Diseño de un reactor catalítico de lecho fluidizado

Introducción

En un reactor catalítico de lecho fijo para llevar a cabo una reacción fluido-sólido, el catalizador se presenta como un lecho de partículas relativamente pequeñas orientadas al azar y en una posición fija. El fluido se mueve a través de los espacios entre las partículas (flujo convectivo).

Planteamos una situación en la cual se desea diseñar un reactor catalítico de lecho fluidizado para unas condiciones iniciales de operación y unas propiedades específicas de catalizador. Se muestran un lecho con diferentes diámetros de partícula, se calcula la velocidad mínima de fluidización y la velocidad terminal; esto con el fin de obtener las dimensiones apropiadas para un buen funcionamiento manera que el lecho fluidizado no sea arrastrado y sus dimensiones geométricas se han las más adecuadas para su bue funcionamiento

Marco teórico

Reactor de lecho fluidizado

Se utiliza para reacciones químicas donde intervengan un sólido y un fluido (generalmente un gas). En estos reactores la corriente de gas se hace pasar a través de las partículas sólidas, a una velocidad suficiente para suspenderlas, con el movimiento rápido de partículas se obtiene un alto grado de uniformidad en la temperatura.

Flujo en lechos fluidizados

Cuando un fluido circula ascendentemente por un lecho empacado de partículas a bajas velocidades, las partículas permanecen estacionarias. Al aumentar la velocidad del fluido, la caída de presión aumenta de acuerdo con la ecuación de Ergun. Si sigue aumentando la velocidad, llegará un momento en que la fuerza de la caída de presión por el área de corte transversal iguale a la fuerza gravitatoria sobre la masa de las partículas. Entonces las partículas empezarán a moverse, y éste es el principio de la fluidización, o fluidización mínima.

Velocidad mínima de fluidización

Velocidad superficial del gas a la que el lecho comienza a fluidizar. Experimentalmente, se ha comprobado que esta velocidad es dependiente del tamaño y la densidad de las partículas del lecho, de las propiedades del gas fluidizante, y de las condiciones de presión y temperatura en las que se lleva a cabo el proceso.

Calidad de fluidización

La capacidad para fluidizar de las partículas, y las condiciones de operación que lo permiten, varían mucho de unos sistemas a otros y están influidas por múltiples factores. El primero es el tamaño de los sólidos y su distribución. En general, las partículas pequeñas tienden a aglomerarse si están húmedas, con lo que el lecho se debe agitar para mantener las condiciones de fluidización.

Las partículas finas con una gran distribución de tamaños se pueden fluidizar en un amplio rango de velocidades de gas, permitiendo operaciones flexibles con lechos profundos y grandes.

Por el contrario, los lechos de partículas grandes con distribución de tamaños uniforme suelen fluidizar peor con aparición de sacudidas, chorros y fenómeno de slugging, lo que puede causar daños estructurales de importancia en lechos de gran tamaño.

Ventajas de aplicación de los lechos fluidizados.

Los lechos fluidizados muestran ciertas características deseables durante su operación. Entre los aspectos ventajosos de estos sistemas se destacan los siguientes:

• El comportamiento fluido que presentan las partículas en estado de fluidización permite desarrollar las operaciones con facilidad.

• La rapidez con que se mezclan las partículas facilita la consecución de valores de temperatura constantes en todo el lecho, lo que confiere sencillez y seguridad al control de la operación.

• Un lecho con partículas bien mezcladas resiste con eficacia las rápidas variaciones de temperatura, responde lentamente a los cambios bruscos en las condiciones de operación y ofrece un gran margen de seguridad, evitando pérdidas de temperatura en reacciones altamente exotérmicas.

Por todas las razones mencionadas anteriormente, los lechos fluidizados son ideales para ciertas operaciones industriales. La convincente ventaja relativa a la economía de utilización de los lechos fluidizados es la principal responsable de su desarrollo con éxito en operaciones industriales.

Planteamiento del problema

Se procura diseñar un reactor de lecho catalítico para la producción de 10000 Toneladas de Cl mediante oxidación catalítica de HCl con Oxígeno, empleando un catalizador de cobre, según la reacción:

El proceso no es completo, debiendo re-circular el HCl que no ha reaccionado. La reacción es exotérmica, debiendo trabajar por motivos de rendimiento en régimen isotérmico. La presencia de agua en la corriente de entrada disminuye el rendimiento de la reacción.

Se emplea aire a 20 ºC que al igual que la corriente de HCl, se supone que entra seco al proceso. Al reactor entra una corriente de HCl y aire, mezclada con una recirculación que contiene HCl no reaccionado, aire, Cl y agua. La corriente entra a 2 atm y se precalienta hasta una temperatura próxima a la de reacción.

• Calcular el diámetro medio de las partículas.

• Calcular la velocidad mínima de fluidización y Velocidad Terminal de las partículas.

• Calcular Altura del lecho.

• El Diámetro medio de las partículas se calcula mediante:

Sustituyendo los datos en la ecuación

 

Remplazando en la ecuación (6) los datos

Reemplazando los datos dados en

Resultados y discusión de resultados

Análisis bibliográfico

• MARTINEZ PONS, J.A. Cálculo de un reactor catalítico de lecho fluidizado. Revista Ingeniería Química (Madrid). Vol. 34, No. 393, Sep. 2002. Pág. 171-178. Disponible en: http://es.scribd.com/doc/52496993/CALCULO-DE-UN-REACTOR-CATALITICO-DE-LECHO-FLUIDIZADO.

• BARREIRA MORENO, Víctor Manuel. Estudio hidrodinámico de un lecho fluidizado. Abril 2007. Disponible en:

http://e-archivo.uc3m.es/bitstream/10016/1161/1/pfc_lecho_fluidizado.pdf.

• MENDIBURU DIAZ, Henry. Reactores químicos. Disponible en:

www.galeon.com/hamd/pdf/reactorquimico.pdf.

Artículos relacionados:

• ÓPEZ OCAÑA, G., BAUTISTA MARGULIS, R. G., SAUCEDO TERÁN, R.A., RUBIO ARIAS, H. O. Combustión de residuos sólidos municipales en un sistema de lecho fluidizado experimental. Universidad y ciencia. Vol. 24, número 002. Agosto 2008.

• ANTOLIN GIRALDO, G., OLIVA MERENCIO, D., ESCALADA CUADRADO, R. Combustión del bagazo de caña de azúcar en lecho fluidizado. Revista Ingeniería Química (Madrid). Vol. 36, No. 411, Mar. 2004. Pág. 125-130.

• BENITEZ, José A., GARCÍA, Carlos A. Centrales térmicas, plantas con calderas de lecho fluidizado. Revista Mundo Eléctrico (Bogotá). Vol. 21, No. 69, Oct.-Dic. 2007. Pág. 96-99.

BIBLIOGRAFÍA

• 1. MARTINEZ PONS, J.A. Cálculo de un reactor catalítico de lecho fluidizado. Revista Ingeniería Química (Madrid). Vol. 34, No. 393, Sep. 2002.pag. 171-178. http://es.scribd.com/doc/52496993/CALCULO-DE-UN-REACTOR-CATALITICO-DE-LECHO-FLUIDIZADO

• 2. J. Prieur du Plessis*, SoniaWoudberg . Pore-scale derivation of the Ergun equation to enhance its adaptability and generalization. Chemical Engineering Science vol 63 (2008) 2576 – 2586 Nov. 2007 (1952). Page 89–94.

Autor:

Rojas F. Laurilyn,

Mancipe G. Wendy,

Rojas L. Silvia

Universidad industrial de Santander, escuela de ingeniería química, Bucaramanga Santander.

27 mayo 2011