOR: 49580.80 dólares.
Costo del tanque de acero inoxidable: 100 (3000)0.82
=70996.9 dólares

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