Reactores De Lecho Fijo.docx

INTRODUCCIÓN

Los reactores de lecho fijo son también llamados reactores de lecho empacado se utilizan a menudo en los procesos catalíticos principalmente en la separación de fluidos y sólidos, para la producción a gran escala de reactivos primarios o intermedios. Constan de un armazón cilíndrico y dos cabezas convexas la mayoría son verticales y permiten fluir los reactivos por gravedad. Un lecho empacado presenta la ventaja de que no quiere la separación del catalizador como en el caso de las reacciones catalíticas homogéneas. En un reactor empacado, los gránulos de catalizador se acomodan de manera que llena una cámara de reacción. Las partículas catalíticas pueden variar de tamaño y forma: granulares, cilíndricas, esféricas, etc. La cámara de reacción puede ser un interior de un tubo o la sección anular entre dos tubos concéntricos o la chaqueta de un reactor con una configuración similar a un intercambiador de calor. Aunque en muchos casos sea conveniente para su fabricación, el reactor no forzosamente tiene una configuración cilíndrica. Además, un reactor de lecho fijo puede no estar empacado con catalizador; por ejemplo, la pared interna del tubo podría ser catalítica, o bien, el interior en el interior del tubo tener colocadas transversales al flujo uno o varias mallas de alambre echas de un metal catalítico. Más aun, el catalizador puede ser o no poroso. Otra faceta a tener en cuenta es el gran aumento de producción que han experimentado determinados productos. Tal es el caso de las fibras sintéticas, los plásticos, los fertilizantes químicos, etc., lo que, indudablemente, lleva consigo un aumento de la producción de los productos químicos básicos.

Existen dos procedimientos generales de diseño de reactores de lecho fijo a) Diseño empírico, basado en verificar experimentalmente los fenómenos que supuestamente se van a dar en el reactor (físicos, químicos y fisicoquímicos). Apoyándose en datos experimentales, obtenidos a diferentes escalas: laboratorio, planta piloto, semi-industrial, se extrapola al reactor a nivel industrial.

Como es fácil de comprender, el esfuerzo y coste de la investigación, obtención de dichos datos, es muy elevado. b) Diseño científico, que se realiza a partir de expresiones matemáticas, más o menos complejas, que tienen en cuenta los distintos fenómenos que ocurren en el reactor: reacción química, transporte de materia, de energía y cantidad de movimiento. La complejidad del modelo adoptado depende de los fenómenos que se tienen en cuenta. Naturalmente, a mayor número de éstos últimos, mayor complejidad en las ecuaciones que describen el modelo, y un número más elevado de parámetros en las mismas. Es claro el esfuerzo que en las últimas dos décadas se está dedicando al desarrollo de este diseño científico, cuya finalidad consiste en desarrollar las herramientas necesarias para proceder al diseño de los reactores de lecho fijo a partir de los estudios de laboratorio, obviando las extensas y laboriosas etapas del cambio de escala. Hay, además, que tener en cuenta, el aumento de la importancia de los fenómenos físicos según aumenta la escala de las instalaciones, por lo que se explica la enorme cantidad de trabajos sobre el tema, desde que Wilhelm, en 1962, establece los principios que deben apoyar el diseño científico comentado. La complejidad del modelo que debe utilizarse, para cada caso particular, depende, fundamentalmente, del propio proceso y de la precisión con que se conozcan los parámetros cinéticos y de transporte. Se han desarrollado dos tipos de modelos muy diferenciados, aunque puede establecerse una conexión entre ambos. Los llamados modelos de mezcla -en los que se trata de simular analógicamente los lechos fijos por medio de reactores de flujo en mezcla completa debidamente interconectados- y los modelos difusionales, también denominados cusi-continuos (más puramente descriptivos de los fenómenos que se suponen en el interior del reactor). Sería complejo tratar de discernir qué tipo de modelo es capaz de llegar a una mejor descripción de la realidad del reactor químico. Sin embargo, es un hecho constatable la mayor atención que ha recibido el modelo difusional.

REACTOR DE LECHO FIJO O EMPACADO Antecedentes: El diseño o análisis de reactor, en el cual una reacción de un fluido se promueve por un sólido catalítico difiere del diseño o análisis de un reactor para reacciones homogéneas. Los principios estudiados hasta ahora en cuanto al diseño de reactores serán válidos para nosotros. La ley cinética del proceso es a menudo más compleja para una reacción catalítica que para una reacción homogénea, y ésta complejidad puede hacer que la ecuación fundamental de diseño sea más difícil de resolver de forma analítica. Por esta razón las ecuaciones de diseño tienen que resolverse con frecuencia con métodos numéricos cuando se diseñan reactores en los que están implicadas reacciones catalíticas. La principal diferencia entre los cálculos que implican

reacciones homogéneas y aquellos relacionados con relaciones heterogéneas fluidosólida, es que para estos últimos sistemas la reacción está basada en la masa de sólido, W, más que en el volumen del reactor. Para un sistema heterogéneo, la velocidad de una sustancia A se define como

Se utiliza la masa de sólido porque es la cantidad de catalizador, o la masa de sólido reaccionante presente, lo que es importante para la velocidad de reacción. El volumen de reactor que contiene el catalizador u otro sólido es de importancia secundaria en estos casos.

La misión básica del reactor catalítico es poner en contacto catalizador y reactantes para que la reacción progrese de forma idónea en el proceso químico que lo incorpora. El catalizador puede estar en la misma fase que los reactantes, o no. Este hecho permite organizar la catálisis en homogénea, heterogénea y enzimática.  En el diseño presente).

del reactor

catalítico homogéneo

(una sola fase

 En la catálisis heterogénea, reactantes y catalizador están en diferente fase.

 DEFINICIÓN.

Un lecho consiste en una columna formada por partículas sólidas, a través de las cuales pasa un fluido (líquido o gas) el cual puede ser librado de algunas impurezas y sufre una caída de presión.

 PARTES DEL EQUIPO DEL REACTOR DE LECHO FIJO

2.1.1. Tipos de reactores catalíticos de 2 fases.

En la industria química existen diversas maneras de poner en contacto un fluido y un catalizador sólido. En la situación más común el sólido se emplea en forma de partículas que suelen disponerse en un lecho a través del cual el fluido circula. Sin embargo, se dan otras disposiciones, como mallas metálicas (o “metal gauzes”) en la oxidación de amoníaco a ácido nítrico, monolitos donde el catalizador adopta la forma de panal de abejas en el tratamiento de contaminantes en corrientes gaseosas por oxidación-reducción, o como partículas en suspensión en un tanque agitado mecánicamente (o slurry).

Numerosos procesos de la industria química básica y secundaria, y de tratamiento de fracciones de petróleo emplean reactores con lecho de catalizador. Atendiendo a la disposición del lecho se distinguen reactores de lecho fijo, fluidizado y móvil (Figura 2.1). El uso de reactores de lecho fijo está muy extendido (obtención de SO3 por el método Phillips, obtención de amoníaco, craqueo con vapor, etc), mientras que los de lecho fluidizado y, en especial, los de lecho móvil se emplean con mucha menos frecuencia. Por su importancia debe citarse el craqueo catalítico en lecho fluidizado.

Figura 2.1. Distintos esquemas de reactores catalíticos: a) lecho fijo (multitubular); b) lecho fluidozado; c) lecho móvil.

En el reactor de lecho móvil el fluido arrastra las partículas de catalizador que conservan su posición relativa respecto las otras partículas. Es decir, el lecho es móvil respecto a las paredes del reactor. El lecho de sólidos puede moverse en co-corriente, contracorriente o en flujo cruzado respecto a la corriente de fluido reactante, siendo deseable que ambas fases sigan el modelo de flujo en pistón. El lecho móvil es útil cuando el catalizador sufre desactivación rápida y puede ser regenerado de forma continua. Si no existen zonas muertas, el lecho móvil tiene las características de un lecho fijo y las ventajas de un reactor con gradiente axial de concentración. Permite obtener elevadas conversiones con una buena selectividad. Su principal “handicap” es el manejo de grandes cantidades de

sólidos, siendo su resistencia a la atrición un factor muy importante. Estos reactores son adecuados para trabajar en régimen adiabático, en especial con reacciones endotérmicas. El mismo catalizador puede servir como agente calefactor (con el calor que retiene de la regeneración, o por calefacción directa o indirecta). Los reactores de lecho móvil tienen pocas aplicaciones catalíticas pero extremadamente importantes. Entre ellas, el craqueo catalítico del gasoil y el reformado catalítico de las gasolinas.

En el reactor de lecho fijo las partículas están inmovilizadas, y por tanto en íntimo contacto unas con otras. En el reactor de lecho fluidizado las partículas están en suspensión, pero la velocidad del fluido no es suficiente para arrastrarlas. Los factores a tener en cuenta para decidir entre uno u otro son: el contacto sólido-fluido, el control de temperatura, el tamaño de partícula a emplear (ligado íntimamente con la pérdida de presión permisible) y la manera de afrontar el problema de la regeneración si el catalizador sufre desactivación rápida.

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Contacto sólido-fluido. En el lecho fijo el fluido al circular por el espacio libre entre las partículas sigue un modelo de flujo muy próximo al flujo en pistón. El funcionamiento del reactor es fácil de comprender y de modelizar. En el reactor de lecho fluidizado, el movimiento ascensional del fluido mantiene las partículas en suspensión. El modelo de flujo es complejo. Para describirlo se emplea comúnmente el modelo de borboteo que supone mezcla perfecta para el sólido y flujo en pistón para el fluido. En el fluido se forman burbujas (cortocircuitos o “bypass”), que contribuyen a reducir la eficacia del contacto sólido-fluido.

2) Control de temperatura. La conducción térmica es el mecanismo principal de transmisión de calor en un lecho fijo. Como la conductividad térmica del lecho es reducida, suelen formarse perfiles axiales y/o radiales de temperatura en el lecho, que pueden ser un problema para la estabilidad térmica del catalizador. En el lecho fluidizado, por el contrario, el mecanismo básico es por convección en el fluido. Éste es un mecanismo más eficaz que la conducción, y el resultado es que el lecho fluidizado, en la práctica, es casi isotermo. 3) Tamaño de partícula de catalizador. Para facilitar la fluidización las partículas son generalmente de tamaño reducido (típicamente de 50 a 100 μm). Con este tamaño no hay problemas de difusión en la partícula, y la eficacia de partícula es próxima a la unidad. Por otro lado la configuración del reactor hace que la pérdida de presión del fluido sea muy pequeña. En el reactor de lecho fijo, para reducir la pérdida de presión por circulación del fluido se emplean partículas que oscilan desde 1-2 mm. a varios cm. Con este tamaño la eficacia de partícula es baja, de forma que el tamaño de partícula se optimiza para hacer compatible una pérdida de presión aceptable con una eficacia de partícula superior al 50%. 4) Regeneración. Los catalizadores sufren desactivación cuando están en operación. Si la pérdida de actividad es lenta, puede usarse un reactor de lecho fijo. La dificultad se salva entonces sobre- dimensionando el reactor y sustituyendo el catalizador usado en las paradas programadas. El lecho fluidizado permite diseñar dispositivos que facilitan el

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sustituir una fracción del catalizador en operación por una cantidad equivalente de catalizador fresco, de forma que el lecho mantiene la actividad media con el tiempo. Este dispositivo se utiliza, por consiguiente, con catalizadores que se desactivan muy rápidamente

CASOS 7 RELACIONES DE DISEÑO

CÁLCULOS

DEFINICIÓN DEL REACTOR DE LECHO FIJO

PARTES DEL EQUIPO DEL REACTOR DE LECHO FIJO

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