Reactores de lecho fluidizado

2014 LECHO FLUIDIZADO

Equipo 7 Itesco 11/11/2014

Unidad: Departamento:

Materia:

Instituto Tecnológico superior de Coatzacoalcos. Ingeniería Química

Reactores heterogéneos

Fecha de Edición: 12/11/2014


Materia:

Instituto Tecnológico superior de Coatzacoalcos.


Ingeniería Química


Contenido

REACTORES DE LECHO FLUIDIFICADO ................................................................. 3 MODELO DE LECHO FLUIDIZADO EN DOS FASES ............................................... 4

Propiedades de los sistemas gas-sólido ................................................................ 4 Caracterización de partículas .................................................................................. 6 RELACIÓN ENTRE CAÍDA DE PRESIÓN Y LA VELOCIDAD ................................ 6

Transición desde fluidización suave a fluidización burbujeante ......................... 8 Transferencia de masa y de calor en lechos fluidizado. ................................................... 8 Comparación con los reactores de lecho fijo y fluidizado............................................... 9


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REACTORES DE LECHO FLUIDIFICADO Los lechos fluidizados son muy comunes, en el secado industrial en un reactor de lecho fijo, las partículas del catalizador son relativamente grandes y estacionarias. En contraste, en un reactor de lecho fluidificado, las partículas pequeñas (50 a 250~) se desplazan de una manera que depende de la velocidad del fluido reaccionante. La Fig. 1O-6 muestra la diversidad de comportamientos de las partículas en un tubo vertical a través del cual fluye el fluido. A velocidades bajas, las partículas no se perturban, por lo que, en esencia, se produce un comportamiento de lecho fijo. En el otro extremo, la velocidad es tan alta que las partículas se elevan hacia la parte superior del reactor con el fluido. En estas condiciones, el sistema opera como reactor de transporte o de línea de transferencia. En la mayoría de los reactores catalíticos de lecho fluidificado, el fluido es un gas y las condiciones normales de operación consisten en un régimen de burbujeo.

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En estas condiciones, el gas se desplaza a través del reactor de dos maneras: como “burbujas” que contienen relativamente pocas partículas de sólidos y que se mueven con más rapidez que la velocidad promedio, y como base continua “densa” o de “emulsión” en la que la concentración de partículas es alta.

MODELO DE LECHO FLUIDIZADO EN DOS FASES Propiedades de los sistemas gas-sólido

Si se hace circular un gas a través de un lecho de sólidos, con dirección descendente, no tiene lugar ningún movimiento relativo entre las partículas a menos que la orientación inicial de las mismas sea inestable. Si el flujo es laminar, la caída de presión a través del lecho será directamente proporcional a la velocidad de flujo, aumentando más rápidamente a grandes velocidades. Si el gas circula a través del lecho en dirección ascendente, la caída de presión será la misma que en el caso anterior para velocidades bajas, pero cuando la resistencia por rozamiento sobre las partículas sea igual a su peso aparente (peso real menos empuje), estas sufren una reordenación para ofrecer una resistencia menor al desplazamiento del gas y el lecho empieza a expansionarse. Este proceso continúa al ir aumentando la velocidad, permaneciendo la fuerza debida a la fricción igual al peso de las partículas, hasta que el lecho ha adquirido la forma más suelta de relleno. Si entonces se aumenta aún más la velocidad, las partículas del sólido se mantienen en suspensión en la corriente gaseosa, diciéndose que el lecho está fluidizado. Al valor de la velocidad superficial necesaria (caudal de gas/sección total) para que se inicie la fluidización se le denomina velocidad mínima de fluidización, umf. Posteriores aumentos de la velocidad hacen que las partículas se separen aún más unas de otras, permaneciendo la diferencia de presiones aproximadamente igual al peso por unidad de area del lecho. Fluidización uniforme se obtiene únicamente a velocidades relativamente bajas. A velocidades elevadas se forman dos "fases" separadas: la fase continua se denomina fase densa o de emulsión, y a la discontinua, fase ligera o de burbujas. Se dice entonces que la fluidización es de agregación. El lecho toma el aspecto de un líquido en ebullición, moviéndose los sólidos vigorosamente y ascendiendo rápidamente grandes burbujas a través del lecho. A primera vista parece que el gas en exceso sobre el correspondiente a umf pasa a través del lecho en forma de burbujas (“lecho de borboteo").


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Así, al aumentar el flujo del gas, su velocidad relativa a las partículas en la fase densa puede no variar apreciablemente: el flujo relativo a las partículas puede continuar siendo laminar incluso a velocidades globales de flujo muy elevadas. Si la velocidad de paso del gas es alta, y el lecho es profundo, tiene lugar la coalescencia de las burbujas, y en un recipiente estrecho puede fraccionarse el lecho, formándose "tapones" de gas que ocupen la sección transversal. Estos tapones de gas quedan alternados con zonas de sólidos fluidizados que

son transportados hacia arriba, deshaciéndose a continuación y cayendo los sólidos de nuevo ("lecho fragmentado"). Cuando la velocidad aumenta más el lecho llega a ser menos denso y finalmente las partículas pueden ser arrastradas. Esta velocidad máxima permisible es la velocidad terminal o free-fall velocity. A ésta velocidad la resistencia por rozamiento ejercida en una partícula por el gas ascendente se iguala a la fuerza de gravedad (peso efectivo). La fluidización comenzó a tener interés cuando fueron adaptados los catalizadores fluidizados por la industria del petróleo, para el craqueo de los hidrocarburos pesados y para la síntesis de combustibles a partir del gas natural o CO e H2. En muchos aspectos el lecho fluidizado se comporta como un fluido de densidad igual a la de los sólidos y el fluido combinadas. Tiene lugar una mezcla muy íntima y la transferencia de calor en el interior del lecho es muy rápida, obteniéndose por tanto rápidamente temperaturas uniformes en todo el sistema. La facilidad de control de la temperatura es la característica que ha conducido al uso de estos sistemas en procesos fuertemente exotérmicos, y en aquellos en los que es importante un control preciso de la temperatura. Una fluidización de buena calidad se consigue cuando el lecho está libre de irregularidades y de canalización. Debe aceptarse que muchos sólidos nunca darán una buena fluidización, en especial aquellos cuya forma es apreciablemente no isométrica y aquellos que forman partículas blandas que tienden fácilmente a aglomerarse. Además, cuando el sólido es capaz de dar una fluidización de buena calidad, el fluido debe distribuirse completamente en el fondo del lecho, y esto requiere la presencia de un distribuidor que origina una caída de presión al menos igual a la que tiene lugar a través del lecho.

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Caracterización de partículas

Para partículas irregulares, más o menos esféricas, se considera que dsph representa el diámetro de una esfera perfecta con el mismo volumen que ocupa la partícula a la que se refiere. Se define el diámetro efectivo como:

Donde dshp es el diámetro teórico de una partícula esférica que tuviera la misma relación superficie/volumen que la partícula real. Por otro lado φs

representa la esfericidad de la partícula real, es decir, la relación entre la superficie de una esfera y la de una partícula con el mismo volumen. Para partículas irregulares, más o menos esféricas, el diámetro de partícula que se obtiene de tamizados o de equipos medidores de tamaño de partícula, coincide con dsph. Si el lecho tiene varios tamaños de partícula (amplio rango), se sustituye en la fórmula el diámetro de partícula por un diámetro medio, de todas las partículas del lecho, calculado de la siguiente forma:

Dónde: xi es la fracción másica de partículas de diámetro dpi. Por otra parte, la superficie específica del lecho, es decir, la relación entre la superficie externa total de todas las partículas del lecho frente al volumen que ocupan, viene dada por:

Dónde: εm es la porosidad del lecho, o sea, la fracción del volumen de lecho

que está vacío.

RELACIÓN ENTRE CAÍDA DE PRESIÓN Y LA VELOCIDAD Esta representación es un buen indicativo de la calidad de la fluidización, especialmente cuando la observación visual no es posible. Se obtiene cuando partiendo de un lecho fijo (no fluidizado previamente) se aumenta la velocidad superficial y se va midiendo la pérdida de presión.


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Si se representa la caída de presión a través del lecho frente a la velocidad se obtiene una variación lineal si el régimen es laminar hasta el punto en que tiene lugar la expansión del lecho, pero luego la pendiente de la curva disminuye gradualmente a medida que el lecho se expansiona. Al aumentar la velocidad, la caída de presión pasa por un máximo, disminuyendo entonces ligeramente y adoptando un valor aproximadamente constante, independiente de la velocidad del gas. Si se reduce de nuevo la velocidad, el lecho se contrae hasta alcanzar la condición en que las partículas empiezan a descansar unas sobre otras; la porosidad tiene entonces el valor máximo estable para un lecho fijo de las partículas en cuestión. Si la velocidad se disminuye aún más, el lecho permanece entonces en esa condición suponiendo que no se agite. La caída de presión en este lecho fijo reformado es entonces menor que la obtenida originalmente a la misma velocidad. Si se aumentara ahora de nuevo la velocidad, sería de esperar que se siguiera la nueva curva y que la pendiente cambiara súbitamente de 1 a 0 en el punto de fluidización. En la Figura 1 se pueden ver dos zonas bien diferenciadas para uo: 

uo < umf → Lecho fijo donde la Log( ∆P) es lineal frente a Log(uo) con



uo > umf → Lecho fluidizado donde Log( ∆P) es aproximadamente cte

pendiente 1, cuando el régimen es laminar frente a Log(uo)


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Transición desde fluidización suave a fluidización burbujeante

Para partículas pequeñas, las burbujas aparecen inmediatamente se supera la velocidad mínima de fluidización. En lechos de partículas grandes, umb ≅2umf, donde umb representa la velocidad mínima de flujo para que aparezcan burbujas en el interior del lecho fluidizado. Como ecuación válida, se propone:

La ecuación será válida si 20
Transferencia de masa y de calor en lechos fluidizado. Una de las características importantes de los lechos fluidificados es la casi total uniformidad de temperatura que se logra en todo el reactor. Esto se debe al mezclado en la fase de emulsión, causado por las burbujas de gases, y a la gran área de transferencia de calor por unidad de masa de catalizador, que está asociada con las partículas pequeñas. Esta misma gran área también está disponible para la transferencia de masa. Por consiguiente, las diferencias de temperatura y concentración entre el fluido y la superficie de la partícula suelen ser insignificantes. Esto contrasta notablemente con el resultado de los reactores de lecho fijo, aun cuando los coeficientes de transferencia de masa y de calor en los lechos fluidificados son inferiores a los de lecho fijo. Como resultado, los efectos externos de concentración y temperatura no son muy significativos en el dise80 de reactores de lecho fluidificado. El problema más importante es el de tomar en cuenta el efecto de derivación del catalizador por las burbujas de gas y la transferencia de masa entre la burbuja y las fases densas. Kunii y Levenspie han resumido los datos disponibles de transferencia de masa y de calor en forma de gráficas de números de Sherwood y Nusselt en función del número de Reynolds. Algunos resultados típicos son los de Chu que pueden expresarse en términos de factores j como:

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Eg = fracción de espacios vacíos en el lecho G = velocidad superficial de masa dh = tamaño promedio de las partículas Esta correlación está basada en datos tanto para lechos líquido-sólido como para gas-sólido.

Comparación con los reactores de lecho fijo y fluidizado. 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. 1) 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


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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 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 La Tabla 1.1, atendiendo a estos factores comentados, muestra la comparación entre los reactores de lecho fijo y fluidizado. Las principales ventajas del reactor de lecho fluidizado son el empleo de partículas pequeñas con elevada eficacia, un lecho prácticamente isotermo y con una pérdida de presión muy pequeña, y el poder sustituir el catalizador desactivado sin parar la unidad. Esta propiedad implica que en los procesos donde el catalizador se desactiva con rapidez, el reactor de lecho fluidizado viene acompañado de una unidad para regenerar el catalizador que actúan de forma coordinada. La principal desventaja radica en el modelo de flujo complejo que dificulta la modelización y diseño del reactor. En el reactor de lecho fijo, por el contrario, el modelo de flujo


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es fácil de entender y modelizar. Sin embargo, tiene serios problemas en cuanto a isotermicidad y pérdida de presión. El uso prácticamente masivo de reactores de lecho fijo en la industria química se debe a la simplicidad de diseño y funcionamiento comparado con el de l echo fluidizado. Como consecuencia, las unidades de lecho fijo son más económicas de construir y de operar. Taba 1.1 comparativa entre un lecho fijo y un lecho fluidizado.

MODELO DE CONTACTO

CONTROL TEMPERATURA

LECHO FIJO FLUJO- Flujo del fluido próximo a flujo en pistón por lo que la eficacia del contacto es elevada

DE Formación zonas calientes,

PERDIDAS DE PRESION / TAMAÑOS DE PARTICULA

DESACTIVACIÓNREGENERACION

LECHO FLUIDIZADO Flujo fluido complejo Si el fluido es un gas se forman burbujas grandes (cortocircuito o bypass) por lo que la eficacia contacto es baja Control fácil. ΔT≈0

con desarrollo de ΔT radial y

axial La pérdida de presión es elevada al usar dp pequeños para reducir la influencia de la transferencia interna de materia (TIM) Para solucionar los problemas por desactivación, el reactor se sobredimensiona y el catalizador se cambia en las paradas

Se pueden usar dp pequeños. La eficacia de partícula es elevada, y la pérdida de presión reducida Permite la extracción fácil del catalizador sin parar la unidad


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Bibliografía: http://rua.ua.es/dspace/bitstream/10045/15296/5/Tema5_MULTIFASI CO_RUA.pdf ingenieria-de-la-cinetica-quimica-de-j-r-smith Levespiel, Octave. Ingeniería de las reacciones químicas. Ed. Reverté.

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