CÁLCULO DE UN REACTOR CATALÍTICO DE LECHO FLUIDIZADO

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CÁLCULO DE UN REACTOR CATALÍTICO DE LECHO FLUIDIZADO En el presente artículo, presentamos el diseño preliminar de un reactor de lecho fluidizado para la producción de 10.000 Tm. De Cl mediante oxidación catalítica de HCl con oxígeno, empleando un catalizador de Cu (proceso Deacon). El proceso Deacon era un proceso secundario utilizado durante la fabricación de álcalis (el producto final inicial fue de carbonato de sodio ) por el proceso de Leblanc . Cloruro de hidrógeno gas se convierte en cloro gas que se utilizó para fabricar un valor comercial polvo de blanqueo , y en el mismo tiempo la emisión de residuos de ácido clorhídrico se redujo. Hasta cierto punto, este sofisticado proceso técnico sustituyó al anterior de dióxido de manganeso proceso. Inventado por Henry Deacon en 1874. El proceso se basó en esta reacción: 4HCl + O 2 → 2Cl 2 + 2 H 2 O La reacción tiene lugar a 450 ° C 400 sobre la presencia de cloruro de cobre (CuCl 2) del catalizador El artículo es una parte del proyecto para una planta de producción de Cl mediante el proceso Deacon. · Planteamiento y datos de partida. · Cálculo del diámetro de partícula del catalizador. · Cálculo del diámetro de burbuja. · Cálculo de u mf y u f . · Cálculo del diámetro del reactor. · Cálculo de la altura del lecho.

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CÁLCULO DE UN REACTOR CATALÍTICO DE LECHO FLUIDIZADO

 

En el presente artículo, presentamos el diseño preliminar de un reactor de lecho fluidizado para la producción de 10.000 Tm. De Cl mediante oxidación catalítica de HCl con oxígeno, empleando un catalizador de Cu (proceso Deacon).

 El proceso Deacon era un proceso secundario utilizado durante la fabricación de álcalis (el producto final inicial fue de carbonato de sodio ) por el proceso de Leblanc . Cloruro de hidrógeno gas se convierte en cloro gas que se utilizó para fabricar un valor comercial polvo de blanqueo , y en el mismo tiempo la emisión de residuos de ácido clorhídrico se redujo. Hasta cierto punto, este sofisticado proceso técnico sustituyó al anterior de dióxido de manganeso proceso. 

 Inventado por Henry Deacon en 1874.  El proceso se basó en esta reacción: 

 4HCl + O 2 → 2Cl 2 + 2 H 2 O 

 La reacción tiene lugar a 450 ° C 400 sobre la presencia de cloruro de cobre (CuCl 2) del catalizador

El artículo es una parte del proyecto para una planta de producción de Cl mediante el proceso Deacon.

 

·        Planteamiento y datos de partida.

·        Cálculo del diámetro de partícula del catalizador.

·        Cálculo del diámetro de burbuja.

·        Cálculo de umf y uf.

·        Cálculo del diámetro del reactor.

·        Cálculo de la altura del lecho.

·        Cálculo del distribuidor de gas.

·        Cálculo del soplante.

·        Cálculo de la superficie de intercambio de calor.

·        Cálculo del ciclón.

·        Diseño mecánico preliminar.

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 Carmen Nóvoa y E. Seoane. 1993-99

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Se pretende diseñar un reactor de lecho fluidizado para producción de Cl mediante oxidación catalítica de HCl, según la reacción:

 

OHClOHCl 22

 

El proceso no es completo, debiendo recircularse el HCl que no ha reaccionado. La reacción es exotérmica, debiendo trabajar, por motivos de rendimiento, en régimen 

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isotérmico. La presencia de agua en la corriente de entrada disminuye el rendimiento de la reacción.

 

Se emplea aire a 20C 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.

 

Para el diseño del reactor, disponemos de los siguientes datos:

Datos de partida

Producción de Cl 10.000 Tm/año

Tiempo de trabajo 8.000 h/año

Conversión alcanzada 70% por paso

Calor de reacción H=-29,340 kJ/mol-g

Temperatura de trabajo del reactor 360C

Presión de trabajo en el reactor 2,6 Atm

Constante cinética del proceso K=611,4 s-1

Tiempo de residencia 25 s

 

Propiedades del catalizador

Catalizador CuCl2/pumita

s 0,7

Cps 579,75 J/kg C (Para CuCl2)

s 640 kg/m3

mf 0,55

 

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Distribución de medidas en el catalizador

Rango de medidas (m) Porcentaje en peso (acumulativo)

50-100 0,39

100-150 15,0

150-200 58,0

200-250 85,0

250-300 96,6

300-350 99,86

 

La composición de la corriente de entrada al reactor es:

 

Corriente de entrada

HCl 1909,8 kg/h

O2 320,5 kg/h

N 1042,9 kg/h

Cl 19,7 kg/h

H2O 372,9 kg/h

Caudal 3648,5 kg/h

Temperatura 247,92 ºC

Presión 2,6 Atm

 

Propiedades del gas a la entrada

g 0,650 kg/m3

Kg 0,0389 W/mK

g 0,028210-3 kg/ms

Cpg 0.984 kJ/kgK

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Cp/CV 1,373

 

Debido a la atmósfera altamente corrosiva en la que va a trabajar el equipo, el sistema de intercambio de calor se construirá con tubos de titanio, puesto que es el único material que, siendo resistente al cloro húmedo, es capaz de soportar la temperatura de trabajo. Los otros materiales que soportan cloro húmedo son: acero revestido con caucho, gres, y determinados plásticos (PVC y PE alta densidad), siendo recomendable consultar al fabricante y realizar pruebas previas.

 

Datos para el sistema de intercambio de calor

Material de los tubos Titanio

Conductividad térmica (k) 16 W/mC

Espesor de la pared del tubo 4 mm

 

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CÁLCULO DEL DIÁMETRO MEDIO DE LAS PARTÍCULAS DE CATALIZADOR.

 

Una vez que ya tenemos los datos necesarios, iniciamos el cálculo. Para ello, calculamos el diámetro medio de partícula del catalizador:

 

El diámetro medio de partícula se calcula mediante:

 

ip

P

dx

1d

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Donde xi es la fracción en peso de partículas, para cada rango de medidas.

 

Diámetro medio de partícula

Rango de medidas  % en peso Dpi () Fracción en peso xi (x/dp)i

100-150 15,00 125 (15-0)/99,86=0,150210 0,001202

150-200 58,00 175 0,430603 0,002461

200-250 85,00 225 0,270379 0,001202

250-300 96,60 275 0,116163 0,000422

300-350 99,86 325 0,032646 0,000100

(x/dp)i 0,005387

 

Substituyendo en la fórmula, obtenemos:

 

m6391850053870

1

d

x

1d

ip

P

,

,

 

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Cálculo del diámetro de burbuja.

 

Para calcular el diámetro efectivo de las burbujas, hemos de tener en cuenta que podemos controlar las dimensiones de las mismas, sin más que colocar los dispositivos (bafles, tubos o rejillas) adecuados en el interior del reactor. En nuestro caso, y teniendo en cuenta que estamos ante un proceso exotérmico, lo que implica que hemos de emplear un cambiador 

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de calor para mantener una temperatura adecuada en el interior del reactor, emplearemos los propios tubos del cambiador para controlar el tamaño de burbuja.

 

 

 

 

Empleamos tubos de 5 cm de diámetro externo, colocados verticalmente en el reactor, en disposición triangular, y separados (de centro a centro) 16 cm. Esta disposición nos permite obtener un diámetro efectivo de burbuja de 8 cm.

 

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Cálculo de umf y uf

 

Umf es la velocidad superficial para condiciones mínimas de fluidización.

Para partículas pequeñas, de poco peso específico Rep<20, suponemos que estamos en este caso, y aplicamos la ecuación correspondiente.

 

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mf

3mfgs

2

pmf 1

g150

du

 

Sustituyendo valores:

 

m/s 009250u

5501550

8191002820650640

1501064518570

u

mf

3

3

26

mf

,

,

,,

,

,,,

 

Comprobamos la suposición que acabamos de hacer:

 

03801002820

65064518010259du3

3gpmf

p ,,

,,,Re

 

Como Rep=0,038<20, la suposición es correcta.

 

Para calcular ut  hemos de suponer, también, un valor para Re. Suponemos que Rep>0,4, lo que nos permite emplear la ecuación:

 

p

g

22gs

t dg

2254

u31

 

ut es la velocidad terminal de las partículas, por lo que en la ecuación emplearemos el tamaño de las partículas más pequeñas. Sustituyendo:

 

m/s 336010100

100820650

819650640

225

4u 6

3

22

t

31

,,,

,,

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Comprobamos la validez de la hipótesis de Rep:

 

7701002820

650101003360du3

6gpt

p ,,

,,Re

 

Como Rep=0,77>0,4 la suposición es correcta.

 

La velocidad de trabajo deberá estar comprendida entre estos dos valores límite, ya que una velocidad demasiado alta, o demasiado baja, originaría una distribución de sólidos no homogénea, sobre todo cuando se trata de partículas de diferentes tamaños. Por ello, elegimos una velocidad, u0 de 30 cm/s.

 

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CÁLCULO DEL DIÁMETRO DEL REACTOR.

 

Para calcular el diámetro del reactor, partimos de la siguiente relación:

 

gas del velocidad

co volumétriflujo tuboslospor

ocupada no

reactor del

ansversalsección tr

fracción

 

Donde la fracción no ocupada por los tubos será el área del triángulo formado por cada tres tubos, menos el área de medio tubo, que sería la que estaría dentro del triángulo, dividido, todo, por el área del triángulo.

 

Haciendo números:

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m 8741d

10303600

2714

26010161016

2

1105

42

6010161016

d4 t222

2222

2t ,

sin

sin

 

El número de tubos que tenemos en el interior del reactor, será:

 

tubos

tubosnº

12541124

26010161016

2

87414

a un tubospondienteárea corre reactorversal delárea trans

22

,sin

,

 

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Cálculo de la altura del lecho.

 

La altura del lecho depende de las características del propio lecho, y de la reacción que tiene lugar. Por ello, hemos de calcular las propiedades del lecho:

 

m/s 6280u

108819710dg710u

br

2bbr

,

,,,

 

m/s 918750u

6280102591030uuuu

b

32brmf0b

,

,,

 

1rmm s1327546115501K1K ,,,

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En esta ecuación, y en la siguiente, emplearemos valores de mf para m, ya que no disponemos de valores de m. En realidad, m es algo menor que mf, al ser esta última la porosidad del lecho fluidizado, mientras que m es la porosidad del lecho fijo. Este detalle puede influir en la altura del lecho, resultando un lecho algo más largo.

 

m5746115501

1030256878

K1

uL

2568782546115501K12

rm

0mm

mrmm

,,,

,K

,,,K

 

Lm es la altura que tendría el lecho, si fuese fijo. 

 

La altura del lecho, una vez fluidizado, se calcula mediante la expresión:

 

mr

b

br

0

mff K

u

u

u

1

1L K

 

Sustituyendo:

 

 

A la altura del lecho fluidificado hemos de  añadir H, la altura de la sección de lecho entre la superficie de la fase densa y la salida de los productos gaseosos, y TDH, la altura necesaria para que las partículas de catalizador caigan de nuevo al lecho.

 

TDH se obtiene a partir de la siguiente gráfica, en la que entramos con un valor de dt=1,87 m y u0=30 cm/s.

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Para estos valores, leemos una TDH/dt de 1,3, por lo que:

 

Calculamos H mediante la expresión:

 

 

Para ello, necesitamos calcular a, lo que hacemos estimando el valor de au0, sabiendo que u0=30 cm/s.

 

 

Por otra parte, sabemos que F/Fo<<1, por lo que tomamos F/Fo=0,01, con lo que:

 

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DISEÑO DEL DISTRIBUIDOR DE GAS.

 

El número de orificios de que consta el distribuidor del gas va a depender, entre otras cosas, de la pérdida de presión en el lecho, que puede estimarse mediante la siguiente expresión:

 

 

Sustituyendo valores:

 

 

La pérdida de presión en el lecho será, por lo tanto de 0,3 Atm.

 

La pérdida de presión mínima en el distribuidor de gas, se estima en un 10% de la pérdida de presión en el lecho, por lo que será:

 

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Ya conocemos la caída de presión en el distribuidor. Calculamos la velocidad del gas en los orificios, velocidad que calculamos mediante la expresión:

 

 

Para calcular uor, necesitamos el valor de C’d que obtenemos a partir de la siguiente gráfica.

 

 

Necesitamos el valor de Ret, que calculamos mediante:

 

 

Para este valor de Ret, resulta un valor de C’d=0,6 por tanto, la velocidad de paso del gas por los orificios es de:

 

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La fracción de área abierta se calcula mediante la relación entre las velocidades u0 y uor:

 

 

El cálculo del número de orificios necesarios, lo hacemos mediante una tabla que construimos mediante la ecuación:

 

 

Supondremos varios tamaños de orificio, y calcularemos el número de orificios necesarios para obtener la relación u0/uor calculada:

 

dor (cm) Nor (nº orificios/cm2)

0,05 2,61

0,1 0,65

0,15 0,29

0,2 0,16

0,25 0,10

 

Elegimos dor=0,2 cm, lo que supone que tendremos 4413 orificios en el distribuidor.

 

 

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CALCULO DEL SOPLANTE.

 

La potencia del soplante se calcula a partir de la expresión siguiente:

 

 

Donde P1 es la presión a la entrada del soplante, y P2 es la presión a la salida del soplante, antes del distribuidor de gas.

 

Elegimos =0,8. Sustituyendo:

 

 

Ya habíamos calculado la pérdida de carga en el lecho, pérdida que corresponde a la diferencia de presión existente entre la salida del distribuidor de gas (P3) y la presión existente en la parte superior del lecho, (P4).

 

 

La pérdida de presión en el distribuidor de gas es:

 

 

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La presión del gas en el distribuidor es:

 

 

Necesitamos calcular V2, para ello debemos conocer u0 a la presión P3, asumiendo una transición isotérmica en el distribuidor, podemos hacer una aproximación:

 

 

Sustituyendo todos los valores en la primera ecuación:

 

 

Por lo tanto, la potencia mínima del soplante necesaria para compensar la pérdida de presión en el lecho será de 24,29 Kw., esto es 33,04 CV.

 

 

 

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SUPERFICIE DE INTERCAMBIO DE CALOR.

 

Necesitamos saber cuantos de los tubos que tenemos en el interior del reactor, serán necesarios para mantener la temperatura a 360ºC (temperatura de operación). Para ello hemos de calcular los coeficientes de transferencia de calor, tanto en el interior, como en el exterior de los tubos.

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El coeficiente de transferencia externo, hw, se calcula mediante la siguiente expresión:

 

 

Ecuación dimensional, que tal y como está escrita, debe ser empleada en el sistema c.g.s.

 

CR se obtiene a partir de la siguiente gráfica:

 

 

Pudiendo leerse, en nuestro caso, un CR de 1,5

 

(1-f) viene dado por la expresión:

 

 

Si calculamos cada factor por separado, tendremos:

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Sustituyendo todos los valores en la ecuación, y despejando:

 

 

Para calcular el coeficiente integral de transmisión de calor, necesitamos calcular, previamente, el coeficiente de transferencia de calor en el interior de los tubos. Esto plantea algunos problemas, puesto que se ha de decidir, previamente, el tipo de fluido refrigerante. En una primera aproximación, supusimos que el fluido circulante era agua. Los cálculos previos dieron como resultado que la velocidad de circulación del fluido en el interior de los tubos era excesivamente pequeña, del orden de cm/s, al tiempo que se necesitaba un bajo número de tubos para el intercambio de calor. Los resultados fueron considerados no válidos, puesto que se podrían generar problemas de distribuciones de temperatura no deseadas en el interior del reactor.

 

Para la segunda aproximación, decidimos probar como fluido refrigerante el propio gas de reacción, de forma que éste se alimentaba al sistema de refrigeración para su precalentamiento, y una vez caliente se alimentaba al reactor. El problema, en este caso, consiste en que el caudal de gas alimentado no es suficiente para evacuar el calor generado en el proceso.

 

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Como los resultados obtenidos con un refrigerante gaseoso eran esperanzadores, en la tercera aproximación decidimos el empleo de aire como fluido refrigerante. Para los cálculos, se admitieron las siguientes hipótesis de partida:

 

Hipótesis de partida

Temperatura de entrada 24 C

Temperatura de salida 342 C

Temperatura media 183 C

Calor intercambiado 186709,583 J/s

 

Las propiedades del aire, evaluadas a la temperatura media son:

 

Propiedades del aire a 183 ºC

0,7751 kg/m3

2,5510-5 kg/sm

k 0,0381 J/sm C

CP 1019,58 J/kg C

 

Sabemos que:

 

Con lo cual:

 

 

Suponemos que de los 125 tubos que necesitamos para el control del tamaño de burbuja, tan sólo vamos a emplear 35 en el sistema de intercambio de calor (en realidad a este 

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valor llegaremos después de una serie de tanteos, en los que suponemos un número de tubos, y calculamos la velocidad del aire en cada tubo). Admitiendo 35 tubos, el caudal de aire en cada tubo es:

 

 

Por lo que la velocidad de circulación del aire en un tubo será:

 

 

La expresión necesaria para el cálculo del coeficiente interno de transferencia de calor es:

 

 

Donde C=0,021 pues se trata de un gas, y /w es despreciable cuando se trata de gases. Consecuentemente, podemos rescribir la ecuación, quedándonos como:

 

 

Sustituyendo todos los valores, nos queda:

 

 

Page 22: CÁLCULO DE UN REACTOR CATALÍTICO DE LECHO FLUIDIZADO

Con lo que obtenemos un valor de hi=45,5 W/m2 ºC.

 

El coeficiente integral de transmisión de calor viene dado por:

 

 

Donde hext es el coeficiente de ensuciamiento externo, que para gases industriales varía entre 5000 y 10000, y hi es el coeficiente de ensuciamiento interno, que para aire varía entre los mismos valores (5000-10000). Tomamos un valor intermedio en ambos casos, de forma que hext=hi=7500 W/m2 ºC

 

 

Comprobamos que el número de tubos supuesto es correcto, y para ello empleamos la expresión:

 

 

Donde:

 

Despejando y sustituyendo:

 

Page 23: CÁLCULO DE UN REACTOR CATALÍTICO DE LECHO FLUIDIZADO

 

Por tanto, la fracción de tubos ocupada será:

 

 

Es decir, de los 125 tubos presentes en el interior del reactor (para controlar el tamaño de burbuja), tan solo el 28% serán necesarios para mantener la temperatura a 360 ºC, empleando como fluido refrigerante aire, que entra a 24 ºC y sale a 342 ºC.

 

 

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CÁLCULO DE LAS DIMENSIONES DEL CICLÓN.

 

La velocidad de entrada al ciclón puede estimarse mediante:

 

 

Tomando intervalos de distribución de tamaños de partícula, podemos hacer la siguiente tabla:

 

Tamaño partícula (m) dp medio (cm) Fracción en cada intervalo

Page 24: CÁLCULO DE UN REACTOR CATALÍTICO DE LECHO FLUIDIZADO

100-150 125 0,1521 179,2 0,88

150-200 175 0,4306 128,0 0,40

200-250 225 0,2703 99,55 0,30

250-300 275 0,1161 81,45 0,22

300-350 325 0,00326 68,92 0,13

 

Los valores de la última columna se leen a partir de la gráfica:

 

 

El flujo total a la entrada viene dado por:

 

 

Sustituyendo, nos queda:

 

Page 25: CÁLCULO DE UN REACTOR CATALÍTICO DE LECHO FLUIDIZADO

 

Para el cálculo del colector del ciclón, la ecuación a emplear es:

 

 

con lo que:

 

 

El valor está bastante cercano al tamaño del ciclón estándar, por lo que, teniendo en cuenta que el ciclón de 20 cm. es el que presenta el rendimiento óptimo, es el que emplearemos.

 

El resto de las dimensiones del ciclón, están relacionadas con dc, de forma que:

 

Dimensiones del ciclón

Dimensión Relación con dc valor

Bc dc/4 5 cm

De dc/2 10 cm

Page 26: CÁLCULO DE UN REACTOR CATALÍTICO DE LECHO FLUIDIZADO

Hc dc/2 10 cm

Lc 2dc 40 cm

Sc dc/8 2,5 cm

Zc 2dc 40 cm

Jc dc/4 5 cm

 

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DISEÑO MECÁNICO PRELIMINAR.

 

·        Datos de partida.

·        Cálculo de espesores.

·        Cálculo de soportes.

·        Presión de prueba.

 

 

DATOS DE PARTIDA

 

Los datos de partida para el diseño mecánico del reactor son los siguientes:

 

Sección cilíndrica

Altura total (m) 15,43

Diámetro nominal (m) 1,90

Tipo de material Acero inoxidable 18/8 (321)

Page 27: CÁLCULO DE UN REACTOR CATALÍTICO DE LECHO FLUIDIZADO

Presión de operación (Atm) 2,60

Temperatura de operación (ºC) 360,00

Esfuerzo de diseño (N/mm2) 125,00

Cubiertas

Tipo de cubierta. Elíptica (2:1)

Material. Acero al carbono

Presión de operación. (Atm) 2,00

Temperatura de operación. (ºC) 342,00

Esfuerzo de diseño. (N/mm2) 80,00

Tubos de control burbuja

Longitud de los tubos. (m) 15,43

Diámetro externo. (m) 50,00

Espesor. (mm) 4,00

Tipo de material. Acero inoxidable 18/8 (321)

Densidad. (kg/m3) 7.817,00

Presión de operación interna. (Atm) 2,00

Presión de operación externa (Atm) 2,60

Temperatura de operación. (ºC) 360,00

Datos del lecho.

Altura del lecho denso. (m) 11,00

Porosidad. 0,55

Material. Cloruro cúprico soportado en pumita

Page 28: CÁLCULO DE UN REACTOR CATALÍTICO DE LECHO FLUIDIZADO

Densidad. (kg/m3) 640,00

Otros datos

Clase de recipiente Clase I

Factor de soldadura 0,95

Tipo de soldadura Doble (totalmente radiografiada)

 

 

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CÁLCULO DE ESPESORES.

 

Calculamos el espesor necesario para soportar la presión de trabajo. Para ello, calculamos la presión de diseño:

 

 

El espesor necesario, en la sección cilíndrica, para soportar la presión de diseño viene dado por la expresión:

 

 

En la que e es el espesor (mm), Pd es la presión de diseño (bar.), Di es el diámetro interno del cilindro (mm), J es el factor de soldadura, y f es el esfuerzo máximo soportado por el material de construcción (N/mm2)

 

Page 29: CÁLCULO DE UN REACTOR CATALÍTICO DE LECHO FLUIDIZADO

Sustituyendo:

 

 

Este es el espesor mínimo, necesario para soportar la presión. El espesor necesario para asegurar la rigidez estructural está dado por:

 

 

por lo que en este caso, nos queda:

 

 

Como el espesor necesario para rigidez es mayor al necesario para soportar la presión, tomamos como espesor el necesario para asegurar la rigidez. Como, además, el reactor debe trabajar en una atmósfera altamente corrosiva, se recomienda añadir 4 mm como “factor de corrosión”, por lo que el espesor real del reactor, en la zona cilíndrica debe ser de 4,44+4=8,44 mm. Tomamos como espesor del reactor en la zona cilíndrica 9 mm.

 

El espesor de la cubierta elipsoidal está dado por la expresión:

 

 

en la que los distintos términos tienen el mismo significado, y unidades, que las de la expresión que nos da el espesor de la zona cilíndrica. Por lo que, sustituyendo, tendremos:

 

Page 30: CÁLCULO DE UN REACTOR CATALÍTICO DE LECHO FLUIDIZADO

 

A este espesor, hemos de añadir 4 mm para corrosión, lo que nos da 5,54 mm., pero, de nuevo, escogemos 8 mm como espesor.

 

Análisis de esfuerzos.

 

Una vez calculados los espesores, se trata de comprobar que el espesor elegido es suficiente para los esfuerzos que la carcasa debe soportar.

 

Esfuerzos debidos al peso:

 

El peso de la sección cilíndrica está dado por:

 

 

Donde Di es el diámetro del cilindro, Cv es un coeficiente que depende del tipo de “recipiente”, y que para el caso de columnas de destilación, o columnas con bastantes dispositivos internos, como es el caso, es igual a 1,15, Hv es la altura del cilindro, y t el espesor.

 

Dando valores:

 

 

Para calcular el peso de los tubos, calculamos el volumen de un tubo, mediante la densidad, calculamos su peso, y con el número de tubos, obtenemos el peso del banco de tubos:

Page 31: CÁLCULO DE UN REACTOR CATALÍTICO DE LECHO FLUIDIZADO

 

 

El peso de un tubo será:

 

 

El peso del banco de tubos:

 

 

Calculamos el peso del catalizador:

 

 

En la que  es la porosidad, d es el diámetro del cilindro, y  la densidad del catalizador. Dando valores:

 

 

En el cálculo del volumen del catalizador, tenemos en cuenta que la altura es de 11m, ya que esta es la altura de la fase densa.

 

Page 32: CÁLCULO DE UN REACTOR CATALÍTICO DE LECHO FLUIDIZADO

La carga total debida al peso es:

 

 

 

Cargas debidas al viento.

 

La presión debida al viento está dada por:

 

 

donde u es la velocidad del viento, en km/h.

 

Suponiendo que, como máximo, el viento no superará los 160 km/h, la presión de viento será:

 

 

La carga de viento, por unidad de longitud es:

 

 

En la que Deff está dado por:

 

Page 33: CÁLCULO DE UN REACTOR CATALÍTICO DE LECHO FLUIDIZADO

 

Entonces, la carga de viento será:

 

El momento de vuelco provocado por el viento es:

 

 

siendo, Nx el momento de vuelco (Nm), W la carga de viento (N/m) y x la longitud de la sección cilíndrica (m). Dando valores:

 

 

calculamos los esfuerzos debidos a la presión:

 

 

El esfuerzo debido al peso es:

 

 

El esfuerzo debido al momento de vuelco es:

 

Page 34: CÁLCULO DE UN REACTOR CATALÍTICO DE LECHO FLUIDIZADO

 

El esfuerzo longitudinal es:

 

 

En este caso, w es compresivo, y por lo tanto, negativo, por lo que tendremos:

 

El esfuerzo es compresivo.

 

Comprobamos la estabilidad elástica:

 

 

El esfuerzo compresivo máximo es:

 

 

Page 35: CÁLCULO DE UN REACTOR CATALÍTICO DE LECHO FLUIDIZADO

Esfuerzo que es muy inferior al máximo esfuerzo permisible por el material (125 N/mm2).

 

 

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CALCULO DE LOS SOPORTES.

 

El peso máximo que deben aguantar los soportes es:

 

 

Si consideramos cuatro soportes, cada uno de ellos deberá aguantar 76895,24 N.

 

El espesor de cada soporte se calcula mediante:

 

 

Luego, cada soporte tendrá un espesor de 129 mm.

 

 

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Page 36: CÁLCULO DE UN REACTOR CATALÍTICO DE LECHO FLUIDIZADO

 

CÁLCULO DE LA PRESIÓN DE PRUEBA.

 

La prueba de presión se realiza a 400 ºC, temperatura a la que corresponde un esfuerzo de diseño de 120 N/mm2. La temperatura de operación es de 360 ºC, a la que corresponde un esfuerzo de diseño de 125 N/mm2.

 

La presión a la que debe realizarse la prueba será:

 

 

La prueba de presión se realizará a 6 Atm.

 

 

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Datos generales del reactor.

Temperatura. 360 ºC

Presión. 2,6 Atm.

Calor de reacción. -29,34 kJ/mol g

Constante cinética. 644,4 s-1

Tiempo de residencia 25 s

 

Dimensiones del reactor.

Lf 11 m

Page 37: CÁLCULO DE UN REACTOR CATALÍTICO DE LECHO FLUIDIZADO

dt 1,784 m

H 2 m

TDH 2,43 m

Altura total 15,43 m

 

Número de tubos. 125

Disposición de los tubos.                   triangular

Separación entre tubos. 16 cm

Diámetro externo de los tubos. 5 cm

Espesor de los tubos. 4 mm

Material de los tubos.                            titanio

Número de tubos con aire. 35

Porcentaje de tubos ocupados. 28%

Porcentaje de área libre en el lecho. 91%

 

Datos del sistema de refrigeración.

Fluido. aire

Calor intercambiado. 186709,583  J/s

Temperatura de entrada. 24 ºC

Temperatura de salida. 342 ºC

Caudal de aire 0,562 kg/s

hw 146,356 W/m2 ºC

hi 45,5 W/m2 ºC

U 29,79 W/m2 ºC

 

Distribuidor de gases.

Velocidad de fluidización. 0,30 m/s

Page 38: CÁLCULO DE UN REACTOR CATALÍTICO DE LECHO FLUIDIZADO

Pérdida de presión en el lecho. 0,30 Atm.

Potencia mínima del soplante. 24,29 kW

Tipo de distribuido.                           filtros múltiples

Número de orificios por cm2. 0,16

Diámetro de los orificios. 0,2 cm

Número total de orificios. 4413

 

Características mecánicas.

Sección cilíndrica:

Diámetro interno. 1,9 m

Espesor. 9,0 mm

Factor de soldadura. 0,95

Esfuerzo de diseño. 125 N/mm2

Material de construcción              Acero inoxidable 18/8 (321)

Presión de prueba. 6 Atm.

Temperatura de prueba. 400 ºC

Tubos:

Diámetro externo. 50 mm

Espesor. 4 mm

Número de tubos. 125

Número de tubos en U. 35

Material de los tubos.                           Titanio

Cubiertas:

Tipo de cubierta.                   Elíptica (relación de radios 2:1)

Page 39: CÁLCULO DE UN REACTOR CATALÍTICO DE LECHO FLUIDIZADO

Espesor. 8 mm

Material de construcción.         Acero inoxidable 18/8

Tipo de unión.                       Atornillada, junta de elastómero.

Esfuerzo de diseño. 125 N/mm2

Factor de soldadura. 0,95

 

Soporte:

Tipo de soporte.        Estructura metálica+soporte simple (bracket)

Número de soportes. 4

Espesor. 10 mm

Longitud del soporte. 12,2 mm

Material de construcción.          Acero al carbono

Esfuerzo de diseño. 135 N/mm2

Factor de soldadura. 0,95

 

Catalizador:

Tipo de catalizador.                   Cloruro de cobre soportado sobre pumita

Carga de catalizador. 88115,3 N

 

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