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REACTORES HETEROGÉNEOS...

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DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA INDUSTRIAL LABORATORIO DE PROCESOS DE SEPARACIÓN POR ETAPAS. TRABAJO DE INVESTIGACIÓN: REACTORES HETEROGENEOS

Presenta: Fuentes Valencia Denisse López Boyzo Luis Ricardo

Carrera: Ingeniería Química Industrial. Grupo: 41V65

Profesor: Luis Balderas Tapi Fecha De Entrega: 30/junio/2020

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ÍNDICE ÍNDICE .............................................................................................................................................................. 1 I.

RESUMEN ................................................................................................................................................ 2

II.

INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................... 3

III. REACTORES HETÉROGENEOS ........................................................................................................ 4 3.1 3.2. 3.3. 3.4.

REACTOR CATÁLITICO .......................................................................................................4 CONCEPTO DE REACTOR HOMOGÉNEÓ ............................................................................5 SISTEMA HETEROGÉNEO ................................................................................................... 5 REACCIÓN HETEROGÉNEA ................................................................................................ 5

IV. REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO ................................................................................................ 6 4.1. 4.2. 4.2.1. 4.2.2. 4.3. 4.3.1. 4.3.2. 4.3.4. 4.3.5. 4.3.6. 4.3.7. 4.3.8. 4.4. 4.5.

I¿V.

REACTOR DE LECHO FIJO .......................................................................................................... 27 5.1. 5.1. 5.4.

V.

ANTECEDENTES.....................................................................................................................6 DESCRIPCCIÓN DE LECHO FLUIDIZADO ................................................................................9 COMPONENTES DEL SISTEMA ..............................................................................................9 CLASIFICACIÓN DE PARTICULAS..........................................................................................10 DISEÑO DEL REACTOR.........................................................................................................11 HIDRODINÁMICA DE FLUIDIZACIÓN ...................................................................................11 CARACTERISTICAS DE LAS PARTICULAS ..............................................................................11 VELOCIDAD MINÍMA DE FLUIDIZACIÓN .............................................................................12 VELOCIDAD DE ARRASTRE .................................................................................................15 EXPANSIÓN DE LECHO FLUIDIZADO....................................................................................16 DIAMETRO DE BURBUJA .....................................................................................................10 DISEÑO DE DISTRIBUCIÓN DE GAS .....................................................................................18 MODELO DE BUSBUJEO DE KUNII-LEVENSPIEL ...................................................................18 BALANCE DEL REACTOR ......................................................................................................23

REACTOR DE LECHO FIJO EN SISTEMAS SOLIDO-GAS .......................................................27 CONSTRUCCIÓN Y OPERACIÓN ...........................................................................................30 TABLA COMPARATIVA ENTRE AMBOS REACTORES ............................................................34

BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................................ 35

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I.

RESUMEN

El siguiente trabajo de investigación consta de tres temas respecto al diseño de reactores heterogéneos. El primer tema es establecer una parte conceptual de los reactores heterogéneos para proceder al estudio del reactor de lecho fluidizado en sistemas sólido-gas que es el segundo tema, donde se incluye un seguimiento detallado un análisis dimensional sobre el diseño cinético del mismo así mismo como su características y diseño. El siguiente tema trata sobre el diseño del reactor catalíticos de lecho fijo del cual dentro del mismo se va a estudiar su diseño, características, ventajas y desventajas con la finalidad de obtener una comparación de un reactor respecto al otro.

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II.

INTRODUCCIÓN

Los reactores heterogéneos involucran dos o más fases reactivas (gas-sólido, líquido-gas, sólido-líquido o líquido-líquido), de contacto en torres o reactores agitados. Los reactivos o catalizadores sólidos se disponen en forma de lechos: fijos (reposición discontinua), o lechos móviles y fluidizados (con posible transporte neumático y regeneración), a través de los cuales se mueve la fase fluyente. La ecuación cinética debe incluir los términos de transporte de materia entre fases, puesto que está presente más de una, los cuales son diferentes en tipo y número para los distintos sistemas heterogéneos. El contacto de un reactivo gaseoso con un catalizador sólido se puede hacer de diversas formas, cada una de las cuales posee ventajas y desventajas sobre el resto. Los procesos heterogéneos tienen lugar en más de una fase (sólida, líquida o gaseosa), y son de importancia sobre todo en lo que respecta al uso de catalizadores de transferencia de fase. La ecuación cinética debe incluir los términos de transporte de materia entre fases, puesto que está presente más de una, los cuales son diferentes en tipo y número para los distintos sistemas heterogéneos. Cabe mencionar que dentro de estos al existir distintas fases donde intervienen varios estados de la materia, preexiste diversas reacciones llevadas a cabo catalíticamente como no catalíticas. Todo esto llevado a cabo por la catálisis que es el proceso por el cual se aumenta o disminuye la velocidad de una reacción química, debido a la participación de una sustancia llamada catalizador en dichas sustancias que reducen la velocidad de la reacción son denominados catalizadores negativos o inhibidores. A su vez, las sustancias que aumentan la actividad de los catalizadores son denominados catalizadores positivos o promotores, y las que desactivan la catálisis son denominados venenos catalíticos. La elaboración de los productos químicos industriales más importantes implica a la catálisis.

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III.

REACTORES HETÉROGENEOS 3.1.REACTOR CATALÍTICO

Es el aparato donde una reacción química catalítica tiene lugar de manera controlada. Según la definición aceptada actualmente, un catalizador es una sustancia que aumenta la velocidad a la que una reacción química se acerca al equilibrio sin intervenir permanentemente en la reacción. Esta definición, de naturaleza operativa, contiene los conceptos clave necesarios para entender el fenómeno de la catálisis (Cinética de las reacciones químicas. Izquierdo, J.F., Cunill, F., Tejero, J., Iborra, M., Fité, C. (2004), Colección Metodología. Eds. Universitat de Barcelona. Barcelona. Capítulo 5), y que son básicos para comprender el diseño y el funcionamiento de este tipo de reactores. En la catálisis heterogénea, reactantes y catalizador están en diferente fase. Desde el punto de vista de las fases en contacto se observan diferentes posibilidades en la industria. (Algunos ejemplos tabla 3.1 Anexo) La misión básica del reactor catalítico es poner en contacto catalizador y reactantes para que la reacción progrese de forma idónea en el proceso químico que lo incorpora. El catalizador puede estar en la misma fase que los reactantes, o no. Este hecho permite organizar la catálisis en homogénea, heterogénea y enzimática. En consecuencia los reactores catalíticos se clasifican en homogéneos, heterogéneos y enzimáticos. En la catálisis heterogénea, reactantes y catalizador están en diferente fase. Desde el punto de vista de las fases en contacto se observan diferentes posibilidades en la industria. En la industria química actual la situación más común es la catálisis por sólidos: los reactantes y productos forman parte de una corriente líquida o gaseosa, y el catalizador un sólido. Los reactores (heterogéneos) donde estas reacciones tienen lugar se agrupan en: • •

Reactores de dos fases: 1 fase fluida (líquida o gaseosa) y 1 sólida (el catalizador) Reactores de tres fases: 1 fase líquida, 1 gaseosa y 1 sólida (el catalizador)

La importancia industrial de la catálisis por sólidos es enorme. Actualmente, el 90% de la producción conjunta de todos los procesos catalíticos se basa en reacciones catalizadas por un sólido. Ello se explica por la fácil separación del sólido del medio de reacción. Ventaja que se suma a las siguientes ventajas genéricas de la catálisis: 1. El catalizador aumenta la velocidad de reacción respecto a la reacción sin catalizador, por lo que puede llevarse a cabo a menor presión y temperatura. En consecuencia, de forma más segura y fácil de controlar.

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Página | 5 2. Aumenta la selectividad al acelerar fundamentalmente una de la reacciones del sistema entre las varias que pueden tener lugar El objetivo del presente capítulo es establecer los conceptos básicos de los reactores heterogéneos.

3.2.

CONCEPTO DE REACTORES HETEROGÉNEOS

Un reactor heterogéneo es en el cual existen varias fases, es decir, dentro del proceso que sigue el reactor se presentan los tres estados de la materia sólido, líquido y gaseoso estos presentan un sistema continuo como el sistema requiere una fase para que la reacción se lleve a cabo. Dentro de los reactores heterogéneos los reactores catalíticos operan con un catalizador o no catalizador, pero siempre la reacción se lleva a cabo con más de una fase.

3.3.

SISTEMA HETEROGÉNEO

Cuando se requiere la presencia de más de una fase para que la reacción se lleve a cabo.

3.4.

REACCIÓN HETEROGÉNEA

Cuando se requiere más de una fase para que la reacción se lleve a cabo. Por lo tanto, puede involucrar más de dos fases. Entonces de acuerdo con lo anterior podemos encontrar reactores que operen con reacciones heterogéneas u homogéneas. Dentro de los reactores heterogéneos los reactores catalíticos, que operan con la presencia de catalizador, y los reactores no catalíticos.

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IV.

REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO

4.1.

ANTECEDENTES

El primer registro de la aplicación de tecnología de fluidización se encuentra quizás en un antiguo libro chino “Applying the principles learned from the nature” impreso en 1637. En este libro, según Song (1959), describe un proceso para separar las arenas del grano a través de un proceso de vibración‐aventamiento. La primera aplicación moderna de un reactor de lecho fluidizado fue en Alemania, y se empleó en la gasificación del carbón para producir combustible a partir de carbón (Fritz Winkler, 1922). Este lecho de 12 m de altura y 12 m2 de sección presentaba un elevado arrastre y consumo de oxígeno. (Carberry pag 441). Durante los últimos 80 años, el concepto de RLF convencional (baja velocidad) se ha expandido significativamente y se han desarrollado nuevos modelos de reactor de lecho fluidizado. Los reactores de lecho fluidizado se clasifican, en cuanto al contacto fluido‐sólido, en los siguientes tipos: gas‐sólido, líquido‐sólido y gas‐líquido‐ sólido. En términos de modelo de reactor y modo de operación se puede hablar de dos tipos de reactores: •

Los reactores de lecho fluidizado convencionales (RLF), que fueron los primeros en ser utilizados industrialmente. En ellos las partículas fluidizan y se encuentran permanentemente en el reactor

•

Los reactores de lecho fluidizado circulante (RLFC), donde las partículas fluidizadas se extraen del reactor para posteriormente, o bien estas mismas u otras frescas, volver a ser recirculadas al interior del mismo.

En los RLF se pueden distinguir cinco regímenes de flujo del gas‐ sólido (Figura IV. 1): a) Lecho fluidizado a la velocidad de mínima fluidización; b) Lecho fluidizado burbujeante; c) Lecho fluidizado turbulento; d) Lecho fluidizado con fluidización rápida; e) Lecho fluidizado con transporte neumático

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Incremento de la velocidad

Figura IV.1 Regímenes de flujo gas‐solido en los reactores de lecho fluidizado (Kunii y Levenspiel, 1991).

El uso de reactores de lecho fluidizado ha abierto amplias posibilidades en la mejora de varias tecnologías industriales, y se ha extendido rápidamente a diversas aplicaciones, que en el caso de sistemas gas‐sólido se pueden dividir en cuatro grupos: •

Reacciones catalíticas, donde los reactivos se encuentran en fase gas, pero la reacción tiene lugar en la superficie del sólido. Algunos ejemplos de reacciones de este tipo son el craqueo catalítico, más conocido por sus siglas en inglés FCC (Fluid Catalytic Cracking), que emplea un RLFC y que se utilizó por primera vez en 1942 (Porter y cols., 1992); y en general muchas otras reacciones de síntesis catalíticas. En la Figura IV. 2a se representa un modelo de reactor usado en reacciones de craqueo catalítico (FCC).

•

Reacciones en fase gas, donde el sólido se comporta como portador de calor. En este caso, ambos reactantes se encuentran en fase gas, pero es necesaria la existencia de un sólido capaz de proporcionar el calor de reacción o bien extraerlo. Es muy útil tanto en reacciones exotérmicas como endotérmicas, donde las partículas aportan una alta capacidad calorífica. Suelen llevarse a cabo en RLFC. La Figura IV. 2b muestra un esquema del reactor típico empleado en estos casos.

•

Reacciones gas‐sólido, donde ambos son reactantes y los productos de reacción pueden encontrarse o bien en fase gas o bien en ambas, gas y sólido. Ejemplo de este tipo son las reacciones de combustión y gasificación. En la Figura IV. 2c se presenta un modelo de reactor utilizado en este tipo de reacciones.

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Página | 8 •

Procesos físicos, donde no tienen lugar reacciones químicas. Un ejemplo típico es el empleo de reactores de lecho fluidizado en procesos de secado de partículas de la industria alimentaria o farmacéutica (Figura IV. 2d).

En las reacciones catalíticas se puede favorecer la formación de ciertos compuestos en función del tipo de contacto gas‐ sólido empleado. De esta manera, la optimización de un proceso debe implicar no sólo un estudio de sus variables de operación, sino también del diseño de reactores (y en definitiva, modos de contacto gas‐ sólido) que favorezcan la selectividad al producto deseado.

Figura IV. 2. Diversos esquemas de reactores: a) Riser FCC; b) Reactor típico para “coking”; c) Gasificador “Winkler”; d) Reactor de lecho fluidizado para procesos de secado (Grace y cols, 2006).

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4.2.DESCRIPCIÓN DE UN LECHO FLUIDIZADO 4.2.1.

Componentes del sistema

El lecho fluidizado depende mucho del tipo de fluidización que se esté realizando y la aplicación que quiera tenerse, pero puede decirse que existen ciertos componentes que son bastante comunes en todos ellos. A continuación, una breve descripción de algunos: a) Columna de fluidización: consiste en un tubo sobre el cual viajará el fluido que suspenderá las partículas. b) Sección uniformadora: se trata de un cono difusor que existe con el objeto de obtener un perfil de velocidad deseado. c) Distribuidor: consiste en una placa con algunas perforaciones. Es uno de los componentes más importantes, ya que su diseño impacta directamente en la calidad de la fluidización. d) Sistema de suministro de fluido: consiste en un sistema de válvulas reguladoras de flujo, instrumentos medidores de flujo, calentadores y otros dispositivos con el objeto de proporcionar el fluido en las condiciones termodinámicas requeridas. e) Sistema de medición de presión: es importante medir la caída de presión en un lecho fluidizado. f) Sistema de medición de temperatura. La figura IV.1 muestra los componentes mencionados, junto con alguna de las variables importantes

Figura IV.1 Componentes principales de un lecho fluidizado

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4.2.2.

Clasificación de las partículas

Como se verá, las propiedades de las partículas impactan en la velocidad mínima de fluidización, pero también en otros factores. Es importante formar ciertas clases de partículas para las cuales su comportamiento en el lecho fluidizado sea similar. De esta forma es posible extrapolar los resultados obtenidos con un tipo de partícula a otras partículas con características parecidas. Mediante la observación de la fluidización de diferentes partículas, Geldart logró una clasificación, de menor a mayor tamaño (ver figura 3.4) [1]:

• • • •

Grupo C: polvos muy finos o cohesivos. Son difíciles de fluidizar debido a que las fuerzas entre partículas son más importantes que las logradas por el arrastre. El talco y la harina son buenos ejemplos. Grupo A: materiales que tienen un tamaño medio pequeño o una baja densidad (5umf o uo>2umf)

Existen estudios sobre el diámetro de burbuja en lechos fluidizados pequeños sin dispositivos internos. La mejor relación parece ser la de Mori y Wen :

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Página | 18 Werther desarrollo otro modelo basado en la coalescencia cuyas predicciones para reactores más grandes (2m de diámetro) y más pequeños (0.1 m) que los del intervalo de Mori, son muy cercanas a las predicciones de este último Como puede observarse el tamaño de burbuja depende de la altura del lecho, y como la altura de lecho catalítico depende del coeficiente global de transferencia y de la velocidad de la burbuja que, a su vez, dependen del tamaño de burbuja, será necesario un procedimiento iterativo para el cálculo de la altura y del peso de catalizador cuando variación del tamaño de burbuja sea importante. 4.3.6. Diseño de distribución de gas El distribuidor de gas en un lecho fluidizado es uno de los factores más importantes en el diseño ya que afecta a la calidad y comportamiento del lecho. Las principales consideraciones implicadas en el diseño del distribuidor son: 1. Distribución uniforme del gas en el lecho. 2. Prevención de la pérdida de sólido por el distribuid...