Lankide:Yeraywiki/Reactor químico

Erreaktore kimiko baten barruan erreakzio kimikoak gertatzen dira. Erreaktoreen helburua, ahalik eta kostu txikienarekin, erreakzioen konbertsioa eta selektibitatea maximizatzea da. Erreaktore baten barnean gertatzen den erreakzioa, entzima purifikatu batek edo entzimak dituen organismo batek katalizatzen badu, bioerreaktore gisa definitzen da. Erreaktore kimiko baten diseinua burutzeko garaian, beharrezkoa da termodinamika, zinetika kimikoa, masa eta energiaren transferentzia, jariakinen mekanika eta materia zein energia balantzeei buruzko ezagutzak izatea. Orokorrean, erreaktore mota, tamaina eta eragiketa-metodoa ezagutu nahi dira. Gainera, diseinu-parametroetan oinarrituz, espero da ziurtasun apur batekin aurreikustea erreaktore batek zer jokabide izango duen baldintza jakin batzuen aurrean; adibidez, sarrera-konposizioan maila-jauzi bat egitea.

Erreaktore kimiko motak[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Sailkatzeko hainbat modu daude:

Jarduteko-moduaren arabera[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Erreaktore etenak: kargaka lan egiten dutenak dira. Lehenik, erreaktiboak erreaktorera elikatzen dira. Ondoren, zinetikaren arabera definitzen den denbora tarte bat itxaroten da erreakzioa gertatu dadin eta denbora tarte hori pasatu ostean, produktuak lortzen dira.
Erreaktore jarraituak: etengabe lan egiten duten erreaktoreak dira, hau da, modu jarraituan.

Barne-fluxu motaren arabera[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Erreaktore idealak: ekuazio ideal sinpleen bidez deskribatzen dira eta ez dituzte efektu fisiko konplexuak eta perturbazio txikiak kontuan hartzen.
Erreaktore ez idealak: ezin dira ekuazio ideal sinpleekin deskribatu. Erreaktore hauen barnean zonalde hilak daude non materiala ez den garraiatzen.

Faseen arabera[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Erreaktore homogeneoak: fase bakarra dute, likidoa edo gasa.
Erreaktore heterogeneoak: hainbat fase dituzte, esaterako, gas-solidoa, likido-solidoa, gas-likidoa, gas-likido-solidoa.

Idealki, hiru erreaktore homogeneo mota bereizten dira:

Batch erreaktorea[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Egoera geldikorrean egiten du lan eta erreaktorerik sinpleena, biltegi irabiaturiko erreaktorea da. Erreaktore hauek kostu baxua dute eta, horrez gain, erraztasun handiz abiarazi eta geldiarazten dira. Hala ere, funtzionamendu eta mantentze kostuak altuak dira eta erreaktiboak kargatu edo deskargatzeko eta erreaktorea garbitzeko denbora asko behar da. Gainera, kasu askotan kontrol-sistema egokia ezartzeko zailtasunak aurkitu daitezke. Erreaktore hauek produkzio txikiak burutzeko edo frogak egiteko erabili ohi dira.

Batch erreaktore batean konposizioa edozein unetan uniformea dela eta egoera egonkorrean lan egiten duela suposatuz, diseinu-ekuazioak honela defini daitezke (A espezie molarra erreaktibo mugatzailea dela kontsideratzen da):

$Sarrera=Irteera-Sortutakoa+Kontsumitua+Metatua$ ^[1]

$0=0+0+Kontsumitua+Metatua$

$(r_{A}V)={\frac {dN_{A}}{dt}}$ $(-r_{A})$

V erreaktorean dagoen nahastearen bolumena da eta (-rA) erreaktibo mugatzailearen erreakzio-abiadura.

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

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

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

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

Non X-k lortutako konbertsioa adierazten duen. Jarraian ageri den ekuazioan ikus daitekeen moduan, konbertsioa hasiera eta amaierako kontzentrazioen bidez kalkula daiteke:

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

Konbertsioaren balioak 0 eta 1 bitartekoak dira.

Nahasketaren bolumena konbertsioarekin proportzionalki aldatzen den erreakzioen kasuan, ekuazioa honela adierazi daiteke:

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

Non ε bihurketarekiko bolumen-aldaketaren konstante adierazgarria den. Termino matematikoetan adieraziz:

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

Gainerako osagaietan aldaketak burutzeko hurrengo formula erabiltzen da:

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

Erreaktore mota hauetan erreakzio-denboraz gain, karga-, deskarga- eta garbiketa-denbora gehitu behar dira.

Erreaktore hauen energia-balantzeak, eragiketa moduaren eta produkzio eskaeren arabera 3 modutara defini daitezke:

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

Nahaste perfektuko erreaktore jarraia (CSTR)[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Erreaktore hauek egoera egonkorrean egiten dute lan, hau da, haien propietateak ez dira denboran zehar aldatzen. Eredu ideal honetan, erreaktiboak tangara elikatzen diren unean, erreakzioak ahalik eta konbertsio handiena lortzen du. Beste hitz batzuetan azalduz, erreaktoreko edozein puntutan dagoen kontzentrazioa eta irteerako jariakinaren kontzentrazioa berdina da. Horrez gain, tangako edozein puntutan erreakzio abiadura berdina dela suposatzen da. Teorikoki, erreaktore hauetan nahasketa perfektu bat dagoela suposatzen da, baina praktikan baldintza idealetara asko hurbiltzen den nahastea sortu arren, ez da ideala izatera iristen.

Materia balantzea ondorengo ekuazioaren bidez definitzen da:

${\frac {dN_{i}}{dt}}=F_{io}-F_{i}+V\nu _{i}r_{i}$

F fluxu molarra da.

$F_{i}=v*C_{A}$ Sistemak egoera egonkorrean lan egiten duela suposatuz, erreakzioak aurrera egin ahala, kontzentrazio molarraren aldaketak zerorantz jotzen du.

Sistemak egoera egonkorrean lan egiten duela suposatuz, erreakzioak aurrera egin ahala kontzentrazio molarraren aldaketak zerorantz jotzen du.

A espeziean oinarrituz eta bere koefiziente estekiometrikoa 1 dela suposatuz, balantzea honela defini daiteke:

$F_{A0}-F_{A0}(1-X_{A})-(-r_{A}V)=0$

Pistoi-fluxu erreaktorea (PFR)[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Erreaktore hauek egoera egonkorrean egiten dute lan, hau da, denbora igaro ahala, erreaktorearen puntu jakin bateko propietateak konstante mantentzen dira. Eredu honek pistoi-fluxu ideal bat deskribatzen du eta konbertsioa posizioaren funtzioa da, hau da, erreaktiboak erreaktorean zehar zenbat eta gehiago mugitu, orduan eta konbertsio handiagoa izango dute.

Erreaktore mota honetan, fluxuaren norabidearen ondorioz, jariakinaren konposizioa puntu batetik bestera aldatu egiten da. Horregatik, erreakzioen balantzea, bolumenaren elementu diferentzial baten bidez kalkulatu behar da.

Materia-balantzea:

$Sarrera-Irteera+Sortutakoa-Kontsumitutakoa=0$

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

baina

$F_{A}=F_{A0}(1-X_{A})$

eta

$dF_{A}=-F_{A0}dX_{A}$

Diseinu-ekuazioa definitzeko, beharrezkoa da ondorengo adierazpena integratzea, elikadura-abiadura konstantea dela suposatuz. Aurreko ekuazioak balantze orokorrean ordezkatuz, terminoak taldekatuz eta ondoren integratuz, ondorengo ekuazioa lortzen da:

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

Ikus daitekeen moduan, MFR erreaktorearen diseinu-ekuazioan ez bezala, erreakzio-abiadura aldakorra da eta, oro har, erreakzio-mekanismo konplexuetarako integrazio grafikoko metodoak erabiltzen dira, hala nola, Simpson serieak, trapezio-batuketen metodoa, kuadratura gausiarra eta abar. Ekuazio konplexuak direnez, programa informatikoak erabili ohi dira prozedura hauek burutzeko.

Energia-balantzea ere, eredu diferentzial batean oinarritzen da.

Energia-balantzea (erreaktore zilindrikoa):

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

Erreaktore heterogeneoak[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Erreaktore mota berezi bat dago, bere izaeragatik lege zinetiko desberdinak betetzen dituena. Horrez gain, bere konplexutasunaren ondorioz, materia- eta energia-balantzeak konplexuagoak dira. Gainerako erreaktoreekiko duten desberdintasuna, tartean dauden fase fisikoen kopuruan datza. Gainera, mekanismo ezberdin ugari dituztenez, beroaren zein energiaren transferentzia-mekanismoak konplexuagoak dira.

Erreaktore katalitikoa[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Bi motatakoak izan ohi dira: jariakorrak eta ohe paketatukoak (lecho empacado). Bata edo bestea aukeratzeko, intereseko erreakzioa eta hautemandako mekanismo zinetikoa kontuan hartu behar dira.

Erreaktore katalitiko jariakorrek honako propietate hauek dituzte:

Fluxua konplexua da eta gainera honen portaera ez da ondo ezagutzen, masa transferitzeko mekanismoak gutxi gorabehera bakarrik kalkula daitezkeelako. Transferentziaren ikuspuntutik, kontaktua ez da oso eraginkorra, hainbat oztopo fisiko daudelako. Horregatik katalizatzaile kantitate handiagoak erabili behar dira eta horiek produkzio kostuak handitzen dituzte.
Tenperatura errazago kontrolatzen da, ohe paketatuko (Packed Bed) erreaktoreekin alderatuz.
Katalizatzailea ponpatu eta garraiatu daitekeenez, modu errazago eta eraginkorrago batean berraktibatu daiteke, beste erreaktoreekin alderatuta.
Fluxu mota hau egokia da kontaktu-eremu handia behar den egoeretarako, hala nola, tamaina txikiko partikulekin lan egiteko eta erreakzio azkarretarako.

Ohe paketatuko erreaktoreak ondorengo ezaugarriak ditu:

Katalizatzailea birsortzeko, gasak erabili behar dira. Birsortze eraginkortasuna handitzeko asmoz, birzirkulatutako sistema bat erabili ohi da.
Sistema honek zailtasunak ditu tenperatura kontrolatzeko, ohearen barruan eremu beroak eta hotzak sortzen baitira.
Ez da ohikoa tamaina txikiko katalizatzaileak erabiltzea, karga galera handiak sortzen dituztelako.

Materia balantzea: PFR-an bezala, bolumen diferentzialen bidez egiten da.

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

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:

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

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

Erreaktore ez-idealak[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Erreaktore batzuk eredu idealen bitartez defini daitezke, baina zenbait kasutan, egoera idealetik asko desbideratu daitezke. Kasu hauetan, materia, energia eta presioaren balantzeetan, desbideratze hori islatzen duten terminoak barneratu beharko dira. Esaterako, propietateen aldaketa, materia edo beroa garraiatzeko fenomenoen ondorio bada, Fick edo Fourierren legeak barnera daitezke, hurrenez hurren.

Erreferentziak[aldatu | aldatu iturburu kodea]

↑ Schmidt, Lanny D., The Engineering of Chemical Reactions. New York: Oxford University Press, 1998. ISBN 0-19-510588-5.
↑ Stanley M. Walas, Chemical Process Equipment, Selection and Design cap.17 ISBN 0-7506-9385-1

[[Kategoria:Ingeniaritza kimikoa]] [[Kategoria:Erreaktore nuklearrak]]

[1] Schmidt, Lanny D., The Engineering of Chemical Reactions. New York: Oxford University Press, 1998. ISBN 0-19-510588-5.

[2] Stanley M. Walas, Chemical Process Equipment, Selection and Design cap.17 ISBN 0-7506-9385-1

[1]

[2]