REACTORES QUIMICOS “FUNDAMENTOS DE REACTORES

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REACTORES QUIMICOS
“FUNDAMENTOS DE REACTORES HETEROGENEOS”
En estos están presentes dos o hasta tres fases
Pueden ser catalíticos o no catalíticos que operan en modelos de tanque o del tipo flujo tubular.
CATALIZADOR
Un catalizador es una sustancia química, simple o compuesta, que modifica la velocidad de una reacción
química, interviniendo en ella pero sin llegar a formar parte de los productos resultantes de la misma.
REACTOR DE LECHO FIJO
Los reactores catalíticos de lecho fijo son columnas cilíndricas empacadas con partículas de
catalizador. Estas partículas están inmovilizadas, y por tanto en contacto unas con otras.
Las partículas permiten el paso tortuoso del fluido sin separarse unas de otras.
Esto hace que la altura del lecho se mantenga constante y por tanto la fracción de vacío en el lecho
(porosidad) se mantiene constante.
En esta etapa el fluido experimenta la mayor caída de presión del proceso.
Las partículas catalíticas pueden variar de tamaño y forma:
•
Granulares, cilíndricas, esféricas.
•
Diámetro desde 2.5 a 5.0 mm
Disposición de las partículas catalíticas
•
En un solo lecho
•
En diversos lechos horizontales soportados sobre bandejas
•
En varios tubos de relleno paralelos dentro de un mismo cuerpo.
CARACTERISTICAS PRINCIPALES
•
a) La reacción química se lleva a cabo en un sistema abierto.
•
b) Los reactantes y productos se añaden y descargan continuamente.
•
c) Operan a régimen estable.
•
d) La temperatura, presión y composición pueden variar con respecto al tiempo.
Funcionamiento
El fluido se mueve a través de los espacios que hay entre las partículas. Las partículas permiten el paso
tortuoso del fluido sin separarse una de otras. Finalmente salen los productos formados o
transformados por el efecto catalítico.
REACTOR DE LECHO FIJO DE TUBOS MÚLTIPLES
Consisten en uno o más tubos empacados con partículas de catalizador, que operan en posición
vertical.
Las partículas catalíticas pueden variar de tamaño y forma: granulares, cilíndricas, esféricas.
REACTOR DE LECHOS FIJOS HORIZONTALES
El catalizador se presenta como un lecho de partículas pequeñas orientadas al azar y en una posición
fija.
El fluido se mueve a través de los espacios entre las partículas (flujo convectivo). Es posible un flujo
difusivo.
La estructura del lecho consta de una parrilla metálica o cerámica sobre la que hay varias capas de
partículas de diámetros cada vez más pequeños, y sobre estas van situadas las partículas del catalizador.
TRANSMISIÓN DE CALOR EN REACTORES DE LECHO FIJO
(a) Precalentador, (b) Cambiador de calor interno, (c) espacios anulares de enfriamiento, (d) Relleno
en tubos, (e) Cuerpo relleno, (f) tubo y dedal, (g) Cambiador de calor externo, (h) Cuerpos
múltiples con transmisión de calor externa
El método que se emplee para enfriar o calentar el reactor de lecho fijo depende de los siguientes
factores:



Costos de construcción
Costos de operación
Costos de mantenimiento
VENTAJAS Y DESVENTAJAS
VENTAJAS
o
Su operación es continua
o
Su comportamiento es similar al reactor de flujo pistón
o
Más eficiente que el reactor de cama fluidificada
o
Bajo costo de operación
o
Altas conversiones
DESVENTAJAS
o
El catalizador se puede desactivar o envenenar con el tiempo
o
Es difícil controlar la temperatura y por lo tanto se pueden formar zonas calientes que pueden
perjudicar al catalizador e incluso desactivarlo.
o
No se puede emplear catalizadores de un tamaño muy pequeño ya que se formarían tapones
y habría grandes pérdidas de presión.
o
Existe dificultades en la limpieza del equipo
Diseño de reactores de lecho fijo
En reactores de lecho fijo existen dos procedimientos generales de diseño:
•
Diseño empírico
•
Diseño científico
Diseño empírico
Basado en verificar experimentalmente los fenómenos que se van a dar en el reactor . Apoyándose en
datos experimentales, obtenidos a diferentes escalas:
•
Laboratorio,
•
Planta piloto,
•
Semi-industrial,
Diseño científico
Se realiza a partir de expresiones matemáticas, que tienen en cuenta los distintos fenómenos que
ocurren en el reactor:
•
Reacción química
•
Transporte de materia, de energía y cantidad de movimiento
Aplicaciones
La mayor parte de los procesos catalíticos industriales se llevan a cabo en reactores de lecho fijo.
Procesos que en este tipo de reactores se realizan:
•
Síntesis de amoniaco ,
•
Síntesis de metanol
•
Síntesis de óxido de etileno
•
Síntesis de ciclohexano
•
Síntesis de estireno
•
Oxidación de anhídrido sulfuroso
•
Reformado catalítico
•
Isomerización
Reactores de lecho fluidizado
FLUIDIZACIÓN
Es el fenómeno por el cual un lecho de partículas sólidas se suspende en el seno de un gas o un líquido
adquiriendo un comportamiento semejante al de un fluido.
Fenómeno de fluidización
Si un fluido en movimiento asciende a alta velocidad se alcanza un punto donde todas las partículas se
encuentran suspendidas por el flujo ascendente de gas o líquido. En este punto la fuerza de fricción
entre el fluido y las partículas se equilibra con el peso de éstas. Este estado se denomina de lecho en
comienzo de fluidización.
CLASIFICACIÓN DE LOS REACTORES
•
•
Modelo y modo de operación del reactor
Contacto fluido-sólido
Modelo y modo de operación del reactor
Reactores de lecho fluidizado convencionales (RLF)
Las partículas fluidizan y se encuentran permanentemente en el reactor.
Pueden distinguirse cinco regímenes de flujo del gas-sólido:
1) Lecho fluidizado a la velocidad mínima de fluidización
2) Lecho fluidizado burbujeante
3) Lecho fluidizado turbulento
4) Lecho fluidizado con fluidización rápida
5) Lecho fluidizado con transporte neumático
Reactores de lecho fluidizado circulante (RFLC)
Las partículas se extraen del reactor para posteriormente, o bien estas mismas u otras frescas, volver a
ser recirculadas dentro del mismo.
Contacto fluido-sólido
•
•
Líquido-sólido
Gas-sólido
Líquido-sólido
•
•
•
•
Se fluidizan de forma más estable debido a la menor diferencia de densidades entre sólido y
líquido.
Expansión del lecho bastante uniforme.
La velocidad de las partículas es más o menos uniforme en toda la columna.
No hay formación de burbujas.
Gas-sólido
En este tipo de sistemas, las partículas se clasifican en cuatro grupos
Generalmente presentan cinco estados
CLASIFICACIÓN DE LAS PARTÍCULAS FLUIDIZADAS
La capacidad y el modo en que las diferentes partículas fluidizan varían según su naturaleza.
Clasificación de Geldart atendiendo al comportamiento de las partículas
•
Clase A: (Aireables)
•
Clase B: (Burbujeantes)
•
Clase C: (Cohesivas)
•
Clase D: Fluidizacion posible pero de baja calidad
Clase A: (Aireables)
Tamaño de la partícula
Entre (30-150) μm
Densidad
< 1,500 kg/m3
• Ideales para fluidización
• Muestran un rango de no burbujeo
Características principales
Expansión del lecho
Alta
Mezcla de partículas
Alta
Mezcla de gas
Alta
Clase B: (Burbujeantes)
Entre (150 y 500) μm
Densidad
Entre (1,500 y 4,000) kg/m3
Comienzo del burbujeo a Umf
Moderada
Moderada
Mezcla de gas
Moderada
Clase C: (Cohesivos)
dp < 30 μm
Densidad
•
Cualquier densidad
Cohesivas, dificultad para fluidizar
Baja por aparición de canales
Muy baja
Mezcla de gas
Muy baja
Clase D: Fluidizacion posible pero de baja calidad
dp > 400 μm
Densidad
ρp > 1,000 kg/ m3
Tamaño elevado
Baja
Baja
Mezcla de gas
Baja
Tipo de fluidización que se puede alcanzar a partir del diámetro medio equivalente de partícula y las
densidades del fluido y del sólido
1) El lecho de partículas permanece estático comportándose como un lecho fijo
2) El lecho está expandido con una distribución relativamente uniforme de las partículas
3) El lecho se ha vuelto a expandir debido a la presencia de burbujas de fluido.
Tipos de burbujas o glóbulos
Asimétricos: fluidización grupo A
Flat-nosed: fluidización de partículas grandes de elevada densidad
Glóbulos de pared: cuando a elevadas velocidades del gas se rompen los glóbulos
4) Debido a la elevada velocidad se forma burbujas que pueden llegar a ocupar todo el diámetro del
reactor.
5) Se muestra el arrastre de las partículas fuera del reactor.
Valores hidrodinámicos de la fluidización
•
•
•
Velocidad mínima de fluidización (Umf)
Velocidad terminal de fluidización (Ut)
Expansión del lecho fluidizado
Velocidad mínima de fluidización (Umf)
Corresponde a aquella velocidad del fluido, a partir de la cual, las partículas se separan unas de otras y
son mantenidas individualmente en suspensión.
Depende de:
•
•
•
Tamaño y la densidad de las partículas del lecho
Las propiedades del gas fluidizante
Las condiciones de presión y temperatura del proceso
Velocidad terminal de fluidización (Ut)
Velocidad del gas para la cual las partículas comienzan a ser arrastradas.
Se produce cuando
La fuerza de arrastre del gas es igual al peso de las partículas que se encuentran suspendidas en el
fluido.
Expansión del lecho fluidizado
Es un fenómeno de vital importancia para determinar la cantidad de sólidos que ocupan el lecho y la
caída de presión necesaria para fluidizar una profundidad específica.
Sistema de lecho fluidizado
Componentes
C
o
m
p
o
n
e
n
t
e
s
Sistema de
medición de altura
del lecho
Salida del fluido
Columna de fluidización
Sistema de
medición de
presión
Sistema de medición de
temperatura
Distribuidor
Difusor
Sistema de suministro de fluido
REACTORES DE LECHO FLUIDIZADO CIRCULANTE
Componentes
Gas de combustión
Productos
Regenerador
Vapor de agua
Reactor
Agua
Alimentación
Compresor de aire
C
o
m
p
o
n
e
n
t
e
s
Gas de
recirculación
CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN




Adecuados cuando se requiere que el catalizador sea regenerado con frecuencia
Operan a temperatura casi constante, siendo más fácil su control
No hay posibilidades del desarrollo de puntos calientes
No posee flexibilidad para eliminar o introducir calor
VENTAJAS



El comportamiento fluido de las partículas permite desarrollar operaciones con facilidad.
La rapidez de mezclado de partículas confiere sencillez y seguridad al control de la operación.
Las velocidades de transferencia de calor y masa entre el gas y las partículas son mayores que en
otros sistemas de mezclado.

La capacidad de transferencia de calor entre un lecho fluidizado y un objeto inmerso en él es
alta.
DESVENTAJAS



La rápida mezcla de partículas en el lecho provoca tiempos de residencia variables.
La erosión en depósitos y tuberías debida a la abrasión por las partículas puede ser pronunciada.
Las partículas finas en ocasiones son arrastradas por el gas y deben ser reemplazadas.
APLICACIONES
•
Reacciones de síntesis
•
Craqueo de hidrocarburos
•
Combustión e incineración
•
Calcinación o tratamiento de minerales
•
Gasificación
Consideraciones generales de diseño
•
Desactivación y regeneración del catalizador
•
Transferencia de calor
•
Perdida de catalizador por arrastre
•
Elección del tamaño de partícula
•
La probabilidad de mala operación
Reactores de Suspensión
Reactores multifásicos
•
Son reactores en los que se requieren dos o más fases para que se efectué la reacción.
•
La mayoría de los reactores multifásicos usan fases gaseosas y líquidas en contacto con un
catalizador sólido.
Reactores de dos fases


En el burbujeo el gas se inyecta por abajo y las burbujas se elevan a través de la fase liquida que
fluye hacia abajo.
Ejemplo: Eliminación de contaminantes orgánicos del agua a partir de la oxidación no
catalítica del oxígeno.
Reactores de tres fases

Está presente un catalizador sólido

El reactante gaseoso debe transferirse de gas a líquido y después de líquido al catalizador solido
antes de que se lleve a cabo la reacción.

Ejemplo: Polimerización de etileno (disolvente ciclo hexano).
Reactores de suspensión
Existen partículas pequeñas (100 μ) de catalizador suspendidas en un líquido que se encuentra
en movimiento.
Características
•
La conductividad térmica de los líquidos incrementa el coeficiente de transferencia de calor.
•
Existe poco movimiento entre las partículas y el fluido.
•
La velocidad de reacción disminuye cuando se reduce la concentración de los reactantes.
•
El coeficiente de transferencia de masa entre un fluido y un catalizador depende del flujo y de
la forma geométrica del reactor.
Reactores de suspensión por borboteo
• Es un reactor de fase de burbuja que utiliza el catalizador como una suspensión fina de sólidos
en un líquido.
• Este puede operar en forma de semilotes o continua.
Fases del reactor
Continua
Líquido formado por una suspensión de líquidos y partículas finas del catalizador sólido.
Dispersa
Burbujas de gas
Funcionamiento
Debido a que las reacciones son altamente exotérmicas, se suministran serpentines de
enfriamiento en la zona de reacción, en contacto con la fase líquida.
La reacción implica transferencia de masa de las burbujas de gas a un medio líquido y
finalmente a las partículas catalíticas.
Estas partículas están suspendidas en un líquido por las burbujas de gas.
El gas de alimentación se introduce a través de rociadores, se burbujea por la columna
manteniendo el catalizador en suspensión.
Salida del
líquido
Salida del
gas
Sólido en
suspensión
Serpentín
Entrada del gas
Entrada del
líquido
Características importantes
•
Flujo de fase gaseosa (altas velocidades del gas).
•
Dispersión axial en la fase líquida (o completamente mezclados).
•
Isotérmica-debido al alto grado de mezcla líquida.
•
El gas es uniforme en toda la longitud del reactor.
•
Los reactores industriales de este tipo tienen volúmenes comprendidos entre 1 y 100 m 3.
•
Dado que los tamaños de partículas empleados en las suspensiones son muy pequeños,
normalmente la eficacia suele ser mayor del 90%.
VENTAJAS
•
La simplicidad de su diseño y construcción.
•
No presentan estructuras internas.
•
La velocidad máxima que se utiliza tiende a ser bastante baja.
APLICACIONES
Este tipo de reactor ser utilizados para reacciones de oxidación en fase líquida a presión atmosférica.
Se usan para reacciones lentas.
Usados en la producción continua de cerveza, vinagre, ácido cítrico y biomasa de levaduras, bacterias y
hongos.

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