INTRODUCCIÓN
INTRODUCCIÓN
Los reactores de lecho fijo son también llamados reactores de lecho empacado se 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 utilizan a menudo en los procesos catalíticos principalmente en la separación de fluidos y
y sólsólidoidos, s, parpara a la la proproducduccióción n a a gragran n escescala ala de de reareactivctivos os priprimarmarios ios o o intintermermediedios.os. Constan de un armazón cilíndrico y dos cabezas convexas la mayoría son verticales y Constan de un armazón cilíndrico y dos cabezas convexas la mayoría son verticales y permiten fluir los reactivos por gravedad.
permiten fluir los reactivos por gravedad.
n lecho empacado presenta la ventaja de !ue no !uiere la separación del catalizador 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, como en el caso de las reacciones catalíticas homogéneas. "n un reactor empacado, los gr#nulos de catalizador se acomodan de
los gr#nulos de catalizador se acomodan de manera !ue llena una c#mara de manera !ue llena una c#mara de reacción.reacción. Las
Las partpartículaículas s catacatalíticalíticas s puedpueden en variavariar r de de tama$tama$o o y y formaforma% % grangranulareulares, s, cilíndcilíndricasricas,, esféricas, etc. La c#mara de reacción puede ser un interior de un tubo o la sección 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 anular entre dos tubos concéntricos o la cha!ueta de un reactor con una configuración similar a
similar a un intercambiador de calor. &un intercambiador de calor. &un!ue en muchos casos sea conveniente para suun!ue en muchos casos sea conveniente para su fabricación, el reactor no forzosamente tiene una configuración cilíndrica. &dem#s, un 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 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 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 colocadas transversales al flujo uno o varias mallas de alambre echas de un metal catalítico. (#s aun, el catalizador puede ser o no poroso.
catalítico. (#s aun, el catalizador puede ser o no poroso. )
)trtra a ffacaceteta a a a tetenener r een n ccueuennta ta es es eel l ggraran n auaumementnto o dde e pproroduduccccióión n !!uue e hhanan expe
experimenrimentado determintado determinados producados productos. *atos. *al l es es el el caso de caso de las fibras las fibras sintésintéticasticas, , loslos pl#s
pl#sticosticos, , los los fertilfertilizantizantes es !uími!uímicos, etc., cos, etc., lo lo !ue, indudab!ue, indudablemenlemente, te, llevlleva a consconsigo igo unun aumento de la producción de
aumento de la producción de los productos !uímicos b#sicos.los productos !uímicos b#sicos.
Existen dos procedimientos generales de diseño de reactores de lecho fij
Existen dos procedimientos generales de diseño de reactores de lecho fijo
o
a)
a)
+ise$+ise$o o empírempírico, ico, basabasado do en en verifverificar icar expeexperimenrimentalmetalmente nte los los fenófenómenomenos s !ue!ue supuestamente se van a dar en el reactor físicos, !uímicos y fisico!uímicos-. supuestamente se van a dar en el reactor físicos, !uímicos y fisico!uímicos-. &poy#ndose&poy#ndose en en datos datos experimentales, experimentales, obtenidos obtenidos a a diferentes diferentes escalas%escalas% laboratorio, planta piloto, semiindustrial, se extrapola al reactor a nivel industrial. 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 Como es f#cil de comprender, el esfuerzo y coste de la investigación, obtención de dichos datos, es
de dichos datos, es muy elevado.muy elevado.
)
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+ise$o científico, !ue se realiza a partir de expresiones matem#ticas, m#s o+ise$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 menos complejas, !ue tienen en cuenta los distintos fenómenos !ue ocurren en el reactor% reacción !uímica, transporte de materia, de energía y cantidad de el reactor% reacción !uímica, transporte de materia, de energía y cantidad de movimiento. La complejidad del modelo adoptado depende de los fenómenos movimiento. La complejidad del modelo adoptado depende de los fenómenos !ue se tienen en cuenta. /aturalmente, a mayor n0mero de éstos 0ltimos, mayor !ue se tienen en cuenta. /aturalmente, a mayor n0mero de éstos 0ltimos, mayorcomplejidad 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$o científico comentado.
La complejidad del modelo !ue debe utilizarse, para cada caso particular, depende, fundamentalmente, del propio proceso y de la precisión con !ue se conozcan los par#metros cinéticos y de transporte.
7e han desarrollado dos tipos de modelos muy diferenciados, aun!ue puede establecerse una conexión entre ambos. Los llamados modelos de mezcla en los !ue se trata de simular analógicamente los lechos fijos por medio de reactores de flujo en mezcla completa debidamente interconectados y los modelos difusionales, también denominados cusicontinuos m#s puramente descriptivos de los fenómenos !ue se suponen en el interior del reactor-.
7ería complejo tratar de discernir !ué tipo de modelo es capaz de llegar a una mejor descripción de la realidad del reactor !uímico. 7in embargo, es un hecho constatable la mayor atención !ue ha recibido el modelo difusional.
8"&C*)8 +" L"C1) 9:;) ) "(<&C&+)
!ntecedentes"
"l dise$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$o sea m#s difícil de resolver de forma analítica. <or esta razón las ecuaciones de dise$o tienen !ue resolverse con frecuencia con métodos numéricos cuando se dise$an reactores en los !ue est#n implicadas reacciones catalíticas.
La principal diferencia entre los c#lculos !ue implican reacciones homogéneas y a!uellos relacionados con relaciones heterogéneas fluidosólida, es !ue para estos 0ltimos sistemas la reacción est# basada en la masa de sólido, 2, m#s !ue en el volumen del reactor. <ara un sistema heterogéneo, la velocidad de una sustancia & se define como
7e utiliza la masa de sólido por!ue es la cantidad de catalizador, o la masa de sólido reaccionante presente, lo !ue es importante para la velocidad de reacción. "l volumen de reactor !ue contiene el catalizador u otro sólido es de importancia secundaria en estos casos.
“ R E A C T O R D E L E C H O F I J O ”
1. DESCRIPCIÓN.
La misión b#sica del reactor catalítico es poner en contacto catalizador y reactantes para !ue la reacción progrese de forma idónea en el proceso !uímico !ue lo incorpora. "l catalizador puede estar en la misma fase !ue los reactantes, o no.
"ste hecho permite organizar la
cat#lisis en homog$nea% heterog$nea &
en'im#tica(
"n el dise$o del
reactor cataltico homog$neo
una sola fase presente-. "n la cat#lisis heterogénea, reactantes y catalizador est#n en diferente fase.
DEFINICIÓN.
n lecho consiste en una columna formada por partículas sólidas, a través de las cuales pasa un fluido lí!uido o gas- el cual puede ser librado de algunas impurezas y sufre una caída de presión.
2. FUNCIONAMIENTO DEL EQUIPO DE REACTOR DE LECHO FIJO.
3. TIPOS DE EQUIPOS DE REACTORES DE LECHO FIJO.
2.1.1. Ti
pos de reactores catalíticos de
2 fases.En la industria química existen
d
iversas maneras de poner en contacto un
fluido
y uncatal
izador sól
ido.
Enla situación más común el sólido
seemplea en forma de
partículas que suelen disponerse en un lecho
atravs
del
cual el !uido circula. "in
em#ar$o%
sedan otras
disposi
c
iones%
como mallas metálicas
&o'metal $auzes()
enla
oxidación
deamoníaco
aácido nítrico% monol
it
osdonde el
catal
izador adopta
laforma
de
panal
dea#e*as
enel
tratamiento de contaminantes en corrientes $aseosas por
oxidación+reducción%
ocomo partículas en suspensión
enun tanque a$itado
mecánicamente &o
slurry).
,umerosos procesos
de la industri
aquí
m
ic
a#ásica y secundaria%
y
detratam
iento
defracciones
depetróleo emplean reactores con
lecho de catal
izador.
-tendiendo
a la disposi
c
ión
del
lecho
sedistin$uen
reactores
de lecho *o% !uidizado y móvil &/i$ura 2.1). Eluso de reactores de lecho
.*oestá muy extendido &o#tención de
"01por el
mtodo hillips% o#tención de amoníaco% craqueo con vapor% etc)% mientras que los de lecho
!uidizado y%
enespecial%
lo
s
de lecho
móvil seemplean con mucha menos frecuencia. or
suimportancia de#e citarse el
craqueo catal
ít
ic
o en
lecho
fluidizado.
/i$ura 2.1. 3istintos esquemas de reactores catalíticos4 a) lecho.*o &multitu#ular)5 #) lecho
En el reactor
delecho móvil el !uido arrastra
laspartículas
decatal
izador que
conservan
suposi
c
ión relativa respecto las otras partículas. Es decir% el
lecho
es móvilrespecto
a las
paredes del reactor. El
lecho
desólidos puede moverse en co+corriente%
contracorriente o en
!u*ocruzado respecto
a la corriente de !uido reactante%siendo
desea#le que am#as fases si$an el modelo de
flu*o en pistón. El lecho móvil es útil cuando el catalizadorsufre
desactivación rápida y puede ser re$enerado de forma continua.
"ino
existen zonas muertas% el lecho
móvil tiene lascaracterísticas
deun lecho *o y las venta*as
de
un reactor con $radiente axial
deconcentración. ermite
o#tenerelevadas
conversiones con una #uena selectividad. "u
pr
incipal'hand
icap(
esel mane*o de
$randes cantidades
de6
REACTOR DE LECHO FIJO
DISEÑO DE REACTORES
sólidos% siendo su resistencia
ala atrición un factor muy
importante. Estos
reactores son adecuados para tra#a*ar
enr$imen adia#ático%
enespecial con
reacciones endotrmicas. El mismo catalizador puede servir como
a$entecalefactor &con el calor que retiene de la re$eneración%
opor calefacción directa
oindirecta). 6os reactores de lecho
móviltienen pocas aplicaciones catalíticas pero
extremadamente importantes. Entre ellas% el craqueo catalítico
d
el$
asoily el
reformado catalítico de las
$
asolinas.
En el reactor de lecho
.*olas partículas están inmovilizadas% y por tanto en
íntimo contacto unas con
otras.En el reactor de lecho !uidizado las partículas
están en suspensión% pero
lavelocidad del
fluido no es suficiente
paraarrastrarlas. 6os factores
atener en cuenta para decidir entre uno u otro son4 el
contacto sólido+!uido% el control
detemperatura% el tama7o de partícula
aemplear
&li$ado íntimamente con la prdida de presión permisi#le) y la
manerade afrontar
el pro#lema de la re$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 funcionamiento del reactor
esfácil de comprender
y
demodel
izar. En el reactor de
lecho
fluidi
zado%
el movimiento ascensional
d
el!uido mantiene las partículas
ensuspensión.
El modelo de flu*o escompl
e *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
seforman
#ur#u*as &cortocircuitos o '#ypass()% que contri#uyen
areducir la ecacia del contacto sólido+!uido.
2)
8ontrol
detemperatura.
6a conducción trmica
esel mecanismo
pr
incip
al detransmisión
decalor en un
lecho *o.8omo la conductividad
trmica
d
ellecho es reducida% suelen formarse perles axiales y9o rad
iales
de temperatura en el lecho% que pueden ser un pro#lema para la
esta#ilidad trmica del catalizador. En
el
lecho
fluidi
zado%
porel
contrario% el mecanismo #ásico
es porconvección
en el f lu
ido. :ste
esun
mecanismo más ecaz que la conducción% y el resultado
esque el
lecho
fluidizado% en la práctica%
escasi isotermo.
) T
ama7o
de partícula de catalizador.
ara facilitar la !uidización
las
partículas son $eneralmente de tama7o reducido &típicamente de ;<
a1<< =m).
8on este tama7o no hay pro#lemas de difusión en la partícula% y
la
ecacia de partícula
espróxima
ala unidad. or otro lado la con$uración
d
elreactor hace que la p
rd
id
ade presión del !uido
seamuy peque7a.
En el reactor de lecho
*o% para reducir la prdida de presión
porcirculación del
fluido
seemplean partículas que oscilan desde 1+2 mm.
a7
REACTOR DE LECHO FIJO
DISEÑO DE REACTORES
que el tama7o de partícula
seoptimiza para hacer compati#le
unaprdida de presión acepta#le con una ecacia de partícula superior al
;<>. ?)@e$eneración.
6os catalizadores sufren desactivación cuando
estánen
