Reaccion De Oxidacion

INTRODUCCIÓN

Los reactores desde el comienzo de su utilización, en la década de los 40, hasta la actualidad, su desarrollo ha sido espectacular y más si se tiene en cuenta que dicho desarrollo ha tenido lugar, en gran parte, en los últimos 20 años.

En el contexto de la industria química, un reactor químico es una unidad de proceso diseñada para llevar a cabo una o varias reacciones químicas.

Algunas de las aplicaciones son en los procesos farmacéuticos, químicos y de polimerización, donde usan tanques reactores para contener las reacciones químicas. La velocidad de reacción química y la calidad del producto se controlan frecuentemente por un intercambiador de calor externo para elevar la temperatura y un sistema criogénico para reducir la temperatura.

El amplio esfuerzo desarrollado en el estudio de estos aparatos es fácilmente justificable, si se repasan algunos de los procesos que en ellos se realizan: síntesis de amoníaco, de metanol, de óxido de etileno, de ciclohexano, de estireno, oxidación de anhídrido sulfuroso, reformado catalítico, isomerización, etc. Otra faceta a tener en cuenta es el gran aumento de producción que han experimentado determinados productos. Tal es el caso de las fibras sintéticas, los plásticos, los fertilizantes químicos, etc. Indudablemente, esto lleva consigo un aumento de la producción de los productos químicos básicos.

Este hecho apoyado en la economía de escala, provoca el crecimiento en las unidades de producción. Basta citar que un producto, como el amoníaco, que se producía en la década de los 50 en unidades de unas 200 Tm/día , en la actualidad se han instalado unidades de hasta 10 veces esta capacidad. Datos semejantes se podrían aportar para la producción de ácido sulfúrico y metanol.

Las innovaciones de diseño introducidas en los reactores de lecho fijo han permitido solucionar, en gran parte, estos problemas. Así, en los reactores de alta producción se ha recurrido al flujo radial, que produce una menor pérdida de carga que la dirección axial. Esto, lógicamente, repercute en la utilización de menores tamaños de partícula de catalizador, en el aumento de actividad y en algunos casos en el aumento de la selectividad especialmente cuando disminuye la resistencia a la difusión interna en las pastillas del sólido.

Además permite la aplicación de los balances de materia y energía, cinéticaquímica, equilibrio químico, ecuaciones diferenciales ordinarias, métodos numéricos, uso de software especializado integrándolos en un todo.

En lo referente a las reacciones muy exotérmicas, con grandes necesidades de extracción de calor, se han utilizado reactores de lecho fijo de tubos, similares a los intercambiadores de calor. Tal es el caso de numerosas reacciones químicas: oxidaciones (etileno, naftaleno), hidrogenaciones (nitrobenceno, fenol),etc. También se ha utilizado este sistema en reacciones endotérmicas (deshidrogenación de ciclohexanol).

Cabe destacar que son muchos los tipos de reactores existentes y utilizados a nivel industria todo depende de la naturaleza del proceso y de la empresa, entre ellos están: los reactores de lecho fijo, lecho móvil, de lodos entre otros… En éste caso se profundizara sobre los reactores de lecho fijo empacado comúnmente utilizado en la oxidación de amoníaco, la oxidación del acetaldehído a ácido acético y dióxido de azufre.

REACTOR DE LECHO FIJO

Los reactores de lecho fijo consisten en uno o más tubos empacados con partículas de catalizador, que operan en posición vertical. Las partículas catalíticas pueden variar de tamaño y forma: granulares, cilíndricas, esféricas, etc. En algunos casos, especialmente con catalizadores metálicos como el platino, no se emplean partículas de metal, sino que éste se presenta en forma de mallas de alambre. El lecho está constituido por un conjunto de capas de este material. Estas mallas catalíticas se emplean en procesos comerciales como por ejemplo para la oxidación de amoniaco y para la oxidación del acetaldehídico a ácido acético.

Posee las siguientes características:

• La regeneración del catalizador requiere del uso de gases; Es común usar un sistema de recirculación a fin de aumentar la eficiencia de reactivación.

• Este sistema presenta dificultades en el control de temperatura debido a la formación de zonas calientes y frías en el interior del lecho.

• No se puede usar un tamaño de catalizador pequeño debido a la formación de tapones y caídas de presión.

La ecuación de diseño:

Para los siguientes reactores: discontinuo, de flujo pistón y de mezcla perfecta. Las ecuaciones de estos tres tipos de reactores se desarrollaron en base al volumen del reactor.

Para reacciones heterogéneas, se reemplaza, el termino generación (-rA)V por el término (-rA)'W, es decir

Para un reactor tubular en el que se desarrolla una reacción en fase homogénea, tenemos:

Y la ecuación para un reactor tubular en la que tiene lugar una reacción fluido-sólido (proceso heterogéneo) o una reacción catalítica será:

La obtención de la ecuación de diseño para un reactor catalítico se realizará reemplazando el volumen por el peso de catalizador.

El balance molar de especies A referido al peso de catalizador W queda reflejado en la siguiente ecuación

Entrada - salida + generación = acumulación

Es decir,

FA(W) - FA(W+W) +(rA')W=0

El análisis dimensional del miembro izquierdo de la última expresión nos queda

Dividiendo la Ec. 1.4 por w cuando w tienda a cero podemos escribir

En el caso de que la caída de presión a lo largo del reactor, y la desactivación del catalizador se puedan despreciar, la forma integral de la ecuación de diseño para un reactor de lecho fijo catalítico la podemos escribir como

Reactores de lechos fijos según su operación

Disposición del flujo. Tradicionalmente, la mayor parte de reactores de lecho fijo operan con flujo axial descendente de fluido.

Disposición del lecho y de eliminación de calor. Con flujo axial de fluido, considerando si hay o no intercambio de calor, se distingue entre operación adiabática y no adiabática.

• Operación adiabática: no se intercambia calor con el exterior en consecuencia la temperatura aumenta si la reacción es exotérmica y disminuye si es endotérmica. Si el reactor consiste en un único lecho de catalizador (reactor de una etapa) esto define la situación desde el punto de vista térmico. Sin embargo, si el catalizador está dividido en dos o más lechos dispuestos en serie (reactor multietapa) hay la oportunidad de ajustar la temperatura entre etapas. Puede hacerse de dos formas. La primera es por intercambio de calor entre etapas con intercambiadores de calor. Este método puede utilizarse tanto con reacciones exotérmicas como endotérmicas. El segundo, llamado por inyección de fluido frío, puede ser empleado con reacciones exotérmicas.

• En operación no adiabática, se intercambia calor con el lecho para controlar la temperatura. El reactor es esencialmente un intercambiador de carcasa y tubos, con el catalizador en el interior o exterior de los tubos y, correspondientemente, con un fluido refrigerante circulando por la carcasa o los tubos

Operaciones isotermas

En reacciones de fase líquida, la concentración de los reactantes no está afectada en gran manera por cambios en la presión total del sistema. Por lo tanto podemos ignorar el efecto de la caída de presión en la velocidad de reacción en el diseño de los reactores químicos en fase líquida. Sin embargo, en las reacciones en fase heterogénea, la concentración de las especies reaccionantes es proporcional a la presión total del sistema, y consecuentemente, si no tenemos en cuenta la caída de presión en el reactor podemos obtener fallos de operación en el reactor no previstos.

La forma diferencial de la ecuación de diseño en términos del peso de catalizador es

Además

Si tomamos como ejemplo la reacción de primer orden la isoterma que se lleva a cabo en un reactor de lecho fijo

La ley de velocidad correspondiente es

Sustituyendo el valor de la CA en la expresión de la velocidad

Cuanto mayor sea la pérdida de presión en el reactor menor será la velocidad de reacción. Si sustituimos la expresión de la velocidad de reacción en el balance de masa

Como FA0=CA0QA0,y asumiendo operación en condiciones isotermas

Ahora necesitamos relacionar la caída de presión con respecto al peso de catalizador

La mayoría de las reacciones son catalizadas haciendo pasar el reactivo a través de un lecho fijo de partículas catalíticas. La expresión más utilizada para calcular la caída de presión de un gas cuando atraviesa un lecho poroso es la ecuación de Ergun

Donde:

P: presión,lb/ft2

porosidad=volumen de polvo/volumen total de del lecho

(1-): volumen de sólido/volumen total del lecho

gc:32.174lbm.ft/s2.lbf (factor de conversión)

4.17x108lbm.ft/h2.lbf

Dp: diámetro de la partícula en el lecho, ft

: viscosidad

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