Reactores CSTR - jack zavaleta ortiz

REACTOR CSTR
(Complete Stirred Tank Reactor)
Este tipo de reactor consiste en un tanque con buena agitación en el que hay
un flujo continuo de material reaccionante y desde el cual sale continuamente
el material que ha reaccionado (parcialmente). La agitación del contenido es
esencial a causa de la forma de estos recipientes (por ejemplo, cilindros cuyo
diámetro es igual a su altura); si no fuera así, se crearía una corriente directa
de fluido entre la entrada y la salida del recipiente y gran parte del volumen de
este sería un espacio muerto (sin circulación).
Esquemáticamente podríamos mostrar una idea del reactor en mención bajo la
siguiente imagen:
Ahora bien alcanzada plenamente la idea de un reactor de agitación continua
podemos extender nuestra vista para ver una demostración virtual:
http://virtual.cvut.cz/virtualexperiments/cstr/cstr.wrl
Sin embargo los reactores CSTR utilizados en la industria suelen en su
mayoría ser distintos pero guardando la idea del agitación contínua.
Tenemos un ejemplo de un reactor CSTR para polimerización.
http://images.google.com.pe/imgres?imgurl=http://wwwits.chem.uva.nl/research/polymer_process/polymer_systems/images/Piet3.gif&i
mgrefurl=http://wwwits.chem.uva.nl/research/polymer_process/polymer_systems/General.html&h=5
68&w=619&sz=246&hl=es&start=9&tbnid=tsJ9HuWhDRAgbM:&tbnh=125&tbn
w=136&prev=/images%3Fq%3Dreactor%2B%2BCSTR%26gbv%3D2%26svnu
m%3D10%26hl%3Des%26sa%3DG
Vista de un Reactor CSTR (Se puede observar las aspas de agitación a lo largo
del tanque)
http://en.wikipedia.org/wiki/Chemical_reactor
Algunas características
La característica importante de un reactor CSTR es la agitación. Una
primera aproximación que describe más apropiadamente su funcionamiento se
basa en la suposición de que su contenido está perfectamente mezclado.
Como consecuencia de ello, la corriente efluente tiene la misma composición
que el contenido. Los reactores de este tipo poseen muchas facilidades en lo
referente a transferencias de calor, y la agitación permanece constante en el
interior del reactor.
Otra característica de este tipo de reactores es que posee una unidad
procesadora (tanque) diseñado para que dentro de este se produzcan una o
varias reacciones químicas, producto del ingreso del flujo de alimentación, con
el fin de descargar productos con flujos volumétricos del material que ha
reaccionado, de modo que el volumen de reacción permanece constante.
En un reactor CSTR no es difícil alcanzar, con bastante aproximación, una
mezcla perfecta, siempre y cuando la fase fluida no sea demasiado viscosa. En
general, si un elemento de fluido que entra (por ejemplo, colorante agregado)
se distribuye en el tanque, entonces éste puede considerarse “bien mezclado”.
¾ En estado estacionario, el caudal adentro debe igualar, el caudal total hacia
fuera, si no el tanque desbordará o irá al vacío (estado estacionario).
Mientras que el reactor está en un estado transitorio la ecuación modelo se
debe derivar de la masa y de los balances energéticos diferenciados.
¾ Todos los cálculos realizados con CSTR se asumen con un mezclado
perfecto.
¾ A menudo, es económicamente beneficioso funcionar con varios CSTRs en
series o en paralelo. Esto permite, por ejemplo, al primer CSTR funcionar en
una concentración más alta de reactivo y por lo tanto con una tasa más alta
de reacción. En estos casos, los tamaños de los reactores se pueden variar
para reducir al mínimo la inversión de capital total requerida para poner el
proceso en ejecución.
Modelo Reactores CSTR en serie. Universidad Nacional del Callao. Facultad de Ingeniería química – Laboratorio de
Operaciones y Procesos Unitarios (LOPU)
Funcionamiento y Proceso de un Reactor CSTR
Es ventajoso disponer de varios reactores CSTR en serie y que la corriente de
proceso fluya de uno al siguiente. Esto da como resultado un cambio de
composición escalonado entre los tanques sucesivos. También provoca una
pérdida por el establecimiento de rutas cortas de flujo: una molécula
determinada que entre a un tanque tiene una probabilidad significativa de fluir
inmediatamente hacia la salida. Esta es la razón por la cual es usualmente
necesario emplear varios tanques en serie, sobre todo si se quiere
conversiones altas. Si hubiera solo uno o dos tanques, habría una pérdida
apreciable de material sin reaccionar. Aunque esta pérdida es, en cierto
sentido, el resultado de la agitación, generalmente sería más alta si no hubiese
agitación, debido a la formación de corrientes directas entre la entrada y la
salida.
Una consecuencia común del cambio escalonado en la concentración es que la
velocidad media de reacción sería menor que la obtenida en un reactor
tubular que tenga la misma concentración de reactivos en la alimentación.
“Un reactor tubular es cualquier reactor de operación continua en que hay un
movimiento constante de uno o de todos los reactivos en una dirección
espacial seleccionada (los reactivos entran en un extremo del sistema y salen
por el otro) y en el cual o se hace intento alguno por inducir el mezclado entre
los elementos del fluido en ningún punto de la dirección del flujo”
Por lo tanto el volumen del reactor para una producción determinada debe ser
mayor y esto debe tomarse en cuenta en el diseño. Entonces puede parecer
paradójico que el reactor CSTR se utilice mucho para reacciones en fase
líquida comparativamente lentas. La razón es que su construcción es mas
barata. El volumen mayor no es tan importante como el factor económico, al
menos en el caso de tanques que funcionan a presión atmosférica y están
fabricados de un material barato.
Un buen ejemplo de los comportamientos caóticos se aprecia en un conjunto
de reactores CSTR, acoplados y desestabilizados. Es posible estabilzarlos si
usamos un esquema de control de retro-alimentación negativa. La posibilidad
de poder escoger una salida deseable, dentro de un número infinito de posibles
salidas controladas, proporciona mucha flexibilidad al proceso y da origen al
concepto de “operación caótica” propuesto por (Chien-chong, 1996)
Otros ejemplo de aplicaciones a la ingeniería de procesos sería el caos
generado en el control de un CSTR, y en control de nivel de líquidos (ambos de
parámetro globalizados); en el caso de sistemas de parámetros distribuidos la
dinámica es más compleja, con posibilidad de caos especial, y por lo tanto el
análisis es más delicado.
Un tanque revuelto es más el fundamental de mezcladores y muchos
mezcladores comunes del mezclador de Brabender usado en laboratorio a una
taza de café con una cuchara se pueden considerar un tanque revuelto bajo
cierto sistema de aproximación. El mezclarse en un tanque revuelto es
complicado y no pozo descrito (el intermediario P. 340-348) aunque el uso de
números sin dimensiones y la comparación con cuentas de la literatura pueden
conducir a algunas capacidades proféticas. Los tanques a menudo revueltos
se utilizan como reactores industriales donde un componente químico de una
corriente del flujo reside por una cierta hora en el tanque y después procede
encendido a otros pasos en un proceso químico. La distribución del tiempo de
residencia se convierte en una medida del grado de una reacción química en
esta situación. Para mezclarse uno puede asumir a veces un índice constante
de la tensión en el tanque revuelto, intermediario P. 340-348, y la distribución
del tiempo de residencia se puede entonces utilizar bajo esta aproximación,
como medida del grado de mezclarse. Las zonas muertas en un tanque
revuelto para los líquidos de gran viscosidad deben ser muy familiares a
cualquier persona que ha trabajado en una pasta que se mezclaba de la cocina
con un mezclador de la mano. El movimiento flúido en un tanque revuelto se
confina a la región inmediata de las láminas del mezclador para los líquidos de
gran viscosidad.
En la aproximación más simple que un grado uniforme de mezclarse ocurre en
el tanque revuelto, intermediario, a esto se llama el “mezclador perfecto”.
Considerando una corriente de buteno en el ciclohexano que es convertido al
epóxido del buteno por la reacción con un peróxido en un CSTR. El caudal a
través del tanque es Q y la concentración del hepteno es C0. El tanque está en
el estado constante que significa los iguales volumétricos de la afluencia la
salida volumétrica. El volumen del tanque es V. El cociente del epóxido del
buteno al buteno se gobierna por la temperatura, la concentración del
catalizador, la eficacia del catalizador y el tiempo de residencia en el reactor.
Una curva principal en términos de conversión en las condiciones constantes
en función del tiempo de reacción se puede hacer fácilmente en el laboratorio.
Entonces un cálculo de la distribución del tiempo de residencia en el reactor se
puede hallar directamente, usando los resultados del laboratorio, al cociente de
conversión para el producto deseado. Si se va el epóxido del buteno a ser
utilizado en un segundo CSTR producir el producto final entonces este cociente
de conversión se convierte en la concentración de la entrada para el segundo
CSTR. Un proceso químico sintético implicará típicamente un número de
CSTR unidos en esta manera. Entonces necesitamos determinar la
distribución del tiempo de residencia (RTD), f (t), para que un mezclador
perfecto aproxime la conversión para este CSTR.
Para determinar el RTD, f (t), porque el CSTR consideramos una situación más
simple adonde una concentración C0 de un componente en una corriente Q del
flujo fluye en un tanque del volumen V. En un instante del tiempo toda la
concentración C0 es rojo marcado con etiqueta de modo que pueda ser
distinguida del otro reactivo en el tanque revuelto. Entonces buscamos el
reactivo marcado con etiqueta rojo en la corriente de la salida para determinar
la época de residencia del reactivo en el tanque. La cantidad de material
marcado con etiqueta ha dejado el tanque en el tiempo “t” es dada por la
función de distribución acumulativa del tiempo de residencia, F (t), F (t) C0Q.
Esto se relaciona con la concentración del material marcado con etiqueta en la
corriente efluente, QC (t),
QC (t) = F (t) C0Q
F (t) = C (t) /C0
Entonces F (t) es la respuesta del sistema a un pulso de la concentración en la
afluencia.
Un balance material para el CSTR bajo asunción de producciones que se
mezclan perfectas,
con la condición que comienza que la concentración del componente marcado
con etiqueta en el efluente es 0 en t = 0, C (t=0) = 0. La solución a esta
ecuación diferencial es,
donde está una clase V/Q constante para el sistema. Bajo asunción de
mezclarse perfecto, esta constante a su vez es la época de residencia mala
F
para el CSTR t = . La función de distribución del tiempo de residencia es el
Q
derivado de la función de distribución acumulativa del tiempo de residencia,
La función tiene un valor en t = 0
de el cual se decaiga exponencial con
tiempo. La función tiene un valor en t = 0 porque el mezclarse es perfecto, de
que es un poco de material está instantáneamente en el efluente en el material
instantáneo se introduce al tanque. Esto no es obviamente realista. No
obstante, la aproximación exponencial para un CSTR es una asunción común
en el proceso de polímero y en la industria de proceso química en su totalidad.
Es ampliamente utilizada en una amplia gama de campos científicos en cuanto
a una primera aproximación para las cantidades tales como tiempo de
residencia en un lago o un océano o para una aproximación de una droga o de
una residencia de las toxinas en el cuerpo humano puesto que depende
solamente del volumen del sistema y del índice de la dilución. La función se
puede modificar para el espacio muerto usando un volumen eficaz más bien
que el volumen real del sistema. Alternativamente, los estudios del trazalíneas
se pueden utilizar para medir el tiempo de residencia malo.
Ventajas en la elaboración de un reactor CSTR
•
Una de las grandes ventajas de los reactores CSTR, además de su
sencillez de construcción, es la facilidad con que se realiza el control de
la temperatura. Los reactivos que entran al primer recipiente de
inmediato entran a un gran volumen de fluido que ha reaccionado
parcialmente y, debido a la agitación, no tienden a producirse zonas
calientes. Asimismo los tanques del reactor CSTR ofrecen la
oportunidad de proporcionar un área muy grande de superficie de
enfriamiento. Además de la superficie externa de los recipientes mismos,
puede lograrse una gran cantidad de superficie interna si se instalan
serpentines sumergidos.
•
Otra ventaja es que la construcción es abierta. Esto facilita la limpieza de
las superficies internas lo cual es importante en el caso de reacciones en
que hay una tendencia a que se deposite material sólido, por ejemplo,
en los proceso de polimerización y en las reacciones en que se forma
como producto algún material alquitranado.
Campos de aplicación de los reactores CSTR
Los campos de aplicación típicos de los reactores CSTR son los procesos
continuos de sulfonacion, nitración, polimerización, etc. Se utiliza ampliamente
en la industria química orgánica y, en particular, en la producción de plásticos,
explosivos, hule sintético, etc. El reactor CSTR se emplea también siempre que
hay necesidad especial de agitación, por ejemplo, para mantener las burbujas
de gas o las partículas sólidas en suspensión dentro de una fase liquida o
para mantener las gotitas de un liquido en el seno de otro, como es el caso de
la nitración de benceno o tolueno. La rapidez de estas reacciones depende
considerablemente del grado de dispersión y, por lo tanto, de la intensidad de
la agitación.
Ejemplos de Productos realizados en reactores CSTR*:
Catalizador
T (ºC)
P
(atm)
Tiempo de
residencia o
velocidad
espacial
Producto
Materia Prima
Fase
en el
reactor
Alquilato
Alquilato
Sulfo-butadieno
i-C4 , butenos
L
H2SO4
5-10
2-3
5 – 40 min
i-C4 , butenos
L
HF
25-38
8-11
5 – 25 min
Butadieno, SO2
Oxima de
ciclohexano
Cl2, acetaldehído
L
34
12
0.2 LHSV
80-100
1
0.25-2 h
LG
t-butil catecol
Acido
polifosfórico
Ninguno
20-90
1
140 h
Cumeno, aire
L
Metales pórfidos
95-120
2-15
1-3 h
Caprolactama
Cloral
Hidroperóxido
L
de cumeno
Ciclohexanona
Dextrosa
Dextrosa
Dodecilbenceno
Acetato de etilo
Etileno,
clororhidrinas
de propileno
Glicerol
Acido o-metil
benzoico
Nitrobenceno
Fenol
Metracrilato de
t-butilo
Aldehídos
Ciclohexanol
L
N.A
107
1
Almidón
L
H2SO4
165
1
0.75 h
20 min
Almidón
Benceno,
tetrámero de
propileno
Etanol , ácido
acético
L
Enzima
60
1
100 min
L
AlCl3
15-20
1
1-30 min
L
H2SO4
100
1
0.5-0.8
LHSV
Cl2, H2O
LG
Ninguno
30-40
3-10
0.5-5 min
Alcohol alílico,
H2O2
L
H2WO4
40-60
1
3h
Xileno, aire
G
V2O5
300-450
2-10
0.1-5 s
Benceno, HNO3
Hidroperóxido de
cumeno
L
H2SO4
45-95
1
3-40 min
L
SO2
45-65
2-3
15 min
Acido metacrílico,
i-buteno
L
H2SO4
25
3
0.3 LHSV
Diisobuteno, CO
LG
Co carbonilo
150
200
1.7 h
*Abreviaturas. Fases: líquido (L), gas (G), ambos (LG). Velocidades espaciales (por hora): Gas (GHSV), liquido (LHSV),
peso (WHSV).
Datos: Tabla 23.1 Seccion 23-7. Robert H. Perry – Don W. Green. Manual del ingeniero
quimico Volumen IV, 7ma edicion, Editorial Mc-Graw Hill 2001. Madrid – España.
Trabajo Realizado para el curso de Balance de Materia y Energia
Universidad Nacional del Callao
Facultad de Ingeniera Quimica
Profesor: Jack Zavaleta
Integrantes:
* Motta Oshiro, Christian
* Torres Deledesma, Vania
* Vilchez Diaz, Pablo
* Yance Rojas, Edward
042771F
042099F
042824B
042803E