Reattore tubolare: bilancio materiale

Un reattore tubolare è costituito da un condotto cilindrico a  sezione costante percorso in modo continuo da un flusso di fluido reagente. Un reattore tubolare viene utilizzato in modalità a flusso continuo con il flusso dei reagenti e la rimozione dei prodotti. Un  reattore tubolare può avere una parete singola ed essere riscaldato con un forno elettrico esterno oppure può essere incamiciato per il riscaldamento o il raffreddamento con un fluido termovettore circolante

Si può ricavare l’equazione che esprime i bilanci materiali di tale sistema reagente. Insieme al bilancio termico, costituiscono la base per poter valutare la conversione che si può raggiungere in un determinato reattore e le sue condizioni operative. Tale bilancio è calcolato per la situazione più semplice che si possa presentare, definita ideale, caratterizzata dai seguenti punti:

1)      In corrispondenza di ogni sezione del reattore normale al moto della velocità del fluido e le sue proprietà fisiche, quali la pressione e la composizione sono costanti (flusso a pistone)

2)      Gli effetti di diffusione lungo l’asse del reattore sono considerati trascurabili

si indichi con F la portata in massa della miscela reagente (massa/tempo), con n_i il numero di moli del reagente i in essa presente per unità di massa e con dn_i le moli reagite sempre per unità di massa.

Bilancio materiale in un reattore tubolare

Poiché il bilancio materiale di un generico componente i rispetto a un elemento di volume dV del sistema reagente può essere espresso come:

[componente i entrante per unità di tempo] – [componente i uscente per unità di tempo] = r · dV dove r indica la velocità di reazione ovvero la velocità con la quale il componente in esame si trasforma per unità di tempo e di volume del sistema reagente.

Tenendo conto della precedente equazione si può impostare il bilancio materiale di un elemento di volume di reattore dV_R = A dz essendo A la sezione del reattore e si ottiene:

Fn_i – F(n_i – dn_i) = r dV_R

Ovvero:

Fdn_i = r dV_R    (1)

Nel caso di una reazione catalitica eterogenea spesso la velocità di reazione è espressa facendo riferimento alla massa di catalizzatore invece che al volume. In tal caso r viene espressa in moli/tempo x massa di catalizzatore e la precedente equazione viene scritta come:

Fdn_i = r dW   (2)

Dove W indica la massa del solido.

Se il reattore è isotermo le equazioni (1) o (2) può essere integrate per dare il volume di reattore o la massa di catalizzatore, necessaria per una determinata conversione del reagente:

V_R = F ∫ dni/r   L’integrale va da n_i^° a n_i,u dove n_i^° e n_i,u sono le moli del componente i rispettivamente all’ingresso e all’uscita del reattore.

Se si considera una reazione in fase liquida la variazione di volume associata alla reazione risulta trascurabile per cui la densità del liquido ρ si può ritenere costante. In tal caso poiché dC_i = – ρ dn_i essendo i un reagente, l’equazione precedente diviene:

ρ V_R /F = V_R /ν = ∫ dC_i/r   L’integrale va da c_i,u a c_i°

essendo ν la portata in volume del liquido. Il rapporto V_R /ν = θ è chiamato tempo di residenza mentre il suo inverso ν/ V_R è chiamato velocità spaziale.

Usi

Un reattore tubolare può essere utilizzato in una varietà di settori come, ad esempio, quello petrolchimico, farmaceutico, nel trattamento dei rifiuti e nell’industria dei polimeri

Un reattore tubolare è utilizzato in una varietà di reazioni quali  carbonilazione, deidrogenazione, idrogenazione, cracking e reforming. Inoltre recenti studi indicano che i reattori tubolari possono essere utilizzati nella produzione di biodiesel. L’International Energy Agency  ha previsto che il consumo di energia primaria aumenterà e pertanto i ricercatori hanno mostrato maggiore interesse e impegnato maggiori risorse in termini di investimenti per trovare alternative sostenibili e rispettose dell’ambiente ai pericolosi combustibili fossili.

In particolare il biodiesel noto anche come estere metilico degli acidi grassi, è un combustibile liquido rinnovabile, economico e biodegradabile.