Reactores de suspensión

7/25/2019 Reactores de suspensin

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REACCIONES G/L SOBRE CATALIZADORESSLIDOS: REACTORES DE GOTEO,

REACTORES CON SLIDOS EN SUSPENSINY REACTORES FLUIDIZADOS DE TRES

FASES.

REACTORES MULTIFASELos reactores multifsicos son aquellos en los cuales

se requiere dos o ms fases para que la reaccin seefecte. La mayora de los reactores multifsicosincluyen fases gaseosas y lquidas, que entran encontacto con un slido. En el caso de reacciones desuspensin y de lecho de goteo, la reaccin entre el gasy el lquido tiene lugar sobre una superficie decatalizador slido. Sin embargo, en algunos reactores lafase lquida es un medio inerte para que el gas entre encontacto con el catalizador slido. Este ltimo casosurge cuando se requiere un gran foso calorfico parareacciones altamente eot!rmicas. En muchos casos, la"ida del catalizador se prolonga gracias a talescondiciones de operacin ms le"es.

El reactor de lecho de goteo tiene pasos de reacciny de transporte similares a los del reactor de suspensin.En reactores de suspensin, el catalizador estsuspendido en el lquido, por lo que se hace burbu#earun gas a tra"!s del lquido.

REACTORES DE SUSPENSIN

El reactor de suspensin es un reactor multifsico eel cual el reacti"o son burbu#as de gas a tra"!s de unasolucin que contiene partculas de slidas decatalizador. La solucin puede ser un reacti"o, como elcaso de la hidrogenacin del linoleato de metilo, o inertecomo el caso de la sntesis de metano por m!todo$ischer%&ropsch. El reactor de suspensin puede seroperado por lotes o en modo continuo. 'na de lasprincipales "enta#as del reactor de suspensin es elcontrol de la temperatura y la fcil recuperacin de calor.

(dicionalmente, una acti"idad cataltica global constantepuede ser mantena por la adiccin de peque)ascantidades de catalizador durante durante cada lote ocon alimentacin constante durante la alimentacincontinua.

El esquema de un reactor de suspensin se muestraen la figura . En el modelamiento de un reactor de

suspensin se asume que la fase lquida est bienmezclada, las partculas de catalizador estnuniformemente distribuidas, y el gas se modela comoflu#o en pistn. Las reacti"os en la fase gas parcitipanencinco etapas de la reaccin.

*. (bsorcin de la fase gas a la fase lquida en lasuperficie de las burbu#as.

+. ifusin en la fase lquida de la superficie de laburbu#a al lquido.

-. ifusin desde el lquido hacia la superficieeterna del catalizador slido.

. ifusin interna del reacti"o en el catalizadorporoso./. 0eaccin con el catalizador poroso.

Los productos de la reaccin participan en los pasosdescritos de forma in"ersa. 1ada paso debe ser tomadocomo una resistencia a la "elocidad global de reaccinR. Estas resistencias son presentadas en formaesquemtica en la figura y. La concentracin en la faselquida est relacionada con la concentracin de la fasegas por medio de la ley de 2enry.

$igura . 0eactor de suspensin para lahidrogenacin de linoleato de metilo.

$igura y. 3asos para un reactor de suspensin

3ara ilustrar me#or los principios de operacin de unreactor de suspensin consid!rese una hidrogenacinde linoleato de metilo, L, para formar oleato de metilo, 4.

L 5 2+ 4

2idrogeno es absorbido en el lquido linoleato demetilo, difundi!ndose hacia la superficie de las partculas

de catalizador, y luego difunde en el catalizador, dondereaccionan con linoleato de metilo para formar oleato demetilo. 4leato de metilo luego difundo fuera de lasparcitulas de catalizador hacia el lquido.

VELOCIDAD DE ABSORCIN DE GAS

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FASES.

La "elocidad de absorcin de 2+ por unidad de"olumen de aceite es6

RA=kb ab (CiCb ) Ec. 78

onde kb = coeficiente de transferenciade masa para la absorcin de gas,dm/s

ab = rea superficial de burbuja,dm2/dm3de solucin

Ci = concentracin H2 en lainterfase aceite-H2 de la burbuja,mol/dm3

Cb = concentracin de H2 en lasolucin, mol/dm3

La Ec 78 nos da la "elocidad de transporte de lainterface gas%liquido hacia el lquido.

TRANSPORTE DE CATALIZADOR

La "elocidad de transferencia de 2+de la solucin ala superficie eterna de las partculas del catalizador es6

RA=kc ac m (CbCs ) Ec. 7y8

onde kc = coeficiente de transferenciade masa de las partculas, dm/s

ac = rea superficial de partculas,dm2/g

m = concentracin msica decataliador, g cataliador/dm3de sol.

Cs = concentracin H2 en lasuperficie e!terna de cataliador,mol/dm3

DIFUSIN Y REACCIN EN CATALIZADOR

Se sabe que la efecti"idad interna es la relacin de la"elocidad actual de reaccin, -r"#, y la "elocidad $r"s#,que eistira si todo el interior de las partculas de

catalizador fueran epuestas a los reacti"osconcentrados en la superficie, %"s. 3or lo tanto la"elocidad de reaccin actual por unidad de masa decatalizador puede ser escrita

rA = (rAs) Ec. 7z8

9ultiplicando por la masa de catalizador por "olumende solucin , se obtiene la "elocidad de reacin por"olumen de solucin.

rA = m(rAs) Ec. 7:8

LA LEY DE VELOCIDAD

La ley de "elocidad es de primer orden respecto alhidrogeno y orden * respecto al linoleato de metilo.

(hora bien, ya que el lquido es esencialmente sololinoleato, este est en eceso y concentracin, %&, semantiene prcticamente constante a su concentracininicial. 3ara tiempos de reaccin moderados6

rA =k CL 0C=kC Ec. 7"8

La "elocidad de reaccin en la superficie eterna delcatalizador es;

rA =k CS Ec. 7u8

onde CS < concentracin de H2 en lasuperficie e!terna del cataliador,mol/dm3

k = 'elocidad e!pecifica dereaccin, dm3/g cat. (

DETERMINACIN DE LA ETAPA LIMITANTE

=a que, en cualquier punto de la columna, la"elocidad global de transporte, en estado estacionario, la"elocidad de transporte de la burbu#a es igual a la

"elocidad de transporte a la superficie del catalizador,"ol"i!ndose igual a la "elocidad de reaccin en losgranos de catalizador. Entonces

RA=kbab (CiCb )=kc acm (CbCs )=m(rAs

Las Ec 78 a la Ec. 7u8 puede ser ordenadas de laforma

RA

kbab=(CiCb )

RA

kc ac m=(CbCs )

RA

mk=CS

Sumando las ecuaciones anteriores se tiene6

RA( 1kb ab+ 1

kc ac m+

1

km )=Ci Ec. 7&8

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FASES.

0eordenando se tiene

Ci

RA= 1kbab

+1m ( 1kc ac+

1

k ) Ec. 7S81ada uno de los t!rminos del lado derecho puede

ser tomado como resistencias a la "elocidad global dereaccin de tal forma que

Ci

RA=rb+

1

mrcr Ec. 708

onde

rb= 1

kbab< resistencia a absorcin de gas, s

rcr=( 1kc ac + 1

k ) < resistencia combinada a ladifusin interna, reaccin y difusin eterna, g.s>dm-

3ara reacciones diferentes a primer orden

rr= CS

(rAs)Ec. 7?8

e la ecuacin 0 puede "erse que al graficar %i/ R"en funcin del reciproco de la masa de catalizadordebera obtenerse una lnea recta. La pendiente ser larcry el intercepto rb.

Supngase que se desea cambiar el tama)o de laspartculas de catalizador 72acerlos ms peque)os8. =aque la absorcin del gas es independiente del tama)ode partcula, el intercepto debera mantenerse in"ariable.Solo un eperimento es necesario para determinar lasresistencias a la difusin combinada y reaccin. 1omo lapartcula redu#o su tama)o, ambas el factor deefecti"idad y el coeficiente de transferencia de masareducen la pendiente como se "e en la figura 7:8%a. Enla figura 7:8%b se "e como la resistencia a la absorcin

de gas incrementa el intercepto tambi!n incrementa.3ara disminuir la resistencia a la absorcin de gas,debe considerarse cambiar el rociador para producirms burbu#as de has de menor dimetro. $igura "

$igura @. Arfica para clculo de resistencias

$igura :. 7a8 efecto del control de tama)o de partculaB7b8 efecto de la absorcin de gas

$igura ". 7a8 1ontrol de absorcin de gasB 7b8 controlde reaccin y difusin

(hora se "er como la absorcin de gas o ladifusin%reaccin es limitada por la masa de catalizador,centrndose en el caso en que la difusin y la reaccincombinada son limitadas. El primo paso es aprendercomo separar rcy rrpara aprender si

*. La difusin eterna es la controlante,+. La difusin interna es la controlante, o-. la superficie de reaccin es la controlante.

3ara aprender cul de estos pasos controla, debe"ariar el tama)o de partcula. Luego determinar rcrde lapendiente de la grfica %i/ R""s)/m para cada tama)ode partcula, construir una grfica rcr "s dp 7dimetro departcula8.

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FASES.

a. Partculas u! "#$u#%as6 cuando el dimetro dela partcula se "uel"e peque)o, el control de la superficie

de reaccin y el factor de efecti"idad se aproima a *.3ara "alores peque)os de *7control de reaccin8

rcr1/k Ec. 738

3or consiguiente, rcr + rr son independientes deltama)o de particula, una grfica rcr "s dp darn unapendiente cero para esta condicin la superficie dereaccin les la limitante.

&. Partculas "#$u#%as ' #()a*as6 para grandes"alores del mdulo de &hiele se tiene

=

3

=

6

Dp ( De

k p Sa)1 /2

Luego

rr= 1

k=ldp Ec. 7C8

Se "e que la difusin interna es la limitante de lareaccin si se grfica rcr "s dp es lineal. Da#o estascondiciones la "elocidad global de reaccin puede serincrementada por un decrecimiento del tama)o departcula. Sin embargo, la "elocidad global no serafectada por las condiciones de mezclado en el lquidoque cambiara el grosor de la capa lmite de

transferencia de masa contiguo a la superficie de laspartculas.

c. Partculas #()a*as ! +ra*(#s

La resistencia eterna a la difusin es dada por

rc= 1

kc acEc. 798

Lo siguiente ser obser"ar la "ariacin delcoeficiente de transferencia de masa y el dimetro departcula.

%aso sin esfuero cortante entre partcula + fluido.Si las partcula son suficientemente peque)as, ellas semue"en con el sentido del fluido de tal manera que nohay esfuerzo entre partculas y fluido. Esta situacin esequi"alente a difundir partculas en fluido estancado.Da#o estas condiciones el nmero de Sher:ood es +

Sh=kcdp/DAB=2 Ec. 7L8

=

rc= dp

2

12DAB=

2dp

2Ec. 78

En consecuencia, si la difusin eterna es lacontroladora y si no hay esfuerzo entre partculas yfluido, la pendiende de la grfica &n rcr's &n dpdeberser +. esde que la partcula se mue"e con el fluido, elincremento de la agitacin no tendra efecto en elincremento de la "elocidad global de reaccin

%aso ciallamiento entre fluido + partculas. Si laspartculas se cortan con el sentido del fluido, se puedeincluir el + en la correlacin de $rFssling entre numerode Sher:ood y el nmero de 0eynolds y

Sh=2+0.6Re1/2Sc1

3 Ec. 7G8

&eniendo

ShN1/2

Luego

kc(dp Uv )1 /2

kc

(U

dp)1/2

kc acU1

2 /dp1.5

=

rc=3 dp1.5

Ec.78

4tra correlacin para transferencia de masa enesferas en liquido en mo"imiento a ba#as "elocidades esdada por

S h2=4.0+1.21 (ReSc )2/3 Ec. 7G8

e la cual se puede despreciar el primer termino dellado derecho

rc=4dp1.7

Ec. 7H8

Si se encuentra que la resistencia combinada "ariacon dpentre *./ y *.I , entonces la resistencia eternaes la controladora y la "elocidad de mezcla esimportante.

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FASES.

ado un con#unto de "elocidades de reaccin, se

pueden tratar siguiente los siguientes pasos paradeterminar cual paso es el limitante.

*. 1onstruir una grafa %i / Rcomo funcin de elin"erso de m.

+. eterminar la resistencia combinada con lapendiente de la grfica para cada dimetro departcula.

-. Araficar rcr como funcin de dp en papellogartmico. e esta pendiente determinar cualpaso es el controlador. Las pendientes debernser J, *, *./, *.I o +.

. Si las pendientes estn entre ese rango, y esJ./, sugiere que hay ms de una resistencia quees limitante.

/.

$igura &. Efecto del tama)o de partcula en el control delas resistencias

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