Reactor de lecho fluidizado: Diseño y aplicación para la reducción de fluoruro Briand Vallejo Rivas Rosa Angélica Martínez Velázquez Carlos Urías Urquídez
INTRODUCCION: Los lechos fluidizados se utilizan como un proceso técnico que tiene la capacidad de promover un alto nivel de contacto entre los gases y sólidos. En un lecho fluidizado de un conjunto característico de propiedades básicas se puede utilizar, indispensable al proceso moderno y de la ingeniería química, estas propiedades incluyen:
ALGUNAS PROPIEDADES
Extremadamente alta superficie de contacto entre el líquido y el sólido volumen de lecho por unidad Las altas velocidades relativas entre el líquido y la fase sólida dispersa. Los altos niveles de entremezclado de la fase de partículas. Frecuentes colisiones entre partículas y partículas pared.
► El reactor de lecho fluidizado tiene la capacidad de
procesar grandes volúmenes de líquido. ► Las virtudes del reactor de lecho fluidizado llevaron a sus
competidores en el mercado. ► La fluidización se produce cuando pequeñas partículas sólidas se suspenden en un “upwardflowing” “|↑ ↑ ↑|” de
corriente de fluido ► Un ejemplo es el “craqueo” catalítico de naftas de petróleo
aplicado para formar las mezclas de gasolina, .
EFLUENTE
PARTICULAS SOLIDAS FLUIDIZADAS
AFLUENTE
Figure R12.3-1 From Kunii and Levenspiel
► La velocidad del fluido tiene que ser suficiente para
suspender las partículas , pero no tan grande para evitar salgan del contenedor. ► Las partículas sólidas alrededor de la cama se mueven rápidamente en una especie de “remolino”, creando una mezcla excelente entre ellas . ► El material " fluidizado “ :
Sólido ► " Medio de fluidización " :
Líquido o gas ►Las características y el comportamiento de un lecho fluidizado son “fuertemente dependientes” tanto de la
propiedades de sólidos y líquidos o de gas .
VENTAJAS DEL FBR
DESVENTAJAS DEL FBR
Modelo de Davidson Davidson (1965) desarrolló un modelo que reproduce satisfactoriamente el comportamiento de estas burbujas aisladas inyectadas en un lecho en condiciones de mínima de fluidización, ► Postulado 1. Las burbujas son esféricas y están libres de sólidos. (Por
tanto la presión en su interior es constante). ► Postulado 2. Cuando la burbuja asciende, la emulsión se mueve como
si fuera un fluido no viscoso incompresible, de densidad ρs(1-εmf). ► Postulado 3. El gas en la fase emulsión se comporta como un fluido
incompresible viscoso, por lo que se cumple la ley de Darcy en cualquier dirección. Además, el modelo incluye dos condiciones de contorno: en la dirección vertical, existe un gradiente constante de presión lejos de las burbujas. Además, la presión en el interior de las burbujas es constante.
Modelo de Davidson Según este modelo, la presión en la parte baja de la burbuja es menor que en el lecho que la rodea, mientras que en la parte superior es mayor. Así, el gas fluye desde la parte inferior y abandona la burbuja por la parte superior. El resultado del modelo de Davidson indica el movimiento de los sólidos en las inmediaciones una burbuja mediante la aplicación del flujo potencial, sin valorar el ascenso neto de sólidos por viajar en la estela. El modelo de Davidson también indica que la velocidad del gas por el interior de la burbuja es 3 veces la mínima de fluidización con respecto a la velocidad de la burbuja:
Modelo de Davidson Sin embargo, las líneas de flujo son distintas en función de la relación entre la velocidad de ascenso de la burbuja con respecto a la velocidad real del gas en la emulsión,
,
• Si u f > u b r El gas tiende a circular por el interior de la burbuja para acelerar su paso por el lecho. • Si u = u f b r , El gas de la emulsión puede entrar y salir de la burbuja varias
veces. • u f
burbuja. Se produce una recirculación de gas que sube por la burbuja, que al salir, baja por la emulsión, y de nuevo entra en la burbuja por la parte inferior. De esta forma, se forma una nube de gas que acompaña a la burbuja, cuyo tamaño depende de la relación
u br/ u f
u br
/
u f
MODELO
Kunii - Levenspiel En este modelo , el gas reactivo entra en la parte inferior de la cama y fluye hasta el reactor en forma de burbujas. Como aumenta la cantidad de burbujas , la transferencia de masa de los gases reactivos se lleva a cabo a medida que estos fluyen por dentro ( por difusion ) y fuera de la burbuja para ponerse en contacto con las partículas sólidas , estas reaccionan para obtener el producto final . El producto fluye entonces de nuevo en una burbuja y finalmente sale de la cama cuando la burbuja llega a la parte superior de la cama. La velocidad con la que los reactivos y productos se transfieren dentro y fuera de la burbuja afecta a la conversión , al igual que el tiempo que tomado para que la burbuja pase a través del lecho . Por consiguiente , es necesario describir la velocidad a la que el burbujas se mueven a través de la columna y la velocidad de transporte de los gases dentro y fuera de las burbujas .
Algunos cálculos a considerar ► Para calcular estos parámetros , es necesario determinar una serie de “fluidomecanismos” (parámetros asociados con el proceso de fluidización) .
Específicamente , para determinar la velocidad de la burbuja a través del lecho tenemos que calcular primero… :
1 . La porosidad en la fluidización mínima ,
εm f
2 . Velocidad de fluidización mínima , u m f 3 . Tamaño de la burbuja , d b ► Para calcular el coeficiente de transporte de materia , primero tenemos que calcular 1 . La porosidad en la fluidización mínima ,
εm f
2 . Velocidad de fluidización mínima, u m f 3 . Velocidad de subida de burbujas, u b 4 . Tamaño de la burbuja , d b ► Para determinar los parámetros de velocidad de reacción en la cama, tenemos que calcular primero 1 . Fracción de la cama total ocupada por las burbujas , δ 2 . Fracción de la cama que consiste en despertar , αδ 3 . Volumen de catalizador en las burbujas , las nubes y emulsión ,
γ b , γ c
y
γ e
DESCRIPCION DEL FENOMENO Consideramos una cama vertical de partículas sólidas soportados por una placa distribuidora porosa o perforada. La dirección del flujo de gas es hacia arriba a través de esta cama.
Suposiciones del modelo kl ►(a) Todas las burbujas son de un mismo tamaño. ►(b) Los sólidos en el flujo de la fase de emulsión fluyen
lentamente hacia abajo, esencialmente en de flujo tapón. ►(c) La fase de emulsión existe en condiciones mínimas de fluidización. El gas ocupa la misma fracción de “huecos” en
esta fase, ya que tiene todo el lecho en el punto de fluidización mínima. Además, debido a que los sólidos están fluyendo hacia abajo, la velocidad mínima de fluidización se refiere y equivale a la velocidad relativa de gas para mover a los sólidos en suspensión :
VEL.MINIMA DE FLUIDIZACION
VEL. DEL GAS EN LA FASE DE EMULSION POROSIDAD
VELOCIDAD DEL SOLIDOS SUSPENDIDOS
Suposiciones del modelo kl ► (d)Las burbujas al ascender arrastran la estela a la misma velocidad, un
conjunto de sólidos y gas con la porosidad del estado de mínima fluidización. El tamaño de la estela (respecto de la burbuja) dependerá fundamentalmente del tipo de partículas, y se denota mediante fw, que es la relación del tamaño de la estela respecto al de la burbuja ► La fase burbuja no contiene sólidos, y el flujo de gas en su interior cumple
el modelo de Davidson de burbujas aisladas. La velocidad de ascenso de las burbujas contempla desviaciones respecto a la propuesta por Davidson y Harrison: donde ψ y α son la unidad para Geldart tipo B y D (partículas mas comunes). De esta forma, ψ y α tomarán distintos valores en función del tipo de partículas Geldart. Así, la fracción de burbuja se obtiene por distintas expresiones en función de la velocidad relativa de las burbujas:
Suposiciones del modelo kl
El parámetro δ es la fracción de burbuja
VOLUMEN DE BURBUJA TAMAÑO DE LA ESTELA (WAKE)
f w
VOLUMEN DE ESTELA
Diseño de un reactor de lecho fluidizado
Factores de diseño 1.
Sistema de circulación: se usa si la desactivación es rápida
2.
Tipo de lecho y tamaño de burbuja:
3.
Relación altura-diámetro: efecto pequeño en la conversión, relación mínima de 1
4.
Francobordo: si existen reacciones secundarias indeseables, este debe de reducirse y usar ciclones mas eficientes
5.
Distribuidores: si se va a usar un lecho con burbujeo libre el distribuidor debe de tener orificios pequeños
6.
Envejecimiento del catalizador: para reacciones
7.
Control de la distribución de tamaños: se controla con el tamaño de las partículas y la eficiencia del ciclón y esto mantiene una buena fluidización.
Comportamiento descriptivo de un lecho fluidizado A velocidades mayores a la mínima de fluidización, en el lecho se empieza a ver como un liquido ebullendo, se ve como burbujas de gas suben rápidamente reventándose en la superficie y la fase emulsión se encuentra agitada
Kunni y Levenspiel “modelo de lecho burbujeante
Corriente de alimentación con una C A reacciona con el catalizador siendo una reacción de primer orden El lecho tiene 3 regiones: burbuja, nube y emulsión Uo >>Umf , todo el gas pasa en forma de burbuja y se desprecia el flujo por la emulsión El paso del gas entre una región a otra esta dada por Kbc y Kce.
La masa de solidos en el lecho esta dada por:
A velocidades bajas del gas las burbujas contienen pocas partículas sólidas, estas se encuentran en la emulsión. El arrastre ejercido en la partícula es igual a la fuerza de gravedad
Para Reynolds menores a 10, la velocidad mínima de fluidización es:
Cuando la velocidad de subida del gas sea mayor a la velocidad de caída libre de la partícula, esta será arrastrada por la corriente.
Velocidad de burbuja y tamaño de la nube Davidson y Harrison encontraron que la velocidad de subida de una burbuja esta relacionado con su tamaño: Entre mas alta sea la velocidad mínima de fluidización, mas baja será la velocidad de subida de una burbuja. La velocidad de subida de burbuja es representada por esta ecuación:
Fracción de la fase burbuja en el lecho Solidos que fluyen hacia abajo en la emulsion = solidos que fluyen hacia arriba en la cauda
El balance de masa del flujo del gas da: La velocidad de subida del gas en la emulsión:
Fracción ocupada por burbujas:
Cuando Ub >> Umf
Reacción de primer orden Para el reactivo A en las 3 regiones a cualquier altura tenemos:
Los coeficientes de intercambio se calculan con el tamaño de burbuja estimado para cierta altura Combinando las ecuaciones:
Cuando la reacción no es rápida y ocurre a lo largo del lecho, se puede usar un tamaño de burbuja promedio y coeficientes de intercambio constantes, en este caso la concentración en la burbuja a una altura z es:
Para el reactor completo
Trabajo experimental
Procedimiento 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Compresor Receptor Tanque Torre de gel silicua Válvula bypass Válvula de línea
7. Rotámetro 8. Lecho fluidizado 9. Sección calmante 10.Toma de presión 11.Distribuidor 12.Manómetro 13.Medidor de presión