Lankide:ArgiJM/Proba orria

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.^[1]

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[aldatu | aldatu iturburu kodea]

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).

Jardutearen arabera:

Jarraitua: Karga etengabe sartzen eta ateratzen da. Ekoizpen-maila handietarako da egokia, eta produktuaren uniformetasuna bermatzen du.
Ez-jarraitua: Elikadura-karga bat sartzen da eta denbora kantitate bat itxaroten da, erreakzioaren zinetikagatik zehaztua dagoena. Ondoren, produktua ateratzen da. Ekoizpen-maila txikietarako da egokia, eta laborategian erabiltzen da erreakzio kimikoen ekuazio zinetikoak lortzeko.

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 du fluxu-patroia eta eskualde hilen existentzia erreaktorearen barruan. Horrez gain fluidoen dinamika konplexuagoa ere aintzat hartzen du: erreakzioen zinetika, nahasketa mota eta fluido mota ezagututa deskribatu ohi dira.

Erreaktore homogeneo[aldatu | aldatu iturburu kodea]

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 erreaktore[aldatu | aldatu iturburu kodea]

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 ematen da, eta erreakzioa ematen den bitartean ez da ezer elikatzen ezta ateratzen ere. Eskala txikiko produkzioetan erabili ohi da (botika industria, polimero industria, hartzidura) edo proba pilotuetan.

Erreaktore honen 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^[2]:

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

Nahaste perfektua (guztiz homogeneoa) dela suposatu: 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 ematen 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:

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

CSTR erreaktore[aldatu | aldatu iturburu kodea]

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 puntuko kontzentrazioa eta irteerako korrontearen kontzentrazioa berdinak direla, suposatzen delako C_A0 sartzerakoan momentu horretan bertan C_A bihurtzen dela. 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 efizientzia altuko nahaste bat lor daiteke baldintza idealetara nahiko hurbiltzen dena.

Erreaktore honen 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^[2]:

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

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: $V={\frac {F_{A0}-F_{A0}(1-{X_{A}})}{-r_{A}}}={\frac {F_{A0}-F_{A0}+F_{A0}{X_{A}}}{-r_{A}}}={\frac {F_{A0}\cdot {X_{A}}}{-r_{A}}}$

PFR erreaktore[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Pistoi-fluxu erreaktorea edo hodi-formako erreaktorea jario etengabea duen eta ingeniaritza kimikoan sarritan erabiltzen den erreaktorea da, PFR izenez ezaguna (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 suposatzen 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 honen 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^[2]:

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

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 badugu, bolumen txiki horretan suposatu daiteke konposizioa ez dela aldatzen (C_A eta r_A konstanteak direla). Beraz integrala kendu 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).

Erreferentziak[aldatu | aldatu iturburu kodea]

↑ Ayastuy Arizti, Jose Luis. (2010). Erreaktore kimikoak I. Erreaktore kimiko homogeneoen diseinua. ISBN 978‐84‐693‐1198‐1..
↑ ^a ^b ^c Scott., Fogler, H.. (2008). Elementos de ingeniería de las reacciones químicas. Pearson Educación ISBN 978-970-26-1198-1. PMC 804092052. (Noiz kontsultatua: 2022-11-20).

Ikus, gainera[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Kanpo estekak[aldatu | aldatu iturburu kodea]

[1] Ayastuy Arizti, Jose Luis. (2010). Erreaktore kimikoak I. Erreaktore kimiko homogeneoen diseinua. ISBN 978‐84‐693‐1198‐1..

[:0-2] Scott., Fogler, H.. (2008). Elementos de ingeniería de las reacciones químicas. Pearson Educación ISBN 978-970-26-1198-1. PMC 804092052. (Noiz kontsultatua: 2022-11-20).

[1]

[2]