2.3. Reactores de lecho fluidizado. 2.3.1. Tipos de reactores. 2.3.2. Características de operación. 2.3.3. Ventajas y aplicaciones. Ingeniería Química. “9A” Equipo No 8 Integrantes:
Álvarez Chan Ana Belén. García Ortiz Diana Alexenia. Ramírez Gutiérrez Sara Beatriz.
Salazar Guzmán Astrid Arantxa.
Índice. Introducción. ......................................................................................................................................
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2.3. Reactores de lecho fluidizado. ................ .................. ................. .................. .................. ......... 6 Clasificación de Geldart. .............................................................................................................
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Velocidad mínima de fluidización. ............................................................................................
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Velocidad de arrastre. ................................................................................................................
13
Expansión del lecho. ..................................................................................................................
14
2.3.1. Tipos de reactores. ..............................................................................................................
15
Lecho fluidizado de borboteo (BFB). ....................................................................................... 15 Lecho fluidizado circulante (CFB). ........................................................................................... 16 Lecho turbulento (TB). ...............................................................................................................
17
El lecho fluidizado rápido (FF). ................................................................................................. 18 El CFB con flujo descendente. .................................................................................................
20
2.3.2. Características de operación. ............................................................................................ 21 2.3.3. Ventajas y aplicaciones. ..................................................................................................... Bibliografía. ......................................................................................................................................
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Introducción . Un reactor multifásico es aquel en el cual se hallan presentes dos o tres fases. Los reactantes y productos pueden hallarse en fase gas, líquido o sólido. Sin embargo, la fase sólida puede tener además otros papeles como por ejemplo el de catalizador, inerte para proporcionar la distribución de flujo de calor adecuada o incluso el de crear superficies adecuadas de transferencia de materia. La necesidad de cuantificar el comportamiento de los reactores multifásicos conduce a la modelización. El modelo típico de reactor pasa por la resolución de los balances de materia y energía. En el diseño y la operación de los reactores multifásicos hay muchos factores que interaccionan: la cinética, hidrodinámica, contacto, turbulencia, fenómenos de transporte y fenómenos de superficie. En la actualidad, los reactores multifásicos se pueden encontrar en múltiples aplicaciones como la producción de productos y combustibles derivados del petróleo, en la producción de especialidades químicas, farmacéuticas, herbicidas y pesticidas, en el refino de menas, la producción de polímeros y en el tratamiento de la contaminación. En todas estas aplicaciones, es necesario conocer de la dinámica de fluidos y los parámetros de transporte para poder desarrollar las modelizaciones adecuadas y las reglas de escalado. Los reactores multifásicos requieren la presencia, contacto e interacción de más de una fase para que las reacciones tengan lugar. Incluyen sistemas fluido-fluido (G/L y L1/L2), fluido-solido (G/S y L/S) y de tres o más fases. Por ejemplo, en el horno alto existe al menos cinco fases (G, L1, L2, S1, S2). Para que la reacción tenga lugar el material debe trasladarse desde el seno de una fase a su límite interfacial o al interior de otra fase. Por lo tanto la cinética de transferencia de materia debe incluirse en la reacción en la velocidad global.
Un ejemplo ocurre en la combustión de una partícula de carbón. Para simplificar se ignora la formación de CO.
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Fig. 1. Combustión de una partícula de carbón.
A pesar de los problemas de ingeniería que conllevan los sistemas multifásicos, a menudo es inconveniente o imposible operar solo con gas o líquido-sólido subiendo o bajando, respectivamente, la temperatura. La tendencia actual en la mayor parte de procesos químicos es operar a temperaturas y presiones lo más bajas posibles. La utilización de bajas temperaturas y fase líquida se prefiere por las siguientes razones:
Ahorro de energía.
Prevenir la descomposición de las sustancias termosensitivas.
Prevenir la descomposición de los catalizadores.
Obtener mejor selectividad, por evitar reacciones secundarias o por actuar como disolvente de los productos.
Aumentar la efectividad del catalizador y su vida útil ya que la fase líquida favorece la disolución de los depósitos.
Mejorar el control de temperatura debido a su mayor conductividad térmica y capacidad calorífica.
Aumentan las opciones de diseño.
Estas ventajas están acompañadas por las siguientes desventajas:
un aumento de la resistencia de la transferencia de materia.
descenso de la velocidad cinética debido a la menor T.
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MODO DE OPERACI N.
FASES PRESENTES.
DISCONTINUOS.
GAS L QUIDO.
TUBULAR.
MULTIETAPAS.
*
***CRAQUEO VAPOR.
*
*
**DISOLUCIÓN
**PRODUCCIÓN
**DISOLUCIÓN
*** ESTERIFICACIÓN.
POLIMERIZACIÓN.
UREA.
POLIMERIZACIÓN.
***ABSORCIÓN CO2. G-L
**FERMENTACIÓN.
**OX. CICLOHEXANO. **HIDROLISIS ÉSTER.
L-L
**POLIMERIZACIÓN.
**SULFONACIÓN.
**NITRACIÓN ***L. FIJO**L.MÓVIL.
F-S CAT.
**L.FLUIDIZADO.
AROMÁTICOS.
**HIDROGENACIÓN.
*** L.FLUIDIZADOS. **LECHO MÓVIL.
F-S
***BIOTRAT.AGUA.
**TOSTACIÓN MENAS.
**COMBUSTIÓN SÓLIDO.
** COMBUSTIÓN EN EL L.FLUID. FRECUENCIA DE USO:
*** PREFERENCIAL **A MENUDO
*RARO O MUY RARO.
Tabla 1. Clasificación elemental de reactores según la fase y el modo de operación.
Los sistemas F-S catalíticos pueden ser de dos o tres fases. En general, las reacciones que requieren tres fases son catalíticas. Las reacciones sólido-sólido por sus características específicas constituyen un campo a parte, por lo que no serán tratadas en este temario. Un ejemplo de ellas es el tratamiento de la mena de hierro con coque, cerámicas, cemento, etc. En la práctica existen diversas maneras de poner en contacto las fases. Si se considera el sólido, éste puede estar en forma de lecho fijo o mantenerse en suspensión (sólido disperso), slurry. Los reactores tipo slurry son tanques agitados, lechos fluidizado, lechos móviles y columnas de borboteo. De igual manera existen varias alternativas para los fluidos (gas y líquido): el flujo del gas a través del líquido confinado en el reactor, o el flujo de ambos fluidos. Dependiendo de si la resistencia a la transferencia de materia se halla en el gas o en el líquido se utiliza el gas como fase dispersa y el líquido como fase continua o viceversa.
Para conseguir la expresión de velocidad global. Se escribe la velocidad de las etapas individuales respecto a una base. 4
Entonces se convierte una definición en otra:
( ) ( ) ( )
En general, si todas las resistencias correspondientes a las etapas son lineales respecto a la concentración entontes es fácil combinar las velocidades sin embargo en algunas de las etapas es no lineal entonces se llega a una expresión de velocidad complicada. Puesto que las etapas de transferencia de materia son lineales respecto a AC solo en la etapa de reacción la que puede ser no líneas y causar dificultades. En el diseño de reactores y cambio de escala es esencial seleccionar un modelo de flujo que represente razonablemente el montaje real. Con frecuencia no se reflexiona lo suficiente en ese tema, tomando descuidadamente un modelo pobre y haciendo entonces cálculos de computador hasta el grado enésimo de precisión. Y entonces nos sorprendemos
cuando el diseño y el cambio de escala no
concuerdan con nuestras predicciones. Un modelo sencillo razonable es mucho mejor que un modelo preciso y detallado que no representen el contacto. Con frecuencia la elección de un buen modelo de flujo y el conocimiento de cómo cambiar el modelo de flujo con el cambio de escala señala la diferencia entre el éxito y fracaso.
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2.3. Reactores de lecho fluidizado. La fluidización es el proceso mediante el cual las partículas sólidas se comportan como un fluido mediante su suspensión a través de una corriente de gas o líquido. Dependiendo de la velocidad del flujo de gas, se pueden dar distintos regímenes. Un reactor de lecho fluidizado es un arreglo cilíndrico vertical que contiene partículas finas de catalizadores en un lecho, las cuales se comportan como un líquido en ebullición durante la operación del reactor. Los reactivos (en fase fluida) se introducen en la parte inferior con una velocidad (fuerza) tal que “suspenden” a las partículas
catalíticas si arrastrarlas, formando así un
Fig.2. Reactor de lecho fluidizado.
“lecho expandido”. Este lecho expandido
tiene condiciones hidrodinámicas tales que el mezclado es muy bueno y produce una composición y temperatura uniforme en el sentido radial del equipo, aunque existe dispersión en el sentido axial de la cama catalítica,
con
el
correspondiente
retromezclado. Un lecho fluidizado es un lecho de partículas sólidas en suspensión por efecto del flujo ascendente de un fluido. Dependiendo del tipo de fluido se pueden distinguir dos tipos de lechos fluidizados: el gas-sólido y el líquido-sólido. No obstante, casi todas las aplicaciones
comerciales
conciernen
a
sistemas gas-sólido. Fig. 3. Varios estados de contacto entre sólido y un fluido. 6
En el estado (a), el lecho de partículas permanece estático comportándose como un lecho fijo. En el (b), el lecho esta expandido con una distribución relativamente uniforme de las partículas, que, a su vez, presentan un movimiento caótico. No se observan burbujas de ningún tipo y tamaño. En el estado (c), correspondiente a velocidades del fluido mayores que en (a) y (b), el lecho se ha vuelto a expander debido a la presencia de burbujas de fluido. En ese estado (d), debido a la elevada velocidad se forman grandes burbujas que pueden llegar a ocupar todo el diámetro del reactor, y se puede iniciar ya el arrastre de las partículas. Finalmente en (e), se muestra el arrastre de las partículas fuera del reactor. El movimiento aleatorio de las partículas causado por el flujo del fluido en el estadio (b) sólo se puede conseguir si la velocidad del fluido excede un cierto límite. Este límite se llama generalmente velocidad mínima de fluidización. Por encima de esta velocidad el lecho se pone en movimiento y se expande. En los sistemas fluidizados, el sólido adquiere propiedades parecidas a las de un líquido como, por ejemplo, la viscosidad. Otras propiedades interesantes que adquiere el lecho fluidizado parecidas a las del líquido son: la de mantener la superficie horizontal al inclinar el contenedor y la circulación del sólido al perforar la pared. Una vez fluidizado, a medida que la velocidad del gas crece, crece también el tamaño de las burbujas por el efecto de la coalescencia de éstas pudiendo llegar a tener un diámetro tan grande como el del reactor. Estas burbujas se denominan glóbulos o "slugs" y constituyen una gran canalización de paso de gas (bypass) y conllevan grandes fluctuaciones del lecho y de la perdida de presión. Se admite la presencia de la globalización o slugging cuando el diámetro efectivo de burbuja excede un tercio del diámetro del lecho. La hidrodinámica de los glóbulos es muy distinta a la de las burbujas pequeñas, así, por ejemplo, tienen una menor velocidad. Se pueden formar diferentes tipos de slugs. a) Glóbulos asimétricos: fluidización grupo A de la clasificación de Geldart. b) Flat-nosed slugs: fluidización de partículas grandes de elevada densidad.
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c) Glóbulos de pared: se forman
cuando a elevadas velocidades del gas se rompen los glóbulos . Fig. 4. Diferentes tipos de slugs.
En la fluidización gas-sólido puede existir un régimen homogéneo, cuando las partículas son pequeñas, que se convierte en régimen de burbujeo (grandes huecos libres de sólidos que ascienden) al aumentar el caudal de gas, tras alcanzar el punto de mínimo burbujeo. Si las partículas son medianas o gruesas, el régimen de burbujeo se alcanza directamente tras pasar el punto de mínima fluidización. Estas burbujas libres de sólidos aparecen en la parte inferior del lecho, en el distribuidor, y crecen y coalescen (se unen) a medida que atraviesan el lecho, produciendo una intensa agitación, tanto más grande cuanto mayor sea la frecuencia de aparición y tamaño de estas burbujas.
Clasificación de Geldart.
Clase A: (Aireables). Fluidización fácil: corresponde a la fluidización de partículas pequeñas (30-150 μm) y de baja densidad (<1500 kg/m3). Tiene un comportamiento "abnormal", umb>umf, la velocidad de las burbujas es mayor que la de la fase densa, ub>ue, y la fracción de huecos en la emulsión crece con la v elocidad del fluido, εe>εmf. Ejemplo: el catalizador de un cracking. Los procesos en los que se trabaja en esta clase tienen un mayor coste de catalizador debido al pequeño tamaño.
Clase B: (Burbujeantes) Fluidización puramente agregativa. Fluidización fácil. Corresponde a la fluidización de partículas con tamaños entre 150 y 500 μm y densidades de partícula entre 1500 y 4000 kg/m3. Tiene un 8
comportamiento "normal", umb= umf y la fracción de huecos en la emulsión es aproximadamente constante e igual a la mínima de fluidización en un rango normal de velocidad del fluido, εe= εmf. Ejemplo: la arena. Este grupo
presenta distinto comportamiento según la escala de la unidad y tiene una mayor complejidad de diseño.
Clase C: (Cohesivos) corresponde a polvos (dp < 30 μm y cualquier densidad) con gran capacidad de cohesión formando agregados que difícilmente se fluidizan y dan lugar a canalizaciones. El considerar que en un lecho fluidizado las partículas flotan y no interaccionan entre ellas es válido sólo para partículas relativamente grandes. Para partículas suficientemente pequeñas aparecen fuerzas de Van der Waals y capilares (que pueden resultar de la condensación de vapor de agua presente en el aire de fluidización. Con una humedad inferior al 8% no aparecen) que las mantienen unidas. Ejemplo: talco, harina, cemento.
Clase D: Fluidización posible pero de baja calidad: corresponde a la fluidización de partículas grandes (dp > 400 μm) y/o muy densas (ρp > 1000 kg/m3). La velocidad del gas en la fase densa es alta, y si se llegan a formar burbujas, éstas tienen una velocidad menor que las de los grupos A y B. Se suelen forman burbujas mal definidas y glóbulos. Ejemplo: perdigones de acero, guisantes secos, combustión de partículas de carbón para reducir costes de trituración.
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Fig. 5. Clasificación de Geldart de los lechos fluidizado.
Fig. 6. Tipos de lecho según la partícula. 10
Una vez establecida la viabilidad de la fluidización es necesario conocer tres valores hidrodinámicos que la caracterizan: la velocidad mínima de fluidización, la velocidad de arrastre y la expansión del lecho en función de la velocidad de flujo.
Velocidad mínima de fluidización. La velocidad mínima de fluidización se estima utilizando la expresión de Ergun para la pérdida de presión de un fluido que circula a través de un lecho de sólidos. En el momento de la fluidización incipiente, la pérdida de presión se hace independiente de la velocidad de paso y se compensa con el empuje y la fuerza gravitatoria. Considerando que las partículas no se apoyan unas en otras justo en el momento de tránsito de lecho fijo a lecho fluidizado se puede aplicar la ecuación de Ergún para describir la pérdida de presión por unidad de longitud de lecho fijo a partir de las propiedades del fluido y del sólido.
Haciendo la expresión adimensional (multiplicando por ρF ⋅dp3/ (μF2⋅εpm)), y si se usan los valores experimentales de los parámetros A’ (εpm / (1-εpm)3) y B (1/(1εpm)3), los cuales suelen tener respectivamente un valor cercano a 1650 y 24.5,
respectivamente, se obtienen las siguientes expresiones en las que aparecen dos números adimensionales, el número de Reynolds y el de Arquímedes:
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Estas estimaciones puedan presentar una desviación estándar de ± 34%. La estimación de la velocidad mínima de fluidización se puede mejorar con ayuda de la determinación experimental, que son las que sirven para definir los valores de 1650 y 24.5. Nótese que la velocidad mínima de fluidización es independiente de la altura de lecho. La expresión general para partículas cuya geometría viene definida por la esfericidad, φs, la cual cuantifica su alejamiento de la geometría esférica, es la
siguiente:
Expresión que en los dos casos extremos de partículas pequeñas y grandes se simplifica de la siguiente manera:
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El valor de la esfericidad oscila entre 0.5 y 1, siendo normal para sólidos granulares típicos el de 0.6. Las partículas esféricas son las mejores para fluidizar, siendo tanto más difícil cuanto más se alejan de la geometría esférica. En estos casos, las partículas no esféricas tienden a redondearse por efecto de la atrición.
Velocidad de arrastre. O velocidad terminal es aquella velocidad en la cual una partícula aislada puede ser arrastrada por la corriente del fluido. Cuando se trabaja a velocidades ligeramente superiores a la terminal, cambia considerablemente el aspecto de un lecho, con una cantidad de burbujas muy grande y una agitación que hace que se proyecten muchas partículas por encima del lecho, siendo difícil la distinción de la frontera entre la superficie del lecho y el espacio superior. El lecho tiene un régimen tan errático que presenta unas fluctuaciones de presión muy grandes con cambios tremendos en la porosidad a lo largo del tiempo. Para calcular la velocidad terminal, hay que utilizar como tamaño de partícula el inferior de la distribución de tamaños que se utilice. Para una partícula aislada, la velocidad terminal viene dada por la aplicación de un balance de cantidad de movimiento, cuya expresión final es : Donde CD es un coeficiente de descarga que depende de las características de las partículas y del régimen de circulación del gas. Haider y Levenspiel obtuvieron una correlación experimental para el valor de CD en función de φs y Rep:
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Expansión del lecho. La expansión del lecho fluidizado por un gas no es fácilmente estimable y las mejores estimaciones son las experimentales. En la práctica es necesario adicionar distribuidores y utilizar relaciones diámetro/altura, D/h, elevadas para conseguir una mayor uniformidad y eliminar posibles glóbulos y canalizaciones. En el caso de la fluidización agregativa una vez sobrepasada la velocidad mínima de fluidización, prácticamente todo el exceso de gas pasa por el lecho en forma de burbujas y la expansión se suele estimar como la correspondiente a la velocidad mínima de fluidización. Aunque su valor es más o menos uniforme en todo el lecho, la erupción de las burbujas en la superficie del lecho provoca que en esa zona crezca la fracción de huecos. Una correlación que da buenos resultados en las predicciones de εmf (± 10%)
cuando las partículas a fluidizar son bastante pequeñas es:
Cuando las partículas son grandes, estas predicciones son demasiado pequeñas, y valores obtenidos inferiores a 0.40 son dudosos. Si hay una distribución significativa de tamaños tampoco deben usarse estas predicciones, ya que las partículas pequeñas llenan los intersticios entre las grandes. Valores típicos de εmf están alrededor de 0.5.
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2.3.1. Tipos de reactores. Lecho fluidizado de borboteo (BFB). Se hace pasar gas hacia arriba a través de un lecho de partículas finas. Como resultado, para una velocidad superficial (o de entrada) del gas mucho mayor que la velocidad el lecho toma la apariencia de un líquido en ebullición con grandes burbujas que ascienden rápidamente a través del lecho. En este estado se tiene un lecho fluidizado de borboteo, BFB. Los reactores industriales, en particular aquellos a cabo reacciones catalizadas en fase gaseosa, operan a menudo en este régimen con velocidad del gas Los cálculos muestran que la conversión en lechos de borboteo podría variar de flujo pistón hasta muy por abajo del tanque agitado y por muchos años el aspecto más desconcertante y confuso de este comportamiento era que a menudo no se podía estimar o conjeturar de forma confiable que ocurriría en nueva situación. Debido a ello, el escalamiento a mayores tamaños era muy arriesgado e incierto, y, preferentemente, se dejaba que lo hicieran otros. Los investigadores han realizado un gran esfuerzo para desarrollar modelos que reconocen que el lecho de borboteo está formado por dos zonas muy diferentes, la fase burbuja y la fase emulsión. Ya que tales modelos contienen seis parámetros (fig.7).
Fig. 7. Modelos de dos fases para representar el lecho fluidizado de borboteo, con sus seis parámetros de ajuste. 15
Lecho fluidizado circulante (CFB). A velocidad del gas mayores que la las utilizadas para los BFB se entra sucesivamente en los regímenes de lecho turbulento (TB), lecho fluidizado (FF) y el transporte neumático (PC). En estos regímenes de contacto, los sólidos son arrastrados fuera de lecho y deben ser remplazados. Así, en operaciones en continuo se tiene el CFB (fig.8). Los modelos de flujo son muy esquemáticos para estos regímenes de flujo. En seguida se explica lo que se conoce.
Fig. 8. Régimen de contacto G/S desde una velocidad de gas baja hasta una muy alta.
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Lecho turbulento (TB). A las altas velocidades del gas, el BFB se transforma en un TB, en el que no hay burbujas definidas, hay mucha agitación y en movimiento violento de sólidos. La superficie del lecho denso se desvanece y los sólidos se encuentran cada vez más en la región ligera que hay encima del lecho denso. La concentración de sólidos en la parte superior ligera puede ser representada de modo razonable para una función exponencialmente decreciente que comienza con el valor en la región inferior , y cae hasta , el valor límite en un recipiente infinitamente alto. Este es el valor para el transporte neumático. El flujo del gas en la región densa esta entre el BFB y el flujo pistón. La figura 9.
Fig. 9. El TB y su distribución de sólidos.
Muestra el TB. Por desgracia, no existe un modelo de flujo razonablemente bueno para la región densa de un TB. Se necesita investigación en esta área. En lechos que contienen solidos finos y gruesos se podría observar una distribución de solidos algo diferente a lo largo del reactor – una clara diferencia entre las regiones densa y ligera y una marcada superficie de la fase densa -, como se muestra en la figura 10. Este comportamiento es más representativo de sistemas de reacción no catalíticos.
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Fig. 10. Comportamiento de un TB de partículas grandes y pequeñas.
El lecho fluidizado rápido (FF). A velocidad del gas todavía más altas (fig.11), el lecho entra en el régimen FF. Una característica de esta transición es que el arrastre de los sólidos aumenta considerablemente en este punto.se encontró que la transición ocurre cuando:
Fig. 11. Diagrama del régimen general de flujo para todo intervalo de contacto G/S.
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En el régimen FF, el movimiento de sólidos en la región inferior del recipiente se vuelve menos caótico y parece asentarse en una región central ligera de un anulo más denso o zona de la pared. La región superior mantiene su comportamiento exponencial decreciente. La figura 12, muestra la distribución de sólidos en el lecho FF completo y en una sección transversal del mismo. El modelo que representa el lecho FF se representa en la figura 13.
Fig. 12. Comportamiento de un lecho FF.
Fig. 13. Modelo de un reactor FF.
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Las variables que necesitan conocerse para predecir el comportamiento del reactor FF son a , y Para partículas Geldart tipo A
= 5 para partículas Geldart tipo AB =7 para partículas Geldart tipo B Los valores medidos de y han sido tabulados por Kunni y Levenspiel. Los valores de todava deben medirse; lo mejor que se puede hacer ahora es estimar su orden de magnitud a partir de y del BFB. Por lo tanto, en este momento no es posible predecir el comportamiento del reactor. Sin embargo, para ver cómo hacer el balance de materia y los cálculos de conversión, analizar el ejemplo numérico que se da en Kunni y Levenspiel.
El CFB con flujo descendente. Los reactores fluidizado de craqueos catalíticos, conocidos como “cat crackers” o reactor FCC, forman parte de los reactores en gran escala más importantes para las sociedades industriales. En promedio, cada una de estas unidades procesa cerca de 6000 ⁄ (40000 barriles/día) de petróleo crudo para producir gasolina, diesel y combustible para aviones que hacen funcionar los motores actuales. Existen en la actualidad alrededor de 420 reactores FCC en el mundo que operan día y noche para satisfacer las necesidades de nuestras insaciables sociedad. Estos reactores transforman por craqueo los hidrocarburos de cadena larga en una gran variedad de hidrocarburos de cadena más corta.
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El “cat cracker” original fue inventado a principios de lo s años 1940 y fue una de las
contribuciones más importantes de la ingeniería química a la segunda guerra mundial. Sin embargo, estas primeras unidades no utilizaban un catalizador muy selectivo, por lo que, con sus grandes desviaciones del flujo pistón, proporcionaban poca cantidad del producto intermedio que se deseaba. En la década de 1960 se crearon mejores catalizadores y más activos que redujeron a segundos el tiempo necesario de reacción para el vapor de petróleo, de modo que se inventaron los reactores FF de flujo ascendente. El acercarse más al flujo pistón permitió controlar mejor la distribución de productos, y con ello producir una gran fracción del producto deseado. Con este avance, la mayoría de los BFB del mundo se convirtieron en chatarra para ser remplazados por reactores FF de flujo ascendente.
2.3.2. Características de operación. Un lecho de partículas fluidizado con gas tiene un comportamiento similar a un líquido en ebullición y, en otros aspectos, también es similar al de un fluido. Tal y como podemos ver en la siguiente figura, cumple con los comportamientos de flotación, permanencia de su superficie libre horizontal e igualación de niveles cuando se conectan dos lechos. Además, la diferencia de presión entre dos puntos del lecho es proporcional a la diferencia de altura entre ellos y, ante por ejemplo un orificio, las partículas se comportan como un chorro. Este característico comportamiento permite idear distintos sistemas de contacto entre partículas y flujo de interés en aplicaciones industriales.
Fig. 14. Propiedades de los lechos.
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Cabe señalar las principales características del lecho fluidizado trabajando como reactor químico. Éstas son comunes para un lecho fluidizado burbujeante y para uno turbulento:
Reacciones de gases catalizadas por sólidos: Indicado para partículas granulares pequeñas o polvos no friables. Se consigue una rápida desactivación de los sólidos. El excelente control de la temperatura permite operaciones a grandes escalas.
Reacciones entre gases y sólidos: Es posible utilizar un amplio rango de tamaños de partículas. Se puede utilizar para operaciones a grandes escalas a temperatura uniforme. Es excelente para operaciones continuas.
Distribución de temperaturas en el lecho: La temperatura de las partículas es constante a través del lecho, y está controlada por el intercambio de calor o por el flujo y la agitación continúa de sólidos.
Partículas: Acepta un amplio rango de partículas de tamaño medio y pequeño. Por contra, la erosión del depósito y las tuberías, y el desgaste de las partículas puede ser importante.
Pérdida de carga: Es alta en lechos profundos, lo que implica un alto consumo de energía.
Intercambio y transporte de calor: Eficiente intercambio de calor
transportado por la circulación de partículas, por lo que no se suelen dar problemas de intercambio de calor para grandes escalas.
Factor de conversión: Para procesos continuos, la mezcla de gases y sólidos da un peor resultado que otros tipos de reactores, por ejemplo, para el lecho fijo teóricamente se pueden conseguir conversiones del 100%, aunque en la realidad se aproximan a valores del 60%.
Los lechos fluidificados son especialmente adecuados cuando se requiere que el catalizador sea regenerado con frecuencia o para reacciones con un alto efecto calorífico. Con frecuencia, los reactores son recipientes de gran diámetro (10 a 30 pies es bastante común para unidades de cracking en la industria del petróleo). En la Figura 15, se muestra un sistema típico. 22
Fig. 15. Diagrama de flujo de una unidad “fluid hydrofor mer”. Esquema de la combinación reactor-regenerador de lecho fluidificado.
El catalizador móvil permite una regeneración continua. Parte del catalizador se extrae continuamente del reactor en el tubo A y se envía al regenerador. Este es otro lecho fluidificado, en el cual el catalizador reactivado se devuelve al reactor a través del tubo B . De hecho, no es necesario efectuar la regeneración en un lecho fluidificado, ya que el catalizador puede retirarse continuamente a través del tubo A y devolverlo reactivado a través del tubo
B,
llevando a efecto la regeneración
por cualquier otro procedimiento. Sin embargo, el proceso es más económico si ambas reacciones se efectúan en lechos fluidificados y en una forma integral como se muestra en la Fig.15. Una característica importante del reactor de lecho fluidificado es que opera a temperatura casi constante, siendo más fácil su control. No hay Posibilidades de desarrollo de puntos calientes, como en el caso de los reactores de lecho fijo. El lecho fluidificado no posee la flexibilidad del lecho fijo para introducir o eliminar calor. Es posible añadir un diluyente para controlar el nivel de temperatura, pero esto puede no ser deseable por otras razones (se requiere una separación después del reactor, disminuye la velocidad de la reacción y se aumenta el tamaño del equipo). Se puede hacer circular un fluido que transmita el calor a través de la chaqueta del reactor, pero si éste es de gran tamaño, el intercambio de energía por este método es limitado. 23
Desde un punto de vista práctico, las pérdidas de catalizador debido a arrastres con la corriente de gas del reactor y del regenerador, pueden constituir un problema importante. La frotaci6n de las partículas disminuye su tamaño hasta un punto en el cual ya no están fluidificadas, ano que se mueven con la corriente de gas. Sc ha hecho costumbre separar estos polvos finos de catalizador con separadores tipo cicl0n y equipo de precipitación eléctrica, colocados en los tubos de los efluentes del reactor y del regenerador. El deterioro de las tuberías y de los recipientes, provocado por la acción abrasiva de las partículas sólidas en los procesos de cracking con fluidificación, ha sido motivo de cierta preocupación. Este problema es especialmente grave en las tuberías de transferencia de poco diámetro, donde la velocidad de la partícula es alta.
2.3.3. Ventajas y aplicaciones. Las principales ventajas e inconvenientes son: Ventajas: 1. El comportamiento de las partículas como un fluido permite controlar los procesos fácilmente. 2. El buen mezclado de los sólidos satisface el comportamiento isotermo a través del reactor, de ahí que se controle de forma simple. 3. Además, el mezclado homogéneo de los sólidos genera una inercia térmica que impide cambios bruscos de temperatura y da un amplio margen de seguridad para evacuar el calor en procesos muy exotérmicos. 4. La circulación de partículas entre dos lechos hace posible extraer, o añadir, grandes cantidades de calor necesario en grandes reactores. 5. Se puede utilizar en operaciones a grandes escalas. 6. Los coeficientes de transferencia de calor y de masa son altos comparados con otros procesos.
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7. La transferencia de calor entre un lecho fluidizado y un objeto sumergido en éste es alta, por lo que se necesitan pequeñas áreas en los intercambiadores. Desventajas: 1. La descripción del flujo de gas en un lecho burbujeante es complicada ya que se desvía bastante del modelo “plug flow”, que considera que la
velocidad del flujo es constante a través de la sección de área. Cuando hay una alta conversión en productos gaseosos el modelo es más complicado todavía. 2. El rápido mezclado de las partículas en el lecho impide que su tiempo de residencia no sea uniforme. En procesos continuos, esto genera unos productos no uniformes y un bajo rendimiento, especialmente con altos niveles de conversión. 3. Las partículas friables son pulverizadas y arrastradas por el gas, por lo que deben reemplazarse. 4. Hay una importante abrasión del depósito y de las tuberías. 5. En las reacciones no catalíticas a alta temperatura, se puede dar la aglomeración y el sinterizado de las partículas pequeñas. Debido a las ventajas de los reactores de lecho fluidizado, una gran cantidad de investigación está dedicada a esta tecnología. La mayoría de la investigación actual pretende cuantificar y explicar el comportamiento de las interacciones de fase en la cama. Los temas específicos de investigación incluyen las distribuciones de tamaño de partícula, varios coeficientes de transferencia, las interacciones de fase, la velocidad y la presión de efectos y modelos informáticos. El objetivo de esta investigación es la producción de modelos más precisos de los movimientos internos y fenómenos de la cama. Esto permitirá a los ingenieros químicos para diseñar mejores reactores, más eficaces que pueden tratar con eficacia las desventajas actuales de la tecnología y ampliar la gama de uso FBR.
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Bibliografía. 1. J.M. Smith. Ingeniería de la cinética química. Ed.Mc Graw-Hill. 2. Levespiel, Octave. Ingeniería de las reacciones químicas. Ed. Repla.s.a. 3. Levenspiel, Octave. Ingeniería de las reacciones químicas. Ed. Limusa Wiley. Tercera edición. 4. Levenspiel, Octave. El omnilibro de los reactores químicos. Ed. Reverte, S.A. 5. Juan A. Conesa Ferrer. Reactores de lecho
fluidizado.
Diseño de
reactores heterogéneos. Universidad de Alicante. 6. Jesús Gómez Hernández. Modelo no isotérmico de gasificadores de lecho fluidizado. Universidad Carlos III de Madrid. 7. Monserrat Iborra. Reactores multifásicos. Ed. Universdad de Barcelona.
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