INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CIUDAD MADERO

División de Estudios de Posgrado e Investigación

Maestría en Ciencias en Ingeniería Química  

Catálisis Heterogénea

Reactores con Catalizadores Sólidos

Presenta:Zaida Muñoz Rocha

Diana Isela Sánchez AlvaradoMarco Antonio Coronel García

CatedráticoDr. José Guillermo Sandoval Robles   

Ciudad Madero, Tam., Mayo del 2009

Los reactores catalíticos tienen la función de permitir la reacción química entre dos o más reactivos mediante la presencia de un catalizador para dar el producto o productos deseados bajo unas condiciones de operación específicas de temperatura, presión, flujos, etc.

El diseño del reactor es un factor clave para optimizar el proceso, es decir, para obtener las mayores conversiones y selectividades posibles.

Los reactores catalíticos se pueden clasificar según la fase en que se encuentra el catalizador respecto al medio de reacción, así se tendrá:

• Reactores catalíticos homogéneos.• Reactores catalíticos heterogéneos.

En reactores catalíticos homogéneos tanto los reactivos como el catalizador se encuentran en la misma fase.

En los reactores catalíticos heterogéneos los reactivos y el catalizador se encuentran en fases diferentes, siendo la fase del catalizador sólida, mientras que las fases de los reactivos pueden ser gas o líquido o las dos.

El contacto del reactante gaseoso con el catalizador sólido puede efectuarse de muchas maneras y cada una ofrece ventajas y desventajas específicas.

Existen diferentes configuraciones de reactores a gran escala para llevar a cabo proceso continuos de interés industrial.

Entre los tipos de reactores catalíticos podemos mencionar:

Reactores de lecho fijo (sencillos, múltiples, y multitubulares)

Reactores de lecho fluidizado Reactores de lecho móvil

En el diseño de reactores para fluidos en presencia de catalizadores sólidos, debe tenerse en cuenta la transmisión de calor , la pérdida de presión y el contacto entre fases, y, en muchos casos la previsión de un proceso periódico o continuo para la regeneración del catalizador deteriorado.

El diseño de un proceso catalítico se caracteriza por:

El establecimiento del conjunto de condiciones del reactor:

TemperaturaPresión

ComposiciónTiempo de contacto

Diseño del reactor:Reactor con concentraciones uniforme

Reactor con gradientes de concentraciones

Deposición del catalizador en el reactor y las operaciones unitarias que el primero requiere tales como:

PurificaciónSeparación

RecirculaciónIntercambio de calor

Regeneración del catalizador, etc

Al final se debe escoger para la formulación seleccionada, el conjunto de condiciones que constituyen la operación más económica.

El establecimiento de las condiciones de operación es el resultado del estudio termodinámico y cinético del sistema.

La manipulación de las condiciones de operación es en gran medida en la industria, la manera de obtener mayores rendimientos.

Los reactores de lecho fijo (empacado o de relleno) se refieren a sistemas de dos fases en los que el fluido reaccionante fluye a través de uno o más tubos empacados con partículas o gránulos catalíticos estacionarios, que se operan en posición vertical. Existen sencillos, múltiples y multitubulares. Reactor de

lecho fijo de tubos múltiples

Reactor de lecho fijo adiabático de flujo descendente

Este tipo de reactor es utilizado ampliamente ya que es la manera más fácil y común de realizar una reacción en fase gas heterogéneamente catalizada.

El arreglo del catalizador fijo generalmente es llamado “cama fija”.

La circulación de los gases a través de lechos fijos se aproxima al flujo en pistón.

Puede resultar difícil el control adecuado de la temperatura en lechos fijos grandes, debido a que estos sistemas se caracterizan por una conductividad calorífica baja y por un gran desprendimiento o absorción de calor. Por consiguiente es reacciones muy exotérmicas es muy probable que se formen zonas calientes que puedan perjudicar al catalizador.

Los lechos fijos no pueden emplear tamaños muy pequeños de catalizador, debido a la formación de tapones y a que se originan pérdidas de presión elevadas.

• Reactor de lecho fijo sencillo

Se emplean para procesos adiabáticos, o en aquellos casos en los que puede controlarse, a través de las paredes del lecho, el fenómeno de transmisión de calor de manera efectiva. Normalmente, la transmisión de calor es más efectiva cuando el catalizador se encuentra dentro de tubos de pequeño diámetro.

En el caso del proceso de hidrodesulfuración de fracciones de petróleo, la aplicación a gran escala se lleva a cabo en reactores de lecho fijo sencillos.

Tipo de reactores industriales Reactor de lecho fijo

• Reactor de lechos fijos múltiples

En este tipo de reactores la transmisión de calor se lleva a cabo intercalando cambiadores de calor entre lechos contiguos, o bien empleando sistemas de bombeo que extraen la corriente de salida de un lecho, la hacen pasar por un intercambiador de calor externo y la devuelven al sistema de reacción como corriente de alimento al lecho siguiente.

Reactores multilecho adiabáticos con intercambiadores entre etapas

Tipo de reactores industriales Reactor de lecho fijo

• Reactor de lechos fijos multitubulares

Presentan una configuración de tipo carcasa y tubo, y habitualmente el catalizador se dispone en el interior de los tubos. Los diámetros de los tubos pueden ser de, aproximadamente , 8 veces el diámetro de las partículas catalíticas, mientras que la longitud de los mismos suele ser restringida para obtener pérdidas de presión aceptables.

Reactor de carcasa y tubos

Tipo de reactores industriales Reactor de lecho fijo

En los reactores de lecho fijo son usadas diferentes formas de partículas catalíticas, tales como, esferas, cilindros, anillos, pellets, monolitos, etc.

Tipo de reactores industriales Reactor de lecho fijo

En general, se recomienda que la morfología de los granos sea tal que:

Las caídas de presión sean aceptables.Las resistencias a la difusión intrapárticula no excedan de ciertos límites.

Tipo de reactores industriales Reactor de lecho fijo

El diámetro de la partícula se puede calcular con el número de Péclet, se ha encontrado que: 1≤Pe≤2, dp=diámetro de grano de catalizador.

TDdpu

Pe

Tipo de reactores industriales Reactor de lecho fijo

50dpL

Asociando el número de Péclet con el de Bodentein, para que el flujo sea tipo pistón, se obtiene:

DT = Coeficiente de difusión turbulenta.u = velocidad del gas.L = longitud del reactor.

La condición suficiente para que un tubo lleno de catalizador se tenga flujo pistón es que L/dp > 50.

TDuL

Bo

Tipo de reactores industriales Reactor de lecho fluidificado

A diferencia de un reactor de lecho fijo, cuyas partículas de catalizador son relativamente grandes y estacionarias, en un reactor de lecho fluidificado, las partículas son pequeñas (50 a 250) y se desplazan de manera que depende de la velocidad del fluido.

Tipo de reactores industriales Reactor de lecho fluidificado

La figura muestra la diversidad de comportamientos de las partículas en un tubo vertical a través del cual fluye el fluido. A velocidades bajas, las partículas no se perturban, por lo que, en esencia, se produce un comportamiento de lecho fijo. En el otro extremo, la velocidad es tan alta que las partículas se elevan hacia la parte superior del reactor con el fluido.

Movimiento de las partículas en un reactor de flujo tublar

Tipo de reactores industriales Reactor de lecho fluidificado

En estas últimas condiciones el sistema opera como reactor de transporte o de línea de transferencia. En la mayoría de los reactores catalíticos de lecho fluidificado, el fluido es un gas y las condiciones normales de operación consisten en un régimen de burbujeo. En estas condiciones, el gas se desplaza a través del reactor de dos maneras: como “burbujas” que contienen relativamente pocas partículas de sólidos y que se mueven con más rapidez que la velocidad promedio, y como base continua “densa” o de “emulsión” en la que la concentración de partículas es alta..

Tipo de reactores industriales Reactor de lecho fluidificadoEntre las ventajas de los lechos fluidizados cabe citar la uniformidad de temperatura, la consecución de un transmisión de calor óptima y la viabilidad de transportar un catalizador de desactivación entre el reactor y el generador.

Las desventajas son el desgaste mecánico, la recuperación de finos y los fenómenos de retromezcla, para los que se emplean tabiques deflectores que permiten disminuir dicho fenómeno.

Tipo de reactores industriales Reactor de lecho fluidificado

El tamaño medio de partícula empleado en los reactores de lecho fluidificado suele ser inferior a 0.1 mm, aunque la utilización de partículas muy pequeñas impone restricciones severas en la recuperación del material catalítico arrastrado fuera del reactor.

Tipo de reactores industriales Reactor de lecho móvil

Tiene la ventaja de poder sacar el catalizador para ser regenerado.

Ejemplos:

FCC.Descomposición de dimetil-metadioxano (IFP) para la preparación se isopreno.

En ambos casos el catalizador se envenena rápidamente y debe ser regenerado, éste se calienta y sirve como vehículo de energía térmica para la reacción endotérmica.

Tipo de reactores industriales

Reactor de lecho móvilEn estos sistemas, el catalizador, en forma de gránulos grandes, circula por gravedad, mientras que el gas se introduce al sistema entre la zona de reacción y la de regeneración

Tipo de reactores industriales

Reactores de suspensiónCuando existen reactantes tanto volátiles como no volátiles, o cuando se requiere un disolvente líquido para todos los reactantes gaseosos, se necesitan reactores de tres fases.

Tipo de reactores industriales

Reactores de suspensiónLa característica distintiva de un reactor de suspensión es que existen partículas pequeñas(~100) de catalizador suspendidas en un líquido.

En un sistema de tres fases, las burbujas de gas se elevan a través de la suspensión agitada.

A diferencia del lecho fluidificado, existe poco movimiento relativo entre las partículas y el fluido, aun cuando el fluido se agite mecánicamente. Las partículas tienden a moverse con el líquido.

Tipo de reactores industriales

Reactores de suspensiónLos reactores de suspensión son similares a los de lecho fluidificado, en cuanto a que se hace pasar un gas a través del reactor que contiene las partículas sólidas suspendidas en un fluido; en los lechos fluidificados, el fluido que actúa como medio de suspensión es el propio gas reactante.

Las ventajas de los reactores de suspensión con respecto a las unidades de lecho fijo son similares a las de los lechos fluidificados: temperatura uniforme, fácil regeneración del catalizador, mejor control de la temperatura para reacciones altamente exotérmicas y ausencia de resistencia a la difusión en el interior de las partículas.

Tipo de reactores industriales

Reactores de suspensión

La desventaja más seria de los reactores de suspensión es la dificultad para retener el catalizador en el recipiente. Las mallas y otros dispositivos en las líneas de salida tienden a obstruirse o volverse inoperantes. En algunos casos, el catalizador puede ser tan activo que no es necesario retenerlo en el reactor.

Selección del reactor

• Seleccionar tipo de flujo adecuado.

• Estudiar los problemas de granulometría y resistencia mecánica a escala piloto para escalamiento.

• En reactores tubulares primero se examina el problema de transferencia intrapartícula.

• En flujo bifásico la distribución del líquido es importante, habrá que estudiar a contracorriente ascendente.

Selección del reactor

• Si la termicidad es importante, se usara reactor multitubular o lecho fluidizado.

• Los reactores de lecho fluidizado tienen estabilidad térmica, pero importa mucho el retromezclado.

• Si el ciclo de regeneración es muy grande, se pueden colocar dos o más reactores en paralelo, de lo contrario se puede acoplar el reactor con el regenerador.

• Cuando el catalizador deba circular dentro del reactor deberá tener propiedades adecuadas para ello.

Esquema de la unidad• El esquema general del funcionamiento de toda

la unidad catalítica es impuesto por las propiedades del catalizador y las características termodinámicas de la reacción.

Importancia de las propiedades del catalizador.

• La poca actividad obliga a aumentar: el volumen del reactor, la cantidad de catalizador, además se tiene que separar el producto y/o recircular los reactivos.

• La poca selectividad ocasiona un consumo inútil de carga, además de tener que usar unidades de separación más complejas, los productos no deseados pueden envenenar el catalizador.

Esquema de la unidad• La falta de resistencia hacia ciertos venenos

obliga a purificar los reactivos.

• Cuando el envejecimiento es muy lento, solo se usa un reactor que se para periódicamente para regenerar el catalizador.

Importancia de las características termodinámicas y de las condiciones de operación.

• Para evitar una aumento incontrolable de la temperatura, se debe enfriar el sistema con el reactivo frío y con un medio externo.

Esquema de la unidad• Si la reacción es endotérmica, se puede se

puede usar un reactor multitubular del tipo intercambiador.

• Si es necesario usar presiones mayores o menores a la atmosférica, se usaran equipos con espesores de pared adecuados, además de equipos auxiliares que ayuden a llegar a dicha presión, mantenerla y controlarla.

Consideración final

• El esquema del proceso que se usará deberá corresponder a la unidad más económica.