REACTORES DE LECHO FIJO

6REACTOR DE LECHO FIJO

INTRODUCCIN

Los reactores de lecho fijo son tambin llamados reactores de lecho empacado se utilizan a menudo en los procesos catalticos principalmente en la separacin de fluidos y slidos, para la produccin a gran escala de reactivos primarios o intermedios. Constan de un armazn cilndrico y dos cabezas convexas la mayora son verticales y permiten fluir los reactivos por gravedad.Un lecho empacado presenta la ventaja de que no quiere la separacin del catalizador como en el caso de las reacciones catalticas homogneas. En un reactor empacado, los grnulos de catalizador se acomodan de manera que llena una cmara de reaccin. Las partculas catalticas pueden variar de tamao y forma: granulares, cilndricas, esfricas, etc. La cmara de reaccin puede ser un interior de un tubo o la seccin anular entre dos tubos concntricos o la chaqueta de un reactor con una configuracin similar a un intercambiador de calor. Aunque en muchos casos sea conveniente para su fabricacin, el reactor no forzosamente tiene una configuracin cilndrica. Adems, un reactor de lecho fijo puede no estar empacado con catalizador; por ejemplo, la pared interna del tubo podra ser cataltica, o bien, el interior en el interior del tubo tener colocadas transversales al flujo uno o varias mallas de alambre echas de un metal cataltico. Ms aun, el catalizador puede ser o no poroso.Otra faceta a tener en cuenta es el gran aumento de produccin que han experimentado determinados productos. Tal es el caso de las fibras sintticas, los plsticos, los fertilizantes qumicos, etc., lo que, indudablemente, lleva consigo un aumento de la produccin de los productos qumicos bsicos.

Existen dos procedimientos generales de diseo de reactores de lecho fijoa) Diseo emprico, basado en verificar experimentalmente los fenmenos que supuestamente se van a dar en el reactor (fsicos, qumicos y fisicoqumicos). Apoyndose en datos experimentales, obtenidos a diferentes escalas: laboratorio, planta piloto, semi-industrial, se extrapola al reactor a nivel industrial. Como es fcil de comprender, el esfuerzo y coste de la investigacin, obtencin de dichos datos, es muy elevado.b) Diseo cientfico, que se realiza a partir de expresiones matemticas, ms o menos complejas, que tienen en cuenta los distintos fenmenos que ocurren en el reactor: reaccin qumica, transporte de materia, de energa y cantidad de movimiento. La complejidad del modelo adoptado depende de los fenmenos que se tienen en cuenta. Naturalmente, a mayor nmero de stos ltimos, mayor complejidad en las ecuaciones que describen el modelo, y un nmero ms elevado de parmetros en las mismas.Es claro el esfuerzo que en las ltimas dos dcadas se est dedicando al desarrollo de este diseo cientfico, cuya finalidad consiste en desarrollar las herramientas necesarias para proceder al diseo de los reactores de lecho fijo a partir de los estudios de laboratorio, obviando las extensas y laboriosas etapas del cambio de escala. Hay, adems, que tener en cuenta, el aumento de la importancia de los fenmenos fsicos segn aumenta la escala de las instalaciones, por lo que se explica la enorme cantidad de trabajos sobre el tema, desde que Wilhelm, en 1962, establece los principios que deben apoyar el diseo cientfico comentado.La complejidad del modelo que debe utilizarse, para cada caso particular, depende, fundamentalmente, del propio proceso y de la precisin con que se conozcan los parmetros cinticos y de transporte.Se han desarrollado dos tipos de modelos muy diferenciados, aunque puede establecerse una conexin entre ambos. Los llamados modelos de mezcla -en los que se trata de simular analgicamente los lechos fijos por medio de reactores de flujo en mezcla completa debidamente interconectados- y los modelos difusionales, tambin denominados cusi-continuos (ms puramente descriptivos de los fenmenos que se suponen en el interior del reactor).Sera complejo tratar de discernir qu tipo de modelo es capaz de llegar a una mejor descripcin de la realidad del reactor qumico. Sin embargo, es un hecho constatable la mayor atencin que ha recibido el modelo difusional.

REACTOR DE LECHO FIJO O EMPACADOAntecedentes:El diseo o anlisis de reactor, en el cual una reaccin de un fluido se promueve por un slido cataltico difiere del diseo o anlisis de un reactor para reacciones homogneas. Los principios estudiados hasta ahora en cuanto al diseo de reactores sern vlidos para nosotros. La ley cintica del proceso es a menudo ms compleja para una reaccin cataltica que para una reaccin homognea, y sta complejidad puede hacer que la ecuacin fundamental de diseo sea ms difcil de resolver de forma analtica. Por esta razn las ecuaciones de diseo tienen que resolverse con frecuencia con mtodos numricos cuando se disean reactores en los que estn implicadas reacciones catalticas.La principal diferencia entre los clculos que implican reacciones homogneas y aquellos relacionados con relaciones heterogneas fluido-slida, es que para estos ltimos sistemas la reaccin est basada en la masa de slido, W, ms que en el volumen del reactor. Para un sistema heterogneo, la velocidad de una sustancia A se define como

Se utiliza la masa de slido porque es la cantidad de catalizador, o la masa de slido reaccionante presente, lo que es importante para la velocidad de reaccin. El volumen de reactor que contiene el catalizador u otro slido es de importancia secundaria en estos casos.

REACTOR DE LECHO FIJO

1. DESCRIPCIN.

La misin bsica del reactor cataltico es poner en contacto catalizador y reactantes para que la reaccin progrese de forma idnea en el proceso qumico que lo incorpora. El catalizador puede estar en la misma fase que los reactantes, o no. Este hecho permite organizar la catlisis en homognea, heterognea y enzimtica.

En el diseo del reactor cataltico homogneo (una sola fase presente).

En la catlisis heterognea, reactantes y catalizador estn en diferente fase.

DEFINICIN.

Un lecho consiste en una columna formada por partculas slidas, a travs de las cuales pasa un fluido (lquido o gas) el cual puede ser librado de algunas impurezas y sufre una cada de presin.

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 catalticos de 2 fases.

En la industria qumica existen diversas maneras de poner en contacto un fluido y un catalizador slido. En la situacin ms comn el slido se emplea en forma de partculas que suelen disponerse en un lecho a travs del cual el fluido circula. Sin embargo, se dan otras disposiciones, como mallas metlicas (o metal gauzes) en la oxidacin de amonaco a cido ntrico, monolitos donde el catalizador adopta la forma de panal de abejas en el tratamiento de contaminantes en corrientes gaseosas por oxidacin-reduccin, o como partculas en suspensin en un tanque agitado mecnicamente (o slurry).

Numerosos procesos de la industria qumica bsica y secundaria, y de tratamiento de fracciones de petrleo emplean reactores con lecho de catalizador. Atendiendo a la disposicin del lecho se distinguen reactores de lecho fijo, fluidizado y mvil (Figura 2.1). El uso de reactores de lecho fijo est muy extendido (obtencin de SO3 por el mtodo Phillips, obtencin de amonaco, craqueo con vapor, etc), mientras que los de lecho fluidizado y, en especial, los de lecho mvil se emplean con mucha menos frecuencia. Por su importancia debe citarse el craqueo cataltico en lecho fluidizado.

Figura 2.1. Distintos esquemas de reactores catalticos: a) lecho fijo (multitubular); b) lecho fluidozado; c) lecho mvil.

En el reactor de lecho mvil el fluido arrastra las partculas de catalizador que conservan su posicin relativa respecto las otras partculas. Es decir, el lecho es mvil respecto a las paredes del reactor. El lecho de slidos puede moverse en co-corriente, contracorriente o en flujo cruzado respecto a la corriente de fluido reactante, siendo deseable que ambas fases sigan el modelo de flujo en pistn. El lecho mvil es til cuando el catalizador sufre desactivacin rpida y puede ser regenerado de forma continua. Si no existen zonas muertas, el lecho mvil tiene las caractersticas de un lecho fijo y las ventajas de un reactor con gradiente axial de concentracin. Permite obtener elevadas conversiones con una buena selectividad. Su principal handicap es el manejo de grandes cantidades de

slidos, siendo su resistencia a la atricin un factor muy importante. Estos reactores son adecuados para trabajar en rgimen adiabtico, en especial con reacciones endotrmicas. El mismo catalizador puede servir como agente calefactor (con el calor que retiene de la regeneracin, o por calefaccin directa o indirecta). Los reactores de lecho mvil tienen pocas aplicaciones catalticas pero extremadamente importantes. Entre ellas, el craqueo cataltico del gasoil y el reformado cataltico de las gasolinas.

En el reactor de lecho fijo las partculas estn inmovilizadas, y por tanto en ntimo contacto unas con otras. En el reactor de lecho fluidizado las partculas estn en suspensin, 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 slido-fluido, el control de temperatura, el tamao de partcula a emplear (ligado ntimamente con la prdida de presin permisible) y la manera de afrontar el problema de la regeneracin si el catalizador sufre desactivacin rpida.

1) Contacto slido-fluido. En el lecho fijo el fluido al circular por el espacio libre entre las partculas sigue un modelo de flujo muy prximo al flujo en pistn. El funcionamiento del reactor es fcil de comprender y de modelizar. En el reactor de lecho fluidizado, el movimiento ascensional del fluido mantiene las partculas en suspensin. El modelo de flujo es complejo. Para describirlo se emplea comnmente el modelo de borboteo que supone mezcla perfecta para el slido y flujo en pistn para el fluido. En el fluido se forman burbujas (cortocircuitos o bypass), que contribuyen a reducir la eficacia del contacto slido-fluido.2) Control de temperatura. La conduccin trmica es el mecanismo principal de transmisin de calor en un lecho fijo. Como la conductividad trmica del lecho es reducida, suelen formarse perfiles axiales y/o radiales de temperatura en el lecho, que pueden ser un problema para la estabilidad trmica del catalizador. En el lecho fluidizado, por el contrario, el mecanismo bsico es por conveccin en el fluido. ste es un mecanismo ms eficaz que la conduccin, y el resultado es que el lecho fluidizado, en la prctica, es casi isotermo.3) Tamao de partcula de catalizador. Para facilitar la fluidizacin las partculas son generalmente de tamao reducido (tpicamente de 50 a 100 m). Con este tamao no hay problemas de difusin en la partcula, y la eficacia de partcula es prxima a la unidad. Por otro lado la configuracin del reactor hace que la prdida de presin del fluido sea muy pequea. En el reactor de lecho fijo, para reducir la prdida de presin por circulacin del fluido se emplean partculas que oscilan desde 1-2 mm. a varios cm. Con este tamao la eficacia de partcula es baja, de forma que el tamao de partcula se optimiza para hacer compatible una prdida de presin aceptable con una eficacia de partcula superior al 50%.4) Regeneracin. Los catalizadores sufren desactivacin cuando estn en operacin. Si la prdida 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 disear dispositivos que facilitan el sustituir una fraccin del catalizador en operacin 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 rpidamente

4. DISEO DEL EQUIPO DEL REACTOR DE LECHO FIJO.

CASOS

RELACIONES DE DISEO

CLCULOS

5. USOS Y APLICACIONES.6. CONCLUSIN.

DEFINICIN DEL REACTOR DE LECHO FIJO

PARTES DEL EQUIPO DEL REACTOR DE LECHO FIJO

DISEO DE REACTORES