Reactores intermitentes o reactores batch

Los reactores intermitentes o batch son reactores del tipo discontinuo, como comentamos anteriormente en el artículo conceptos básicos de reactores químicos. Se trata de equipos donde no existe flujo de entrada ni salida de reactivos o productos, que cuentan con un agitador o agitadores que permiten mantener la mezcla homogeneizada. Este tipo de reactores, generalmente son utilizados para estudiar la cinética de reacciones químicas, pero pueden extrapolarse a operaciones industriales u otros usos, según requerimientos específicos.

Reactores intermitentes o batch utilizados en la industria farmacéutica

Reactores intermitentes o batch en la industria farmacéutica

En este artículo describiremos a los reactores intermitentes o reactores batch, sus principales características y usos, así como, las ecuaciones que los rigen, de modo que podamos tener una idea más clara al realizar proyectos o diseños con este tipo de reactor químico.

Tabla de contenidos

✔Definición de reactor intermitente o batch

✔Ecuación general de diseño para un reactor intermitente o batch

Definición de reactor intermitente o reactor batch

Esquema de un reactor batch o intermitente

Su nombre verdadero es el de reactor intermitente de tanque agitado, ya que se trata en esencia de un tanque cerrado que cuenta con uno o varios agitadores para garantizar que la mezcla de reactivos sea homogénea.

Por efectos de practicidad se les llama simplemente reactores intermitentes o reactores batch (por lotes). Cabe destacar, que los reactores intermitentes trabajan en estado transitorio y suelen utilizarse para producciones de bajo volumen o para ensayos de plantas pilotos.

Principales características de los reactores intermitentes o reactores batch

A continuación, describiremos las principales características de los reactores intermitentes o reactores batch, lo que nos permitirá identificarlos rápidamente:

Los reactores intermitentes son cargados generalmente mediante orificios de entrada ubicados en la parte superior del tanque.
Durante la operación del reactor batch (reactor intermitente), ningún compuesto ingresa o sale del tanque.
De requerir intercambio térmico (calentamiento o enfriamiento), este tipo de reactores utilizan camisas o chaquetas de enfriamiento o calentamiento, las cuales se ubican en la parte exterior del tanque y son muy fáciles de utilizar.
La masa total dentro del reactor intermitente o batch siempre es constante, ya que es un sistema cerrado.
El tiempo de residencia de todos los compuestos de la mezcla que se encuentran dentro del reactor batch, siempre será el mismo para cada uno de los compuestos.
Las concentraciones de los componentes de la mezcla cambian con el tiempo.
Debido al mezclado, la temperatura dentro del reactor intermitente (reactor batch) es homogénea al igual que la composición de la mezcla.
La energía dentro del reactor intermitente o batch cambia de acuerdo a cómo se va desarrollando la reacción, o las reacciones químicas, dentro del reactor.
Si se requiere controlar la temperatura, este tipo de reactores permite la adición de intercambiadores de calor.

Principio de funcionamiento de un reactor intermitente o reactor batch

Secuencia de operaciópn o ciclo de funcionamiento de un reactor batch o intermitente

Secuencia de operación de un reactor batch o intermitente. Imagen de researchgate

El principio de funcionamiento de este tipo de reactores es verdaderamente simple. Se ingresa la mezcla de reactivos dentro, se coloca en marcha el agitador y se espera a que culmine la reacción (o reacciones), a este proceso se le conoce como carga del reactor.

Una vez finalizado el proceso, se retira el producto y la traza de reactivos, vaciando el tanque (se retira la carga) y se prepara el equipo para un nuevo lote. Esto se debe a que una vez que inicia la reacción o reacciones químicas, no hay entrada ni salida de masa en el tanque.

Cabe destacar, que las composiciones de los componentes dentro del tanque van cambiando con el tiempo. Sin embargo, para un instante determinado de tiempo las concentraciones son uniformes dentro de cualquier punto del reactor, gracias al proceso de mezclado.

Ventajas y desventajas de los reactores intermitentes o batch

Como cualquier tipo de reactor, los intermitentes o batch, cuentan con una serie de ventajas y desventajas, las cuales veremos a continuación:

Ventajas

Porcentaje de conversión muy elevado por cada unidad de volumen en cada etapa.
Permiten realizar operaciones con mucha flexibilidad. Es decir, un reactor simple puede producir en un tiempo determinado un compuesto y después otro.
Son de construcción muy simple.
Proceso de limpieza sencillo.
Recolección de datos bastante simple, sobre todo, si la operación se lleva a cabo a volumen constante

Desventajas

Costo elevado de mano de obra por lote.
Son recomendables sólo para reacciones homogéneas.
La calidad de los productos hechos es muy variable, respecto a la de los reactores continuos.
No son recomendables para operaciones de producción a gran escala.

Principales usos de los reactores intermitentes o batch

Entre los principales usos que se les da a los reactores intermitentes o batch, tenemos los siguientes:

Producción en industria farmacéutica.
Tratamiento de aguas.
Procesos de fermentación.
Para realizar procesos delicados con productos muy costosos.
Producción a pequeña escala.
Son utilizados frecuentemente para reacciones de fases líquidas que requieren tiempos de reacción muy prolongados.

Mezclado en un reactor intermitente o batch

Reactor intermitente o batch y las ecuaciones que lo rigen. Imagen de slideshare

El proceso de mezclado en este tipo de reactores es sumamente importante, ya que permite mantener en contacto a los reactivos y catalizadores de dicha reacción, ya sea que se encuentren en la misma fase o en fases distintas.

En el caso de tener fases gaseosas se requieren equipos especializados, pues poseen viscosidades muy bajas. Normalmente, es suficiente con el mezclado que se da por medio del flujo turbulento a lo largo de la tubería de alimentación al tanque. En el caso de tener fase líquida, se debe tomar en cuenta los siguientes factores:

La naturaleza del proceso.
El grado de mezclado requerido.
Propiedades físicas del líquido.
Si el mezclado está relacionado con otras operaciones, como por ejemplo: reacciones, transferencia de calor, etc.

Para realizar el proceso de mezclado existen diferentes tipos de agitadores, y la selección de éstos, dependerá de la viscosidad de la mezcla y del propósito de la agitación.

Ecuación general de diseño para un reactor intermitente o batch

Variación del número de moles de una especie reactivo dentro de un reactor intermitente o batch

Variación de los moles de una especie reactivo dentro de un reactor intermitente o batch

El primer paso para realizar el diseño de un reactor intermitente, es realizar un balance de masa o balance de materia, el cual sería:

Masa que entra = Masa que sale + Generación (consumo) + Acumulación

Simplificando, y tomando en cuenta que no hay entrada ni salida de masa en el tanque desde que inicia hasta que termina la operación, llegamos a la siguiente expresión:

Generación (consumo) = - Acumulación

Basándonos en esta igualdad, podemos expresar el primer término de ésta como la desaparición de la especie A de una reacción (reactivo A), por unidad de tiempo en un volumen determinado. La expresión matemática es la siguiente:

Donde:

r: Velocidad de reacción de la especie.
V: Volumen en el cual se da la reacción.

Al segundo término de la igualdad, se le puede representar como la acumulación de moles de la especie A por unidad de tiempo, quedando de la siguiente manera:

Variación del número de moles de la especie A en función del tiempo dentro del reactor batch

Donde:

N_A0: Moles iniciales de la especie A.
X_A: Conversión de la especie A.
t: Tiempo de residencia.

Con los dos términos expresados matemáticamente, realizamos la sustitución de estos en la igualdad, quedando:

Ecuación general de diseño de un reactor intermitente o batch

Cabe destacar, que:

Velocidad de reacción de la especie en función de la concentración

Donde:

r: Velocidad de reacción de la especie.
C: Concentración de la especie.
k: Constante cinética de la reacción.

Despejando e integrando, llegamos a la siguiente ecuación:

Ecuación integrada de diseño de un reactor batch o intermitente

En próximos artículos, describiremos a los reactores semi-continuos y a los reactores continuos. Como siempre, quedo atento a sus comentarios para establecer intercambio de ideas y complementar conceptos.