Reactor Químic: Característiques, Classificació i Disseny

Un reactor químic és un aparell, equip o recipient on té lloc una reacció química per a l'obtenció d’un determinat producte. La forma, mida i condicions d’operació depenen del tipus de reacció.

Característiques de la reacció

Les reaccions químiques varien segons:

• El nombre de fases
• El mecanisme de reacció (una o diverses etapes)
• L'existència d'equilibris
• Els efectes tèrmics
• La sensibilitat a les condicions físiques (pressió, temperatura, agitació)

Aquestes característiques imposen dificultats en el disseny del reactor, principalment quan es vol preservar la seguretat i el medi ambient, i optimitzar el rendiment i els costos.

Classificació de les reaccions

Segons el nombre i tipus de fases (L-G-S):

• Sistemes homogenis (1 fase)
• Sistemes heterogenis (2 o més fases)
• Sistemes intermedis (2 o més fases, però es considera com una sola)

Segons el tipus de reacció:

• Reacció simple
• Reacció múltiple (amb reaccions secundàries)
• Irreversible (sense limitació)
• Reversible (en les condicions en què s’opera)
• Atèrmica
• Exotèrmica (desprèn calor)
• Endotèrmica (absorbeix calor)

Variables que afecten la velocitat de reacció

• Sistemes homogenis:
  • Temperatura
  • Pressió
  • Composició
• Sistemes heterogenis:
  • Temperatura
  • Pressió
  • Composició
  • La velocitat de transferència de massa
  • La velocitat de transferència de calor

Equació de disseny

Per al disseny, calen els coneixements de la velocitat de reacció (cinètica química), de les transferències interfase i intrafase de matèria i energia (cinètica física), així com de la fluidodinàmica del conjunt del reactor (circulació i barreja dels fluids).

Model de contacte

Es refereix a com els materials s’incorporen, circulen i es contacten, a més del temps necessari per barrejar-se.

Cinètica

Es refereix a com de ràpid transcorren les reaccions, i si s’arriba o no a l’equilibri.

Classificació dels reactors

Els reactors es classifiquen segons diversos criteris:

• Tipus de model de flux: ideal (barreja perfecta, flux en pistó) o real.
• Nombre de fases en contacte: homogènia (1 fase), heterogènia (2 fases = bifàsica, 3 fases = trifàsica, o multifàsica).
• Mode d'operació: continu, semicontinu, discontinu.
• Evolució en el temps: règim estacionari i règim no estacionari.
• Tipus de reacció química: catalítica, bioquímica, esterificació.

DEFINICIONS

Element de volum (element de fluid)

Regió del sistema on les propietats del mateix poden considerar-se constants.

Temps de residència (t)

És el temps que roman dins d’un recipient (reactor). Més específicament, el temps efectiu de reacció.

Temps de residència mitjà

És el mitjà de tots els temps de residència de tots els elements de fluid.

Temps espacial (ζ)

És el temps requerit perquè un volum d’alimentació igual al volum de reactor passi a través del recipient.

Velocitat espacial (SV)

Es defineix com l'invers del temps espacial i representa, per tant, el nombre de volums d’alimentació que es tracten en el reactor per unitat de temps. Per tant, les seves unitats són: temps^-1.