Diseño de Reactores Químicos

Las reacciones químicas se producen en la naturaleza y son la base de numerosos procesos químicos industriales. El reactor es la piedra angular de la mayoría de los procesos químicos a escala industrial. Si bien los costes de separación determinan en gran medida el coste global del proceso, éstos dependen a menudo del reactor empleado.

Necesidades en el Diseño de Reactores

• Velocidad de reacción química
• Transporte de materia y calor, mecánica de fluidos, termodinámica
• Parámetros económicos (material de construcción y accesorios)

La cinética química aplicada tiene como objetivo predecir y entender el comportamiento de las reacciones químicas, y proporciona la metodología para su descripción matemática (ecuación cinética).

Factores que Afectan a la Velocidad

• Cinéticos (estequiometría, temperatura, concentración)
• Termodinámica (reversibilidad, equilibrio químico)
• Ambientales: presencia de catalizador, agitación y mezcla, etc.

La cinética química, junto a otras disciplinas, es la base para diseñar el reactor químico en la que se llevará a cabo.

Clasificación de las Reacciones Químicas

La clasificación de las reacciones se puede realizar atendiendo a distintos aspectos:

• Número de fases: Homogéneas (ocurren en una sola fase) y Heterogéneas (ocurren en un medio con más de una fase).
• Catalizadas: Catalíticas (homogéneas, heterogéneas), no catalíticas, autocatalíticas.
• Estequiometría: Simples (sólo existe una ecuación estequiométrica y una ecuación cinética), Múltiples (paralelo y en serie, representadas por varias ecuaciones estequiométricas y a veces por varias ecuaciones cinéticas) y complejas.
• Cinética: Elementales (la cinética se corresponde con la estequiometría. El orden de reacción coincide con la molecularidad) y No elementales (la cinética no se corresponde con la estequiometría).
• Equilibrio, sentido: Irreversibles (ocurre en una sola dirección hasta que se agota el reactivo limitante) y Reversibles (puede ocurrir en ambas direcciones, dependiendo de las concentraciones de reactivos y productos con relación a las concentraciones permitidas por el equilibrio químico).

Termodinámica

Permite predecir si una reacción es posible y en qué condiciones experimentales debe llevarse a cabo, permitiendo conocer las concentraciones y condiciones finales del estado de equilibrio.

Reacciones Homogéneas

Reactivos, productos y catalizador (si lo hubiera) se encuentran en la misma fase. La velocidad a la que ocurre el proceso es la de la etapa química.

Factores que Influyen

• Especies químicas involucradas
• Reacciones que tienen lugar: Simples y Complejas
• Comportamiento cinético de la reacción
• Condiciones del sistema para el análisis cinético

Catálisis

Un catalizador es una sustancia que químicamente altera un mecanismo de reacción así como la velocidad total de la misma, regenerándose en el último paso de la reacción. También se define como una sustancia que sin estar permanentemente involucrada en la reacción, incrementa la velocidad con la que una transformación química se aproxima al equilibrio.

Clasificación de las Reacciones Catalíticas

1. Catálisis homogénea: Los reactantes y el catalizador se encuentran en la misma fase, gaseosa o líquida. Ventajas: acceso fácil al mecanismo, ausencia de envenenamiento. Aplicación industrial.
2. Catálisis heterogénea: Los reactantes y el catalizador se encuentran en distinta fase. Es la más importante desde el punto de vista industrial. Catalizador generalmente sólido, reactantes y productos fluidos. Reacción en interfase.

Catálisis Homogénea

• Catálisis ácido-base: Reacciones de esterificación, hidratación, deshidratación, isomerización, polimerización.
• Catálisis sales metálica: esterificación, oxidación.
• Catálisis por compuestos de coordinación: oxidación.
• Catálisis enzimática: reacciones muy diversas. Proteínas de elevado peso molecular, generalmente en disolución, muy específicas, reacciones estequiométricamente simples. Inconveniente: separar el catalizador del medio. Solución: soportar el catalizador homogéneo.

Velocidad de Reacción

La velocidad de reacción se define como la cantidad de reactivo desaparecido o de producto formado por unidad de tiempo dividida por su coeficiente estequiométrico. Para una misma reacción, el valor numérico de velocidad varía si es producto o reactante (a menos que todos los coeficientes estequiométricos sean iguales). La velocidad de cambio de los moles de una especie química está relacionada con la de cualquier otra, por medio de la estequiometría de la reacción. Velocidad de producción de una especie indica el número de moles formados de una sustancia por unidad de tiempo.

Factores que Afectan a la Velocidad

Reacciones homogéneas: todas las especies en la misma fase, únicos factores que afectan a la etapa química.

• Fase gas: V es el volumen del reactor (paredes rígidas)
• Fase líquida: V es el volumen de la mezcla de reacción

Reacciones heterogéneas: existen varias fases. La velocidad de reacción se refiere a otras variables ≠ V.

• Para una reacción heterogénea gas-sólido
• Para una reacción heterogénea gas-líquido
• Reacciones heterogéneas: además de factores de la etapa química (C, T y P), existen fenómenos físicos que pueden marcar la velocidad del proceso: presión, temperatura, catalizador, composición (se plantea a través de los modelos cinéticos, constituidos por una o varias ecuaciones cinéticas. La influencia de C en r suele ser potencial y/o hiperbólica).