Reactor que lleva a cabo reacciones químicas multifásicas con partículas sólidas suspendidas en un fluido ascendente.
Un reactor de lecho fluidizado ( FBR ) es un tipo de dispositivo reactor que se puede utilizar para llevar a cabo una variedad de reacciones químicas multifásicas . En este tipo de reactor, un fluido (gas o líquido) pasa a través de un material granular sólido (generalmente un catalizador ) a velocidades lo suficientemente altas como para suspender el sólido y hacer que se comporte como si fuera un fluido. Este proceso, conocido como fluidización , imparte muchas ventajas importantes a un FBR. Como resultado, los FBR se utilizan para muchas aplicaciones industriales.
Diagrama básico de un reactor de lecho fluidizado.
Principios básicos
El material de sustrato sólido (el material catalítico sobre el que reaccionan las especies químicas) en el reactor de lecho fluidizado normalmente está soportado por una placa porosa , conocida como distribuidor. [1] Luego, el fluido es forzado a través del distribuidor a través del material sólido. A velocidades de fluido más bajas, los sólidos permanecen en su lugar mientras el fluido pasa a través de los huecos del material. Esto se conoce como reactor de lecho empaquetado . A medida que aumenta la velocidad del fluido, el reactor alcanzará una etapa en la que la fuerza del fluido sobre los sólidos es suficiente para equilibrar el peso del material sólido. Esta etapa se conoce como fluidización incipiente y ocurre a esta velocidad mínima de fluidización. Una vez que se supera esta velocidad mínima, el contenido del lecho del reactor comienza a expandirse y a girar como un tanque agitado o una olla de agua hirviendo. El reactor es ahora un lecho fluidizado. Dependiendo de las condiciones operativas y las propiedades de la fase sólida, se pueden observar varios regímenes de flujo en este reactor.
Historia y usos actuales
Los reactores de lecho fluidizado son una herramienta relativamente nueva en el campo de la ingeniería química. El primer generador de gas de lecho fluidizado fue desarrollado por Fritz Winkler en Alemania en los años 1920. [2] Uno de los primeros reactores de lecho fluidizado de los Estados Unidos utilizados en la industria petrolera fue la Unidad de Craqueo Catalítico, creada en Baton Rouge, LA en 1942 por la Standard Oil Company de Nueva Jersey (ahora ExxonMobil ). [3] Este FBR y los muchos siguientes fueron desarrollados para las industrias petrolera y petroquímica. Aquí se utilizaron catalizadores para reducir el petróleo a compuestos más simples mediante un proceso conocido como craqueo . La invención de esta tecnología hizo posible aumentar significativamente la producción de diversos combustibles en Estados Unidos. [4]
Hoy en día, los reactores de lecho fluidizado todavía se utilizan para producir gasolina y otros combustibles, junto con muchos otros productos químicos. Muchos polímeros producidos industrialmente se fabrican utilizando tecnología FBR, como el caucho , el cloruro de vinilo , el polietileno , los estirenos y el polipropileno . [5] [ página necesaria ] Varias empresas de servicios públicos también utilizan RBA para gasificación de carbón , plantas de energía nuclear y entornos de tratamiento de agua y residuos. Utilizados en estas aplicaciones, los reactores de lecho fluidizado permiten un proceso más limpio y eficiente que las tecnologías de reactores estándar anteriores. [4]
Ventajas
El aumento del uso de reactores de lecho fluidizado en el mundo industrial actual se debe en gran medida a las ventajas inherentes de la tecnología. [6]
Mezclado uniforme de partículas: debido al comportamiento intrínseco similar al fluido del material sólido, los lechos fluidizados no experimentan una mezcla deficiente como en los lechos empacados. Esta mezcla completa permite obtener un producto uniforme que a menudo puede ser difícil de lograr en otros diseños de reactores. La eliminación de gradientes de concentración radiales y axiales también permite un mejor contacto fluido-sólido, lo cual es esencial para la eficiencia y calidad de la reacción.
gradientes de temperatura uniformes: muchas reacciones químicas requieren la adición o eliminación de calor. Los puntos locales calientes o fríos dentro del lecho de reacción, que a menudo son un problema en lechos compactos, se evitan en una situación fluidizada como un FBR. En otros tipos de reactores, estas diferencias de temperatura locales, especialmente en los puntos críticos, pueden provocar la degradación del producto. Por tanto, los FBR son muy adecuados para reacciones exotérmicas . Los investigadores también han descubierto que los coeficientes de transferencia de calor entre el lecho y la superficie de los RFB son altos.
Capacidad para operar el reactor en estado continuo: la naturaleza de lecho fluidizado de estos reactores permite la capacidad de retirar producto continuamente e introducir nuevos reactivos en el recipiente de reacción. Operar en un estado de proceso continuo permite a los fabricantes producir sus diversos productos de manera más eficiente debido a la eliminación de las condiciones de inicio en los procesos por lotes .
Desventajas
Como ocurre con cualquier diseño, el reactor de lecho fluidizado tiene sus desventajas, que cualquier diseñador de reactor debe tener en cuenta. [6]
Aumento del tamaño de la vasija del reactor: debido a la expansión de los materiales del lecho en el reactor, a menudo se requiere una vasija más grande que la de un reactor de lecho empaquetado. Este buque más grande significa que se debe gastar más en costos de capital iniciales.
Requisitos de bombeo y caída de presión: el requisito de que el fluido suspenda el material sólido requiere que se alcance una mayor velocidad del fluido en el reactor. Para lograrlo, se necesita más potencia de bombeo y, por tanto, mayores costes energéticos. Además, la caída de presión asociada con los lechos profundos también requiere potencia de bombeo adicional.
Arrastre de partículas: las altas velocidades del gas presentes en este estilo de reactor a menudo dan como resultado que partículas finas queden arrastradas en el fluido. Estas partículas capturadas se sacan luego del reactor junto con el fluido, donde deben separarse. Este puede ser un problema muy difícil y costoso de abordar dependiendo del diseño y función del reactor. A menudo, esto puede seguir siendo un problema incluso con otras tecnologías de reducción del arrastre.
Falta de comprensión actual: la comprensión actual del comportamiento real de los materiales en un lecho fluidizado es bastante limitada. Es muy difícil predecir y calcular los complejos flujos de masa y calor dentro del lecho. Debido a este desconocimiento se requiere de una planta piloto para nuevos procesos. Incluso con plantas piloto, la ampliación puede ser muy difícil y puede no reflejar lo que se experimentó en la prueba piloto.
Erosión de los componentes internos: el comportamiento fluido de las finas partículas sólidas dentro del lecho acaba provocando el desgaste de la vasija del reactor. Esto puede requerir mantenimiento y conservación costosos para el recipiente de reacción y las tuberías.
Escenarios de pérdida de presión: si la presión de fluidización se pierde repentinamente, la superficie del lecho puede reducirse repentinamente. Esto puede ser un inconveniente (por ejemplo, dificultar el reinicio de la cama) o puede tener implicaciones más graves, como reacciones descontroladas (por ejemplo, reacciones exotérmicas en las que la transferencia de calor se restringe repentinamente).
Investigación y tendencias actuales.
Debido a las ventajas de los reactores de lecho fluidizado, se dedica una gran cantidad de investigación a esta tecnología. La mayoría de las investigaciones actuales pretenden cuantificar y explicar el comportamiento de las interacciones de fases en la cama. Los temas de investigación específicos incluyen distribuciones de tamaño de partículas, diversos coeficientes de transferencia, interacciones de fase, efectos de velocidad y presión y modelado por computadora. [7] El objetivo de esta investigación es producir modelos más precisos de los movimientos y fenómenos internos de la cama. [8] Esto permitirá a los ingenieros químicos diseñar reactores mejores y más eficientes que puedan abordar eficazmente las desventajas actuales de la tecnología y ampliar la gama de uso de FBR.
^ Howard, JR (1989). Tecnología de lecho fluidizado: principios y aplicaciones. Nueva York, Nueva York: Adam Higler.
^ Tavoulareas, S. (1991.) Tecnología de combustión en lecho fluidizado. **Annual Reviews Inc.** 16, 25-27.
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^ ab Trambouze, P. y Euzen, J. (2004). Reactores químicos: del diseño a la operación. (R. Bononno, traducción). París: Ediciones Technip.
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^ Abbasi, Mohammad Reza; Shamiri, Ahmad; Hussain, MA (2016). "Modelado dinámico y distribución de peso molecular de la copolimerización de etileno en un reactor industrial de lecho fluidizado en fase gaseosa". Tecnología avanzada en polvo . 27 (4): 1526-1538. doi :10.1016/j.apt.2016.05.014.
