reactores

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P

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T

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FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REACTORES

3.1 ECUACIÓN GENERAL DE BALANCE DE MASA
Todos los procesos de tratamiento de aguas residuales se pueden analizar por medio
de una caja negra y balances de materia. El balance de masa no es más que la frase ya
conocida de “la materia no se crea ni se destruye, solo se transforma”, es una Ley básica de
la Físicaque aplicándola al tratamiento de aguas es tan sencillo como decir que todos los
materiales que entran en el proceso tienen que ser iguales a los que salen, a menos que
ocurra algo dentro de la caja negra que produzca materia o algo que consuma materia. El
balance de masa es la clave en el diseño y análisis de los procesos microbiológicos.

Figura 3.1 Balance de masa (Fuente: Elaboraciónpropia)

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CAPÍTULO 3

Si este proceso o “reacción” ocurre dentro de una caja negra, esta caja negra se
convierte en un reactor y el primer término de la ecuación de balance de masa ya no se
puede suponer como cero.
Muchos procesos naturales así como sistemas ingenieriles se pueden analizar
convenientemente usando el concepto del reactor ideal. Una cajanegra puede ser pensada
como un reactor si tiene volumen y si los materiales se mezclan o fluyen a través del
reactor (Vesilind y Morgan, 2004).
En base a ciertas consideraciones sobre el flujo y el mezclado, se definen tres tipos
de reactores. El primero es el reactor tipo Batch que no es más que un reactor donde no hay
flujo de entrada ni de salida. El segundo tipo de reactor es elcompletamente mezclado, que
como su nombre lo indica se crea tiene una mezcla homogénea y además flujos continuos
de entrada y salida. El tercero de estos reactores y que es de interés para este trabajo, es el
reactor tubular (en ocasiones llamado reactor de flujo tapón ó PFR por sus siglas en inglés),
que será analizado a fondo más adelante.

3.2 REACTOR TIPO BATCH
Como se había mencionadoanteriormente, el reactor tipo Batch es un reactor donde
no existe flujo de entrada ni de salida, es simplemente un reactor con un agitador que
homogeniza la mezcla.

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CAPÍTULO 3

Las ventajas del reactor mienten con su flexibilidad. Un solo recipiente puede
realizar una secuencia de diversas operaciones sin la necesidad de romper la contención.
Estoes particularmente útil cuando se procesan tóxicos o componentes altamente potentes.

Figura 3.2 Reactor tipo Batch (Fuente: Elaboración Propia)
A pesar de que estos reactores son muy usados en procesos industriales y
aplicaciones de control de contaminación, para el tratamiento de aguas residuales son poco
prácticos pues se necesita tener entrada y salida de agua para que se puedan tratarvolúmenes de agua residual considerables.
Para entender un poco más estos reactores, se plantea la ecuación de balance de
masa de la siguiente manera:

En un reactor Batch no hay flujo de entrada ni de salida, por tanto los 2 primeros
términos de la ecuación son cero.

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CAPÍTULO 3

Sustituyendo por términos:

𝑉

𝑑𝐶
= 0 − 0 − 𝑘𝐶 𝑛 𝑉
𝑑𝑡(3.1)

Donde V habla del volumen del reactor, k está asociada a la constante de remoción
de materia orgánica, C refiere a la concentración de materia orgánica del agua residual y n
de la cinética de la ecuación.
Suponiendo una cinética de primer orden (n = 1), se elimina el término del volumen
de un lado y otro, quedando la siguiente ecuación:
𝐶

𝐶0

𝑑𝐶
= −𝑘
𝐶

(3.2)

𝑡

𝑑𝑡
0Haciendo la integral, se concluye:

ln

𝐶
= −𝑘𝑡
𝐶0

Se obtienen al resolver

𝑑𝑐
𝑑𝑡

ó

𝐶 = 𝐶0 𝑒 −𝑘𝑡

(3.3)

= −𝑘𝐶 que es cinética de primer orden. Si graficamos

estas ecuaciones se obtiene:

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CAPÍTULO 3

Figura 3.3 Degradación de la concentración en un tiempo (t) (Fuente: Elaboración Propia)
Varios compuestos químicos,...