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

Características principales • Ideales para fluidización

• Muestran un rango de no burbujeo

Expansión del lecho Alta

Mezcla de partículas Alta

Mezcla de gas Alta

Clase B: (Burbujeantes)

Tamaño de la partícula Entre (150 y 500) μm

Densidad Entre (1,500 y 4,000) kg/m3

Características principales Comienzo del burbujeo a Umf

Expansión del lecho Moderada

Mezcla de partículas Moderada

Mezcla de gas Moderada

Clase C: (Cohesivos)

Tamaño de la partícula dp < 30 μm

Densidad Cualquier densidad

Características principales Cohesivas, dificultad para fluidizar

Expansión del lecho Baja por aparición de canales

Mezcla de partículas Muy baja

Mezcla de gas Muy baja

• Clase D: Fluidizacion posible pero de baja calidad

Tamaño de la partícula dp > 400 μm

Densidad ρp > 1,000 kg/ m3

Características principales Tamaño elevado

Expansión del lecho Baja

Mezcla de partículas 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

REACTORES DE LECHO FLUIDIZADO CIRCULANTE

Componentes

Componentes

Columna de fluidización

Distribuidor

Sistema de suministro de fluido

Sistema de medición de

presión Sistema de medición de

temperatura

Sistema de medición de altura

del lecho

Difusor

Salida del fluido

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.

Componentes

Regenerador

Vapor de agua

Gas de recirculación

Alimentación

Agua

Reactor

Compresor de aire

Gas de combustión

Productos

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.

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 m3.

• Dado que los tamaños de partículas empleados en las suspensiones son muy pequeños,

normalmente la eficacia suele ser mayor del 90%.

Salida del líquido

Entrada del líquido

Salida del gas

Entrada del gas

Sólido en suspensión

Serpentín

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.