Reactores radiales de lecho fijo: análisis comparativo y propuestas de diseño

Andrea A. Savoretti.

1995.

174 h. : ilus. ; 28,5 cm. .

Tesis--Universidad Nacional del Sur, 1996.

Resumen: Capítulo 1: Introducción: Los reactores catalíticos de lecho fijo se cuentan entre los más utilizados para la producción de compuestos químicos a gran escala. En lo que se refiere a su aplicación y construcción, es necesario diferenciar entre aquellos que operan adiabáticamente y aquellos que lo hacen con intercambio de calor. En general, los primeros son preferidos por su sencilla tecnología y fácil operación (Froment y Hofmann, 1987). De todos modos, no todas las reacciones químicas presentan las características necesarias para que la evolución adiabática de las mismas sea económicamente conveniente. Si la reacción a llevar a cabo fuese sólo débilmente exotérmica o endotérmica, entonces la operación adiabática debería ser considerada en primer término por resultar la alternativa tecnológica más simple. En cambio, cuando el proceso presenta importantes efectos térmicos no es posible realizarlo adiabáticamente. En efecto, en un lecho adiabático donde ocurren reacciones altamente exotérmicas la temperatura tiende a aumentar incontroladamente, y en el otro extremo, cuando tiene lugar procesos fuertemente endotérmicos, la reacción se extinguirá rápidamente (Rase, 1977). En la industria se intenta resolver este problema mediante el empleo de reactores adiabáticos multilecho con intercambio de calor entre etapas (Boreskov y Slinko, 1965; Sheppard, 1982; 1986, Sundaram y col., 1991). Una gran parte de los reactores industriales adiabáticos son de este tipo, en su versión más común de flujo axial. El mayor inconveniente es que esta configuración presenta elevadas pérdidas de carga a lo largo del equipo (Rase, 1977, 1990; Dudukovic y Lamba, 1975). Esto conlleva un alto costo energético. Además, cuando el proceso a analizar se ve favorecido por la operación a bajas presiones, la capacidad misma del reactor se ve comprometida. En estos casos, se obtienen ventajas significativas si se seleccionan equipos que permitan trabajar a esas bajas presiones y con poca pérdida de carga (Froment y Hofmann, 1987). En ese aspecto la configuración axial resulta un esquema poco favorable, ya que si bien es en principio posible diseñar reactores a baja presión con flujo axial, debe recurrirse a diseños de gran diámetro y muy poca profundidad (shallow beds). Como es sabido, esta configuración presenta serios problemas de distribución de flujo tanto en la zona de entrada como a través del lecho (Eigenberger, 1992). La alternativa que luce más razonable entonces es cambiar el sentido de flujo, seleccionando por ejemplo una configuración radial. En este esquema, el catalizador es empacado en el espacio anular comprendido entre dos tubos concéntricos perforados. El fluido ingresa siguiendo un sentido paralelo al eje axial del reactor, sea por el tubo central o por la corona anular exterior. Luego fluye radialmente a través del lecho catalítico contenido entre el distribuidor y el colector (ver figura 1.1). La mezcla sale finalmente del equipo siguiendo nuevamente una dirección axial. Según sea el sentido con el que el fluido atraviesa el lecho, el reactor presenta flujo centrípeto o flujo centrífugo. El primero corresponde al sentido de afuera hacia adentro y el segundo al caso contrario. Para definir completamente la configuración del reactor, se necesita además especificar el sentido mutuo de evolución de las corrientes que fluyen axialmente. Cuando ambas circulan en el mismo sentido, como en el caso de la figura 1.1, se dice que el reactor presenta una configuración Z. Cuando presentan sentidos opuestos la configuración se denomina Ò. El reactor en flujo radial, al ofrecer elevadas áreas de flujo y lechos comparativamente poco profundos, permite el tratamiento de grandes caudales de gas, con baja caída de presión. Este esquema también se prefiere cuando, para minimizar problemas difusionales, deben utilizarse pequeñas pastillas de catalizador. La operación eficiente de un reactor catalítico de lecho fijo requiere un adecuado contacto entre el gas y las partículas. Además el diseño radial exige una distribución de fluido uniforme, tanto radial como axial (Dudukovic y Lamba, 1975). Existen algunos trabajos específicos sobre la fluidodinamia de reactores radiales. Los pioneros corresponden a investigadores soviéticos, quienes realizaron el modelamiento matemático de estos equipos, considerando todas las zonas del reactor: tubo central, lecho relleno anular y corono exterior (Genkin y col., 1973). Este desarrollo fue extendido posteriormente por Kaye (1978), quien lo convalidó a partir de datos experimentales. Por otra parte, las consecuencias de la no uniformidad en la distribución del gas sobre la conversión y la selectividad han sido estudiadas por Ponzi y Kaye (1979) para un reactor de flujo radial con esquemas cinéticos simples. Este análisis fue extendido por Chang y Caló (1981). Todos estos autores coinciden en que los efectos de una mala distribución de los fluidos en el lecho pueden deteriorar sustancialmente la producción del reactor. Además, demostraron que la distribución de fluido depende fuertemente de los parámetros geométricos del equipo// CALIFICACION DEPARTAMENTO DE GRADUADOS Calificación de la defensa oral: 10 Sobresaliente Fecha: 14/7/95

Incluye referencias bibliográficas.