Este documento describe los reactores químicos ideales, incluyendo una introducción a los reactores químicos, los tipos de reactores (reactor intermitente, reactor continuo de mezcla perfecta, reactor de flujo tapón y reactor empacado), y las ecuaciones necesarias para determinar el funcionamiento de cada tipo de reactor. También se discute brevemente el origen histórico de los reactores químicos.

1. UNIDAD 3. Reactores Químicos
ideales
OPERACIÓN DE UN
REACTOR
Materia: Laboratorio Integral II
Profesor: Dr. Eder Jesús Valentín
Lugo Medina
 Medina García Cecilia Sarai
INSTITUTO
TECNOLÓGICO DE
LOS MOCHIS
NOVIEMBRE, 2016

2. ¿Qué es un Reactor Químico?
Un reactor químico es un dispositivo donde ocurre un
cambio en la composición debido a la reacción química,
por tanto, se nombrará así a cualquier recipiente en el
cual ocurra una reacción.
El problema de ingeniería de reactores es realizar el
diseño más adecuado, puesto que los reactores se
fabrican de todos los colores, formas y tamaños, y se
usan para todo tipo de reacciones.

3. ¿Qué es un Reactor Químico?
Las primeras decisiones que se deben de hacer en el diseño se
refieren a la selección del tipo de reactor y del método de
operación, posteriormente se evalúa el funcionamiento del reactor.
Entre las siguientes consideraciones, se tienen las temperaturas,
presiones y composiciones dentro del reactor.
Las primeras decisiones son imposibles si no se llevan a cabo
cálculos de funcionamiento para diversos tipos de reactores. En
última instancia, la selección del reactor puede tener que hacerse en
base a utilidades, grado de seguridad y factores ambientales.
Además, el tipo de sistema reaccionante puede ser un factor
primario en la determinación del tipo de reactor y del método de
operación.

4. ¿CómosurgieronlosReactoresQuímicos?
1920-1950
• Comienza la época de las operaciones básicas
1939-1946
(SGM)
• Se produjo un agotamiento gradual de la investigación en problemas relacionados con las operaciones unitarias
• Insatisfacción provocada por la descripción empírica de muchos procesos, provocó que las operaciones básicas comenzasen a
reexaminarse
• Se desarrollaron modelos moleculares para describir los fenómenos que tienen lugar en los equipos de la industria química y
comenzó la modelización matemática de reactores y procesos
-
• Con los trabajos de Damkohler en Alemania, Van Heerden en Holanda, Dawnckerts y Denbigh en Inglaterra, comienza el análisis
sistemático de los reactores químicos.
• Cunningham y Lombardi definen estos reactores como aquellos en los cuales se mantiene la temperatura del sistema en el nivel
deseado sin necesidad de aportar energía por fuentes externas, haciendo uso única y exclusivamente del calor liberado por la
reacción que tiene lugar en el interior del reactor.
1953-1958
• Van Heerden define a los reactores como aquellos en los cuales se puede utilizar parte del calor de reacción para elevar la
temperatura de los reactivos, hasta alcanzar éstos una temperatura a la cual la reacción sea posible con una velocidad adecuada.
• Van Heerden considera el intercambio de calor con el fluido de entrada ya que debido a las condiciones de operación adiabáticas
para una reacción exotérmica que conducen a una elevación de la temperatura con la conversión

5. Operación de un Reactor
Para determinar el
funcionamiento de
un reactor es
importante saber de
lo que es capaz de
hacer, para lo cual
se necesita conocer
tres aspectos:
Cinética
Modelo
de
Contacto
Ecuación
de
rendimiento
Se define como el estudio de la
velocidad de reacción, y el
mecanismo, por medio de los
cuales una especie química se
transforma en otra.
Puesto que es una relación de
la entrada y salida del reactor,
que permite así comparar
diseños y condiciones
diferentes en la selección del
mejor reactor.
Se refiere a como los materiales
circulan a través y se relacionan uno
con otro en el reactor, cuan tarde o
temprano se mezclan, su estado de
agregación.

6. Tipos de Reactores
El reactor intermitente tiene la ventaja de permitir una alta conversión,
que puede obtenerse dejando el reactivo dentro del reactor por
periodos prolongados, pero también cuenta con la desventaja del alto
costo de mano de obra por lote, la variabilidad del producto de un lote
con otro y la dificultad para producción a gran escala.
Su operación se divide en 5 pasos:
1. Se agrega una carga de reactivos.
2. Se lleva el reactor a condiciones de operación.
3. Se mantiene a estas condiciones un lapso de tiempo determinado,
durante los cuales se realiza la reacción.
4. Se lleva al reactor a las condiciones necesarias para descargar el
producto.
5. Se lava el reactor.

7. Un balance de materia alrededor de todo el
reactor para cualquier reactante A conduce a:
𝑬 − 𝑺 = 𝑨𝒄𝒖𝒎 + 𝑫𝒆𝒔𝒂𝒑
𝟎 − 𝟎 =
𝒅𝑵 𝑨
𝒅𝒕
+ −𝒓 𝑨 𝑽
−
𝒅𝑵 𝑨
𝒅𝒕
= −𝒓 𝑨 𝑽
𝟏
𝑽
·
𝒅𝑵 𝑨
𝒅𝒕
=
𝒅𝑵 𝑨/𝑽
𝒅𝒕
=
𝒅𝑪 𝑨
𝒅𝒕
Es aquí cuando se presentan dos casos:
Cuando el volumen es constante:
𝑺𝒊 𝑽 = 𝒄𝒕𝒆 ∴ 𝝐 𝑨 = 𝟎
Aplicando a la ecuación:
−
𝒅𝑪 𝑨
𝒅𝒕
= −𝒓 𝑨
Despejando la ecuación:
𝒕 = −
𝑪 𝑨𝟎
𝑪 𝑨
𝒅𝑪 𝑨
(−𝒓 𝑨)
Y considerando que:
𝒅𝑪 𝑨 = −𝑪 𝑨𝟎 𝒅𝑿 𝑨
La ecuación se expresaría como:
𝒕 =
𝟎
𝑿 𝑨
𝒅𝑿 𝑨
(−𝒓 𝑨)
Cuando el volumen cambia linealmente con la
conversión, o sea:
𝑽 = 𝑽 𝟎(𝟏 + 𝝐 𝑨 𝑿 𝑨)
Se obtiene la ecuación del tipo:
−
𝑪 𝑨𝟎
𝑪 𝑨𝟎 + 𝝐 𝑨 𝑪 𝑨
·
𝒅𝑪 𝑨
𝒅𝒕
= −𝒓 𝑨
Integrando:
𝒕 = −
𝑪 𝑨𝟎
𝑪 𝑨
𝒅𝑪 𝑨
𝟏 + 𝝐 𝑨 ·
𝑪 𝑨
𝑪 𝑨𝟎
−𝒓 𝑨

8. BATCH

9. Los reactores de flujo continuo casi siempre operan en estado estacionario. Se consideran tres
tipos principalmente:
Reactor continuo de mezcla perfecta (CSTR)
Reactor de flujo tapón (PFR)
Reactor empacado (PBR)
En estos reactores, no hay dependencia del tiempo o de la posición
en la temperatura, la concentración o la velocidad de reacción
dentro del CSTR. Es decir, todas las variables son iguales en todos
los puntos del interior del reactor. Como se plantea esta condición,
por ende la temperatura y la concentración son idénticas en todo el
interior del recipiente de reacción como en la corriente de salida.

10. Para proceder con las ecuaciones del reactor CSTR. Se requiere un balance
de materia para cualquier reactante A alrededor del volumen total V da:
𝑬 − 𝑺 = 𝑨𝒄𝒖𝒎. +𝑫𝒆𝒔𝒂𝒑.
𝐹𝐴0 − 𝐹𝐴𝑓 = −𝑟𝐴 𝑉
Donde: 𝐹𝐴𝑓 = 𝐹𝐴0(1 − 𝑋𝐴)
Para el reactor, para alimento no convertido y para cualquier 𝝐 𝑨 los términos del balance
conducen a:
𝑉
𝐹𝐴0
=
𝑋 𝐴𝑓
−𝑟𝐴 𝑓
𝜏 =
𝑉
𝑣 𝑜
=
𝐶𝐴0 𝑉
𝐹𝐴0
=
𝐶𝐴0 · 𝑋 𝐴𝑓
−𝑟𝐴 𝑓

11. CSTR

12. El tipo de reactores que hace referencia a aquellos
en que los materiales que reaccionan se consumen
de manera continua a medida que fluyen a lo largo
del reactor, son los reactores tubulares; su modelo
dice que la concentración varía en dirección axial a
lo largo del mismo. Por consiguiente, la velocidad
de reacción, que es una función de la concentración,
variará también axialmente. Para aquellos sistemas
en los cuales el campo de flujo pueda representarse
por un modelo correspondiente a un perfil de flujo
tapón, es decir de velocidad uniforme como en el
flujo turbulento; se presentan casos donde no hay
variación radial de la velocidad de reacción y se
denomina reactor de flujo tapón (PFR).
Para cualquier reactante A alrededor de un
pequeño elemento diferencial de volumen
dV conduce a:
𝑬 − 𝑺 = 𝑨𝒄𝒖𝒎 + 𝑫𝒆𝒔𝒂𝒑.
𝐹𝐴 𝑒𝑛
+ 𝐹𝐴 𝑠𝑎𝑙
= 0 + −𝑟𝐴 𝑑𝑉
Por consiguiente, para cualquier punto del
reactor:
𝐹𝐴0 𝑑𝑋𝐴 = −𝑟𝐴 𝑑𝑉
Para la integración de la ecuación anterior
para todo el reactor:
𝜏 =
𝑉
𝐹𝐴0
=
0
𝑋 𝐴𝑓
𝑑𝑋 𝐴
−𝑟𝐴

13. CSTR

14. Por consiguiente, la velocidad de reacción se basa en la masa
de catalizador sólido, W, y no el volumen de reactor, V. Para
un sistema heterogéneo fluido-sólido, la velocidad de reacción
de una sustancia A se define como:
−𝒓 𝑨 =
𝒎𝒐𝒍 𝒅𝒆 𝑨 𝒒𝒖𝒆 𝒓𝒆𝒂𝒄𝒄𝒊𝒐𝒏ó
𝒔. 𝒈 𝒅𝒆 𝒄𝒂𝒕𝒂𝒍𝒊𝒛𝒂𝒅𝒐𝒓
Se usa la masa de catalizador sólido porque la cantidad de
catalizador es importante en la velocidad de formación del
producto. El volumen del reactor que contiene el catalizador
tiene importancia secundaria.
También conocido como reactor de lecho fijo. Los reactores de lecho fijo consisten en uno o más tubos
empacados con partículas que operan en posición vertical. Este diseño pertenece a reactores en los
cuales se realizan reacciones heterogéneas, fluido-sólido, en este caso la reacción tiene lugar sobre la
superficie de un catalizador.

15. PBR

16. Bibliografía
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 Cuevas García, R. (01 de Septiembre de 2009). Departamento de Química UNAM. Recuperado el 13 de Noviembre de 2016, de
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