CÁLCULO DE UN REACTOR CATALÍTICO DE LECHO FLUIDIZADO

CÁLCULO DE UN REACTOR CATALÍTICO DE LECHO FLUIDIZADO

En el presente artículo, presentamos el diseño preliminar de un reactor de lecho fluidizado para la producción de 10.000 Tm. De Cl mediante oxidación catalítica de HCl con oxígeno, empleando un catalizador de Cu (proceso Deacon).

El artículo es una parte del proyecto para una planta de producción de Cl mediante el proceso Deacon.

y

·

Planteamiento y datos de partida.

y

·

Cálculo del diámetro de partícula del catalizador.

y

·

Cálculo del diámetro de burbuja.

y

·

Cálculo de umf  y uf .

y

·

Cálculo del diámetro del reactor.

y

·

Cálculo de la altura del lecho.

y

·

Cálculo del distribuidor de gas.

y

·

Cálculo del soplante.

y

·

Cálculo de la superficie de intercambio de calor.

y

·

Cálculo del ciclón.

y

·

Diseño mecánico preliminar.

Carmen Nóvoa y E. Seoane. 1993-99

Se pretende diseñar un reactor de lecho fluidizado para producción de Cl mediante oxidación catalítica de HCl, según la reacción:

HCl  O 2 p

Cl  H 2 O

El proceso no es completo, debiendo recircularse el HCl que no ha reaccionado. La reacción es exotérmica, debiendo trabajar, por motivos de rendimiento, en régimen isotérmico. La presencia de agua en la corriente de entrada disminuye el rendimiento de la reacción.

Se emplea aire a 20rC que, al igual que la corriente de HCl, se supone que entra seco al proceso. Al reactor entra una corriente de HCl y aire, mezclada con una recirculación, que contiene HCl no reaccionado, aire, Cl y agua. La corriente entra a 2 Atm y se precalienta hasta una temperatura próxima a la de reacción.

Para el diseño del reactor, disponemos de los siguientes datos:

Se pretende diseñar un reactor de lecho fluidizado para producción de Cl mediante oxidación catalítica de HCl, según la reacción:

HCl  O 2 p

Cl  H 2 O

El proceso no es completo, debiendo recircularse el HCl que no ha reaccionado. La reacción es exotérmica, debiendo trabajar, por motivos de rendimiento, en régimen isotérmico. La presencia de agua en la corriente de entrada disminuye el rendimiento de la reacción.

Se emplea aire a 20rC que, al igual que la corriente de HCl, se supone que entra seco al proceso. Al reactor entra una corriente de HCl y aire, mezclada con una recirculación, que contiene HCl no reaccionado, aire, Cl y agua. La corriente entra a 2 Atm y se precalienta hasta una temperatura próxima a la de reacción.

Para el diseño del reactor, disponemos de los siguientes datos:

Datos de partida Producción de Cl

10.000 Tm/año

Tiempo de trabajo

8.000 h/año

Conversión alcanzada

70% por paso

Calor de reacción

(H=-29,340 kJ/mol-g

Temperatura de trabajo del reactor

360rC

Presión de trabajo en el reactor

2,6 Atm

Constante cinética del proceso

K=611,4 s-1

Tiempo de residencia

25 s

Propiedades

del catalizador

Catalizador

CuCl2/pumita

*s

0,7

Cps

579,75 J/kg rC (Para CuCl2 )

Vs

640 kg/m

Imf 

0,55

3

Distribución de medidas en el catalizador Rango

de medidas (Q m)

Porcentaje en peso (acumulativo)

50-100

0,39

100-150

15,0

150-200

58,0

200-250

85,0

250-300

96,6

300-350

99,86

La composición de la corriente de entrada al reactor es:

Corriente de entrada HCl

1909,8 kg/h

O2

320,5 kg/h

N

1042,9 kg/h

Cl

19,7 kg/h

H2O

372,9 kg/h

Caudal

3648,5 kg/h

Temperatura

247,92 ºC

Presión

2,6 Atm

Propiedades

del gas a la entrada

Vg

0,650 kg/m3

Kg

0,0389 W/mK

Qg

0,0282v10-3 kg/ms

Cpg

0.984 kJ/kgK

Cp/CV

1,373

Debido a la atmósfera altamente corrosiva en la que va a trabajar el equipo, el sistema de intercambio de calor se construirá con tubos de titanio, puesto que es el único material que, siendo resistente al cloro húmedo, es capaz de soportar la temperatura de trabajo. Los otros materiales que soportan cloro húmedo son: acero revestido con caucho, gres, y determinados plásticos (PVC y PE alta densidad), siendo recomendable consultar al fabricante y realizar pruebas previas.

Datos para el sistema de intercambio de calor Material

de los tubos

Titanio

Conductividad térmica (k)

16 W/mr C

Espesor de la pared del tubo

4 mm

Arriba Volver

CÁLCULO DEL DIÁMETRO MEDIO DE LAS PARTÍCULAS DE CATALIZADOR.

Una vez que ya tenemos los datos necesarios, iniciamos el cálculo. Para ello, calculamos el diámetro medio de partícula del catalizador:

El diámetro medio de partícula se calcula mediante:

dP

!

1

¨x¸ § ©© dp ¹¹ ª ºi

Donde xi es la fracción en peso de partículas, para cada rango de medidas.

Diámetro medio de partícula % en peso

Dpi (Q)

Fracción en peso xi

(x/dp)i

100-150

15,00

125

(15-0)/99,86=0,150210

0,001202

150-200

58,00

175

0,430603

0,002461

200-250

85,00

225

0,270379

0,001202

250-300

96,60

275

0,116163

0,000422

Rango de medidas

Q

300-350

99,86

325

0,032646

7(x/dp)i

0,000100 0,005387

Substituyendo en la fórmula, obtenemos:

d ¡  

1

1

¢   

¢   

¨x © ©d ª  

¸ ¹ ¹ ºi

¢   

0,005387

185 ,639 Qm

Arriba Volver

Cálculo del diámetro de burbuja.

Para calcular el diámetro efectivo de las burbujas, hemos de tener en cuenta que podemos controlar las dimensiones de las mismas, sin más que colocar los dispositivos (bafles, tubos o rejillas) adecuados en el interior del reactor. En nuestro caso, y teniendo en cuenta que estamos ante un proceso exotérmico, lo que implica que hemos de emplear un cambiador de calor para mantener una temperatura adecuada en el interior del reactor, emplearemos los propios tubos del cambiador para controlar el tamaño de burbuja.

Empleamos tubos de 5 cm de diámetro externo, colocados verticalmente en el reactor, en disposición triangular, y separados (de centro a centro) 16 cm. Esta disposición nos permite obtener un diámetro efectivo de burbuja de 8 cm.

Arriba Volver

Cálculo de umf  y uf 

Umf  es la velocidad superficial para condiciones mínimas de fluidización. Para partículas pequeñas, de poco peso específico Rep0,4 la suposición es correcta.

La velocidad de trabajo deberá estar comprendida entre estos dos valores límite, ya que una velocidad demasiado alta, o demasiado baja, originaría una distribución de sólidos no homogénea, sobre todo cuando se trata de partículas de diferentes tamaños. Por ello, elegimos una velocidad, u0 de 30 cm/s.

Arriba Volver

CÁLCULO DEL DIÁMETRO DEL REACTOR.

Para calcular el diámetro del reactor, partimos de la siguiente relación:

¨ sección tr ansversal ¸ ¨ fracción no ocupada ¸ flujo volumétr i co ©© ¹¹ v ©© ¹¹ ! de re t r  p r  s t s a l c o o lo ubo ª º ª º velocidad del gas

Donde la fracción no ocupada por los tubos será el área del triángulo formado por cada tres tubos, menos el área de medio tubo, que sería la que estaría dentro del triángulo, dividido, todo, por el área del triángulo.

Haciendo números:

16 v 10 2 16 v 10 2 sin60  T  5 v 10  2 T 2 2 4 dt 2 2 4 16 v 10 16 v 10 sin60  2



 21

2714

2

!

3600 2 30 v 10 



dt

! 1,874 m

El número de tubos que tenemos en el interior del reactor, será:

nº tubos

!

ár ea trans versal del r eactor  ár ea corr e spondiente a un tubo

T 4

!

2

!

1,874

16 v 10 2 16 v 102 sin60 

! 124 ,41 } 125 tubos

2

Arriba Volver

Cálculo de la altura del lecho.

La altura del lecho depende de las características del propio lecho, y de la reacción que tiene lugar. Por ello, hemos de calcular las propiedades del lecho:

ubr 

ub

! 0 ,71 g db ! 0 ,71 9 ,81 8 v 10 2 u br  ! 0 ,628 m/s

! u0  umf   ubr  ! 30

ub

Km

v 10

2

 9 ,25

! 0 ,91875

v 10

3

 0,628

m/s

! 1  I m  K r  ! 1  0 ,55  611,4 ! 275 ,13 s 1

En esta ecuación, y en la siguiente, emplearemos valores de Imf  para Im, ya que no disponemos de valores de Im. En realidad, Im es algo menor que Imf , al ser esta última la porosidad del lecho fluidizado, mientras que Im es la porosidad del lecho fijo. Este detalle puede influir en la altura del lecho, resultando un lecho algo más largo.

K m

! 1  I m  K r  X m ! 1 0 ,55  611,4 25 ! 6878 ,25 Lm

!

K m u0

1 I  K m

! r 

6878 ,25 30 v 10 2

1 0,55 611,4

! 7,5 m

Lm es la altura que tendría el lecho, si fuese fijo.

La altura del lecho, una vez fluidizado, se calcula mediante la expresión:

L f 

!

1

1  I  mf 

u0 ub ubr  K r 

K m

Sustituyendo:

The image cannot be displayed. Your computer may not have enough memory t o open the image, or the image may hav e been corrupted. Restart your computer, and then open thefile again. If the red x still appears, you may hav e to delete the image and then insert it again.

A la altura del lecho fluidificado hemos de añadir H, la altura de la sección de lecho entre la superficie de la fase densa y la salida de los productos gaseosos, y TDH, la altura necesaria para que las partículas de catalizador caigan de nuevo al lecho.

TDH se obtiene a partir de la siguiente gráfica, en la que entramos con un valor de dt=1,87 m y u0=30 cm/s.

The image cannot be displayed. Your computer may not have enough memory t o open the image, or the image may hav e been corrupted. Restart your computer, and thenopen the file again. If the red x stillappears, you may hav e to delete the image and then insert it again.

Para estos valores, leemos una TDH/dt de 1,3, por lo que: The image cannot be displayed. Your computer may not have enough memory to open the image, or the image may hav e been corrupted. Restart your computer, and then open the file again. If the red x still appears, you may hav e to delete the image and then insert it again.

Calculamos H mediante la expresión:

The image cannot be displayed. Your computer may not have enough memory t o open the image, or the image may hav e been corrupted. Restart your computer, and then open the file again. If the red x still appears, you may have to delete the image and t hen insert it again.

Para ello, necesitamos calcular a, lo que hacemos estimando el valor de avu0, sabiendo que u0=30 cm/s.

The image cannot be displayed. Your computer may not have enough memory t o open the image, or the image may hav e been corrupted. Restart your computer, and then open the file again. If the red x still appears, you may hav e to delete the image and then insert it again.

Por otra parte, sabemos que F/F o