Que es un reactor heterogéneo ? Los reactores heterogéneos son reactores que involucran dos o mas fases reactivas (gas-solido, liquido-gas, solido-liquido o liquido-liquido) para que la reacción se lleve a cabo. Pueden ser catalíticos o no catalíticos. Como funciona ? (ejemplo fluido-solido)
Se transportan los reactantes del fluido global a la interface fluido-solido ( superficie externa de la partícula catalizadora ) Ahora se trasportan los reactantes en ele interior de la partícula ( si esta es porosa) Los reactantes reactantes se adsorben en puntos internos de la partícula partícula catalítica. Ocurre la reacción química de los reactantes adsorbidos formando productos adsorbidos ( reacción superficial) Se lleva a cabo la desorción de los productos adsorbidos Se transportan los productos de los puntos internos a la superficie externa de la partícula de catalizador Por ultimo se lleva acabo el transporte de los productos de la interface fluido-solido a la corriente de fluido global.
Como se clasifican ?
Reactores 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. 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. La reacción química se lleva a cabo en un sistema abierto, los reactantes y productos se añaden y descargan continuamente, se operan a régimen estable y la temperatura, presión y composición pueden variar con respecto al tiempo. TIPOS Reactor de lecho fijo de tubos múltiples: Consisten en uno o más tubos empacados con partículas de catalizador, que operan en posición vertical. 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. 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
VENTAJAS Y DESVENTAJAS VENTAJAS Su operación es continua Su comportamiento es similar al reactor de flujo pistón Más eficiente que el reactor de cama fluidificada Bajo costo de operación Altas conversiones DESVENTAJAS El catalizador se puede desactivar o envenenar con el tiempo Es difícil controlar la temperatura y por lo tanto se pueden formar zonas calientes que pueden perjudicar al catalizador e incluso desactivarlo. No se puede emplear catalizadores de un tamaño muy pequeño ya que se formarían tapones y habría grandes pérdidas de presión. Existe dificultades en la limpieza del equipo 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 ciclo hexano 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. TIPOS 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. 1. 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. 2. Gas-sólido : En este tipo de sistemas, las partículas se clasifican en cuatro grupos Generalmente presentan cinco estados
SISTEMA DE LECHO FLUIDIZADO
REACTORES DE LECHO FLUIDIZADO CIRCULANTE
CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN Adecuados cuando se requiere que el catalizador sea regenerada 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 1. 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. 2. 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. 3.
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). 4.
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. 5.
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 comprendidos entre 1 y 100 m3.
este
tipo
tienen
volúmenes
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.