Reactores Multifásicos 2.1, Apuntes de Procesos Químicos

¡Descarga Reactores Multifásicos 2.1 y más Apuntes en PDF de Procesos Químicos solo en Docsity!

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE SALINA CRUZ

TEMA 6

REACTORES MULTIFASICOS GAS-LÍQUIDO-SÓLIDO CATALITICO TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO

TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO INSTITUTO TECNOLÓGICO DE SALINA CRUZ “REACTORES MULTIFASICOS GAS-LÍQUIDO-SÓLIDO CATALITICO” TEMA 5: FUNDAMENTOS DE REACTORES HETEROGÉNEOS ASIGNATURA: REACTORES QUÍMICOS INGENIERÍA QUÍMICA SEMESTRE: VI GRUPO:”F” PRESENTAN: CONTRERAS ANTONIO DRICSI AYLIN DEHESA ZARATE JESUS MANUEL ENRÍQUEZ TOLEDO ANEL CITLALY RESENDIZ RASGADO JOSÉ GABRIEL SERAPIO ROMERO VERONICA JAZMÍN SOSA ESCOBAR JOSÉ ALDAHIR VILLALANA VASCO KENIA PROFESORA: ING. MARÍA DE LOS ÁNGELES RUÍZ SÁNCHEZ SALINA CRUZ, OAXACA JUNIO 2021

Un reactor multifásico es aquel en el cual se hallan presentes

dos o tres fases. Los reactantes y productos pueden hallarse

en fase gas, líquido o sólido. Sin embargo, la fase sólida

puede tener además otros papeles como por ejemplo el de

catalizador, inerte para proporcionar la distribución de flujo de

calor adecuada o incluso el de crear superficies adecuadas

de transferencia de materia.

En la actualidad, los reactores multifásicos se pueden

encontrar en múltiples aplicaciones como la producción de

productos y combustibles derivados del petróleo, en la

producción de especialidades químicas, farmacéuticas,

herbicidas y pesticidas, en el refino de menas, la producción

de polímeros y en el tratamiento de la contaminación

INTRODUCCIÓN

6.1 Diseño de reactores con el sólido en suspensión (slurry).

6.1.1 Col umnas de b orboteo con só lid os en sus pensió n.

• En los reactores con suspensión de sólidos , el sólido se mantiene en suspensión en el seno de un líquido que puede ser reactante o inerte.
• En la actualidad el líquido se introduce en forma de corriente que se mueve muy lentamente, pero ello contribuye muy poco a la mezcla.
• El régimen de circulación será de borboteo según sea 𝑉ௌீ , D y las propiedades fisicoquímicas del sistema, así como de la presencia de sólido. La agitación del líquido y la suspensión del sólido están garantizadas solamente por el flujo del gas exclusivamente. Por tanto, el distribuidor (un plato perforado) debe diseñarse para que el sólido no se estanque en ningún punto de la columna.
• La velocidad superficial del gas mínima para asegurar la suspensión se calcula mediante la expresión de Narayan y col.(1969) ௌீ௠ ௡ ௌீ௠ ௙ ௣ ௡ ௙ ௣ ௙ ௦ ௡ ௙ ఊ ௉ ௅ ௉ ௅ ௣ ௦ ௉ ௣ ௅ ଴.ହ

• El holdup de gas se evalúa a partir de la velocidad superficial y de las propiedades del líquido mediante las expresiones mostradas en los sistemas fluido-fluido (ecuación de Van Dierendonc). También influyen el material del sistema , las impurezas y el diseño del distribuidor de flujo. Para velocidades de gas ˂ 30 cm/s el holdup se ve ligeramente disminuido por la presencia del sólido. 𝜀 = 1. 𝑈௅𝑈ீௌ 𝜎௅ ଵ/ସ 𝑈ீௌ 𝜎௅𝑔 𝜌௅ ଵ/ସ ଵ/ଶ
• La presencia del sólido afecta a la transferencia de materia gas-líquido tanto en cuanto afecta al área interfacial. Si se corrige el área tomando en cuenta que ahora el reactor esta ocupado por liquido, gas y solido, tenemos ௩ ௣ ீ
• Expresiones de Calderbank para la estimación de 𝐾௅ siendo validas para burbujas inferiores a 2, mm y superiores a 2,5 mm. 𝐾௅ ௖௠ ௦⁄ 𝜇௅ 𝜌௅𝐷௅ ଶ/ଷ = 0. 𝜌௅ − 𝜌ீ 𝜇௅𝑔 𝜌௅ଶ ଵ/ଷ 𝐾௅ ௖௠ ௦⁄ 𝜇௅ 𝜌௅𝐷௅ ଶ/ଷ = 0. 𝜌௅ − 𝜌ீ 𝜇௅𝑔 𝜌௅ଶ ଵ/ଷ

Modelización Debido a la imprecisión existente en estimaciones referentes a la hidrodinámica y a las transferencias de materia, el diseño de estos reactores debe ser realizado con el modelo mas sencillo posible. Puede considerarse que liquido y sólido se hallan perfectamente mezclados y el gas sigue un modelo de flujo en pistón. En el caso de que el flujo sea inerte, los perfiles y etapas del proceso sus ecuaciones son las siguientes: −𝑑𝑤஺ீ − (𝑁஺𝑎)ீ௅ 𝑑𝑣 = 0 (𝑁஺𝑎)ீ௅ = (𝑁஺𝑎)௅ௌ = −𝑟஺

Considerando el flujo en pistón se obtiene una expresión análoga a la de un reactor tubular de una fase con flujo de pistón. ஺ ஺ ஺ ௑ಲೞ ௑ಲ೐

• Si la expresión es de primer orden e irreversible se puede expresar fácilmente la velocidad del proceso en función de la concentración del seno del gas ( en estado estacionario todas las velocidades serán iguales).
• Si la reacción no es de primer orden es necesario utilizar métodos numéricos para poder expresar las concentraciones intermedias en función de la del gas. En el caso de que el liquido sea reactante hay que planear los balances de materia en ambas fases y tener en cuenta que en este caso el sistema está en estado no estacionario.

𝑁ோ 𝑐𝑜𝑛 𝑔𝑎𝑠 − 𝑁ோ > 200 𝑞ீ 𝐷௦^ ଷ 𝑹𝒎 ௦ ఈ ଴.ସହ ௣ ௅ ଴.ସହ ௅ ଴.ଵି଴ .ଶ ௣ ௦ ଴.ଵଷ ௦ ଴.଼ ହ ௅ ଴.ହହ

En presencia del gas

𝒘𝒔 = % 𝒆𝒏 𝒑𝒆𝒔𝒐 𝒅𝒆 𝒔ó𝒍𝒊𝒅𝒐 𝒆𝒏 𝒆𝒍 𝒍𝒊𝒒𝒖í𝒅𝒐 Ѱ 𝒚 𝜶 𝒅𝒆𝒑𝒆𝒏𝒅𝒆𝒏 𝒅𝒆 𝒍𝒂𝒔 𝒄𝒂𝒓𝒂𝒄𝒕𝒆𝒓í𝒔𝒕𝒊𝒄𝒂𝒔 𝒅𝒆𝒍 𝒂𝒈𝒊𝒕𝒂𝒅𝒐𝒓 Ѱ = 𝟏. 𝟓𝛂 = 𝟏. 𝟒 𝒑𝒂𝒓𝒂 𝒕𝒖𝒓𝒃𝒊𝒏𝒂𝒔 𝒆 𝒊𝒎𝒑𝒖𝒍𝒔𝒐𝒓𝒆𝒔 𝒄𝒐𝒏 𝒑𝒂𝒍𝒆𝒕𝒂𝒔 𝒓𝒆𝒄𝒕𝒂𝒔

En la transferencia gas-líquido el coeficiente de transferencia de materia en

la película de gas es despreciable, mientras que el de la película líquida será

de mayor importancia.

𝟏 ൗ𝟒 ൗ 𝝋^ =^ 𝟏^ −^ 𝟏𝟐.^ 𝟔^

𝟑

𝟑

𝒘 𝑳 (^) 𝑹 𝟑 𝑨 𝟓 𝑳 El holdup de gas depende del tamaño de burbuja ya que crece con 𝑵𝑹 y con 𝑼𝑺𝑮

𝑾𝑳 = 𝒎𝒂𝒔𝒂 𝒅𝒆 𝒍í𝒒𝒖𝒊𝒅𝒐 𝒆𝒏 𝒆𝒍 𝒔𝒍𝒖𝒓𝒓𝒚 𝝋 = 𝑭𝒂𝒄𝒕𝒐𝒓 𝒅𝒆 𝒄𝒐𝒓𝒓𝒆𝒄𝒊ó𝒏 𝒅𝒆 𝒍𝒂 𝒑𝒓𝒆𝒔𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 𝒅𝒆 𝒃𝒖𝒓𝒃𝒖𝒋𝒂𝒔 Modelización

Lo que llega a la superficie del

sólido es lo que reacciona,

pero si el sólido es poroso se

puede llegar a tener en serie-

paralelo difusión y reacción.

Por tanto, es necesario

conocer cuál es el factor de

eficacia

Sin embargo, en un slurry el

tamaño de partícula puede

ser suficientemente pequeño

para que el factor de eficacia

sea >0.9.

6.2 Reactor de lecho fijo y flujo en cocorriente descendente

Este tipo de reactores ampliamente utilizados en la

industria del petróleo pueden operar en un amplio

rango de condiciones dependiendo de las propiedades

del alimento y de la naturaleza de la reacción.

Generalmente, las fracciones menos reactivas, que

tienden a estar en el rango alto de punto de ebullición y

son más viscosas a temperatura ambiente, se procesan a

bajos caudales. Caudales típicos para el líquido son de

0.83 a 8.3 kg/(m2 · s) para densidades de 1g/cm3 como

por ejemplo aceites lubricantes, gasóleos y fracciones

residuales; para nafta son de 8.3 a 25 kg/(m2·s).

Para poder modelizar el reactor es necesario primero estudiar los distintos regímenes

hidrodinámicos del reactor, ya que las propiedades del mismo, en particular, la

transferencia de materia depende significativamente de tipo de régimen.

• Régimen de flujo Según los caudales másicos por unidad de área de las fases se pueden tener las siguientes situaciones, el diagrama de Sato

1) Para caudales de líquido y gas bajos, se tiene la fase gas

como continua y el líquido disperso en forma de riachuelos o flujo laminar por lo que puede suceder que el sólido este mojado a trozos por el líquido y a trozos por el gas.

2. Para caudales de líquido altos y suficientemente bajos de gas, se tiene la fase líquida como continua y el gas disperso en forma de burbujas.
3. Para valores de gas altos y bajos de líquido, se tiene el líquido disperso en forma de gotas a través del gas

continuo.

4. Para valores altos de gas y líquido se obtiene un flujo pulsado con fuertes interacciones entre las fases. Se tiene el denominado pulsed flow regim. Se da frecuentemente en reactores comerciales.

Transferencia de materia película gaseosa

Para calcular ீ Reiss propone en condiciones de

fuerte interacción (pulsos y en spray) las

siguientes expresiones.

ீ ீ ீ

଴.଺଺ con

ீ ଷ ௅ீ ௅ீ

Suele ser despreciable para los trickle beds, ya

que trabajan con componente puro o

ligeramente soluble.

Transferencia de materia película líquida

Las mejores correlaciones son las propuestas por Reiss (1967) basada en la energía disipada

en el flujo a

través del catalizador. Esta energía se calcula a partir de la caída de presión y el caudal másico

por unidad de área

(L en

௞௚ ௠మȉ௦ (^) ௅ ோ ଷ ௅ீ ௌ௅ ௅ீ ௅

1) Baja interacción: flujo en trickle bed, Morsi (1982) para fases orgánicas o

gaseosas

௅ ீ௅ ௅ ଵ/ଷ ௅ ଵ/ଶ ௣ ௌ ௣ ீ ௅ ଵ.଻ହ