I.- Introducción

Una gran diversidad de productos de consumo directo o que sirven como materia prima para la obtención de otros productos requieren para su uso de alguna transformación química.

Al hablar de una reacción química, para interpretarla apropiadamente, se requieren amplios conocimientos tanto de la Ciencia Química como de la Ciencia Física. A través de la Termodinámica y de la Cinética Química con las cuales se pretende describir si una reacción química es factible de llevarse a cabo y con qué rapidez.
 

En una última instancia, si la reacción se puede llevar a cabo, importará el tiempo y cómo reducirlo, esto implicará el suministro de energía térmica o la disipación de ésta si la reacción es muy exotérmica.

En la búsqueda de favorecer la realización de la reacción, la catálisis juega un papel muy importante, permitiendo que muchas reacciones que a pesar de que la termodinámica indique que si se pueden llevar a cabo, si no fuese por la catálisis no tendrían algún sentido práctico.

Para lograr aproximarnos a un mayor entendimiento del cómo se comporta la materia en una transformación química será necesario el tener conocimientos profundos de Termodinámica, Cinética Química y Catálisis.
 

A partir de estas tres ramas de la ciencia es posible reproducir una transformación química en un medio altamente controlado, en nuestro caso este medio será el recipiente que reconoceremos como el Reactor Químico, el cual dispondrá de su medio de calentamiento o enfriamiento para que la reacción se lleve a cabo a una temperatura apropiada. En sistemas homogéneos requerirá de un sistema de agitación para tratar de controlar que la rapidez de reacción se lleve a cabo en cierto valor y en el caso de sistemas catalíticos heterogéneos el reactor estará empacado con el catalizador que haya sido previamente seleccionado.

En reactores de operación continua el tiempo de reacción estará predeterminado por el tamaño del reactor, de tal manera que una variable de diseño será el volumen de dicho reactor.

En reactores de operación discontinua el tiempo de reacción es el tiempo cronometrado desde que la reacción inicia, controlándose externamente con un dispositivo de medición de tiempo cuando deben descargarse los productos.

En ambos tipos de operaciones el tiempo requerido en una reacción es determinado por la conversión requerida.

La conversión la describimos como el grado (nivel) de transformación química de un reactivo, ésta se cuantifica fraccional o porcentualmente y es posible utilizar distintas definiciones que son equivalentes, las más usuales se describen a continuación.
 

Conversión fraccional para operación continua :

Conversión fraccional para operación discontinua :

en ambos casos la definición se aplica a un reactivo, el cual por lo general es el reactivo limitante (reactivo que participa en menor cantidad de acuerdo a los requerimientos estequiométricos).

La conversión porcentual será, en cada caso, la definición anterior multiplicada por 100.
 

El valor de la conversión es prefijada de acuerdo a los requerimientos de mercado y del acercamiento al equilibrio (en el caso de reacciones reversibles) o del tiempo de reacción que sea factible económicamente.

Ambas variables tiempo y conversión están íntimamente relacionadas y una puede ser calculada a partir de la otra, para el caso de operación continua el tiempo se denominará tiempo de residencia.

La aplicación de la Ingeniería Química tendrá como finalidad determinar el tamaño del reactor, el sistema de transferencia de calor, el sistema de agitación (si se requiere), a partir de los requerimientos de mercado y de la información básica obtenida del uso de la termodinámica, la cinética química, de la catálisis y en su caso de fenómenos de transporte.

Las variables de operación de proceso serán: Temperatura, Presión, Composición y Flujo (o masa inicial).

Las variables de diseño serán Tiempo y Conversión.

Para determina de qué tamaño y qué características tendrá cierto sistema de reacción la primera actividad a realizar en el análisis será formular el Modelo Matemático mediante la aplicación de los Balances de Materia y Energía.

Este modelo podrá ser utilizado para tres objetivos diferentes:

1.- Diseño del Reactor. Determinación del tamaño, tipo de reactor y sistema de intercambio térmico, para valores de las variables de operación y conversión predefinidas.

2.- Simulación. Para tamaño, tipo de reactor y sistema de intercambio térmico, modificar las condiciones de entrada para calcular las condiciones de salida (conversión, temperatura, presión, flujo, composición).

Simular es experimentar con un modelo. Simulación Matemática es experimentación con un Modelo Matemático (resolver el modelo para un conjunto de datos).

3.- Optimización . Calcular las condiciones de operación apropiadas para obtener el máximo rendimiento o máxima conversión de un sistema de reacción o bien, calcular las condiciones de operación que correspondan a un mínimo costo.

Cuando se pretende optimizar la operación o dimensiones de un sistema debe especificarse cuál es el objetivo de tal optimización, costos, producción, conversión, etc.
 

II.- Formulación del Modelo Matemático de un Reactor Químico

Los principios de conservación de Masa y Energìa aplicados a cualquier sistema permitirán representar el fenómeno o proceso que se esté llevando a cabo mediante una o un conjunto de ecuaciones matemáticas, con las cuales podrá reproducirse el fenómeno y obtener información cuantitativa de su comportamiento.

La estimación de aumentos o disminuciones de materia por transformaciones químicas, así como la estimación de la energía involucrada hacen posible la representación matemática.
 

Balances de Materia y Energía

Los principios de conservación de masa y energía se aplican en cualquier instante dado, sin importar lo que haya ocurrido antes. En determinado momento pueden evaluarse las distintas interacciones de masa y energía con los alrededores de un sistema, así como las transformaciones y retenciones en el interior de dicho sistema.

Si la aplicación de los principios es instantánea entonces todos los términos de cuantificación de masa y energía deberán expresarse como flujo o rapidez y no como cantidades absolutas. Mediante transformaciones matemáticas podrán realizarse evaluaciones para distintos tiempos ( es decir analizar las historias de la materia y energía).

La expresión general de balances que se obtiene de la aplicación de los principios de conservación es :

Flujo de Entrada + Rapidez de Transformación =

Esta expresión la utilizaremos indistintamente para formular los balances de materia o de energía, con las condiciones o restricciones correspondientes derivadas del comportamiento del sistema.

Para el caso de reactores químicos los cambios que pueden ocurrir en un sistema son inherentes a una o más reacciones químicas, dado que estas transformaciones son fácilmente cuantificables en base molar, representaremos los términos involucrados en la expresión de balances en esta base molar.
 
 

Término	Balances de Materia	Balances de Energía
Flujo de Entrada	Flujo molar de reactivo en la corriente de alimentación de reactivo.	Flujo de energía en la corriente de alimentación.
Flujo de Salida	Flujo molar de reactivo en la corriente de descarga.	Flujo de energía en la corriente de descarga.
Rapidez de Transformación	Con qué rapidez el reactivo se transforma a producto. (estudios cinéticos previos)	Con qué rapidez se libera o absorbe energía por efectos de la reacción.
Rapidez de Acumulación	Con qué rapidez aumentan o disminuyen las moles de reactivo dentro del reactor.	Con qué rapidez aumenta o disminuye el contenido de energía dentro del reactor.

 

II.1.- Conversión
 

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