El segon tipus és el continu. El comportament habitual d’aquest reactor és estacionari, resulta fàcil d’automatitzar i controlar, presenta menor cost d’operació, el producte sol ser molt homogeni.
El comportament semicontinu és intermedi (híbrid) entre els anteriors, per la qual cosa normalment serà no estacionari. La seua flexibilitat facilita el control de la temperatura. Presenta moltes disposicions. Per exemple, si tenim dos reactius, es pot introduir inicialment un dels reactius (discontinu) i després introduir l’altre de manera contínua. Una altra situació semicontínua correspon al cas en què un dels productes de la reacció és volàtil, el funcionament és bàsicament discontinu, excepte pel fet que aquell producte s’elimina contínuament. Aquest procediment pot facilitar la superació de les limitacions relacionades amb l’equilibri que apareixen en altres reactors. El comportament semicontinu proporciona una sèrie de graus de llibertat extra en les mans del dissenyador. En la figura 2.2 s’esquematitzen els funcionaments que s’acaben de comentar.
Figura 2.2. Esquemes dels reactors classificats per la forma d’operar.
2.4.1.2 Per la forma de circular o de posar en contacte la mescla reaccionant
D’acord amb la forma de circular la mescla reactiva, els reactors poden ser de tanc agitat o tubulars.
El nom de reactor tubular, a més de la referència a l’aspecte del reactor, indica que la mescla avança en una direcció i la composició canviarà en aquesta direcció, a causa de la reacció química (cj = f(z)).
En el funcionament conegut com de tanc agitat, l’agitació provoca una homogeneïtzació del sistema i no es troben variacions ni en la composició ni en la temperatura [cj ≠ f(x, y, z), T ≠ f(x, y, z)]. En la figura 2.3 s’esquematitzen els funcionaments que s’acaben de comentar:
Figura 2.3. Esquemes dels reactors classificats per la forma de circular.
2.4.1.3 Per la forma d’intercanviar calor
D’acord amb aquest punt de vista un reactor pot ser:
Adiabàtic, quan no hi ha intercanvi de calor amb l’exterior (q = 0).
No adiabàtic, en cas contrari (q ≠ 0). Al seu torn, poden contemplar-se el comportament isoterm, en què l’intercanvi de calor és l’adequat perquè no hi haja canvi en la temperatura, i el no isoterm en cas contrari.
2.4.1.4 Per la naturalesa de les fases presents
Atenent la naturalesa de les fases presents, els reactors poden ser:
Homogenis, quan la mescla reactiva presenta una sola fase (gas o líquida).
Heterogenis, quan estan presents i intervenen en la reacció diverses fases (gas-líquid, gas-sòlid, líquid-sòlid, líquid-líquid, sòlid-sòlid, gas-líquid-sòlid, etc.). Per exemple, la polimerització per suspensió és una reacció homogènia, encara que hi haja diverses fases, perquè la reacció succeeix únicament en una d’elles (les gotes).
2.4.2 Reactors tipus o estàndard
A la vista de les classificacions anteriors, i per a facilitar l’estudi dels distints equips, es van proposar una sèrie de reactors ideals combinant distints aspectes d’aquelles. Els reactors ideals (comportament idealitzat) són:
– Reactor Discontinu de Tanc Agitat (RDTA).
– Reactor Continu de Tanc Agitat (RCTA).
– Reactor Continu Tubular o de Flux de Pistó (RCT o RFP).
Figura 2.4. Reactors tipus, ideals o estàndard.
Encara que les denominacions són prou explícites, aquests reactors s’esquematitzen en la figura 2.4, i en la taula 2.2 es detallen les seues característiques.
TAULA 2.2
Característiques dels reactors ideals
En la taula 2.3 s’assenyalen les aplicacions, els avantatges i els desavantatges d’aquests reactors.
TAULA 2.3
Aplicacions, avantatges i desavantatges dels reactors químics ideals
La cinètica química estudia la velocitat de les reaccions químiques. Ací recordarem breument el concepte de velocitat de reacció (Rj) com el nombre de mols de Aj que reaccionen per unitat de temps i per unitat de volum. Aquesta referència a la unitat de volum és adequada per a les reaccions homogènies, però per a les heterogènies sol canviar-se per la unitat de massa de catalitzador o de superfície interficial. Aquestes definicions de la velocitat de reacció s’utilitzaran en el capítol 10.
L’aplicació pràctica d’aquesta definició ha sigut font de conflicte durant anys, per això, per no deixar cap dubte respecte d’aquest tema, s’escriurà a continuació per als diferents reactors ideals. Simplement cal tenir en compte que el concepte velocitat de reacció apareix en el balanç de matèria del component j (es poden veure en l’apartat 2.6) en el terme de generació.
Per a un RDTA ideal de volum constant en què té lloc una reacció química, del balanç de matèria es dedueix
És a dir, en aquest cas, la velocitat de reacció ve donada per la velocitat de variació de la concentració d’un component amb el temps. Com que aquest reactor és el més utilitzat per a estudis cinètics, l’equació (2.26) és també la més freqüent en aquests estudis. La seua aplicació a l’anàlisi d’experiments desenvolupats amb altres reactors serà font d’error.
Per a un RCTA en estat estacionari l’equació anterior indicaria que no hi ha reacció, però en aquest cas el balanç de matèria condueix a
En aquest cas, la velocitat de reacció ve representada per la diferència entre els cabals molars d’eixida i entrada del component j. Cal assenyalar que l’aplicació de l’equació (2.26) a aquest reactor produiria un valor nul de la velocitat de reacció a causa del comportament estacionari del sistema.
Finalment, per a un RFP en estat estacionari es té
Les equacions (2.26) a (2.28) mostren que la mesura experimental de la velocitat de reacció requereix un tractament diferenciat d’acord amb el reactor que s’estiga utilitzant.
S’entén la velocitat de reacció com una magnitud intensiva característica de la reacció. Aquesta variable depèn d’una gran quantitat de variables, encara que per simplicitat solen reduir-se a dues: concentració i temperatura, sobreentenent que les altres variables que influeixen sobre Rj romanen constants en tots els casos o estan incloses en les anteriors. Així, en un sistema gasós, la pressió