REACTORES CON RECIRCULACIÓN TECNOLÓGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE TIANGUISTENCO REACTORES CON RECIRCULACIÓN domingo, 23 de septiembre de 2018domingo, 23 de septiembre de 2018

OBJETIVO QUE EL ESTUDIANTE DE LA INGENIERA AMBIENTAL COMPRENDA LAS CARACTERÍSTICAS, PARTES, VENTAJAS, DESVENTAJAS, DE LOS REACTORES CON RECIRCULACIÓN ASÍ COMO VERA UN EJEMPLO DE UN PROCESO DE APLICACIÓN.

REACTORES DE RECIRCULACIÓN Pueden ser CON DISPOSITIVO SEPARADOR, cuando se toma parte de la corriente de salida y se llevan directamente a la entrada del reactor. SIN DISPOSITIVO SEPARADOR, cuando en la salida del reactor colocamos un dispositivo separador que hace que se separen reactivos y productos, luego los reactivos se recirculan de nuevo al reactor.

CARACTERÍSTICAS Asegurar el tipo de contacto o modo de fluir de los reactantes en el interior del tanque, para conseguir una mezcla deseada con los materiales reactantes. Proporcionar el tiempo suficiente de contacto entre las sustancias y con el catalizador, para conseguir la extensión deseada de la reacción. Permitir condiciones de presión, temperatura y composición de modo que la reacción tenga lugar en el grado y a la velocidad deseada, atendiendo a los aspectos termodinámicos y cinéticos de la reacción.

Descomposición, consiste en que una molécula se divide en moléculas más pequeñas, átomos o radicales. Combinación, ésta se realiza cuando una molécula o átomo se une con otra especie para formar un compuesto nuevo. Isomerización, en este caso la molécula no efectúa ninguna descomposición externa o adición a otra, es simplemente un cambio de configuración estructural interna. Reacciones Homogéneas: Cuando se afecta solamente una fase, ya sea gaseosa, sólida, o líquida.

Reacciones No Catalíticas: Los materiales reactantes no necesitan ninguna sustancia adicional para dar lugar a la reacción química Reacciones Endotérmicas: Son aquellas que adsorben calor del exterior. ­Reacciones Exotérmicas: Son aquellas que liberan calor hacia el exterior.

PARTES BOMBA MADRE VÁLVULA DE RECIRCULACIÓN ELEMENTO COMBUSTIBLE BOMBA DEL CIRCUITO PRIMARIO BOMBA DEL CIRCUITO SECUNDARIO PRESIONADO BARRA DE CONTROL GENERADOR DE VAPOR

LLAVES DE ENTRADA LLAVE DE SALIDA INTERRUPTOR CONDUCTOS UNIONES FILTROS DE MATERIAL RESIDUAL TERMÓMETRO MANÓMETROS SISTEMA DE PURGACIÓN

VENTAJAS Los reactores tipo PWR son muy estables debido a su tendencia a reducir su potencia ante incrementos de temperatura, esto ayuda a reducir la posibilidad de perder el control de la reacción en cadena. Los PWR pueden ser operados con un núcleo que contiene menos material fisible que el necesario para alcanzar la condición de criticidad con neutrones instantáneos). Esto reduce la posibilidad de que el reactor tenga una subida incontrolada de la potencia y es una de las características de seguridad de los PWR.

Puede verse también como ventaja el hecho de que al utilizar uranio enriquecido como combustible, los PWR pueden utilizar agua ordinaria como moderador en lugar de necesitar agua pesada cuya producción es costosa. Nota: esta ventaja es relativa, ya que el proceso de enriquecimiento de uranio también es un proceso costoso

DESVENTAJAS El agua del sistema refrigerante primario tiene que ser presurizado a altas presiones para mantener el agua en fase líquida a las temperaturas de trabajo del reactor. Esto pone requerimientos exigentes sobre las cañerías y el recipiente de presión del reactor y por lo tanto incrementa los costos de construcción. También eso incrementa el riesgo ante un accidente con pérdida de refrigerante del sistema primario. Los PWR no pueden cambiar el combustible gastado mientras están operando. Esto limita la eficiencia del reactor y también implica que tiene que salir de operación por periodos más largos que otros tipos de centrales nucleares.

El agua ordinaria es más absorbente de neutrones que el agua pesada El agua ordinaria es más absorbente de neutrones que el agua pesada. Por lo tanto al utilizar agua ordinaria como moderador es necesario utilizar uranio enriquecido como combustible, lo cual incrementa el costo del combustible. En el caso de los reactores que usan agua pesada, es posible utilizar uranio natural como combustible, pero el costo en este caso está en la producción del agua pesada. Dado que el agua actúa como moderador de neutrones, no es posible construir un reactor rápido con un diseño de PWR. Por esta razón no es posible construir un reactor rápido reproductor que utilice agua como refrigerante. Sin embargo es posible construir un reactor reproductor térmico utilizando agua pesada. El agua caliente del primario con ácido bórico disuelto es corrosivo para el acero inoxidable, causando que los productos de corrosión (que son radiactivos) circulen por el circuito primario. Esto limita la vida útil del reactor y además requiere de sistemas especiales para el filtrado de los productos de corrosión, lo cual incrementa el costo del reactor.

TIPOS DE PROCESOS EN QUE SE USA Por lo general los reactores con recirculación se emplean en todos los procesos tanto de tipo químico como de tipo briológico como por ejemplo los que se mencionan a continuación: Reactor bioquímico con recirculación de microorganismos Planta tratadora de aguas residuales con recirculación. Reactores tubulares con lazo de recirculación

Procesos de las industrias: Alimenticia Farmacéutica Petroquímica Metalurgia Cosmética Y en general todo proceso en el que exista una entrada de materia prima y una salida de productos y residuos.

REACTOR BIOQUÍMICO CON RECIRCULACIÓN DE MICROORGANISMOS PROCESO DE APLICACIÓN REACTOR BIOQUÍMICO CON RECIRCULACIÓN DE MICROORGANISMOS

En el bioreactor se produce la descomposición autocatalítica del sustrato S por los microorganismos X. Se forma un producto de la reacción R. La reacción es: Substrato + microrganismos à Produto + microrganismos S + X à R + X En realidad, esta reacción es la suma de dos: el crecimiento de microorganismos y el consumo de sustrato. El crecimiento de microorganismos sigue una cinética de primer orden respecto a la concentración de microorganismos en el reactor.

La velocidad de consumo de sustrato por los microorganismos está regida por la ecuación cinética de Michaelis-Menten: donde : k = cte. de crecimiento de microorganismos kS = cte. de Michaelis-Menten X = concentración de microorganismos vivos S = concentración de sustrato El consumo de sustrato se invierte por una parte en la generación de nuevos microorganismos y por otra, en la formación de producto.

Entrada + Generación – Desaparición = Salida + Acumulación VARIABLES DE ENTRADA Y SALIDA Las corrientes están numeradas como se indica en Figura 1. Todas corriente i del proceso está caracterizada con las siguientes variables : qi caudal en l/s xi concentración total de microorganismos (g/l) xvi concentración de microorganismos vivos (g/l) xmi concentración de microorganismos muertos (g/l) si concentración de sustrato (g/l) Ri concentración de producto (g/l) en toda corriente i se cumple que: xi = xvi + xmi Los microorganismos totales por litro en la corriente son la suma de los microorganismos vivos y los muertos. En los balances de materia se utiliza la expresión : Entrada + Generación – Desaparición = Salida + Acumulación

El proceso consta de un reactor continuo de tanque agitado con recirculación y un decantador de microorganismos

Una recirculación excesiva diluye en exceso los microorganismos en el reactor. La baja concentración de microorganismos afecta a la propia producción de biomasa en el reactor negativamente. Además disminuye la formación de producto que va asociado a los microorganismos. La concentración de sustrato en el reactor disminuye más rápidamente pero por efecto de la dilución por el caudal recirculante pues la concentración en el efluente del decantador en sustrato aumenta. La recirculación de microorganismos en un bioreactor produce un aumento de la población microbiana en el seno del mismo. Sin embargo, este aumento afecta tanto a los microorganismos vivos como a los muertos.

FUENTES DE CONSULTA Gódia, F. Y López, J. “Ingeniería Bioquímica” ed. Síntesis (1998) Denbigh,K.G., Turner,J.C.R (1990). “Introducción a la teoría de los reactores químicos”. Limusa.  México. Froment,G.F.,  Bischoff, K.B.  (1990). “Chemical reactor analysis and design”. Wiley. New York Levenspiel,O. (1998). “Ingeniería de las reacciones químicas ”. Reverté. México.

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