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 sólido sólidos, s, para para la produc producció ción n a gran gran escala escala de reactiv reactivos os primar primarios ios o interm intermedi edios. os. Constan de un armazón cilíndrico y dos cabezas convexas la mayoría son verticales y permiten fluir los reactivos por gravedad. n lecho empacado presenta la ventaja de !ue no !uiere la separación del catalizador como en el caso de las reacciones catalíticas homogéneas. "n un reactor empacado, los gr#nulos de catalizador se acomodan de manera !ue llena una c#mara de reacción. Las partícula partículas s catalítica catalíticas s pueden pueden variar variar de tama$o tama$o y forma% forma% granulare granulares, s, cilíndricas cilíndricas,, esféricas, etc. La c#mara de reacción puede ser un interior de un tubo o la sección anular entre dos tubos concéntricos o la cha!ueta de un reactor con una configuración similar a un intercambiador de calor. &un!ue &un!ue en muchos casos sea conveniente para su fabricación, el reactor no forzosamente tiene una configuración cilíndrica. &dem#s, 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. (#s aun, el catalizador puede ser o no poroso. )tra tra facet aceta a a tene tenerr en cuen uenta es el gran ran aume aument nto o de produ roducc cció ión n !ue han experimen experimentado tado determinados determinados productos. productos. *al *al es el caso de las fibras sintéticas sintéticas,, los pl#sticos pl#sticos,, los fertilizant fertilizantes es !uímicos, !uímicos, etc., lo !ue, indudablemen indudablemente, te, lleva lleva consigo consigo un aumento de la producción de los productos !uímicos b#sicos.
Existen dos procedimientos generales de diseño de reactores de lecho fijo fij o a) +ise$o +ise$o empírico, empírico, basado basado en verificar verificar experimen experimentalme talmente nte los fenómeno fenómenos s !ue supuestamente se van a dar en el reactor físicos, !uímicos y fisico!uímicos-. &poy#ndose en datos experimentales, obtenidos a diferentes escalas% laboratorio, planta piloto, semiindustrial, se extrapola al reactor a nivel industrial. Como es f#cil de comprender, el esfuerzo y coste de la investigación, obtención de dichos datos, es muy elevado. ) +ise$o científico, !ue se realiza a partir de expresiones matem#ticas, m#s o menos complejas, !ue tienen en cuenta los distintos fenómenos !ue ocurren en el reactor% reacción !uímica, transporte de materia, de energía y cantidad de movimiento. La complejidad del modelo adoptado depende de los fenómenos !ue se tienen en cuenta. /aturalmente, a mayor n0mero de éstos 0ltimos, mayor
complejidad en las ecuaciones !ue describen el modelo, y un n0mero m#s elevado de par#metros en las mismas. "s claro el esfuerzo !ue en las 0ltimas dos décadas se est# dedicando al desarrollo de este dise$o científico, cuya finalidad consiste en desarrollar las herramientas necesarias para proceder al dise$o de los reactores de lecho fijo a partir de los estudios de laboratorio, obviando las extensas y laboriosas etapas del cambio de escala. 1ay, adem#s, !ue tener en cuenta, el aumento de la importancia de los fenómenos físicos seg0n aumenta la escala de las instalaciones, por lo !ue se explica la enorme cantidad de trabajos sobre el tema, desde !ue 2ilhelm, en 3456, establece los principios !ue deben apoyar el dise$o científico comentado. La complejidad del modelo !ue debe utilizarse, para cada caso particular, depende, fundamentalmente, del propio proceso y de la precisión con !ue se conozcan los par#metros cinéticos y de transporte. 7e han desarrollado dos tipos de modelos muy diferenciados, aun!ue puede establecerse una conexión entre ambos. Los llamados modelos de mezcla en los !ue 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 cusicontinuos m#s puramente descriptivos de los fenómenos !ue se suponen en el interior del reactor-. 7ería complejo tratar de discernir !ué tipo de modelo es capaz de llegar a una mejor descripción de la realidad del reactor !uímico. 7in embargo, es un hecho constatable la mayor atención !ue ha recibido el modelo difusional.
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!ntecedentes" "l dise$o o an#lisis de reactor, en el cual una reacción de un fluido se promueve por un sólido catalítico difiere del dise$o o an#lisis de un reactor para reacciones homogéneas. Los principios estudiados hasta ahora en cuanto al dise$o de reactores ser#n v#lidos para nosotros. La ley cinética del proceso es a menudo m#s compleja para una reacción catalítica !ue para una reacción homogénea, y ésta complejidad puede hacer !ue la ecuación fundamental de dise$o sea m#s difícil de resolver de forma analítica.
7e utiliza la masa de sólido por!ue es la cantidad de catalizador, o la masa de sólido reaccionante presente, lo !ue es importante para la velocidad de reacción. "l volumen de reactor !ue contiene el catalizador u otro sólido es de importancia secundaria en estos casos.
“REACTOR DE LECHO FIJO” 1. DESCRIPCIÓN. La misión b#sica del reactor catalítico es poner en contacto catalizador y reactantes para !ue la reacción progrese de forma idónea en el proceso !uímico !ue lo incorpora. "l catalizador puede estar en la misma fase !ue los reactantes, o no. "ste hecho permite organizar la cat#lisis en homog$nea% heterog$nea &
en'im#tica( del reactor
cataltico homog$neo
"n el dise$o presente-.
"n la cat#lisis heterogénea, reactantes y catalizador est#n en diferente fase.
una sola fase
DEFINICIÓN. n lecho consiste en una columna formada por partículas sólidas, a través de las cuales pasa un fluido lí!uido 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. FUNCIONAMIENTO DEL EQUIPO DE REACTOR DE LECHO FIJO.
3. TIPOS DE EQUIPOS DE REACTORES 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 travs del cual el !uido circula. "in em#ar$o% se dan otras disposiciones% como mallas metálicas &o 'metal $auzes() en la oxidación de amoníaco a ácido nítrico% monolitos donde el catalizador adopta la forma de panal de a#e*as en el tratamiento de contaminantes en corrientes $aseosas por oxidación+reducción% o como partículas en suspensión en un tanque a$itado mecánicamente &o slurry).
,umerosos procesos de la industria quí mica #ásica y secundaria% y de tratamiento de fracciones de petróleo emplean reactores con lecho de catalizador. -tendiendo a la disposición del lecho se distin$uen reactores de lecho *o% !uidizado y móvil &/i$ura 2.1). El uso de reactores de lecho .*o está muy extendido &o#tención de "01 por el mtodo hillips% o#tención de amoníaco% craqueo con vapor% etc)% mientras que los de lecho !uidizado y% en especial% los de lecho móvil se emplean con mucha menos frecuencia. or su importancia de#e citarse el craqueo catalí tico en lecho fluidizado.
/i$ura 2.1. 3istintos esquemas de reactores catalíticos4 a) lecho .*o &multitu#ular)5 #) lecho !uidozado5 c) lecho móvil.
En el reactor de lecho móvil el !uido arrastra las partículas de catalizador que conservan su posición relativa respecto las otras partículas. Es decir% el lecho es móvil respecto a las paredes del reactor. El lecho de sólidos puede moverse en co+corriente% contracorriente o en !u*o cruzado respecto a la corriente de !uido reactante% siendo desea#le que am#as fases si$an el modelo de flu*o en pistón. El lecho móvil es útil cuando el catalizador sufre desactivación rápida y puede ser re$enerado de forma continua. "i no existen zonas muertas% el lecho móvil tiene las características de un lecho *o y las venta*as de un reactor con $radiente axial de concentración. ermite o#tener elevadas conversiones con una #uena selectividad. "u principal 'handicap( es el mane*o de $randes cantidades de
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REACTOR DE LECHO FIJO sólidos% siendo su resistencia a la atrición un factor muy importante. Estos reactores son adecuados para tra#a*ar en r$imen adia#ático% en especial con reacciones endotrmicas. El mismo catalizador puede servir como a$ente calefactor &con el calor que retiene de la re$eneración% o por calefacción directa o indirecta). 6os reactores de lecho móvil tienen pocas aplicaciones catalíticas pero extremadamente importantes. Entre ellas% el craqueo catalítico del $asoil y el reformado catalítico de las $asolinas. En el reactor de lecho .*o las partículas están inmovilizadas% y por tanto en íntimo contacto unas con otras. En el reactor de lecho !uidizado las partículas están en suspensión% pero la velocidad del fluido no es suficiente para arrastrarlas. 6os factores a tener en cuenta para decidir entre uno u otro son4 el contacto sólido+!uido% el control de temperatura% el tama7o de partícula a emplear &li$ado íntimamente con la prdida de presión permisi#le) y la manera de afrontar el pro#lema de la re$eneración si el catalizador sufre desactivación rápida. 1)
8ontacto sólido+!uido . En el lecho fi*o el fluido al circular por el espacio li#re entre las partículas si$ue un modelo de flu*o muy próximo al flu*o en pistón. El f uncionamiento del reactor es fácil de comprender y de modelizar. En el reactor de lecho fluidizado% el movimiento ascensional del !uido mantiene las partículas en suspensión. El modelo de flu*o es comple *o. ara descri#irlo se emplea comúnmente el modelo de #or#oteo que supone mezcla perfecta para el sólido y !u*o en pistón para el !uido. En el !uido se forman #ur#u*as &cortocircuitos o '#ypass()% que contri#uyen a reducir la ecacia del contacto sólido+!uido.
2)
8ontrol de temperatura. 6a conducción trmica es el mecanismo principal de transmisión de calor en un lecho *o. 8omo la conductividad trmica del lecho es reducida% suelen formarse perles axiales y9o radiales
de temperatura en el lecho% que pueden ser un pro#lema para la esta#ilidad trmica del catalizador. En el lecho fluidizado% por el contrario% el mecanismo #ásico es por convección en el f luido. :ste es un mecanismo más ecaz que la conducción% y el resultado es que el lecho fluidizado% en la práctica% es casi isotermo. )
Tama7o de partícula de catalizador.
facilitar la !uidización las partículas son $eneralmente de tama7o reducido &típicamente de ;< a 1<< =m). 8on este tama7o no hay pro#lemas de difusión en la partícula% y la ecacia de partícula es próxima a la unidad. or otro lado la con$uración del reactor hace que la prdida de presión del !uido sea muy peque7a. En el reactor de lecho *o% para reducir la prdida de presión por circulación del fluido se emplean partículas que oscilan desde 1+2 mm. a varios cm. 8on este tama7o la ecacia de partícula es #a*a% de forma ara
DISEÑO DE REACTORES
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REACTOR DE LECHO FIJO que el tama7o de partícula se optimiza para hacer compati#le una prdida de presión acepta#le con una ecacia de partícula superior al ;<>. ?) @e$eneración. 6os catalizadores sufren desactivación cuando están en operación. "i la prdida de actividad es lenta% puede usarse un reactor de lecho *o. 6a dicultad se salva entonces so#re+ dimensionando el reactor y sustituyendo el catalizador usado en las paradas pro$ramadas. El lecho !uidizado permite dise7ar dispositivos que facilitan el 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 consi$uiente% con catalizadores que se desactivan muy rápidamente
4. DISEÑO DEL EQUIPO DEL REACTOR DE LECHO FIJO. CASOS RELACIONES DE DISEÑO CÁLCULOS . USOS ! APLICACIONES. 6. CONCLUSIÓN. DEFINICIÓN DEL REACTOR DE LECHO FIJO PARTES DEL EQUIPO DEL REACTOR DE LECHO FIJO
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