Como una extensión de la familia de procesos de separación en lecho fluidizado , el reactor flash (FR) (o reactor de transporte) emplea fluido turbulento introducido a altas velocidades para fomentar reacciones químicas con las alimentaciones y posteriormente lograr la separación mediante la conversión química de las sustancias deseadas en diferentes fases. y arroyos. Un reactor flash consta de una cámara de reacción principal y una salida para que los productos separados ingresen a los procesos posteriores.
Los recipientes FR facilitan una baja retención de gases y sólidos (y, por tanto, un tiempo de contacto del reactivo) para aplicaciones industriales que dan lugar a un alto rendimiento, un producto puro y una distribución térmica menos que ideal en comparación con otros reactores de lecho fluidizado. Debido a estas propiedades, así como a su relativa simplicidad, los FR tienen el potencial de usarse en procesos de pretratamiento y postratamiento donde se priorizan más estas fortalezas de los FR.
Existen varios diseños de FR (por ejemplo, FR de tubería, FR centrífugo, FR de recipiente) y actualmente se utilizan en plantas industriales piloto para su posterior desarrollo. Estos diseños permiten una amplia gama de aplicaciones actuales y futuras, incluida la esterilización por tratamiento de agua , la recuperación y el reciclaje de polvo de acería, el pretratamiento y tostado de metales, la combustión en circuito químico y la producción de hidrógeno a partir de biomasa .
El reactor flash de vasija es un diseño comúnmente utilizado y se muestra en la figura de la derecha. El gas se introduce desde el fondo a una temperatura elevada y alta velocidad, experimentándose una ligera caída en la velocidad en la parte central del recipiente. La cámara A está diseñada para tener "forma de huevo", con un área de sección transversal inferior relativamente estrecha y un área de sección transversal superior amplia. Esta configuración está diseñada para aumentar la velocidad del fluido en el fondo de la cámara, lo que permite que las partículas de alimentación pesadas estén en una circulación continua que promueve un sitio de reacción para los procesos de separación. [1]
El método de entrega del alimento varía según su fase. Los sólidos se pueden entregar usando un transportador B, mientras que los fluidos se vaporizan y rocían directamente en el FR. Luego se pone en contacto con un gas caliente en circulación continua que se introdujo en la sección C. Este gas en circulación continua interactúa por toda la cámara con la alimentación entrante, generando las superficies de las partículas sales insolubles como resultado de las reacciones. Luego, la mezcla de productos se separa a través de E, donde un respiradero de escape emite productos gaseosos. La temperatura de esta corriente está controlada por un refrigerante emitido por las boquillas rociadoras D del recipiente. [1]
Si bien hay una variedad de aplicaciones disponibles para un reactor flash, siguen un conjunto general de parámetros operativos/heurísticas que son similares. A continuación se enumeran los parámetros importantes a considerar al diseñar un FR:
Generalmente se requiere una velocidad de fluido relativamente rápida (10–30 m/s) [2] en las operaciones de FR para fomentar una distribución continua de partículas en toda la vasija del reactor. Esto minimiza la velocidad de deslizamiento de la columna (diferencia de velocidad promedio de diferentes fluidos en una tubería), proporcionando un impacto positivo en las tasas de transferencia de calor y masa y permitiendo el uso de recipientes de menor diámetro que pueden reducir los costos operativos. Además, el uso de una configuración de flujo de fluido vertical dará como resultado una falta de mezcla de las partículas de alimentación en la dirección horizontal y vertical, lo que desalentará las interacciones de las partículas que disminuirían la impureza del producto.
El uso de una velocidad de fluido rápida, como se describió anteriormente, también asegura un tiempo corto de retención de la alimentación sólida. Esto atendería reacciones que requieren un producto más puro y un mayor rendimiento. Sin embargo, si la condición operativa para una determinada aplicación requiere un tiempo de reacción prolongado, esto se puede implementar introduciendo una operación cíclica. Al emplear una línea de reflujo, el fluido en el FR se puede recircular con la alimentación para permitir un tiempo de contacto adicional. [3]
Debido a los requisitos de alta temperatura para las operaciones de FR, se requiere un revestimiento refractario para reforzar y mantener la integridad del recipiente a lo largo del tiempo. Además, un revestimiento refractario sirve para aislar la alta temperatura de la cámara de la temperatura ambiente. Por ejemplo, en el proceso Reco-Dust, el FR se reviste con dos materiales refractarios separados: ladrillos de óxido de aluminio para la cámara de combustión y ladrillos de carburo de silicio para la parte cónica de salida. [4] Además, el diseño del recipiente puede variar en formas y tamaños (es decir, desde una tubería hasta una forma de huevo) que tiene como objetivo promover la circulación vertical de los gases y las partículas. [1]
Para minimizar la retención de material en el reactor, se recomienda un gas denso con sólidos ligeros para el funcionamiento del FR. La alimentación sólida alimentada al reactor sólo puede consistir en materiales resistentes al calor y será mejor cuando sólo se requiera un tiempo de retención corto. También se desea que un pienso sólido sea seco, vertible y con una granulometría bien definida. [5]
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A diferencia de otros diseños de FR, la alimentación en polvo entra en contacto con un portador de calor sólido en lugar de un portador gaseoso. Implica el uso de una placa giratoria calentada que dispersa las partículas de polvo de alimentación durante un breve período. Esto se logra mediante el uso de fuerzas centrífugas, donde se comprime el polvo sobre la superficie de la placa, lo que permite el contacto directo entre las partículas y el metal caliente, lo que permite una mayor tasa de transferencia de calor. [6] la figura de la derecha ilustra la configuración de TSE-FLAR, con las flechas que ilustran la dirección de la alimentación que viaja desde el tanque de alimentación, a la unidad dosificadora, a la placa giratoria y finalmente a la unidad de agua de enfriamiento.
Un reactor flash de tubería (PFR) es un dispositivo relativamente nuevo desarrollado a través de los principios de un FR y, por lo tanto, posee la mayoría de sus características, funciones y propiedades. Como su nombre indica, la forma del reactor tipo tubería es la de un tubo. Aunque se trata de un nuevo producto derivado de una tecnología más antigua, se está probando en operaciones de tamaño industrial. Los reactores flash de tubería se utilizan como paso terciario o postratamiento en el tratamiento de aguas residuales, ya sea integrados en nuevas plantas o modernizados en desarrollos existentes. [7] La forma del PFR permite integrarlo fácilmente en nuevos sistemas de procesos y adaptarlo a sistemas existentes más antiguos para mejorar la eficiencia general del sistema. [8] Debido a su forma, se pueden agregar fácilmente modificaciones y extensiones al PFR para adaptarse a los requisitos de ciertos procesos. [9]
En el PFR, los reactivos entran en contacto entre sí en la tubería en lugar de en un recipiente de mezcla en los sistemas de mezcla convencionales, como un reactor de tanque con agitación continua . Esto elimina la necesidad de tanques de mezcla adicionales, lo que ahorra espacio, pero como compensación, el sitio de reacción real dependerá de las especificaciones de la tubería y la velocidad del fluido. El PFR también elimina la necesidad de voluminosos sistemas en cascada o tanques utilizados por otras tecnologías en desarrollos existentes que pueden reducir los costos de mantenimiento. Debido a la naturaleza del dispositivo, los reactivos procesados en PFR tendrán tiempos de retención cortos; sin embargo, agregar flujos de retorno al sistema es una técnica que puede aumentar el tiempo de retención si es necesario. A diferencia de los sistemas de mezcla convencionales, se puede realizar una cámara de mezcla turbulenta sin que se produzcan caídas de presión. [3] Además, los PFR, como la mayoría de los reactores flash, son muy eficientes y ocupan poco espacio.
La versatilidad de los reactores flash/de transporte son adecuados para una amplia gama de procesos de separación sensibles a la calidad. A continuación se describen las principales aplicaciones del reactor flash; tenga en cuenta que la mayoría de las aplicaciones del reactor flash no requieren ningún sistema de postratamiento o pretratamiento debido a la falta de residuos generados.
El (PFR) es una tecnología en crecimiento con aplicaciones en la mejora de la eficiencia de determinados procesos como el tratamiento de aguas residuales. Se instaló un reactor piloto en California como parte del plan de expansión [Agencia de Agua del Lago Castaic] (CLWA). El PFR sirve como dispositivo auxiliar de mezcla y contacto para promover la absorción de ozono en el agua tratada. El PFR utilizó boquillas personalizadas para inyectar la mezcla de ozono y agua a altas velocidades nuevamente en la mayor parte del fluido tratado. El uso de PFR, como el reactor en la expansión CLWA, en tratamientos de agua se está volviendo más popular ya que los PFR eliminan la necesidad de tanques adicionales que habrían sido necesarios para procesos como la cloración . Los recipientes más pequeños son suficientes para proporcionar el tiempo de contacto entre reactivos para la inactivación microbiana, reduciendo así las huellas de instalación en nuevos desarrollos. Además, los reactivos abandonarán los PFR más rápidamente debido a un tiempo de retención más corto; Se descubrió que la dispersión efectiva de la corriente lateral en el fluido a granel se lograba en tan solo 1 segundo. [9]
Desde 2010 funciona con éxito una planta piloto de reactor flash en la Montanuniversität de Leoben , Austria . Conocido como proceso RecoDust, este sistema fue diseñado para recuperar zinc del polvo recolectado en las operaciones de acero. Aunque las pruebas han demostrado la funcionalidad de este proceso, debido a las inciertas perspectivas económicas de la industria siderúrgica, se suspendió la investigación y la implementación de este proceso en la industria. [5]
No obstante, la investigación ha demostrado un gran potencial para el uso del FR en la recuperación de zinc del polvo de la acería, ya que proporciona una fuerte condición oxidante y reductora en el recipiente de reacción, sin que se produzcan materiales de desecho. La gran superficie de reacción del material en polvo entrante, además de no tener un ciclo interno de Zn y no requerir procesos de pretratamiento, ha demostrado la eficacia y eficiencia del proceso RecoDust. [10]
Un proceso típico de RecoDust a menudo requerirá temperaturas de 1600 a 1650 °C con una entrada de materia prima seca, vertible y de tamaño de grano bien definido de aproximadamente 300 kg/h. En un experimento, se eliminó el 94% del cloro , el 93% del flúor y el 92% del plomo del polvo de la acería con una recuperación del 97% del zinc. [4]
El uso de un proceso rápido de calentamiento térmico seguido de su enfriamiento/enfriamiento es esencial en muchos campos de la ingeniería química. Por ejemplo, el polvo de hidróxido de aluminio (es decir, gibbsita ) utilizado para la preparación de un catalizador a base de alúmina pasa por el proceso de activación termoquímica (TCA) para formar un producto activado térmicamente, Al 2 O 3 ∙nH 2 O. Un FR centrífugo , TSEFLAR se puede emplear para calentar el polvo hasta 400-900 K con una temperatura de placa de 1000 K y una velocidad de 90-250 vueltas por minuto. Se ha demostrado que tales configuraciones producen una producción de producto de 40 dm 3 /h con un tratamiento térmico de menos de 1,5 s. [6]
Los reactores flash tienen un enorme potencial para reemplazar o ayudar a la oxidación y reducción de minerales primarios existentes u otros procesos de acondicionamiento previo al tratamiento (por ejemplo, calcinación ) en refinerías de metales. [2] La simplicidad y el rendimiento de un reactor flash pueden proporcionar una solución rentable para facilitar el uso de procesos rigurosos, costosos y existentes.
El precalentamiento de minerales triturados o finos se puede llevar a cabo dentro de un FR, utilizando tiempos de retención cortos para aumentar más rápidamente las temperaturas y alcanzar las condiciones requeridas en procesos posteriores. En los minerales de hierro e ilmenita , los altos rendimientos de FR permiten una reducción general sustancial en el consumo de energía operativa, además de proporcionar un sitio de mezcla con otros reactivos como el hidrógeno para la fabricación de briquetas en el proceso principal de refinación. [11]
La oxidación de minerales particulados triturados y la eliminación de sulfuro , arsénico u otros contaminantes es un proceso de separación crucial en la purificación de metales que se puede llevar a cabo dentro de un FR. La oxidación de minerales de sulfuro da como resultado una conversión de mineral de sulfuro sólido de pequeño tamaño en óxidos y dióxido de azufre gaseoso residual que culmina en una separación al convertir los sulfuros no deseados en una fase gaseosa. Estos contaminantes luego pueden someterse a un tratamiento posterior para crear productos útiles a partir del flujo de desechos, como el ácido sulfúrico, mediante el proceso de contacto.
La siguiente ecuación [12] muestra algunos ejemplos de reacciones de oxidación por tostación utilizadas en el refinado de zinc a partir de esfalerita y otros minerales.
En la tostación de ilmenita para producir productos sintéticos, las propiedades magnéticas del mineral cambian a altas temperaturas [13] a medida que se oxidan los compuestos de ferrita dentro del mineral. Esto da como resultado la separación de compuestos férricos oxidados de los componentes de cromita paramagnéticos [13] dentro del mineral a la salida del reactor, donde el producto puede refinarse aún más para sintetizar hierro o rutilo aguas abajo. Al tostar minerales de sulfuro que contienen oro, los gradientes de difusión de azufre o arsénico fomentan la migración del oro hacia los poros del mineral. [12] Por lo tanto, la tostación y volatilización continua de azufre y arsénico permite la coalescencia del oro en la superficie de las partículas minerales que luego pueden separarse eficientemente mediante procesos posteriores como la lixiviación.
En un FR, el alto rendimiento implica una alta concentración de partículas por unidad de volumen de gas y, por tanto, una gran área de reacción de contacto para la transferencia de masa. Además, la tolerancia de esta reacción a tiempos de retención cortos hace que este proceso sea ideal para llevar a cabo tostación industrial. Esto permite utilizar materias primas de menor calidad para mejorar tanto la capacidad del producto como la calidad en comparación con el tratamiento convencional. [2] Por lo tanto, la simplicidad de la implementación de FR y su alta producción de producto optimiza los costos del pretratamiento de tostación.
La combustión en bucle químico o CLC es un método en el que se utiliza una combinación de reactores CFB y Flash para eliminar el nitrógeno y las impurezas del aire antes de la oxidación del combustible mediante un ciclo de oxidación y reducción de un metal como el níquel. En CLC, se inyecta aire caliente en un metal que actúa como catalizador y portador de oxígeno, como Fe 2 O 3 o níquel o cobre metálico. [2] [15] Se utiliza un reactor flash en el proceso de inyección de aire al comienzo del circuito. El uso de reactores flash en este escenario permite el uso de materiales de alimentación de menor calidad y un aumento sustancial en la capacidad, así como en la pureza del producto, en comparación con el procesamiento convencional. [dieciséis]
En teoría, el CLC también se puede utilizar para recuperar hidrógeno de la biomasa durante la síntesis de gas de síntesis y se explica a continuación en la producción de hidrógeno.
La producción de hidrógeno es una tecnología emergente en el campo de las energías renovables . Como se espera que la demanda de hidrógeno crezca exponencialmente, [17] en la industria química, de hidrocarburos y de semiconductores, es necesario encontrar nuevas fuentes de hidrógeno. Los reactores flash, junto con el reformado y gasificación de metano con vapor , utilizan biomasa residual como una mezcla de celulosa , lignina y otros materiales vegetales orgánicos para producir gas hidrógeno. Los residuos de biomasa más utilizados son los residuos de palma aceitera como resultado de la industria del aceite de palma . [18]
Los reactores flash también se pueden usar en la sección de secado para eliminar rápidamente el contenido de agua [18] de la biomasa mediante la inyección de aire caliente a alta velocidad que actúa como un pretratamiento para la reacción de pirólisis real que también ocurre en un reactor flash. [15] también muestra que se utiliza un reactor flash, después de la trituración de la biomasa, con la adición de calor extremo, en una mezcla de bioaceite, carbón y cenizas. Las cenizas y el carbón producidos a partir de esta reacción se eliminan posteriormente debido a sus propiedades catalíticas que interferirían con la reformación con vapor.