Diseo de Reactores Heterogneos CatalticosReactores de Lecho FijoCARACTERISTICAS En un reactor cataltico de lecho fjo para llevar a cabo una reaccin fuido-slido, el cataliadorse presenta co!o un lecho de partculas relativa!ente pe"ue#as orientadas al aar $ en unaposicin fja%El fuido se !ueve a trav&s de los espacios entre las partculas 'fujo convectivo(%Es posible ta!bi&n la presencia de un fujo di)usivo%En la industria "u!ica actual la situacin !*s co!+n es la cat*lisis por slidos, los reactantes $ productos )or!an parte de una corriente l"uida o -aseosa, $ el cataliador un slido% .os reactores 'hetero-&neos( donde estas reacciones tienen lu-ar se a-rupan en, / Reactores de dos )ases, 0 )ase fuida 'l"uida o -aseosa( $ 0 slida 'el cataliador( / Reactores de tres )ases, 0 )ase l"uida, 0 -aseosa $ 0 slida 'el cataliador( .a i!portancia industrial de la cat*lisis por slidos es enor!e% Actual!ente, el 123 de la produccin conjunta de todos los procesos catalticos se basa en reacciones cataliadas por un slido% Ello se e4plica por la )*cil separacin del slido del !edio de reaccin% 5entaja "ue se su!a a las si-uientes ventajas -en&ricas de la cat*lisis,1) El catalizador aumenta la velocidad de reaccin res!ecto a la reaccin sin catalizador" por lo "ue puede llevarse a cabo a !enor presin $ te!peratura% En consecuencia, de )or!a !*s se-ura $ )*cil de controlar%6(#umenta la selectividad al acelerar )unda!ental!ente una de la reacciones del siste!a entre las varias "ue pueden tener lu-ar Tipos de reactores catalticos de 6 )ases% En la industria "u!ica e4isten diversas !aneras de poner en contacto un fuido $ un cataliador slido% En la situacin m$s com%n el slido se em!lea en &orma de !artculas 'ue suelen dis!onerse en un lecho a travs del cual el (uido circula%Atendiendo a la disposicin del lecho se distin-uen reactores de lecho fjo, fuidiado $ !vil%lecho fjo fuidiado!vil)odelos de Reactores Heterogneos Catalticos de Lecho FijoE4isten !uchos !odelos "ue pueden utiliarse para cu!plir con estos fnes% .as principales decisiones "ue se deben to!ar son las si-uientes,*a) +na &ase *!seudo,homogneo) vs- Dos &ases *heterogneo)*.) +na dimensin *a/ial) vs- *a/ial 0 radial)*c) Flujo !istn *1FR) vs- Flujo !istn con dis!ersin *D1FR))odelo 1seudo,homogneo-En este !odelo se i-noran los -radientes intraparticulares, por lo "ue en todo el reactor la concentracin $ la te!peratura tienen el !is!o valor "ue en el fuido% El siste!a "ue real!ente consiste de dos )ases, se !odela co!o si )uera ho!o-&neo)odelo Heterogneo-En este !odelo, co!o su no!bre lo indica, las )ases slido $ -as 'o l"uido( se to!an en cuentaseparada!ente, de !anera "ue se per!iten di)erencias de concentracin entre la )ase fuida $ la)ase slida% .os -radientes intraparticulares se to!an en cuenta a trav&s del )actor de e)ectividad 7, de !anera "ue la velocidad de reaccin para los balances de !ateria si!ple!ente se denotaco!o)odelo de una Dimensin *1D)-)odelo de dos Dimensiones *2D)-)odelo 1FR con Dis!ersin *DF1R)-Este caso es !u$ si!ilar al 89R% Solo to!a en cuenta -radientes en direccin a4ial $ supone "ue no e4isten -radientesendireccinradial%Consistedeun conjuntodeecuacionesdi)erencialesordinariasde orden 0%Este !odelo cuantifca -radientes tanto en direccin a4ial co!oradial,porlo"ue-eneraecuacionesdi)erenciales parciales'dosdirecciones(%.ascondicionesde)rontera son !u$ i!portantes%Enestecasoseto!ael!odelo0:tipo89R$selea#adeel t&r!ino de dispersin en sentido a4ial% Esto es particular!ente i!portanteenlos!odelosdin*!icos%:ebidoalost&r!inos dedispersin,se-eneranecuacionesdi)erencialesordinarias de se-undo orden%)odelo 1D 1seudo,HomogneoEs el !odelo !*s si!ple "ue e4iste, pues es !u$ parecido al 89R% :ebido a la suposicin de una sola )ase, solo es necesario un ;alance de Ener-a, un ;alance de

(?B2El an*lisis di!ensional del !ie!bro i"uierdo de la +lti!a e4presin "uedaen el caso de "ue la cada de presin a lo lar-o del reactor, $ la desactivacin del cataliador se puedan despreciar, la )or!a inte-ral de la ecuacin de dise#o para un reactor de lecho fjo cataltico la pode!os escribir co!oOperaciones isotermasEn reacciones de )ase l"uida, la concentracin de los reactantes no est$ a&ectada en gran manera !or cam.ios en la !resin total del sistema% 8or lo tanto se pueden i-norar el e)ecto de la cada de presin en la velocidad de reaccin en el dise#o de los reactores "u!icos en )ase l"uida% 5in em.argo, en las reacciones en &ase heterognea, la concentracin de las es!ecies reaccionantes es !ro!orcional a la !resin total del sistema, $ consecuente!ente, si no se tiene en cuenta la cada de presin en el reactor se pueden obtener )allos de operacin en el reactor no previstos%.a )or!a di)erencial de la ecuacin de dise#o en t&r!inos del peso de cataliador esade!*sSi to!a!os co!o eje!plo la reaccin de pri!er orden isoter!a "ue se lleva a cabo en un reactor de lecho fjoA;K.a le$ de velocidad correspondiente essustitu$endo el valor de la CAen la e4presin de la velocidadCuanto mayor sea la prdida de presin en el reactor menor ser la velocidad de reaccin.co!o 9A2BCA2CA2, $ asu!iendo operacin en condiciones isoter!asAhora serelaciona la cada de presin con respecto al peso de cataliador.a !a$ora de las reacciones son cataliadas haciendo pasar el reactivo a trav&s de un lecho fjo de partculas catalticas% .a e4presin !*s utiliada para calcular la cada de presin de un -as cuando atraviesa un lecho poroso es la ecuacin de Ergun8, presin,lbD)t6, porosidadBvolu!en de polvoDvolu!en total de del lecho '0-(,volu!en de slidoDvolu!en total del lecho -c, E6%0FGlb!%)tDs6%lb)')actor de conversin( G%0F402Hlb!%)tDh6%lb) :p,di*!etro de la partcula en el lecho, )t,viscosidad del -as "ue pasa a traves del lecho,lb!D)t%h% ., lon-itud del tubo, )t u, velocidad superfcialBfujo volu!&tricoDarea transversal del tubo )tDh ,densidad del -as, lbD)tE IBuBvelocidad !*sica superfcial ,-Dc!6s lb!D)t6%hdondeecuacin de Ergunecuacin 1En los reactores de lecho fjo, es !as interesante la relacin entre la presin $ el peso de cataliador !*s "ue la relacin entre la presin $ el volu!en del reactor% El volu!en del reactor $ el peso de cataliador est*n relacionadas a trav&s de la ecuacin:onde Ac es el *rea transversal% Ahora se puede escribir la ecuacin 0en t&r!inos del peso de cataliadorEn el caso de "ue la densidad del -as no sea constante tendre!os "ue trans)or!ar laecuacin 1% Si el reactor opera en estado estacionario, el caudal !*sico en cual"uier punto del reactor ,C'J-Ds(, es i-ual al caudal !*sico de entrada, Codonde C es el caudal volu!&trico 'c!EDs(Ejemplo: Oxidacin de dixido de azufrehttp,DDKKK%sc%ehu%esDiaK)e!a)DarchivosD!ateriaD20G0L%ht!1roduccin de $cido sul&%rico-En la produccin de *cido sul)+rico a partir de au)re, el pri!er paso es la co!bustin de au)re para producir di4ido de au)re,S A M6SM68osterior!ente el SM6se convierte en tri4ido de au)re, utiliando un cataliador,SM6 A 0D6M6SMEAun"ue el cataliador de platino de ha utiliado en la produccin de *cido sul)+rico, es el vanadio soportado el +nico cataliador "ue se utilia ho$ en da en su produccin%El cataliador estudiado por EJlun )ue en cataliador soportado de 562L% .as partculas catalticas de )or!a cilndrica tenan un di*!etro de H !! $ una lon-itud de H !!, con una densidad de EE%H lbD)tE% Entre H0H $ 0261 9, la le$ de velocidad para la o4idacin de SM6sobre este cataliador en particular )ue,+na t!ica !lanta de !roduccin de $cido sul&%rico de los aos 67 !roduce entre 1777 0 2877 toneladas de $cido sul&%rico el da%una planta "ue produce 0222 tonDda de *cido sul)+rico tiene una ali!entacin de SM6en el convertidor de F122 lb !olDh, consistente en 003 SM6, 013 M6@ F13 % Ntilian estosvalores para desarrollar el proble!a%calcular la conversin de reaccin !ara dos situaciones di&erentes $ posterior!ente co!parar los resultados obtenidos,a( El pri!er caso se refere a un reactor de lecho fjo cataltico cilndrico, con sus paredes en)riadas a te!peratura constante por un l"uido hirviendo%b( El se-undo caso hace re)erencia a un reactor co!ercial adiab*tico en dos etapas%Con9guracin del reactorEl cataliador se dispone en tubos, $ los tubos se colocan en interca!biadores donde se en)riar*n por un l"uido a ebullicin% El di$metro e/terior de los tu.os ser$ de : in% El tubo de E in de di*!etro se ha to!ado co!o co!pro!ido entre la !ini!iacin de los posibles -radientes de te!peratura $ el !anteni!iento de un n+!ero de tubos bajo% 8ara este propsito se han ele-ido tubos de 2%021 in de espesor $ un di*!etro interno de 6%FH6 in% Se utiliar*n tubos de 62 )t de lon-itud, co!o co!pro!iso entre la dis!inucin de los re"ueri!ientos de ener-a'tubos de pe"ue#a lon-itud( $ la dis!inucin de los costes de !aterial'pocos tubos de -ran lon-itud(% 8ara un total de cataliador de E102 )tE, el n+!ero de tubos "ue se re"uerir* ser* de,El *rea transversal total de los tubos es,Condiciones de o!eracin- .os convertidores de di4ido de au)re operan a presiones slo li-era!ente superiores a la at!os)&rica% Ntiliare!os una presin absoluta de 6 at! en nuestros dise#os% .a te!peratura de entrada al reactor se ajustar* de )or!a "ue obten-a!os la !*4i!a conversin% Introducire!os ahora dos restricciones%.a velocidad del cataliador de 56MEes despreciable por debajode apro4i!ada!ente FL2 9, $ la te!peratura del reactor no debe e4ceder de 06L 9 apro4i!ada!ente en nin-+n punto% Es necesario ensa$ar una serie de te!peraturas de entrada, $ a"uella "ue por enci!a de FO2 9 de la !*4i!a conversin, sin "ue el reactor nunca e4ceda de 0062 C, ser* la adecuada para llevar a cabo la reaccin% .a sustancia utiliada co!o re)ri-erante debe operar a elevada te!peratura, con el fn de !ejorar la efciencia t&r!ica% .a sustancia !*s adecuada parece ser el :oKther! A, con una te!peratura de operacin l!ite de apro4i!ada!ente FL2 P9% Ntiliando los valores de QARA9 para la Sp a F22 $ 122 S, la conversin de e"uilibrio a cual"uier te!peratura T tiene la e4presin,)todo de C;El !&todo de contacto es un proceso cataltico de !a$or rendi!iento $ !enor tie!po% En la produccin de Tcido Sul)+rico por esta