Erreaktore kimiko

**Erreaktore kimikoa** erreakzio kimikoak egiteko ekipoa da. Hainbat forma, tamaina eta egitura izan ditzake. Instalazio edo prozesu kimikoen eta biokimikoen oinarria da, lehengaietatik abiatuz azken buruko produktu diren konposatu kimikoak han lortzen baitira. Energia ekoizteko prozesuetan ere erabiltzen dira; barne-errekuntzako motorretan eta turbinetan, esate baterako. Erreaktore baten barnean gertatzen den erreakzioa entzima purifikatu batek edo entzimak dituen organismo batek katalizatzen badu, bioerreaktore gisa definitzen da.

Erreaktoreak erreakzioen konbertsioa eta hautakortasuna maximizatzeko diseinatzen dira, ahalik eta kostu txikienarekin. Erreaktore kimiko baten diseinuak termodinamika, zinetika kimiko, fluidoen mekanika eta masa eta energia transferentziaren inguruko ezagutza eskatzen du. Orokorrean egoera bakoitzerako beharrezkoa den erreaktore mota, tamaina eta jardute-modua aurkitzea da helburua.

## Sailkapena 
### Erreaktorean dauden faseen arabera 
* Homogeneoa: Nahastea fase bakarrean dagoenean (likido edo gas).
* Heterogeneoa: Nahastean bi fase edo gehiago daudenean (gas-solido, gas-likido, likido-likido, likido-solido edo gas-likido-solido).
### Jardute-moduaren arabera 
* Ez-jarraitua edo etena: Kargaka lan egiten du. Lehenik eta behin, erreaktiboak erreaktorera elikatzen dira eta erreakzioaren zinetikagatik zehaztua dagoen denbora tarte bat itxaroten da erreakzioa gertatu dadin. Ondoren, produktua ateratzen da. Ekoizpen-maila txikietarako da egokia, eta laborategian erabiltzen da erreakzio kimikoen ekuazio zinetikoak lortzeko.
* Jarraitua: Karga etengabe sartzen eta ateratzen da. Ekoizpen-maila handietarako da egokia, eta produktuaren uniformetasuna bermatzen du.

### Barne-fluxu motaren arabera 
* Ideala: Ekuazio ideal sinpleekin deskribatzen da eta ez ditu kontuan hartzen efektu fisiko konplexuak edota perturbazioak. Suposatzen da kontzentrazio eta tenperatura banaketa uniformea dela erreaktore osoan (nahaste-erreaktoreen kasuan) edo ez dagoela kontzentrazio edo tenperatura gradiente erradialik (hodi-formako erreaktoreen kasuan).
* Ez-ideala: Kontuan hartzen ditu fluxu-patroia eta erreaktorearen barruko eremu hilak. Horrez gain fluidoen dinamika konplexuagoa ere aintzat hartzen du: erreakzioen zinetika, nahasketa mota eta fluido mota ezagututa deskribatu ohi dira.
## Erreaktore homogeneoa 
Orokorrean hiru erreaktore homogeneo mota daudela esan daiteke: Batch, CSTR eta PFR. Horien diseinu-ekuazioa lortu ahal izateko, beharrezkoa da masaren iraupenaren legea ezagutzea:

V bolumeneko erreaktore osoaren zati txiki bat hartuz, dV bolumen-elementua, eta A osagaia erreakzioan parte hartzen duen konposatu kimikoa bada (erreaktiboa eta osagai mugatzailea izanik), masa-balantze hau dagokio:
frameless|620x620px|erdian

Matematikoki honela idatziko da:

\frac{dN_A}{dt}=F_{A,sartu}-F_{A,irten}-(-r_{A})\cdot{dV}

non NA bihurtu gabeko A-ren molak, t denbora, FA A-ren emari molarra, (-rA) A-ren desagertze-abiadura eta dV erreaktorearen bolumen-elementua diren.

A osagaia erreaktiboa bada, desagertu egingo da dV bolumen-elementuan; produktua bada, aldiz, sortu egingo da. Horregatik, desagertzen denean zeinu negatiboa (–) erabiliko da, eta sortzen denean, berriz, zeinu positiboa (+).

Adierazpen orokor hori erreaktore mota guztientzat betetzen da, eta kasu berezi batzuk daude:

* Erreaktore ez-jarraitua bada: Sartu=Irten=0
* Egoera geldikorrean badihardu: Metatzea=0

### Batch erreaktorea 
thumb|157x157px|Batch erreaktore baten diagrama eskematikoa
Batch erreaktoreak edo erreaktore etenak egoera ez geldikorrean lan egiten du; hau da, bere propietateak denborarekin aldatzen dira. Sinpleena irabiatutako tanga izango litzateke. Goiko partetik elikatzen da, erreakzioa fase likidoan gertatzen da, eta erreakzioa gertatzen den bitartean ez da ezer elikatzen ezta ateratzen ere. Eskala txikiko produkzioetan erabili ohi da (botika industria, polimero industria, hartzidura) edo proba pilotuetan. Erreaktore honek baditu abantaila zein desabantailak:

* Abantailak: bolumen unitateko konbertsio handia, kostu txikia, erabilera malgua (erreaktore bera erabil daiteke produktu kimiko desberdinak ekoizteko) eta garbiketa erraza.
* Desabantailak: funtzionamendu eta eskulan kostu handia denbora asko dagoelako geldirik karga, deskarga eta garbiketagatik. Horrez gain, beti ez da posible kontrol-sistema egoki bat inplementatzea.

Adibide gisa A espezie molarra hartuz erreaktibo mugatzailetzat, honela deduzituko litzateke diseinu ekuazioa Batch erreaktore batean:

F_{A0}-F_A + \int_{V}^{} r_{A}dV=\frac{dN_A}{dt}

* Nahaste perfektua (guztiz homogeneoa) dela irudikatu: Erreaktoreko nahastea irabiagailu batez oso ondo nahasia mantentzen bada, erreaktore osoko baldintzak berdintzat jo daitezke. Hau da, erreaktoreko dV bolumen-elementu guztietan tenperatura eta kontzentrazioa berdinak direnez, erreakzio-abiadura ere berdina da eta, ondorioz, masa-balantzea erreaktore osoari (V) egin dakioke:\int_{V}^{} r_{A}dV=r_{A}\cdot{V}

* Erreakzioa gertatzen ari den bitartean ez dago ez sarrera ez irteera fluxurik: F_{A0} = F_A = 0

Ondorioz:

0-0 + r_{A}\cdot{V}=\frac{dN_A}{dt}

Beraz, mol balantzea honela gelditzen da:

r_{A}\cdot{V}=\frac{dN_A}{dt}

Aurreko ekuazioko terminoak erabiliz, nahi den konbertsioa lortzeko behar den egonaldi-denbora kalkula daiteke.

-r_AV=N_{A0}\frac{dX_A}{dt}

t=\int_{0}^{X_A}\frac{N_{A0}}{-r_A V}dX

non X lortutako konbertsioa den. Konbertsioaren balioa 0 eta 1 artekoa da eta hasiera eta amaierako kontzentrazioen bidez kalkula daiteke:

X_A=\frac{C_{A0}-C_A}{C_{A0}}

Nahastearen bolumena konbertsioarekin proportzionalki aldatzen den erreakzioen kasuan, ekuazioa honela adierazten da:

t=\int_{a}^{b}\frac{N_{A0}}{-r_AV_A(1+\varepsilon X_A)}dX

non ε bolumen aldaketa konbertsioarekiko adierazten duen konstantea den:

\varepsilon = \frac{V_{x_A=1}-V_{x_A=0}}{V_{x_A=0}} 

beste osagai batzuetan aldaketak burutzeko:

 \varepsilon_A X_A=\varepsilon_B X_B

Erreakzio-denboraz gain, prozesu industrial batean karga-, deskarga- eta garbiketa-denbora gehitu behar dira erreaktore mota hau erabiltzean.

Erreaktore honetarako energia-balantzeak 3 aukera eskaintzen ditu, jardute-moduaren eta produkzioko eskakizunen araberakoak:

* Modu politropikoa:    

::m \cdot C_{p} \cdot \frac{dT}{dt} = U \cdot A \cdot (T_{zerbitzu}-T_{erreaktore})  +  R \cdot (-\Delta_{r}H) \cdot V

* Modu isotermikoa:      

::0 = U \cdot A \cdot (T_{zerbitzu}-T_{erreaktore})  +  R \cdot (-\Delta_{r}H) \cdot V

* Modu adiabatikoa:    
::m \cdot C_{p} \cdot \frac{dT}{dt} =  R \cdot (-\Delta_{r}H) \cdot V

### CSTR erreaktore 
thumb|Nahaste perfektuko tanga erreaktore jarraitu (CSTR) baten diagrama eskematikoa|180x180px
Nahaste perfektuko tanga-erreaktore irabiatu jarraitua jario etengabea duen eta ingeniaritza kimikoan sarritan erabiltzen den erreaktorea da, CSTR izenez ezaguna (*Continuously Stirred Tank Reactor)*.

Erreaktore honek egoera geldikorrean egiten du lan; hau da, bere propietateak ez dira aldatzen denboran zehar. Fase likidoan erabiltzen da eta batez ere likidoak oso likatsuak direnean edo irabiatzea beharrezkoa denean.

Eredu idealean, erreakzioak konbertsio maximoa lortzen du elikadura tangara sartzen den unean bertan. Horrek esan nahi du erreaktore barruko edozein puntutako kontzentrazioa eta irteerako korrontearen kontzentrazioa berdinak direla, izatez, CA0 sartzerakoan momentu horretan bertan CA bihurtzen delako. Horrez gain erreakzio abiadura ere tanga barruko edozein punturentzat berdina da. Erreaktore mota honetan nahaste perfektua lortzen dela aintzat hartzen da. Praktikan ez da horrela, baina eraginkortasun altuko nahaste bat lor daiteke baldintza idealetara nahiko hurbiltzen dena. Erreaktore honek baditu abantaila zein desabantailak:

* Abantailak: tenperaturaren kontrol ona, eraikuntza sinplea, kostu txikia, eskala handia.
* Desabantailak: bolumen unitateko konbertsio txikia, funtzionamendu eta kontrol kostu handia, *by-pass* eta lehentasunezko bideen sorkuntza irabiatua eskasa bada.

CSTR erreaktorean kalkuluak honela egiten dira

::Muga baldintzak:
::x_0=x(0,r)
::\frac{\partial x}{\partial r}=0 ,  r=R

Energia-balantzea:

\dot{m}C_p[\frac{\partial^{2} T}{\partial z^{2}}-\frac{D}{u}(\frac{\partial^{2} T}{\partial z^{2}}+\frac{1}{r}\frac{\partial T}{\partial r})]+\rho\Delta H_r r_c = 0

::Muga baldintzak:
::T_0=T(0,r)
::k\frac{\partial T}{\partial r}=U(T_{ingurune}-T) ,  r=R

## Erreaktore ez-ideala 
Zenbait egoeratan orain arte ikusitako eredu ideal hauek baliozkoak dira kasu errealetarako. Horrela ez denean, idealtasunetik duen desbideratzea azaltzen duten terminoak sartu beharko dira materia-, energia- eta presio-balantzeetan. Esate baterako, propietateen aldakuntza materia edo bero garraio-fenomenoengatik bada, Fick-en edo Fourier-en legeak erabil daitezke, hurrenez hurren.

## Erreferentziak 
## Ikus, gainera 
* Ingeniaritza kimiko
* Bioerreaktore
## Kanpo estekak 
* Erreaktore kimikoak I
* Erreaktore kimikoak II
* Ingeniaritza Kimikoaren oinarriak