Erreaktore kimiko

Erreaktore kimikoa erreakzio kimikoak egiteko ekipoa da. Hainbat forma, tamaina eta egitura izan ditzake. Instalazio edo prozesu kimikoen eta biokimikoen oinarria da, lehengaietatik abiatuz azken buruko produktu diren konposatu kimikoak han lortzen baitira. Energia ekoizteko prozesuetan ere erabiltzen dira; barne-errekuntzako motorretan eta turbinetan, esate baterako. Erreaktore baten barnean gertatzen den erreakzioa entzima purifikatu batek edo entzimak dituen organismo batek katalizatzen badu, bioerreaktore gisa definitzen da.

Erreaktoreak erreakzioen konbertsioa eta hautakortasuna maximizatzeko diseinatzen dira, ahalik eta kostu txikienarekin. Erreaktore kimiko baten diseinuak termodinamika, zinetika kimiko, fluidoen mekanika eta masa eta energia transferentziaren inguruko ezagutza eskatzen du. Orokorrean egoera bakoitzerako beharrezkoa den erreaktore mota, tamaina eta jardute-modua aurkitzea da helburua.

Sailkapena

Erreaktorean dauden faseen arabera

• Homogeneoa: Nahastea fase bakarrean dagoenean (likido edo gas).
• Heterogeneoa: Nahastean bi fase edo gehiago daudenean (gas-solido, gas-likido, likido-likido, likido-solido edo gas-likido-solido).

Jardute-moduaren arabera

• Ez-jarraitua edo etena: Kargaka lan egiten du. Lehenik eta behin, erreaktiboak erreaktorera elikatzen dira eta erreakzioaren zinetikagatik zehaztua dagoen denbora tarte bat itxaroten da erreakzioa gertatu dadin. Ondoren, produktua ateratzen da. Ekoizpen-maila txikietarako da egokia, eta laborategian erabiltzen da erreakzio kimikoen ekuazio zinetikoak lortzeko.
• Jarraitua: Karga etengabe sartzen eta ateratzen da. Ekoizpen-maila handietarako da egokia, eta produktuaren uniformetasuna bermatzen du.

Barne-fluxu motaren arabera

• Ideala: Ekuazio ideal sinpleekin deskribatzen da eta ez ditu kontuan hartzen efektu fisiko konplexuak edota perturbazioak. Suposatzen da kontzentrazio eta tenperatura banaketa uniformea dela erreaktore osoan (nahaste-erreaktoreen kasuan) edo ez dagoela kontzentrazio edo tenperatura gradiente erradialik (hodi-formako erreaktoreen kasuan).
• Ez-ideala: Kontuan hartzen ditu fluxu-patroia eta erreaktorearen barruko eremu hilak. Horrez gain fluidoen dinamika konplexuagoa ere aintzat hartzen du: erreakzioen zinetika, nahasketa mota eta fluido mota ezagututa deskribatu ohi dira.

Erreaktore homogeneoa

Orokorrean hiru erreaktore homogeneo mota daudela esan daiteke: Batch, CSTR eta PFR. Horien diseinu-ekuazioa lortu ahal izateko, beharrezkoa da masaren iraupenaren legea ezagutzea:

V bolumeneko erreaktore osoaren zati txiki bat hartuz, dV bolumen-elementua, eta A osagaia erreakzioan parte hartzen duen konposatu kimikoa bada (erreaktiboa eta osagai mugatzailea izanik), masa-balantze hau dagokio:

Matematikoki honela idatziko da:

${\frac {dN_{A}}{dt}}=F_{A,sartu}-F_{A,irten}-(-r_{A})\cdot {dV}$

non N_A bihurtu gabeko A-ren molak, t denbora, F_A A-ren emari molarra, (-r_A) A-ren desagertze-abiadura eta dV erreaktorearen bolumen-elementua diren.

A osagaia erreaktiboa bada, desagertu egingo da dV bolumen-elementuan; produktua bada, aldiz, sortu egingo da. Horregatik, desagertzen denean zeinu negatiboa (–) erabiliko da, eta sortzen denean, berriz, zeinu positiboa (+).

Adierazpen orokor hori erreaktore mota guztientzat betetzen da, eta kasu berezi batzuk daude:

• Erreaktore ez-jarraitua bada: $Sartu=Irten=0$
• Egoera geldikorrean badihardu: $Metatzea=0$

Batch erreaktorea

Batch erreaktore baten diagrama eskematikoa

Batch erreaktoreak edo erreaktore etenak egoera ez geldikorrean lan egiten du; hau da, bere propietateak denborarekin aldatzen dira. Sinpleena irabiatutako tanga izango litzateke. Goiko partetik elikatzen da, erreakzioa fase likidoan gertatzen da, eta erreakzioa gertatzen den bitartean ez da ezer elikatzen ezta ateratzen ere. Eskala txikiko produkzioetan erabili ohi da (botika industria, polimero industria, hartzidura) edo proba pilotuetan. Erreaktore honek baditu abantaila zein desabantailak:

• Abantailak: bolumen unitateko konbertsio handia, kostu txikia, erabilera malgua (erreaktore bera erabil daiteke produktu kimiko desberdinak ekoizteko) eta garbiketa erraza.
• Desabantailak: funtzionamendu eta eskulan kostu handia denbora asko dagoelako geldirik karga, deskarga eta garbiketagatik. Horrez gain, beti ez da posible kontrol-sistema egoki bat inplementatzea.

Adibide gisa A espezie molarra hartuz erreaktibo mugatzailetzat, honela deduzituko litzateke diseinu ekuazioa Batch erreaktore batean:

$F_{A0}-F_{A}+\int _{V}^{}r_{A}dV={\frac {dN_{A}}{dt}}$

• Nahaste perfektua (guztiz homogeneoa) dela irudikatu: Erreaktoreko nahastea irabiagailu batez oso ondo nahasia mantentzen bada, erreaktore osoko baldintzak berdintzat jo daitezke. Hau da, erreaktoreko dV bolumen-elementu guztietan tenperatura eta kontzentrazioa berdinak direnez, erreakzio-abiadura ere berdina da eta, ondorioz, masa-balantzea erreaktore osoari (V) egin dakioke:$\int _{V}^{}r_{A}dV=r_{A}\cdot {V}$

• Erreakzioa gertatzen ari den bitartean ez dago ez sarrera ez irteera fluxurik: $F_{A0}=F_{A}=0$

Ondorioz:

$0-0+r_{A}\cdot {V}={\frac {dN_{A}}{dt}}$

Beraz, mol balantzea honela gelditzen da:

$r_{A}\cdot {V}={\frac {dN_{A}}{dt}}$

Aurreko ekuazioko terminoak erabiliz, nahi den konbertsioa lortzeko behar den egonaldi-denbora kalkula daiteke.

$-r_{A}V=N_{A0}{\frac {dX_{A}}{dt}}$

$t=\int _{0}^{X_{A}}{\frac {N_{A0}}{-r_{A}V}}dX$

non X lortutako konbertsioa den. Konbertsioaren balioa 0 eta 1 artekoa da eta hasiera eta amaierako kontzentrazioen bidez kalkula daiteke:

$X_{A}={\frac {C_{A0}-C_{A}}{C_{A0}}}$

Nahastearen bolumena konbertsioarekin proportzionalki aldatzen den erreakzioen kasuan, ekuazioa honela adierazten da:

$t=\int _{a}^{b}{\frac {N_{A0}}{-r_{A}V_{A}(1+\varepsilon X_{A})}}dX$

non ε bolumen aldaketa konbertsioarekiko adierazten duen konstantea den:

$\varepsilon ={\frac {V_{x_{A}=1}-V_{x_{A}=0}}{V_{x_{A}=0}}}$

beste osagai batzuetan aldaketak burutzeko:

$\varepsilon _{A}X_{A}=\varepsilon _{B}X_{B}$

Erreakzio-denboraz gain, prozesu industrial batean karga-, deskarga- eta garbiketa-denbora gehitu behar dira erreaktore mota hau erabiltzean.

Erreaktore honetarako energia-balantzeak 3 aukera eskaintzen ditu, jardute-moduaren eta produkzioko eskakizunen araberakoak:

• Modu politropikoa:    

$m\cdot C_{p}\cdot {\frac {dT}{dt}}=U\cdot A\cdot (T_{zerbitzu}-T_{erreaktore})+R\cdot (-\Delta _{r}H)\cdot V$

• Modu isotermikoa:      

$0=U\cdot A\cdot (T_{zerbitzu}-T_{erreaktore})+R\cdot (-\Delta _{r}H)\cdot V$

• Modu adiabatikoa:    

$m\cdot C_{p}\cdot {\frac {dT}{dt}}=R\cdot (-\Delta _{r}H)\cdot V$

CSTR erreaktore

Nahaste perfektuko tanga erreaktore jarraitu (CSTR) baten diagrama eskematikoa

Nahaste perfektuko tanga-erreaktore irabiatu jarraitua jario etengabea duen eta ingeniaritza kimikoan sarritan erabiltzen den erreaktorea da, CSTR izenez ezaguna (Continuously Stirred Tank Reactor).

Erreaktore honek egoera geldikorrean egiten du lan; hau da, bere propietateak ez dira aldatzen denboran zehar. Fase likidoan erabiltzen da eta batez ere likidoak oso likatsuak direnean edo irabiatzea beharrezkoa denean.

Eredu idealean, erreakzioak konbertsio maximoa lortzen du elikadura tangara sartzen den unean bertan. Horrek esan nahi du erreaktore barruko edozein puntutako kontzentrazioa eta irteerako korrontearen kontzentrazioa berdinak direla, izatez, C_A0 sartzerakoan momentu horretan bertan C_A bihurtzen delako. Horrez gain erreakzio abiadura ere tanga barruko edozein punturentzat berdina da. Erreaktore mota honetan nahaste perfektua lortzen dela aintzat hartzen da. Praktikan ez da horrela, baina eraginkortasun altuko nahaste bat lor daiteke baldintza idealetara nahiko hurbiltzen dena. Erreaktore honek baditu abantaila zein desabantailak:

• Abantailak: tenperaturaren kontrol ona, eraikuntza sinplea, kostu txikia, eskala handia.
• Desabantailak: bolumen unitateko konbertsio txikia, funtzionamendu eta kontrol kostu handia, by-pass eta lehentasunezko bideen sorkuntza irabiatua eskasa bada.

CSTR erreaktorean kalkuluak honela egiten dira:

$F_{A0}-F_{A}+\int _{V}^{}r_{A}dV={\frac {dN_{A}}{dt}}$

• Nahaste perfektua suposatu. Ez dago erreakzio-abiaduran aldaketarik erreaktorearen bolumen osoan, beraz r_A integraletik kendu daiteke konstantea delako: $\int _{V}^{}r_{A}dV=r_{A}\cdot {V}$

• Egoera geldikorra. Ez da denboraren menpekoa: ${\frac {dN_{A}}{dt}}=0$

$F_{A0}-F_{A}+r_{A}\cdot {V}=0$

Beraz, diseinu ekuazioa: $V={\frac {F_{A0}-F_{A}}{-r_{A}}}$

Eta konbertsioa (X) ondorengoa denez gero: $X_{A}={\frac {F_{A0}-F_{A}}{F_{A0}}}$ → $F_{A}=F_{A0}(1-X_{A})$

Diseinu ekuazioa modu honetan berridatzi daiteke: $V={\frac {F_{A0}-F_{A0}(1-{X_{A}})}{-r_{A}}}={\frac {F_{A0}-F_{A0}+F_{A0}{X_{A}}}{-r_{A}}}={\frac {F_{A0}\cdot {X_{A}}}{-r_{A}}}$

Energia balantzea:

$0=\rho \cdot C_{p}\cdot {\dot {V}}\cdot (T_{sarrera}-T_{erreaktore})+U\cdot A\cdot (T_{zerbitzu}-T_{erreaktore})+R\cdot -\Delta _{r}H\cdot V$

PFR erreaktore

Pistoi-fluxu erreaktore (PFR) baten diagrama eskematikoa

Pistoi-fluxu erreaktorea edo hodi-formako erreaktorea jario etengabea duen eta ingeniaritza kimikoan sarritan erabiltzen den erreaktorea da, PFR deritzona (Plug Flow Reactor).

Egoera egonkorrean lan egiten du; hau da, erreaktorearen puntu jakin bateko propietateak konstanteak dira denboran zehar. Batez ere gas fasean erabiltzen da, eskala handian eta erreakzio azkarretan, bai homogeneo zein heterogeneoetan.

Eredu honek pistoi-fluxu ideal bat eskatzen du, eta konbertsioa posizioaren araberakoa da. Fluidoaren konposizioa puntu batetik bestera aldatu egiten da fluxuaren norabidean (norabide axiala). Honek erreakzio kimikoaren osagai baten balantzea bolumeneko elementu diferentzial batean egin behar izatea dakar. Baina norabide erradialean kontzentrazioa ez da aldatzen. Erreaktore honek baditu abantailak zein desabantailak:

• Abantailak: bolumen unitateko konbertsio handia, eraikuntza sinplea, funtzionamendu kostu txikia, bero transferentzia ona, eskala handia.
• Desabantailak: tenperaturaren kontrol zaila, tenperatura gradientearen sorkuntza, martxan jartzea edo geldiketa garestiak.

PFR erreaktorean kalkuluak honela egiten dira:

$F_{A0}-F_{A}+\int _{V}^{}r_{A}dV={\frac {dN_{A}}{dt}}$

• Egoera geldikorra. Ez da denboraren menpekoa: ${\frac {dN_{A}}{dt}}=0$
• Konposizioa konstantea norabide erradialean, baina norabide axialean ez. Nahastea hodian aurrera doan heinean, konposizioa eta tenperatura aldatu egiten dira. Horregatik, masa-balantzea egiteko orduan, erreaktoreko zati txiki bat aukeratu behar da, dV. Erreaktore osoa kontuan hartu beharrean bolumeneko elementu diferentzial bat hartzen bada, bolumen txiki horretan irudika daiteke konposizioa ez dela aldatzen (C_A eta r_A konstanteak direla). Beraz integrala ken daiteke:

$F_{A}-(F_{A}+dF_{A})+\int _{V}^{}r_{A}dV=0$

$F_{A}-(F_{A}+dF_{A})+r_{A}\cdot {dV}=0$

$-dF_{A}+r_{A}\cdot {dV}=0$

(1) Diseinu ekuazio diferentziala: $-dF_{A}=-r_{A}\cdot {dV}$

$X={\frac {F_{A0}-F_{A}}{F_{A0}}}=1-{\frac {F_{A}}{F_{A0}}}$

$dX=0-{\frac {dF_{A}}{F_{A0}}}$

(2) Diseinu ekuazio diferentziala: $-dF_{A}=F_{A0}\cdot {dX}$

Aurreko (1) eta (2) ekuazioak bateratuz:

$F_{A0}\cdot {dX}=-r_{A}\cdot {dV}$

$dV={\frac {F_{A0}\cdot {dX}}{-r_{A}}}$ Kasu bakoitzean ekuazio hau integratuz elementu diferentzial guztien batura lortzen da (V).

Aurreko ekuazioak balantze orokorrean ordezkatuz, terminoak taldekatuz eta ondoren integratuz, ondorengo ekuazioa lortzen da:

$\tau =C_{A0}\int _{0}^{X_{A}}{\frac {dX}{-r_{A}}}$

Aurreko erreaktorean ez bezala kasu honetan erreakzio-abiadura aldakorra denez, ebazteko ekuazio konplexua izaten da. Oro har, erreakzio-mekanismo konplexuetarako integrazio grafikoko metodoak erabiltzen dira; hala nola, Simpson serieak, trapezioen batuketen metodoa, koadratura gausiarra, eta abar. Software konputazionala ere erabilgarria izaten da prozedura hauetarako.

Energia-balantzeari dagokionez ere, eredu diferentzial batean oinarritzen da. Energia-balantzea erreaktore zilindriko batean:

${\dot {m}}\cdot C_{p}\cdot {\frac {dT}{dV}}=U\cdot dA\cdot (T_{zerbitzu}-T_{erreaktore})+R\cdot (-\Delta _{r}H)$

Erreaktore heterogeneo

Erreaktore heterogeneoek, beren izaera dela eta, lege zinetiko ezberdinak jarraitzen dituzte. Materia eta energia balantzeak konplexuagoak izateaz gain, ezberdintasuna barne hartzen dituen fase fisiko kopuruan datza. Bero- eta energia-transferentzia mekanismoak konplexuagoak dira mekanismo bat baino gehiagotan egon daitezkeelako, izaera konbektibo edo eroalekoak izan daitezkeenak.

Erreaktore katalitiko

Bi motatakoak izan ohi dira: ohantze fluidizatukoak eta ohantze finkokoak. Hautaketa intereseko errreakzioaren eta behatutako mekanismo zinetikoaren araberakoa da.

Ohantze fluidizatuko erreaktore baten oinarrizko diagrama

Ohantze fluidizatuko erreaktoreek honako ezaugarri hauek dituzte:

• Fluxua konplexua da, ez da ondo ezagutzen eta gutxi gorabehera bakarrik estimatu daitezke masa transferentziako mekanismoak. Transferentziaren ikuspuntutik kontaktua ez da oso eraginkorra eta, ondorioz, katalizatzaile kantitate handiagoa erabili behar da.
• Tenperaturaren kontrola errazagoa da ohantze finkoko erreaktorearekin konparatuz.
• Beharrezkoa izatekotan, katalizatzailearen berraktibatzea errazagoa eta eraginkorragoa da fluidizazioari esker katalizatzailea ponpeatu eta garraiatu daitekeelako.
• Fluxu mota hau egokia da tamaina txikiko partikulentzat eta kontaktu gainazal handia behar duten erreakzio bizkorrentzat.

Ohantze finkoko erreaktoreak ondorengo ezaugarriak ditu:

• Katalizatzailea berriztatzeko gasak erabili behar dira. Ohikoa da birzirkulazio-sistema bat erabiltzea berraktibatzearen eraginkortasuna handitzeko.
• Sistema honek zailtasunak ditu tenperaturaren kontrolean, ohantzearen barnean eskualde hotz eta beroak sortzen direlako.
• Ezin da tamaina txikiko katalizatzailerik erabili tapoiak eta presio jaitsierak sortzen direlako.

Materia balantzea: PFRan bezala, balantzea diferentziala da, eta gainera difusio erradiala kontuan hartuz egiten da:

$u_{0}C_{0}[{\frac {\partial x}{\partial z}}-{\frac {D}{u}}({\frac {\partial ^{2}x}{\partial z^{2}}}+{\frac {1}{r}}{\frac {\partial x}{\partial r}})]-\rho r_{c}=0$

Muga baldintzak:

$x_{0}=x(0,r)$

${\frac {\partial x}{\partial r}}=0$, $r=R$

Energia-balantzea:

${\dot {m}}C_{p}[{\frac {\partial ^{2}T}{\partial z^{2}}}-{\frac {D}{u}}({\frac {\partial ^{2}T}{\partial z^{2}}}+{\frac {1}{r}}{\frac {\partial T}{\partial r}})]+\rho \Delta H_{r}r_{c}=0$

Muga baldintzak:

$T_{0}=T(0,r)$

$k{\frac {\partial T}{\partial r}}=U(T_{ingurune}-T)$, $r=R$

Erreaktore ez-ideala

Zenbait egoeratan orain arte ikusitako eredu ideal hauek baliozkoak dira kasu errealetarako. Horrela ez denean, idealtasunetik duen desbideratzea azaltzen duten terminoak sartu beharko dira materia-, energia- eta presio-balantzeetan. Esate baterako, propietateen aldakuntza materia edo bero garraio-fenomenoengatik bada, Fick-en edo Fourier-en legeak erabil daitezke, hurrenez hurren.

Ikus, gainera

• Ingeniaritza kimiko
• Bioerreaktore

Kanpo estekak

• Erreaktore kimikoak I
• Erreaktore kimikoak II
• Ingeniaritza Kimikoaren oinarriak

• Datuak: Q557573
• Multimedia: Chemical reactors / Q557573