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ANÁLISIS Y DISEÑO DE REACTORES CATALÍTICOS
HETEROGÉNEOS
Muchas sustancias químicas importantes se fabrican comercialmente mediante
reacciones catalíticas heterogéneas. Los ejemplos incluyen amoniaco, ácido
sulfúrico, ácido nítrico, metanol, formaldehido, cloruro de vinilo, acrilonitrilo y
muchos otros. Para la refinación de petróleo y otras industrias energéticas, la catálisis
heterogénea también se ha utilizado ampliamente para el procesamiento de
productos, como el craqueo catalítico fluidizado, el reformado catalítico, etc. Con
una preocupación publica cada vez mayor sobre la protección ambiental, los
requisitos para el tratamiento de la contaminación del aire por parte de varias
industrias se han convertido en muchos procesos de tratamiento de gases más
estrictos que implican reacciones catalíticas heterogéneas. Un ejemplo típico es el
convertidor catalítico para automóviles. En resumen, las reacciones catalíticas han
sido ampliamente utilizadas tanto para fabricación industrial y protección del medio
ambiente. Alrededor del 80 % de las reacciones químicas utilizadas en diversas
industrias son reacciones catalíticas heterogéneas.
El objetivo de este capítulo es discutir el análisis y diseño de reactores catalíticos
heterogéneos. Limitaremos las discusiones a los procesos de reacción que utilizan
catalizadores sólidos. Dependiendo de si los catalizadores sólidos son estacionarios o
móviles, los reactores catalíticos se pueden dividir en dos categorías principales. Para
reactores de lecho fijo y lecho percolador, el catalizador se encuentra en un estado
estacionario. Por otro lado, las partículas de catalizador son móviles dentro de
reactores de lecho fluidizado, reactores de lecho móvil y reactores de suspensión.
En el Capítulo 1, Introducción, se ha descrito brevemente la estructura de estos
reactores.
En este capítulo nos centraremos en los reactores de lecho fijo. Los reactores de lecho
fluidizado, los reactores de lecho percolador y los reactores de suspensión se analizarán
en los siguientes capítulos.
7.1 FENÓMENOS DE TRANSPORTE EN EL INTERIOR DE LOS
REACTORES DE LECHO FIJO
En el capítulo anterior, se analizó el impacto de la transferencia de masa entre las
partículas del catalizador y el fluido que los rodea sobre la velocidad de la reacción. Nos
enfocamos en partículas de catalizador único y discutimos tanto la masa interna como
externa y la transferencia de calor. El lecho de catalizador en un reactor de lecho fijo
incluye muchos gránulos de catalizador y, por supuesto, los fenómenos de transporte
discutidos en el capítulo anterior ocurrirán en el lecho de catalizador. Además, existen
otros fenómenos de transporte que también tienen lugar dentro del lecho del catalizador.
Éstos incluyen dispersión y transferencia de calor tanto en dirección radial como axial.
A continuación, comenzaremos discutiendo el flujo de fluidos dentro de un lecho fijo y
luego revisaremos otros fenómenos de transporte.
7.1.1 FLUJO DE FLUIDO DENTRO DE UN LECHO FIJO
Un parámetro clave para describir la estructura del lecho fijo es la fracción vacía, que
depende del tamaño y la forma de las partículas, la distribución del tamaño de las
partículas, la proporción de diámetro de partícula al diámetro del lecho, caracteres de
empaque, etc.
En una sección transversal dada de un lecho fijo, la fracción vacía no será uniforme.
Para un lecho fijo lleno de partículas uniformes, la fracción vacía es más alto a una
distancia de 1-2 diámetros de partícula de la pared, mientras que la más baja se
encuentra en el centro del lecho, como se muestra en la Fig. 7.1 donde r es la distancia
radial desde la pared. La influencia en la distribución de la fracción vacía de la pared.
se llama efecto de pared. Para partículas no esféricas, excepto por el área
impactado por el efecto de la pared, la fracción vacía, la distribución es uniforme.
Sin embargo, para partículas esféricas, además del efecto de pared, la fracción vacía
fluctúa alrededor de su valor medio, como se muestra en la Fig. 7.1. Debido al
efecto de pared, cuanto mayor sea la relación entre el diámetro del lecho y el tamaño de
las partículas, más uniforme será la distribución de la fracción vacía. Por lo general, la
fracción vacía del lecho es el valor promedio.
Dentro del reactor de lecho fijo, el fluido fluye a través de la placa de distribución
y entra en el lecho del catalizador. El fluido navegará por los canales.
Muchas sustancias químicas importantes se fabrican
FIGURA 7.1 Fracción de vacíos de distribución radial en un lecho fijo.
entre las partículas del catalizador. Esos canales están interconectados entre si y son
tortuosos, y la forma de las secciones transversales es irregular y los tamaños varían
mucho. Además, es probable que cambie la cantidad de canales para el flujo de fluidos.
Teóricamente, la fracción de área libre en una sección transversal del lecho de
catalizador debe ser igual a la fracción vacía del lecho. Como se mencionó
anteriormente, la fracción vacía no es uniforme a lo largo de la dirección radial.
Similarmente, la distribución de la fracción de área libre a lo largo de la dirección radial
tampoco es uniforme. Como resultado, el flujo de fluido no se distribuye
uniformemente por el lecho. Desde el centro del lecho, con el aumento de la distancia
desde el centro la velocidad del flujo aumenta. La velocidad alcanza su máximo en
una distancia de 1-2 tamaños de partícula de la pared, luego disminuye hasta que
se vuelve cero en la pared. Cuanto menor sea la relación entre el diámetro del lecho y el
diámetro de las partículas, menos uniforme será la distribución de la velocidad del
flujo.
En un tubo vacío la transición de flujo laminar a flujo turbulento es muy clara. En un
lecho empacado, la transición del patrón de flujo de laminar a flujo turbulento es
gradual. Esto se debe a que las áreas de sección transversales de diferentes canales son
diferentes. A la misma tasa de flujo volumétrico, el flujo de fluido en algunos canales
permanecerán en estado de flujo laminar mientras que el flujo de fluido en otros canales
se vuelve turbulento.
La caída de presión a través de un lecho fijo es causada por dos factores. uno es el
arrastre por las partículas, es decir, la fricción entre el fluido y las partículas sólidas.
Otro es la resistencia causada por los cambios de áreas transversales de los canales de
flujo. Debido al cambio repentino del área de flujo y, por lo tanto, a la colisión
entre el fluido y las partículas sólidas, se introducen resistencias adicionales.
Cuando el flujo a través del lecho está en condiciones de flujo laminar, el primero
es la principal resistencia, y esta última se vuelve dominante cuando el flujo es
turbulento.
El flujo de fluido a través de un lecho fijo es similar al de un tubo vacío y la única
diferencia es que, para el flujo de fluido a través de un lecho fijo, la forma de los canales
es irregular. Por lo tanto, la ecuación de caída de presión para un tubo vacío se puede
modificarse para obtener ecuaciones de caída de presión para un lecho fijo.
ecuación (7.1) es una correlación de caída de presión de uso común para la caída de
presión de un lecho fijo:
∆𝑃 = 𝑓
𝐿𝑟𝑢0
2
𝜌(1 − 𝜀)
𝑑𝑝𝜀3
(7.1)
En la ecuación. (7.1) el diámetro de partícula d, se define como el diámetro de una
esfera que tiene la misma superficie que la partícula sólida. El factor de fricción es un
función del número de Reynolds:
𝑓 =
150
𝑅𝑒
+ 1.75 (7.2)
Y
𝑅𝑒 =
𝑑𝑠𝑢0𝜌
𝜇
.
1
1 − 𝜀
Cuando Re <10, el flujo de fluido en el lecho es un flujo laminar. El segundo
término en la ec. (7.2) es mucho más pequeño que el primer término y, por lo tanto
puede ser ignorado:
𝑓 =
150
𝑅𝑒
Cuando Re >1000, el flujo de fluido en el lecho es un flujo turbulento. el primer termino
de la ecuación (7.2) es mucho menor que el segundo término. Bajo tal condición
f puede considerarse como una constante e igual a 1,75.
De la ecuación. (7.1), los dos factores que tienen mayor impacto en la caída de presión
Son las fracciones vacías del lecho y la velocidad de flujo del fluido. Un pequeño
cambio de cualquiera de estos dos factores conducirá a cambios significativos en la
caída de presión. Por lo tanto, es fundamental aumentar la fracción de vacío del lecho.
por ejemplo, se pueden usar partículas de catalizador grandes para reducir la caída de
presión. Una velocidad de Flujo más baja también puede reducir la caída de presión. Sin
embargo, una menor velocidad de flujo tendría un impacto negativo en la transferencia
de masa y calor. Por lo tanto, la velocidad del flujo de fluidos debe seleccionarse
cuidadosamente para optimizar el rendimiento general.
La caída de presión calculada usando la correlación generalmente se considera
como la caída de presión inicial de un nuevo lecho de catalizador. Con el aumento del
tiempo en línea, la partícula del catalizador podría dañarse o romperse en partículas
más pequeñas, lo que conducirá a una fracción vacía más baja y una caída de presión
más alta. Dichos aumentos potenciales de caída de presión deben tenerse en cuenta al
seleccionar el compresor y cálculo de consumos de energía.
Ejemplo 7.1
El catalizador Fe-Cr se ha utilizado en reactores de lecho fijo para reacciones de
reformado con vapor a 0,6865 MPa. El catalizador es una pastilla cilíndrica de 9 mm de
diámetro y altura de 7 mm. El peso molecular medio del gas de alimentación es 18,96 y
el caudal másico (calculado en base a un tubo vacío) es de 0,936 kg/ (s.m2).
La temperatura promedio del lecho es 689K y la viscosidad del gas es 2.5 x 10-5 Pa.s.
La densidad de la partícula del catalizador es de 2000 kg/m3 y la densidad aparente del
lecho es 1400kg/m3. Calcule la caída de presión por unidad de longitud del lecho.
Solución
La caída de presión se puede calcular utilizando la Ec. (7.1). Ya que se le pidió
calcular la caída de presión por unidad de longitud del lecho, podemos establecer L= 1
m.
𝑑𝑠 = 6
𝑉
𝑝
𝑎𝑝
= 6𝑥
0.785𝑥0.0092
𝑥0.007
2𝑥0.785𝑥0.0092 + 𝜋𝑥0.009𝑥0.007
= 8.217𝑥10−3
𝑚
Y la fracción vacía del lecho es:
𝜀 = 1 −
𝜌𝑏
𝜌𝑝
⁄ = 1 −
1400
2000
= 0.3
𝜌 =
18.96
22.4𝑥 (
689
273
) 𝑥 (
0.1031
0.6865
)
= 2.348
𝑘𝑔
𝑚3
⁄
𝑢0 =
𝐺
𝜌
=
0.9360
0.6865
= 0.3986 𝑚
𝑠
⁄
𝑅𝑒 =
𝑑𝑠𝐺
𝜇(1 − 𝜀)
=
8.217𝑥10−3
𝑥0.936
2.50𝑥10−5(1 − 0.30)
= 439.5
Usando la Ec. (7.2):
𝑓 =
150
439.5
+ 1.75 = 2.091
Utilizando los valores de la Ec. (7.1) la caída de presión por unidad de longitud del
lecho puede ser calculado:
∆𝑝 =
2.091𝑥2.348𝑥0.39862(1 − 0.3)
8.217𝑥10−3𝑥0.33
= 2461
𝑘𝑔
(𝑠2. 𝑚2)
⁄ = 2461 𝑃𝑎
𝑚
⁄

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  • 1. ANÁLISIS Y DISEÑO DE REACTORES CATALÍTICOS HETEROGÉNEOS Muchas sustancias químicas importantes se fabrican comercialmente mediante reacciones catalíticas heterogéneas. Los ejemplos incluyen amoniaco, ácido sulfúrico, ácido nítrico, metanol, formaldehido, cloruro de vinilo, acrilonitrilo y muchos otros. Para la refinación de petróleo y otras industrias energéticas, la catálisis heterogénea también se ha utilizado ampliamente para el procesamiento de productos, como el craqueo catalítico fluidizado, el reformado catalítico, etc. Con una preocupación publica cada vez mayor sobre la protección ambiental, los requisitos para el tratamiento de la contaminación del aire por parte de varias industrias se han convertido en muchos procesos de tratamiento de gases más estrictos que implican reacciones catalíticas heterogéneas. Un ejemplo típico es el convertidor catalítico para automóviles. En resumen, las reacciones catalíticas han sido ampliamente utilizadas tanto para fabricación industrial y protección del medio ambiente. Alrededor del 80 % de las reacciones químicas utilizadas en diversas industrias son reacciones catalíticas heterogéneas. El objetivo de este capítulo es discutir el análisis y diseño de reactores catalíticos heterogéneos. Limitaremos las discusiones a los procesos de reacción que utilizan catalizadores sólidos. Dependiendo de si los catalizadores sólidos son estacionarios o móviles, los reactores catalíticos se pueden dividir en dos categorías principales. Para reactores de lecho fijo y lecho percolador, el catalizador se encuentra en un estado estacionario. Por otro lado, las partículas de catalizador son móviles dentro de reactores de lecho fluidizado, reactores de lecho móvil y reactores de suspensión. En el Capítulo 1, Introducción, se ha descrito brevemente la estructura de estos reactores. En este capítulo nos centraremos en los reactores de lecho fijo. Los reactores de lecho fluidizado, los reactores de lecho percolador y los reactores de suspensión se analizarán en los siguientes capítulos.
  • 2. 7.1 FENÓMENOS DE TRANSPORTE EN EL INTERIOR DE LOS REACTORES DE LECHO FIJO En el capítulo anterior, se analizó el impacto de la transferencia de masa entre las partículas del catalizador y el fluido que los rodea sobre la velocidad de la reacción. Nos enfocamos en partículas de catalizador único y discutimos tanto la masa interna como externa y la transferencia de calor. El lecho de catalizador en un reactor de lecho fijo incluye muchos gránulos de catalizador y, por supuesto, los fenómenos de transporte discutidos en el capítulo anterior ocurrirán en el lecho de catalizador. Además, existen otros fenómenos de transporte que también tienen lugar dentro del lecho del catalizador. Éstos incluyen dispersión y transferencia de calor tanto en dirección radial como axial. A continuación, comenzaremos discutiendo el flujo de fluidos dentro de un lecho fijo y luego revisaremos otros fenómenos de transporte. 7.1.1 FLUJO DE FLUIDO DENTRO DE UN LECHO FIJO Un parámetro clave para describir la estructura del lecho fijo es la fracción vacía, que depende del tamaño y la forma de las partículas, la distribución del tamaño de las partículas, la proporción de diámetro de partícula al diámetro del lecho, caracteres de empaque, etc. En una sección transversal dada de un lecho fijo, la fracción vacía no será uniforme. Para un lecho fijo lleno de partículas uniformes, la fracción vacía es más alto a una distancia de 1-2 diámetros de partícula de la pared, mientras que la más baja se encuentra en el centro del lecho, como se muestra en la Fig. 7.1 donde r es la distancia radial desde la pared. La influencia en la distribución de la fracción vacía de la pared. se llama efecto de pared. Para partículas no esféricas, excepto por el área impactado por el efecto de la pared, la fracción vacía, la distribución es uniforme. Sin embargo, para partículas esféricas, además del efecto de pared, la fracción vacía fluctúa alrededor de su valor medio, como se muestra en la Fig. 7.1. Debido al efecto de pared, cuanto mayor sea la relación entre el diámetro del lecho y el tamaño de las partículas, más uniforme será la distribución de la fracción vacía. Por lo general, la fracción vacía del lecho es el valor promedio. Dentro del reactor de lecho fijo, el fluido fluye a través de la placa de distribución y entra en el lecho del catalizador. El fluido navegará por los canales.
  • 3. Muchas sustancias químicas importantes se fabrican FIGURA 7.1 Fracción de vacíos de distribución radial en un lecho fijo. entre las partículas del catalizador. Esos canales están interconectados entre si y son tortuosos, y la forma de las secciones transversales es irregular y los tamaños varían mucho. Además, es probable que cambie la cantidad de canales para el flujo de fluidos. Teóricamente, la fracción de área libre en una sección transversal del lecho de catalizador debe ser igual a la fracción vacía del lecho. Como se mencionó anteriormente, la fracción vacía no es uniforme a lo largo de la dirección radial. Similarmente, la distribución de la fracción de área libre a lo largo de la dirección radial tampoco es uniforme. Como resultado, el flujo de fluido no se distribuye uniformemente por el lecho. Desde el centro del lecho, con el aumento de la distancia desde el centro la velocidad del flujo aumenta. La velocidad alcanza su máximo en una distancia de 1-2 tamaños de partícula de la pared, luego disminuye hasta que
  • 4. se vuelve cero en la pared. Cuanto menor sea la relación entre el diámetro del lecho y el diámetro de las partículas, menos uniforme será la distribución de la velocidad del flujo. En un tubo vacío la transición de flujo laminar a flujo turbulento es muy clara. En un lecho empacado, la transición del patrón de flujo de laminar a flujo turbulento es gradual. Esto se debe a que las áreas de sección transversales de diferentes canales son diferentes. A la misma tasa de flujo volumétrico, el flujo de fluido en algunos canales permanecerán en estado de flujo laminar mientras que el flujo de fluido en otros canales se vuelve turbulento. La caída de presión a través de un lecho fijo es causada por dos factores. uno es el arrastre por las partículas, es decir, la fricción entre el fluido y las partículas sólidas. Otro es la resistencia causada por los cambios de áreas transversales de los canales de flujo. Debido al cambio repentino del área de flujo y, por lo tanto, a la colisión entre el fluido y las partículas sólidas, se introducen resistencias adicionales. Cuando el flujo a través del lecho está en condiciones de flujo laminar, el primero es la principal resistencia, y esta última se vuelve dominante cuando el flujo es turbulento. El flujo de fluido a través de un lecho fijo es similar al de un tubo vacío y la única diferencia es que, para el flujo de fluido a través de un lecho fijo, la forma de los canales es irregular. Por lo tanto, la ecuación de caída de presión para un tubo vacío se puede modificarse para obtener ecuaciones de caída de presión para un lecho fijo. ecuación (7.1) es una correlación de caída de presión de uso común para la caída de presión de un lecho fijo: ∆𝑃 = 𝑓 𝐿𝑟𝑢0 2 𝜌(1 − 𝜀) 𝑑𝑝𝜀3 (7.1) En la ecuación. (7.1) el diámetro de partícula d, se define como el diámetro de una esfera que tiene la misma superficie que la partícula sólida. El factor de fricción es un función del número de Reynolds:
  • 5. 𝑓 = 150 𝑅𝑒 + 1.75 (7.2) Y 𝑅𝑒 = 𝑑𝑠𝑢0𝜌 𝜇 . 1 1 − 𝜀 Cuando Re <10, el flujo de fluido en el lecho es un flujo laminar. El segundo término en la ec. (7.2) es mucho más pequeño que el primer término y, por lo tanto puede ser ignorado: 𝑓 = 150 𝑅𝑒 Cuando Re >1000, el flujo de fluido en el lecho es un flujo turbulento. el primer termino de la ecuación (7.2) es mucho menor que el segundo término. Bajo tal condición f puede considerarse como una constante e igual a 1,75. De la ecuación. (7.1), los dos factores que tienen mayor impacto en la caída de presión Son las fracciones vacías del lecho y la velocidad de flujo del fluido. Un pequeño cambio de cualquiera de estos dos factores conducirá a cambios significativos en la caída de presión. Por lo tanto, es fundamental aumentar la fracción de vacío del lecho. por ejemplo, se pueden usar partículas de catalizador grandes para reducir la caída de presión. Una velocidad de Flujo más baja también puede reducir la caída de presión. Sin embargo, una menor velocidad de flujo tendría un impacto negativo en la transferencia de masa y calor. Por lo tanto, la velocidad del flujo de fluidos debe seleccionarse cuidadosamente para optimizar el rendimiento general. La caída de presión calculada usando la correlación generalmente se considera como la caída de presión inicial de un nuevo lecho de catalizador. Con el aumento del tiempo en línea, la partícula del catalizador podría dañarse o romperse en partículas más pequeñas, lo que conducirá a una fracción vacía más baja y una caída de presión más alta. Dichos aumentos potenciales de caída de presión deben tenerse en cuenta al
  • 6. seleccionar el compresor y cálculo de consumos de energía. Ejemplo 7.1 El catalizador Fe-Cr se ha utilizado en reactores de lecho fijo para reacciones de reformado con vapor a 0,6865 MPa. El catalizador es una pastilla cilíndrica de 9 mm de diámetro y altura de 7 mm. El peso molecular medio del gas de alimentación es 18,96 y el caudal másico (calculado en base a un tubo vacío) es de 0,936 kg/ (s.m2). La temperatura promedio del lecho es 689K y la viscosidad del gas es 2.5 x 10-5 Pa.s. La densidad de la partícula del catalizador es de 2000 kg/m3 y la densidad aparente del lecho es 1400kg/m3. Calcule la caída de presión por unidad de longitud del lecho. Solución La caída de presión se puede calcular utilizando la Ec. (7.1). Ya que se le pidió calcular la caída de presión por unidad de longitud del lecho, podemos establecer L= 1 m. 𝑑𝑠 = 6 𝑉 𝑝 𝑎𝑝 = 6𝑥 0.785𝑥0.0092 𝑥0.007 2𝑥0.785𝑥0.0092 + 𝜋𝑥0.009𝑥0.007 = 8.217𝑥10−3 𝑚 Y la fracción vacía del lecho es: 𝜀 = 1 − 𝜌𝑏 𝜌𝑝 ⁄ = 1 − 1400 2000 = 0.3 𝜌 = 18.96 22.4𝑥 ( 689 273 ) 𝑥 ( 0.1031 0.6865 ) = 2.348 𝑘𝑔 𝑚3 ⁄ 𝑢0 = 𝐺 𝜌 = 0.9360 0.6865 = 0.3986 𝑚 𝑠 ⁄ 𝑅𝑒 = 𝑑𝑠𝐺 𝜇(1 − 𝜀) = 8.217𝑥10−3 𝑥0.936 2.50𝑥10−5(1 − 0.30) = 439.5 Usando la Ec. (7.2): 𝑓 = 150 439.5 + 1.75 = 2.091
  • 7. Utilizando los valores de la Ec. (7.1) la caída de presión por unidad de longitud del lecho puede ser calculado: ∆𝑝 = 2.091𝑥2.348𝑥0.39862(1 − 0.3) 8.217𝑥10−3𝑥0.33 = 2461 𝑘𝑔 (𝑠2. 𝑚2) ⁄ = 2461 𝑃𝑎 𝑚 ⁄