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.
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• 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.
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BIBLIOGRAFÍA

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  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