Diseño reactor

NOTAS DEL CURSO DE

INTRODUCCIÓN
AL DISEÑO DE
REACTORES
Dr.Ing. I. López
Dr.Ing. L. Borzacconi

2009
Facultad de Ingeniería

1. INTRODUCCIÓN

Una de las tareas del ingeniero cuando está frente a una serie de operaciones que
transforman ciertos insumos o materias primas mediante procesos físicos y químicos
consiste en el dimensionamiento de los equipos correspondientes. En loscasos en que
se dan transformaciones químicas (o bioquímicas) de la materia, el corazón del proceso
se da en el reactor químico. Para diseñar un reactor debe contestarse una serie de
preguntas tales como: ¿qué tipo de equipo se necesita para lograr la extensión de la
reacción requerida? ¿qué condiciones de operación (temperaturas, presión, velocidades
de flujo) se necesitan? La respuesta a estascuestiones constituye el diseño del proceso
del reactor. El análisis de costos para determinar el diseño más rentable introduce
nuevos factores tales como los materiales de construcción, la prevención de la
corrosión, los requerimientos de operación y mantenimiento, etc. Para optimizar los
costos deberá tenerse en cuenta además la instrumentación y mecanismos de control.
Más factores puedenseguir introduciéndose antes de llegar a la decisión final. No
obstante en este curso nos restringiremos exclusivamente al diseño del proceso.
La combinación de los procesos físicos y químicos a los efectos del diseño del reactor
se hace recurriendo a las ecuaciones de las leyes de conservación de la materia y la
energía para cada tipo de reactor. Para el diseño del proceso debe disponerse deinformación proveniente de diferentes campos: termodinámica, cinética química,
mecánica de fluidos, transmisión de calor y transporte de materia.
Cuando una sustancia se transforma en otra por reordenación o redistribución de los
átomos para formar nuevas moléculas decimos que se ha efectuado una reacción
química.
La termodinámica química suministra dos fuentes importantes de informaciónnecesarias para el diseño: el calor desprendido o absorbido durante una reacción y la
extensión máxima posible de la misma. Las reacciones químicas van siempre
acompañadas de liberación o absorción de calor, que se mide por el cambio de entalpía
(H). Por ejemplo, para la reacción
aA  rR + sS
el calor de reacción (H) a la temperatura T es el calor transferido desde los alrededores
al sistemareaccionante cuando a moles de A desaparecen para formar r moles de R y s
moles de S, suponiendo el sistema a la misma temperatura y presión antes y después de
la reacción. Si H > 0 , la reacción es endotérmica, absorbe calor; si H < 0 , la
reacción es exotérmica, desprende calor. En general los efectos de la generación o
absorción de calor no serán tenidos en cuenta en este curso,trabajándose en condiciones
isotérmicas.

La cinética química trata principalmente del estudio de la velocidad con que ocurre una
reacción química, considerando los factores que influyen sobre ella y explicando la
causa de la magnitud de esa velocidad de reacción. Este estudio es de primordial
importancia pues una reacción puede ser termodinámicamente favorable pero su
velocidad tan baja que a losefectos prácticos no ocurre. En el otro extremo, una
reacción puede tener una velocidad tan elevada que entre en la categoría de las
reacciones explosivas.
Hay muchas maneras de clasificar las reacciones químicas. A nuestros efectos puede
resultar adecuado dividirlas según el número de fases implicadas: sistemas homogéneos
(una sola fase) y heterogéneos (se requiere más de una fase para quela reacción tenga
lugar). Muchas veces esta distinción no es tajante. Otra clasificación posible es
dividirlas entre catalizadas o no catalizadas. Un catalizador es una sustancia que, sin ser
ni reactante ni producto, interviene en la transformación química y resulta incambiada
con la reacción pero modifica la velocidad de reacción. Los catalizadores pueden ser
inorgánicos como por ejemplo...