Los reactores catalíticos heterogéneos ponen énfasis en los factores de eficacia del catalizador y las implicaciones de transferencia de calor y masa . Los reactores catalíticos heterogéneos se encuentran entre los reactores químicos más utilizados en la industria de la ingeniería química.
Los reactores catalíticos heterogéneos se clasifican comúnmente según el movimiento relativo de las partículas del catalizador.
Un reactor de lecho fijo es un tubo cilíndrico lleno de pellets de catalizador con reactivos que fluyen a través del lecho y se convierten en productos. El catalizador puede tener múltiples configuraciones, incluyendo: un lecho grande, varios lechos horizontales, varios tubos empaquetados en paralelo, múltiples lechos en sus propias carcasas. Las diversas configuraciones pueden adaptarse dependiendo de la necesidad de mantener el control de temperatura dentro del sistema. La conexión en serie de dos reactores con la opción de dosificar oxidante entre las etapas permite, en condiciones óptimas, aumentar el rendimiento del producto en la catálisis de oxidación. [1] Al dosificar intermediarios o productos entre las etapas, se puede encontrar información valiosa sobre las vías de reacción.
Los gránulos del catalizador pueden ser esféricos, cilíndricos o de forma aleatoria. Su diámetro varía de 0,25 cm a 1,0 cm. El flujo de un reactor de lecho fijo suele ser descendente. Reactor de lecho empacado .
Un reactor de lecho percolador es un lecho fijo donde el líquido fluye sin llenar los espacios entre las partículas. Al igual que en los reactores de lecho fijo, el líquido normalmente fluye hacia abajo. Al mismo tiempo, el gas fluye hacia arriba. El uso principal de los reactores de lecho percolador son las reacciones de hidrotratamiento ( hidrodesulfuración e hidrodesmetalación de petróleo crudo pesado, [2] hidrodesalfaltenización de alquitrán de hulla [3] ). Este reactor se utiliza a menudo para manejar materias primas con puntos de ebullición extremadamente altos.
Un reactor de lecho móvil tiene una fase fluida que pasa hacia arriba a través de un lecho empacado. El sólido se introduce en la parte superior del reactor y se mueve hacia abajo. Se elimina en la parte inferior. Los reactores de lecho móvil requieren válvulas de control especiales para mantener un control estricto de los sólidos. Por este motivo, los reactores de lecho móvil se utilizan con menos frecuencia que los dos reactores anteriores. Los reactores de lecho móvil son más adecuados para un contenido de sólidos inferior al 10% y generalmente se utilizan cuando los sólidos (principalmente el catalizador) tienen una gran área de superficie debido a su tamaño en micrones.
Un reactor de lecho rotatorio (RBR) contiene un lecho empacado fijo dentro de una canasta con un orificio central. Cuando la canasta gira inmersa en una fase fluida, las fuerzas de inercia creadas por el movimiento giratorio fuerzan al fluido hacia afuera, creando así un flujo circulante a través del lecho empacado rotatorio. El reactor de lecho rotatorio es una invención bastante nueva que muestra altas tasas de transferencia de masa y buena mezcla de fluidos. Los reactores de tipo RBR se han aplicado con frecuencia en reacciones de biocatálisis de alto valor, ofreciendo allí una reutilización conveniente de enzimas inmovilizadas [4] al tiempo que se evita el daño mecánico de los catalizadores de fase sólida. [5] Las construcciones RBR también están surgiendo en la industria de la energía nuclear para purificar desechos líquidos en la escala de cientos de metros cúbicos. [6]
Un reactor de lecho fluidizado suspende pequeñas partículas de catalizador mediante el movimiento ascendente del fluido que se va a hacer reaccionar. El fluido es típicamente un gas con un caudal lo suficientemente alto como para mezclar las partículas sin sacarlas del reactor. Las partículas son mucho más pequeñas que las de los reactores anteriores. Normalmente, están en la escala de 10 a 300 micrones. Una ventaja clave de utilizar un reactor de lecho fluidizado es la capacidad de lograr una temperatura altamente uniforme en el reactor. Los reactores de lecho fluidizado son mejores para biocatalizadores o enzimas dopados con sólidos, ya que los sólidos son fluidizados por el fluido de trabajo y no hay impacto mecánico en los sólidos.
Un reactor de lechada contiene el catalizador en forma de polvo o granulado. [7] Este reactor se utiliza normalmente cuando un reactivo es un gas y el otro un líquido mientras que el catalizador es un sólido. El gas reactivo se hace pasar a través del líquido y se disuelve. Luego se difunde sobre la superficie del catalizador. Los reactores de lechada pueden utilizar partículas muy finas y esto puede provocar problemas de separación del catalizador del líquido. Los reactores de lecho percolador no tienen este problema y esta es una gran ventaja del reactor de lecho percolador. Desafortunadamente, estas partículas grandes en el lecho percolador significan una velocidad de reacción mucho menor. En general, el lecho percolador es más simple, los reactores de lechada suelen tener una alta velocidad de reacción y el lecho fluidizado está algo intermedio.