reactores

• Los tanques donde se lleva a cabo las reacciones físicas, químicas y bioquímicas,

• Por ejemplo en el tratamiento de aguas residuales y ablandamiento de aguas .

• Un reactor químico es el dispositivo donde ocurre un cambio en la composición debido a la reacción química.

• Estos se clasifican con base a sus características de flujo y condiciones de mezclado

• Reactores intermitentes o por lote: son del tipo de llenar y vaciar es decir se agrega el material al tanque, se mezcla y a continuación se vacía.

• Reactores de flujo: tienen una forma continua de operación, el material entra, pasa y sale del reactor siempre.– Reactor de flujo completamente mezclado (también llamado reactor

de tanque agitado con flujo continuo) idealmente es uniforme en todo el tanque.

– Reactor de flujo tapón: las partículas de flujo pasan por el tanque en orden secuencial las que entraron primero salen primero.

•

Reactor de flujo pistón (reactor de flujo tapón o reactor tubular)

• Consiste en un tubo cilíndrico y normalmente se opera en estado estacionario no hay una variación radial en la concentración por eso se dice que es un flujo taponado. En este reactor los reactivos se consumen continuamente a medida que fluyen a lo largo de él. La concentración varia continuamente en la dirección axial a todo lo largo del reactor, por consiguiente, la velocidad de reacción, que es una función de la concentración para todas las reacciones con excepción de las de orden cero también varía axialmente.

• En este reactor no hay mezclado en la dirección lateral y aunque la composición varia a lo largo del tanque, mientras las condiciones de flujo permanezcan estables la composición en la salida permanece constante.

• Cuando un reactor funciona idealmente, en cada sección de él, es decir de manera radial o perpendicular al flujo las condiciones del fluido son uniformes, por ejemplo la velocidad másica, presión, temperatura y composición

• Tiempo de retención• En lo reactores tubulares con flujo pistón, todas las moléculas que circulan por

el reactor van a la misma velocidad y por tanto todas ellas han permanecido el mismo tiempo en su interior.

• En los reactores ideales el tiempo promedio en el reactor (tiempo de detención o retención se define como sigue.

• Donde es el tiempo teórico de detención (en s)• V= volumen del fluido en el reactor (m3)• Q= flujo que entra en el reactor (m3. S-1)

• Los reactores reales no se comportan como a los ideales debido a las diferencias de densidad, que a su vez se deben a diferencias de temperatura u otras causas. Así que generalmente en los tanques reales el tiempo de detención suele ser menor que el tiempo teórico de detención calculado.

• Balance de masa• El volumen de control para el balance de masa es

el tapón o un elemento diferencial del fluido, el balance de masa para este tapón en movimiento se describe como sigue

• Como no hay intercambio de masa en las fronteras es decir toda la masa que entra sale la ecuación se replantea como sigue:

•

• La masa total de la sustancia (M) es igual al producto de la concentración por el volumen. Para una reacción de primer orden la ecuación velocidad es la siguiente:

• = -Kc• Al integrar la ecuación obtenemos:• = k• Donde K es la constante de velocidad de la reacción (en s-1)• = el tiempo de residencia en el sistema de flujo tapón (s)• En un sistema de flujo tapón de longitud L cada tapón se mueve durante un

periodo L/U donde u es igual a la rapidez de flujo.

• Así la ecuación se puede escribir como:• • =-k

• PROBLEMA:• Una planta de tratamiento de agua debe desinfectarla antes de

descargarla en una corriente cercana. El agua residual contiene 4.5x105 unidades formadores de colonias de coliformes fecales (CFU por sus siglas en ingles) por litro. La concentración máxima permisible de coliformes fecales que se puede descargar es 2000CFU/L. se propone usar un tubo que conduzca el agua en el proceso de desinfección. Determine la longitud del tubo que se requiere si la velocidad lineal del agua residual en el tubo es 0.75m/s. supóngase que el tubo se comporta como un sistema de flujo tapón de estado estable, y que la constante de reacción para la destrucción de los cloriformes fecales es 0.23min-1

• En los tubos y en los ríos largos se dan las condiciones aproximadas de un reactor de flujo tapón (RTF) ideal.

• Con frecuencia el tratamiento biológico de las plantas municipales de aguas negras se hace en tanques largos y delgados, los cuales se pueden considerar como reactores de flujo tapón

Características principales de los reactores flujo pistón

• La reacción química se lleva a cabo en un sistema abierto

• Los reactivos y productores se añaden continuamente

• Operan a régimen estable

• La temperatura, presión y composición pueden variar con respecto al

tiempo y la longitud del reactor

Reactantes Productos

Ventajas de los

reactores flujo pistón

Costo de operación

bajo

La operación es continua

Automatización de la

producción

Es más eficiente que el tipo tanque

Desventajas de los

reactores flujo pistón

Costo inicial alto

No es apto para reacciones que

necesitan mucho tiempo de residencia El tiempo de

residencia esta fijo para un fluido

dado de alimentación

Los reactores flujo pistón se usan

• Para gases y vapores • En producciones grandes y

continuas • Para reacciones endotérmicas y

exotérmicas • Empacados con catalizadores

sólidos, actúan como reactores catalíticos de cama fija

• Empacados con un reactante solido, actúan como reactores heterogéneos solido-gas de cama fija