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INSTITUTO TECNOLGICO DECIUDAD MADERO

Divisin de Estudios de Posgrado e Investigacin

Maestra en Ciencias en Ingeniera Qumica

Catlisis Heterognea

Reactores con Catalizadores Slidos

Presenta:

Zaida Muoz Rocha

Diana Isela Snchez Alvarado

Marco Antonio Coronel Garca

Catedrtico

Dr. Jos Guillermo Sandoval Robles

Ciudad Madero, Tam., Mayo del 2009


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Los reactores catalticos tienen la funcin de permitir lareaccin qumica entre dos o ms reactivos mediante lapresencia de un catalizador para dar el producto oproductos deseados bajo unas condiciones de operacin

especficas de temperatura, presin, flujos, etc.

El diseo del reactor es un factor clave para optimizar elproceso, es decir, para obtener las mayores conversiones yselectividades posibles.


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Los reactores catalticos se pueden clasificar segn la faseen que se encuentra el catalizador respecto al medio dereaccin, as se tendr:

Reactores catalticos homogneos.

Reactores catalticos heterogneos.


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En reactores catalticos homogneos tanto los reactivoscomo el catalizador se encuentran en la misma fase.

En los reactores catalticos heterogneos los reactivos y elcatalizador se encuentran en fases diferentes, siendo lafase del catalizador slida, mientras que las fases de losreactivos pueden ser gas o lquido o las dos.


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El contacto del reactante gaseoso con el catalizador slido

puede efectuarse de muchas maneras y cada una ofreceventajas y desventajas especficas.

Existen diferentes configuraciones de reactores a granescala para llevar a cabo proceso continuos de intersindustrial.

Entre los tipos de reactores catalticos podemosmencionar:

Reactores de lecho fijo (sencillos, mltiples, y

multitubulares) Reactores de lecho fluidizado Reactores de lecho mvil


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En el diseo de reactores para fluidos en presencia de

catalizadores slidos, debe tenerse en cuenta latransmisin de calor , la prdida de presin y el contactoentre fases, y, en muchos casos la previsin de un procesoperidico o continuo para la regeneracin del catalizadordeteriorado.


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El diseo de un proceso cataltico se caracteriza por: El establecimiento del conjunto de condiciones del

reactor:Temperatura

Presin

Composicin

Tiempo de contacto


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Diseo del reactor:Reactor con concentraciones uniformeReactor con gradientes de concentraciones

Deposicin del catalizador en el reactor y las

operaciones unitarias que el primero requiere talescomo:

PurificacinSeparacin

RecirculacinIntercambio de calorRegeneracin del catalizador, etc


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Al final se debe escoger para la formulacin

seleccionada, el conjunto de condiciones queconstituyen la operacin ms econmica.


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El establecimiento de las condiciones de operacin es elresultado del estudio termodinmico y cintico del

sistema.

La manipulacin de las condiciones de operacin es engran medida en la industria, la manera de obtener mayores

rendimientos.


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Los reactores de lecho fijo(empacado o de relleno) serefieren a sistemas de dosfases en los que el fluidoreaccionante fluye a travs

de uno o ms tubosempacados con partculas ogrnulos catalticosestacionarios, que se operanen posicin vertical. Existensencillos, mltiples ymultitubulares.

Reactor de lechofijo de tubosmltiples

Reactor de lechofijo adiabtico deflujodescendente


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Este tipo de reactor es utilizado ampliamente ya que es lamanera ms fcil y comn de realizar una reaccin en fasegas heterogneamente catalizada.

El arreglo del catalizador fijo generalmente es llamadocamafija.

La circulacin de los gases a travs de lechos fijos seaproxima al flujo en pistn.


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Puede resultar difcil el control adecuado de latemperatura en lechos fijos grandes, debido a que estossistemas se caracterizan por una conductividad calorficabaja y por un gran desprendimiento o absorcin de calor.

Por consiguiente es reacciones muy exotrmicas es muyprobable que se formen zonas calientes que puedanperjudicar al catalizador.

Los lechos fijos no pueden emplear tamaos muy

pequeos de catalizador, debido a la formacin de taponesy a que se originan prdidas de presin elevadas.


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Reactor de lecho fijo

sencilloSe emplean para procesosadiabticos, o en aquelloscasos en los que puedecontrolarse, a travs de lasparedes del lecho, elfenmeno de transmisin de

calor de manera efectiva.Normalmente, la transmisinde calor es ms efectivacuando el catalizador seencuentra dentro de tubosde pequeo dimetro.

En el caso del proceso dehidrodesulfuracin defracciones de petrleo, laaplicacin a gran escala selleva a cabo en reactores delecho fijo sencillos.


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Tipo de reactores industrialesReactor de lecho fijo

Reactor de lechos fijosmltiplesEn este tipo de reactores latransmisin de calor se llevaa cabo intercalandocambiadores de calor entrelechos contiguos, o bienempleando sistemas debombeo que extraen lacorriente de salida de unlecho, la hacen pasar por unintercambiador de calor

externo y la devuelven alsistema de reaccin comocorriente de alimento allecho siguiente.

Reactores multilecho adiabticos

con intercambiadores entre etapas


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Reactor de lechos fijosmultitubularesPresentan una configuracinde tipo carcasa y tubo, y

habitualmente el catalizadorse dispone en el interior delos tubos. Los dimetros delos tubos pueden ser de,aproximadamente , 8 vecesel dimetro de las partculas

catalticas, mientras que lalongitud de los mismossuele ser restringida paraobtener prdidas de presinaceptables.

Reactor de carcasa y tubos


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Tipo de reactores industrialesReactor de lecho fijoEn los reactores de lecho fijo son usadas diferentes

formas de partculas catalticas, tales como, esferas,

cilindros, anillos, pellets, monolitos, etc.


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En general, se recomienda que la morfologa delos granos sea tal que:

Las cadas de presin sean aceptables.

Las resistencias a la difusin intraprticula noexcedan de ciertos lmites.


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El dimetro de la partcula se puede calcular con

el nmero de Pclet, se ha encontrado que:

1Pe2, dp=dimetro de grano de catalizador.

T

dpP e


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50dpL

Asociando el nmero de Pclet con el de Bodentein,para que el flujo sea tipo pistn, se obtiene:

DT = Coeficiente de difusin turbulenta.

u = velocidad del gas.L = longitud del reactor.

La condicin suficiente para que un tubo lleno decatalizador se tenga flujo pistn es que L/dp > 50.

TuLB o


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Tipo de reactores industrialesReactor de lecho fluidificado

A diferencia de un reactor de lecho fijo, cuyas

partculas de catalizador son relativamentegrandes y estacionarias, en un reactor de lecho

fluidificado, las partculas son pequeas (50 a

250) y se desplazan de manera que depende dela velocidad del fluido.


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Tipo de reactores industrialesReactor de lecho fluidificadoLa figura muestra ladiversidad decomportamientos de laspartculas en un tubovertical a travs del cualfluye el fluido.

A velocidades bajas, laspartculas no se perturban,por lo que, en esencia, seproduce uncomportamiento de lechofijo. En el otro extremo, lavelocidad es tan alta quelas partculas se elevanhacia la parte superior delreactor con el fluido. Movimiento de las partculas

en un reactor de flujo tublar


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Tipo de reactores industrialesReactor de lecho fluidificadoEn estas ltimas condiciones el sistema opera como

reactor de transporte o de lnea de transferencia. Enla mayora de los reactores catalticos de lechofluidificado, el fluido es un gas y las condiciones

normales de operacin consisten en un rgimen deburbujeo. En estas condiciones, el gas se desplaza atravs del reactor de dos maneras: como burbujasque contienen relativamente pocas partculas deslidos y que se mueven con ms rapidez que la

velocidad promedio, y como base continua densao de emulsin en la que la concentracin departculas es alta.


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Tipo de reactores industrialesReactor de lecho fluidificadoEntre las ventajas de loslechos fluidizados cabe citarla uniformidad detemperatura, la consecucinde un transmisin de calorptima y la viabilidad detransportar un catalizador de

desactivacin entre elreactor y el generador.

Las desventajas son eldesgaste mecnico, larecuperacin de finos y losfenmenos de retromezcla,

para los que se empleantabiques deflectores quepermiten disminuir dichofenmeno.


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Tipo de reactores industrialesReactor de lecho fluidificado

El tamao medio de partcula empleado en los

reactores de lecho fluidificado suele ser inferior

a 0.1 mm, aunque la utilizacin de partculasmuy pequeas impone restricciones severas en

la recuperacin del material cataltico arrastrado

fuera del reactor.


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Tipo de reactores industrialesReactor de lecho mvil

Tiene la ventaja de poder sacar el catalizador paraser regenerado.

Ejemplos:

FCC.Descomposicin de dimetil-metadioxano (IFP)para la preparacin se isopreno.

En ambos casos el catalizador se envenenarpidamente y debe ser regenerado, ste se calientay sirve como vehculo de energa trmica para lareaccin endotrmica.


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Tipo de reactores industrialesReactor de lecho mvilEn estos sistemas, el catalizador, en forma de

grnulos grandes, circula por gravedad, mientras

que el gas se introduce al sistema entre la zona de

reaccin y la de regeneracin


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Tipo de reactores industrialesReactores de suspensinCuando existen reactantes tanto voltiles como

no voltiles, o cuando se requiere un disolvente

lquido para todos los reactantes gaseosos, se

necesitan reactores de tres fases.


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Tipo de reactores industrialesReactores de suspensinLa caracterstica distintiva de un reactor desuspensin es que existen partculaspequeas(~100) de catalizador suspendidas en unlquido.

En un sistema de tres fases, las burbujas de gas seelevan a travs de la suspensin agitada.

A diferencia del lecho fluidificado, existe pocomovimiento relativo entre las partculas y el fluido,aun cuando el fluido se agite mecnicamente. Laspartculas tienden a moverse con el lquido.


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Tipo de reactores industrialesReactores de suspensinLos reactores de suspensin son similares a los delecho fluidificado, en cuanto a que se hace pasar ungas a travs del reactor que contiene las partculasslidas suspendidas en un fluido; en los lechos

fluidificados, el fluido que acta como medio desuspensin es el propio gas reactante.

Las ventajas de los reactores de suspensin conrespecto a las unidades de lecho fijo son similares a

las de los lechos fluidificados: temperaturauniforme, fcil regeneracin del catalizador, mejorcontrol de la temperatura para reacciones altamenteexotrmicas y ausencia de resistencia a la difusinen el interior de las partculas.


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Tipo de reactores industrialesReactores de suspensinLa desventaja ms seria de los reactores de

suspensin es la dificultad para retener el

catalizador en el recipiente. Las mallas y otrosdispositivos en las lneas 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.


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Seleccin del reactor Seleccionar tipo de flujo adecuado.

Estudiar los problemas de granulometra y

resistencia mecnica a escala piloto para

escalamiento.

En reactores tubulares primero se examina el

problema de transferencia intrapartcula.

En flujo bifsico la distribucin del lquido es

importante, habr que estudiar a contracorriente

ascendente.


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Seleccin del reactor Si la termicidad es importante, se usara reactor multitubular

o lecho fluidizado.

Los reactores de lecho fluidizado tienen estabilidad trmica,

pero importa mucho el retromezclado.

Si el ciclo de regeneracin es muy grande, se puedencolocar dos o ms reactores en paralelo, de lo contrario sepuede acoplar el reactor con el regenerador.

Cuando el catalizador deba circular dentro del reactordeber tener propiedades adecuadas para ello.


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

unidad cataltica es impuesto por las propiedades delcatalizador y las caractersticas termodinmicas dela reaccin.

Importancia de las propiedades del catalizador.

La poca actividad obliga a aumentar: el volumen delreactor, la cantidad de catalizador, adems se tieneque separar el producto y/o recircular los reactivos.

La poca selectividad ocasiona un consumo intil decarga, adems de tener que usar unidades deseparacin ms complejas, los productos nodeseados pueden envenenar el catalizador.


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Esquema de la unidad

La falta de resistencia hacia ciertos venenos obliga apurificar los reactivos.

Cuando el envejecimiento es muy lento, solo se usaun reactor que se para peridicamente para

regenerar el catalizador.

Importancia de las caractersticas termodinmicas yde las condiciones de operacin.

Para evitar una aumento incontrolable de latemperatura, se debe enfriar el sistema con elreactivo fro y con un medio externo.


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Esquema de la unidad Si la reaccin es endotrmica, se puede se puede

usar un reactor multitubular del tipo intercambiador.

Si es necesario usar presiones mayores o menores ala atmosfrica, se usaran equipos con espesores de

pared adecuados, adems de equipos auxiliares queayuden a llegar a dicha presin, mantenerla ycontrolarla.

Consideracin final

El esquema del proceso que se usar debercorresponder a la unidad ms econmica.

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