Escalado de reactores de una sola fase fluida

Los reactores de una sola fase, tanto discontinuos como continuos tubulares y continuos perfectamente agitados, presentan las menores dificultades teóricas para el escalado. En ellos no hay que considerar normalmente los problemas de transferencia de masa, sino solamente los cinéticos y los de transferencia de calor, aunque en los casos de elevadas velocidades de reacción, el mezclado de los reactivos puede complicar el escalado.

Reactores discontinuos

El escalado de los reactores discontinuos en la mayoría de los casos se lleva a cabo multiplicando el volumen de reacción por el factor de escala y no requiere el empleo de plantas piloto ni mockups, aunque la transferencia de calor puede ser importante en ocasiones. En esos casos hay que adecuar la capacidad de transferencia de calor del reactor escalado para que sea capaz de asimilar el calor producido por la reacción.

Cuando las reacciones son extremadamente exotérmicas, como es el caso de la polimerización, una insuficiencia en el área de intercambio de calor puede causar inestabilidad o incluso explosión, por lo cual para esos casos los datos termocinéticos deben de ser calculados con precisión en las etapas de laboratorio y banco, siendo recomendables para ello el uso de reactores calorimétricos automáticos como el RC-1 de la firma Mettler (14, 15, 33).

En todos los casos, aún en las reacciones más moderadas es requisito previo conocer suficientemente los datos cinéticos y termodinámicos de las reacciones involucradas y en especial los datos térmicos, para poder escalar adecuadamente la transferencia de calor.

Reactores continuos tubulares

Los problemas de escalado en este tipo de reactores son causados también por los fenómenos térmicos, con relación a la transferencia de calor que ocurre a través de la pared del tubo. En lo referente al interior de los tubos, se debe establecer que exista el mismo patrón de flujo, con preferencia turbulento, en la planta piloto y en el prototipo.

La transferencia de calor hacia el exterior, por su parte, es a veces necesario modificarla durante el escalado, siendo un buen ejemplo de esto los hornos para el craqueo con vapor. En los experimentos a pequeña escala se utilizan normalmente hornos eléctricos, mientras que en los hornos industriales se emplean quemadores, los cuales realizan la transferencia de calor fundamentalmente por radiación.

Esta transposición se puede realizar sobre la base de los conocimientos modernos de transferencia de calor y solamente si es posible predecir las interacciones entre la temperatura y los cambios químicos en el sistema, dentro del reactor tubular. Para ello es esencial contar con un modelo cinético del sistema de reacción, aunque sea de una forma simplificada.

En la práctica, los fabricantes de hornos tratan de obtener la mayor transmisión de calor por unidad de área, que sea compatible con la resistencia mecánica de los materiales utilizados, lo que está normalmente en el orden de las 65 000 kcal/hr-m , para poder mantener el tiempo de residencia dentro del tubo tan corto como sea posible (p.e. 0.8s) y obtener una temperatura correcta en el fluido de reacción a su salida del reactor (820 - 880 C).

Reactor continuo perfectamente agitado

Este tipo de reactor se usa principalmente para las reacciones en fase líquida, y su escalado conlleva muy frecuentemente la transposición de los experimentos a pequeña escala realizados de forma discontinua, a reactores continuos de una sola etapa o de varias etapas agitadas en serie (10). Esta transposición es relativamente simple si se puede obtener un modelo del sistema de la reacción, durante los experimentos a pequeña escala (2, 32).

Como ejemplo podemos considerar el proceso de dimerización de olefinas, desarrollado por el Instituto Francés del Petróleo (IFP) (29), en el cual las reacciones ocurren en presencia de un catalizador del tipo homogéneo, confeccionado a partir de un compuesto de níquel, un compuesto de coordinación y un haluro de alquil aluminio, manteniéndose todos en una fase líquida homogénea. Este proceso puede ser explotado en dos variantes: iniciando con propileno para producir primero hexenos y adicionar éstos a la gasolina o iniciando con propileno y butenos para producir heptenos y octenos y emplear los mismos en la oxo-síntesis para la producción de alcoholes.

Para el desarrollo del proceso se partió de un modelo del sistema de reacciones, desarrolado a partir de los resultados de los experimentos de laboratorio con un reactor discontinuo, el cual fué la base para el escalado de las dos variantes de tipos de reactor seleccionadas para la unidad industrial: un reactor perfectamente agitado como etapa única, para la producción de hexenos y varias etapas en serie (3 ó 4) para la producción de heptenos y octenos.

En este caso fue necesaria la construcción de una pequeña planta piloto, aunque su objetivo no fué resolver los problemas de escalado propiamente dichos, sino evaluar consideraciones con respecto al catalizador, como son: remoción del catalizador a la salida del reactor; riesgos de depósitos de material catalítico en las paredes, que pueden afectar la transferencia de calor a través de las mismas y el efecto de las impurezas de la alimentación en la actividad del catalizador. La planta piloto sirvió también para producir muestras para pruebas.