Los reactores catalíticos heterogéneos ponen énfasis en los factores de efectividad del catalizador y las implicaciones de la 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 gránulos de catalizador cuyos reactivos fluyen a través del lecho y se convierten en productos. El catalizador puede tener múltiples configuraciones que incluyen: un lecho grande, varios lechos horizontales, varios tubos empaquetados paralelos y 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 opción de dosificar oxidante entre las etapas permite, en condiciones óptimas, aumentar el rendimiento del producto en la catálisis de oxidación. [1] Al dosificar intermedios o productos entre las etapas, se puede encontrar información valiosa sobre las vías de reacción.
Los gránulos de catalizador pueden ser gránulos esféricos, cilíndricos o de forma aleatoria. Varían desde 0,25 cm hasta 1,0 cm de diámetro. El flujo de un reactor de lecho fijo suele ser descendente. Reactor de lecho empaquetado .
Un reactor de lecho percolador es un lecho fijo donde el líquido fluye sin llenar los espacios entre las partículas. Al igual que con 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] hidrodesfaltenización de alquitrán de hulla [3] ). Este reactor se utiliza a menudo para manejar alimentos con puntos de ebullición extremadamente altos.
Un reactor de lecho móvil tiene una fase fluida que pasa a través de un lecho compacto. El sólido se introduce en la parte superior del reactor y desciende. Se retira por la parte inferior. Los reactores de lecho móvil requieren válvulas de control especiales para mantener un estrecho control 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 contenidos de sólidos inferiores al 10 % y generalmente se utilizan cuando los sólidos (principalmente catalizador) tienen una superficie elevada debido a su tamaño en micras.
Un reactor de lecho giratorio (RBR) sostiene un lecho empacado fijado dentro de una canasta con un orificio central. Cuando la canasta gira sumergida en una fase fluida, las fuerzas de inercia creadas por el movimiento giratorio fuerzan el fluido hacia afuera, creando así un flujo circulante a través del lecho empaquetado giratorio. El reactor de lecho giratorio es un invento bastante nuevo que muestra altas tasas de transferencia de masa y una buena mezcla de fluidos. Los reactores tipo RBR se han aplicado con frecuencia en reacciones de biocatálisis de alto valor, ofreciendo una reutilización conveniente de enzimas inmovilizadas [4] al tiempo que previenen el daño mecánico de los catalizadores de fase sólida. [5] También en la industria de la energía nuclear están surgiendo construcciones RBR para purificar residuos líquidos en una escala de cientos de metros cúbicos. [6]
Un reactor de lecho fluidizado suspende pequeñas partículas de catalizador mediante el movimiento ascendente del fluido que va a reaccionar. El fluido suele ser 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 en la escala de 10 a 300 micras. Una ventaja clave de utilizar un reactor de lecho fluidizado es la capacidad de lograr una temperatura muy uniforme en el reactor. Los reactores de lecho fluidizado son mejores para biocatalizadores o enzimas dopadas con sólidos, ya que el fluido de trabajo fluidiza los sólidos y no hay impacto mecánico sobre los sólidos.
Un reactor de suspensión contiene el catalizador en forma de polvo o granular. [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 pasa a través del líquido y se disuelve. Luego se difunde sobre la superficie del catalizador. Los reactores de suspensión 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 suspensión generalmente tienen una velocidad de reacción alta y el lecho fluidizado está algo intermedio.