8/12/2019 Reactor de Lecho Fijo

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DESCRIPCIN DE REACTORES DE LECHO FIJO CATALTICO

Desde el comienzo de su utilizacin, en la dcada de los 40, hasta la

actualidad, su desarrollo ha sido espectacular y ms si se tiene en cuenta que

dicho desarrollo ha tenido lugar, en gran parte, en los ltimos 20 aos.

El amplio esfuerzo desarrollado en el estudio de estos aparatos es fcilmente

justificable, si se repasan algunos de los procesos que en ellos se realizan:

sntesis de amonaco, de metanol, de xido de etileno, de ciclohexano, de

estireno, oxidacin de anhdrido sulfuroso, reformado cataltico,

isomerizacin, etc. Otra faceta a tener en cuenta es el gran aumento de

produccin que han experimentado determinados productos. Tal es el caso de

las fibras sintticas, los plsticos, los fertilizantes qumicos, etc.Indudablemente, esto lleva consigo un aumento de la produccin de los

productos qumicos bsicos.

Este hecho apoyado en la economa de escala, provoca el crecimiento en las

unidades de produccin. Basta citar que un producto, como el amonaco, que

se produca en la dcada de los 50 en unidades de unas 200 Tm/da , en la

actualidad se han instalado unidades de hasta 10 veces esta capacidad. Datos

semejantes se podran aportar para la produccin de cido sulfrico y metanol.

Este cambio de escala est limitado por restricciones hidrodinmicas

(canalizaciones, aumento de la prdida de carga) y efectos de transmisin de

calor (existencia de puntos calientes), as como por consideraciones de diseo

(recipientes de elevado volumen preparados para resistir altas presiones,

grandes necesidades de intercambio de calor para el suministro o recuperacin

de energa trmica, etc.).

Las innovaciones de diseo introducidas en los reactores de lecho fijo han

permitido solucionar, en gran parte, estos problemas. As, en los reactores de

alta produccin se ha recurrido al flujo radial, que produce una menor prdida

de carga que la direccin axial. Esto, lgicamente, repercute en la utilizacin

de menores tamaos de partcula de catalizador, en el aumento de actividad y

en algunos casos en el aumento de la selectividad especialmente cuando

disminuye la resistencia a la difusin interna en las pastillas del slido.

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En lo referente a las reacciones muy exotrmicas, con grandes necesidades de

extraccin de calor, se han utilizado reactores de lecho fijo de tubos, similares

a los intercambiadores de calor. Tal es el caso de numerosas reacciones

qumicas: oxidaciones (etileno, naftaleno), hidrogenaciones (nitrobenceno,

fenol),etc. Tambin se ha utilizado este sistema en reacciones endotrmicas

(deshidrogenacin de ciclohexanol).

Los reactores de lecho fijo consisten en uno o ms tubos empacados con

partculas de catalizador, que operan en posicin vertical. Las partculas

catalticas pueden variar de tamao y forma: granulares, cilndricas, esfricas,

etc. En algunos casos, especialmente con catalizadores metlicos como el

platino, se emplean mallas de alambre en lugar de partculas de metal. El

lecho de catalizador est constituido por un conjunto de capas de estematerial. Estas mallas catalticas se emplean en procesos

comerciales. Asi como, la oxidacin de amonacoy la oxidacin del

acetaldehdo a cido actico.

Debido a la necesidad de eliminar o aadir calor, no es posible usar un solo

tubo de gran dimetro empacado con el catalizador. En su lugar, el reactor

deber construirse con cierto nmero de tubos engarzados en un solo cuerpo.

El intercambio energtico con los alrededores se obtiene circulando, algunasveces hirviendo un fluido en el espacio que hay entre los tubos. Si el efecto

calorfico es considerable, los tubos de catalizador deben ser pequeos (de

hasta 1 plg de dimetro) para evitar temperaturas excesivas en la mezcla

reaccionante. El problema de la decisin del dimetro del tubo y el nmero de

tubos necesarios para una produccin dada, constituye un obstculo

importante en el diseo de estos reactores.

Una desventaja de este mtodo de enfriamiento es que la rapidez de

transferencia de calor al fluido que rodea a los tubos es constante a lo largo de

todo el tubo, pero, casi siempre, la mayor parte de la reaccin tiene lugar cerca

de la entrada del tubo. Por ejemplo, en una reaccin exotrmica, la velocidad

ser relativamente grande a la entrada del reactor debido a las altas

concentraciones de reactantes en dicha zona. Y ser un poco mayor a medida

que la mezcla reaccionante se desplace a una corta distancia dentro del tubo.

Esto debido a que el calor liberado por la alta velocidad de reaccin, es mayor

que el que puede ser transferido al fluido refrigerante. Por tanto la temperatura

de la mezcla reaccionante aumentar, dando por resultado un incremento de

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en la velocidad de la reaccin. Esto continua a medida que la mezcla se mueve

hacia arriba del tubo, hasta que la desaparicin de los reactantes tenga un

efecto mayor sobre la velocidad, que aquel que representa la temperatura.

Siguiendo por el tubo, la velocidad disminuir. La cantidad menor de calor

obtenido puede ahora eliminarse a travs de la pared, dando como resultado

que la temperatura disminuya. Esta situacin conduce a un mximo en la

curva de temperatura en funcin de la longitud del reactor.

Se puede utilizar otros medios para refrigerar el sistema adems de hacer

circular fluido refrigerante alrededor de los tubos. Por ejemplo dividir el

reactor en partes, con intercambiadores de calor entre cada una de ellas, es una

operacin de uso comn. Otra posibilidad que se ha utilizado

satisfactoriamente en reacciones con calores de reaccin moderados, como la

deshidrogenacin del buteno, consiste en agregar una cantidad de uncomponente inerte (vapor) a la mezcla reaccionante.

El mtodo particular que se utilice para enfriar (o calentar) el reactor de lecho

fijo, depende de cierto nmero de factores: costo de construccin, costo de

operacin, mantenimiento, y caractersticas especiales de la reaccin, tales

como la magnitud del calor de reaccin, H. Por ejemplo el calor de

oxidacin en la oxidacin de naftaleno es tan alto, que el empleo de tubos

enfriados exteriormente es el nico medio de prevenir las temperaturasexcesivas en el equipo de lecho fijo. En la oxidacin del dixido de azufre, el

calor de reaccin es mucho menor y permite el empleo de depsitos de lechos

catalizadores mucho menos caros y de gran dimetro, que trabajan

adiabticamente y se colocan en serie, con intercambiadores de calor externos

para eliminar el calor desprendido. En la deshidrogenacin del buteno, el calor

de la reaccin es tambin bajo, y no es necesario emplear tubos de catalizador

de dimetro pequeo. Aqu es posible utilizar intercambiadores de calor

externos (la reaccin es endotrmicay debe suministrarse calor para mantener

la temperatura) y es satisfactorio el empleo de unidades de reaccin

adiabticas con intercambiadores de calor intercalados. En este caso se

consiguen algunas ventajas adicionales aadiendo un material inerte caliente

(vapor de agua) para proporcionar la energa. El efecto amortiguador de las

molculas de agua reduce la polimerizacin del butadieno. As mismo, el

vapor reduce la presin parcial de los hidrocarburos y se logra mejorar el

rendimiento en el equilibrio de esta reaccin.

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Todos los equipos mencionados para el intercambio de energa tiene como

objetivo evitar las temperaturas excesivas o mantener un nivel de temperatura

adecuado. Es decir, son intentos que se encaminan a lograr una operacin

isotrmica del reactor. La necesidad de obtener una operacin isotrmica se

deduce de muchas razones. Una de ellas se ilustra por ejemplo en la oxidacin

del naftaleno. En este sistema es necesario el control de la temperatura para

evitar la oxidacin completa, es decir, la produccin de dixido de carbono y

agua en lugar de anhdrido naftlico. Esta es una situacin comn en

reacciones de oxidacin parcial. La oxidacin de etileno por medio de aire, es

otro ejemplo de esta situacin. Otra razn frecuente para evitar las

temperaturas excesivas es prevenir la disminucin de la actividad del

catalizador. Los cambios en la estructura del catalizador slida a medida que

se aumenta la temperatura, pueden reducir la actividad del catalizador yacortar su vida til. Por ejemplo, el catalizador de xido de hierro de la

reaccin de sntesis de amonaco, muestra una disminucin de actividad ms

rpida cuando la unidad de sntesis se opera por encima del intervalo normal

de temperatura de 400 a 500 C.

La razn para limitar la temperatura en la oxidacin de azufre se basa en dos

factores: una temperatura excesiva disminuye la actividad del catalizador,

adems, los rendimientos en el equilibrio se ven adversamente afectados conel aumento de la temperatura. Este ltimo punto es de gran importancia para

explicar la necesidad de controlar el nivel de temperatura en la

deshidrogenacin del buteno. Hay otros factores, como las propiedades fsicas

del equipo, que pueden requerir la limitacin del nivel de temperatura. Por

ejemplo, en reactores operados a muy alta temperatura, particularmente bajo

presin, puede ser necesario enfriar el tubo del reactor para evitar el

acortamiento de la vida del propio tubo.

El problema de la regeneracin del catalizador para recuperar su actividad,

puede ser muy serio en el caso de reactores de lecho fijo. En la mayora de los

casos, el catalizador es muy valioso para ser desechado. Si la actividad del

catalizador disminuye con el tiempo pueden hacerse necesarias regeneraciones

muy frecuentes. An en esos casos en los cuales el costo sea tan bajo que no

se requiera regeneracin, el procedimiento de parar y arrancar el equipo para

el cambio del catalizador puede ser una operacin muy costosa. Si esto se

hace necesaria a intervalos frecuentes, todo el proceso puede resultar

antieconmico. El lmite econmico exacto del tiempo requerido entre paros

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depende de los procesos en particular, pero, en general, si la actividad no

puede mantenerse por un periodo de varios meses, el costo de paros y

arranques probablemente ser prohibitivo. Por supuesto, la regeneracin "in

situ" es una forma de solventar esta dificultad, esto requiere uno o ms

reactores adicionales si se quiere una operacin continua, aumentndose el

costo inicial de la instalacin. Los sistemas de reactores de lecho fijo de

mayor xito son aquellos en donde la actividad del catalizador se mantiene por

mucho tiempo sin regeneracin. El reactor de lecho fijo requiere un equipo

auxiliar y es particularmente apropiado para unidades comerciales pequeas.

Para prolongar el tiempo entre regeneraciones y paros, el tubo del reactor debe

fabricarse de mayor longitud que la requerida. Por ejemplo, supongamos que

es necesaria una longitud de 3 pies para aproximarse a la conversin delequilibrio con un catalizador nuevo de alta actividad. El reactor puede

construirse con tubos de 10 pies de largo. Inicialmente, la conversin deseada

se obtendr en los primeros 3 pies. A medida que la actividad del catalizador

descienda, la seccin del lecho en la cual la reaccin se efecta casi

completamente, se desplazar hacia arriba en el tubo, hasta que finalmente se

llegue a desactivar la longitud total. Esta tcnica puede emplearse solamente

con ciertos tipos de reacciones y ha tenido mucho xito en la sntesis de

amonaco

En el transcurso de una reaccin qumica es frecuente que estn en contacto

los fluidos con partculas slidas. Los casos ms corrientes son aquellos en

que el slido se emplea como catalizador; pero en otros muchos el slido se

prepara de forma granular para aumentar su reactividad con un fluido, o bien

para intercambiar calor con el fluido reaccionante, as por ejemplo, en el

calentador de guijarros. Estas operaciones se efectan principalmente en

condiciones de flujo, y van acompaadas de una prdida de presin en la

direccin del mismo. Por otra parte, hay efectos trmicos, y a veces existen

limitaciones en la velocidad de transporte de materia por difusin. Es

frecuente que todos estos efectos tengan lugar simultneamente.

Los reactores de lecho fijo contienen una masa de pequeas partculas, de 2.5

a 5 mm de dimetro, a travs de las cuales circula la mezcla reaccionante. Para

atenuar los cambios de temperatura se emplea a veces relleno no cataltico.

Por ejemplo, el etileno se obtiene por oxidacin parcial del etano a 840 0C en

un reactor relleno con partculas de porcelana, a una velocidad espacial de 800

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m3/ m3.h, que es comparable a las velocidades empleadas en las reacciones

catalticas.

La eficacia de este tipo de instalacin se ha atribuido a la buena distribucin

del calor por irradiacin del mismo, desde el slido. En la mayora de los

casos, las instalaciones de lecho fijo contienen como relleno partculas

catalticas los cuales pueden disponerse de varios modos:

En un solo lecho.

En diversos lechos horizontales soportados sobre bandejas.

En varios tubos de relleno paralelos dentro de un mismo cuerpo.

En diversos lechos, cada uno en un cuerpo separado.

Todas estas variantes respecto del tipo de un solo lecho responden a la

necesidad de control de temperaturas mediante el intercambio de calor, y

ocasionalmente a la conveniencia de mejorar la distribucin del gas o bien de

disminuir la prdida de presin. Algunas de estas instalaciones de lecho fijo

carecen de dispositivos de transmisin de calor. En la figura 1 se representan

algunas de las mltiples posibilidades.

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Fig 1 .- Transmisin del calor en reactores de lecho fijo: a) precalentador;

b)cambiador de calor interno; c)espacios anulares de enfriamiento; d) de

relleno en tubos; e) de cuerpo relleno; f) tubo y dedal; g) cambiador de calor

externo; h) cuerpos mltiples, con transmisin de calor externo

Los procesos realizados en estas instalaciones son muchas veces autotrmicos,

o sea que hay transmisin de calor entre la carga y el producto. En un solo

aparato pueden establecerse combinaciones de los varios tipos de intercambio

de calor, como por ejemplo, en los reactores utilizados para la sntesis de

amonaco.

Cuando el calor de reaccin no es muy grande, es posible regular la

temperatura de entrada de forma que el funcionamiento adiabtico resultesatisfactorio. La instalacin original de cracking cataltico de Houdry era de

este tipo; aunque constaba de varios reactores, estos se empleaban

alternativamente, en ciclos de 10 minutos, para reaccin y regeneracin. La

deshidrogenacin del butano a buteno y butadieno se efecta actualmente por

el mismo mtodo. Las instalaciones catalticas para el reformado de las naftas

a gasolina de ndice elevado o a compuestos aromticos no emplean

cambiadores internos de calor, sino varios reactores en serie con hornos

intercalados para mantener las temperaturas (fig. 2).

Fig..2.- Sistemas de reformado de lecho fijo con catalizadores de platino y

capacidad de carga de 800 m3/da. Los reactores 1 y 2 tienen 165 cm de

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dimetro interno por 285 cm de altura; el reactor 3 tiene 195 cm de dimetro

interno por 360 cm de altura.

El flujo de reactantes es descendente a travs del lecho, de modo que no se

origina movimiento de partculas, que podra dar lugar al desgaste o a un al

arrastre. Aunque se han construido algunos reactores esfricos y otros de

seccin rectangular u oval, la mayor parte de los reactores de relleno son

cilindros verticales con las tapas convexas. La estructura del lecho consta de

una parilla metlica o cermica sobre la que hay varias capas de partculas de

dimetros cada vez ms pequeos, frecuentemente de forma esfrica, y sobre

estas van situadas las partculas del catalizador. La altura global del lecho es

aproximadamente igual al dimetro del reactor. Para hacer mnima la prdida

de presin, la alimentacin puede entrar a travs de un tubo central o bien porun anillo perifrico.