Los Reactores Multiples

Existen Existen diversos diversos tipos de reactores, reactores, dependiendo dependiendo de las fases involucradas, involucradas, Asi; se encuentran en la industria reactores especiales para reacciones gas-liquido, otro para solidofluido, otro para sistemas multifásicos, etc. En el caso particular de requerir un reactor para la reacción entre un sólido y un fluido se pueden emplear reactores de lecho fijo o de lecho fluidizado; dependiendo de las características del proceso. Por otro lado; existen multitud de tipos de reactores de lecho fijo, pero todos se  basan en un lecho (o varios lechos) de catalizador inmovilizado por el que pasa el fluido que se quiere reaccionar por la parte superior del reactor. Sobre la superficie del catalizador  el reactivo (o reactivos) se adsorbe y reacciona, formando el producto, que posteriormente se desorberá de la superficie del catalizador. Toda la corriente de fluido compuesta por los  productos, los inertes y los reactivos sin reaccionar (además de algunos productos indeseados y otros fluidos) saldrá por la parte inferior del reactor. El comportamiento de este tipo de reactores es muy similar al modelo de reactor de flujo en pistón. Según la configuración del lecho pueden clasificarse en reactores de lecho único o sencillos, de múltiples lechos y multitubulares. La conf config igur urac ació ión n del del lech lecho o o disp dispos osic ició ión n del del lech lecho o sóli sólido do depe depend ndee de las las condiciones en que se tiene que llevar a cabo la reacción, por ello, la configuración de lecho único normalmente se utiliza para procesos adiabáticos o para reacciones en que el calor de reacción sea bajo. Si es preciso intercambiar calor, se recurre al uso de múltiples lechos, cada uno comportándose de forma adiabática, pero con posibilidad de intercambio de calor  entre lechos, o reactores reactores multitubulare multitubulares, s, formados formados por varios tubos de menor diámetro diámetro en  paralelo donde la transmisión de calor tiene lugar a través de la pared de los tubos.

Concepto reactor de múltiples lechos fijos

El reactor de múltiples lechos fijos consiste en varios lechos fijos consecutivos, es decir, los reactivos van pasando de forma secuencial por los distintos lechos y en éstos se va produciendo la reacción. Entre lecho y lecho se produce un intercambio de calor para calentar o refrigerar la corriente fluida. Por tanto, el funcionamiento de este tipo de reactores es muy parecido al de varios reactores de lecho fijo en serie. Para el diseño de este tipo de reactores se suelen usar leyes de operación en adiabático.

Características del reactor de múltiples lechos fijos

Para este tipo de reactores, en resumen, las características son las siguientes: a) Todos los reactivos se introducen continuamente y los productos se extraen en forma continua  b) Operan en régimen estable, por lo cual ninguna de las propiedades del sistema varía con relación al tiempo en una posición dada. c) La temperatura, la presión y la composición varían con relación a la longitud del reactor. d) Para el comportamiento ideal se supone que el transporte masa y calor se realizan  por convención forzada y únicamente en la dirección axial. Ventajas y desventajas de los reactores de múltiples lechos Ventajas: 

Al comparar los reactores de lecho único, lechos múltiples y lechos multitubulares, la limpieza y la retirada del catalizador es más sencilla en el de lechos múltiples.

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El flujo de reactantes es descendente a través del lecho, de modo que no se origina movimiento de partículas, que podría dar lugar al desgaste o a un al arrastre.

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Su costo de operación es bajo comparado con el de los reactores por lotes.

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Su operación es continua.

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Facilita el control automático de la producción.

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En general más eficiente que el reactor continúo tipo tanque.

Desventajas: 

Debido a la distribución del catalizador en varios lechos y el calentamientorefrigeración después de cada etapa, el control de la temperatura es mucho mejor que la de un lecho fijo típico, y la formación de puntos calientes es menor q en éste, aunque estas características suelen ser peores que las de los reactores de lecho fijo multitubulares.

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El reactor multilecho no posee un control de la temperatura exhaustivo.

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La regeneración del catalizador para recuperar su actividad representa un  problema, pues, en la mayoría de los casos, el catalizador es muy valioso  para ser desechado. Si la actividad del catalizador disminuye con el tiempo  pueden hacerse necesarias regeneraciones muy frecuentes. Aún en esos casos en los cuales el costo sea tan bajo que no se requiera regeneración, el  procedimiento de parar y arrancar el equipo para el cambio del catalizador   puede ser una operación muy costosa. Por eso, los sistemas de reactores de lecho fijo de mayor éxito son aquellos en donde la actividad del catalizador  se mantiene por mucho tiempo sin regeneración.

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Su costo inicial es alto.  No recomendables para desarrollar reacciones que tengan elevados tiempos de residencia.

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El tiempo de residencia permanece fijo para un flujo dado de alimentación.

Función del lecho

La función que cumple el lecho puede ser muy variada, ya que puede actuar como reactivo, como catalizador o simplemente, puede ser inerte. Cuando el sólido es un reactivo, cambia su naturaleza según avanza la reacción, por lo que suele tratarse de  procesos discontinuos, operando en estado no estacionario. Entre algunos ejemplo de  procesos a nivel industrial destacan la coquización o la gasificación del carbón, y el intercambio iónico. La situación más común en reactores de lecho a escala industrial es que

el sólido sea un catalizador que interviene en la reacción sin consumirse. Cuando el sólido es un inerte, no interviene en la reacción, aunque sí interactúa con reactivos o productos. Por ejemplo, en el tratamiento aerobio de aguas residuales en lecho fijo, la misión del sólido es la de dispersar la fase acuosa para que aumente la velocidad de trasferencia de materia del oxígeno desde la fase gas. Tipo de flujo

Atendiendo al tipo de flujo a través del sólido, los reactores de lecho fijo pueden ser  de flujo axial, si el fluido atraviesa el lecho de sólido en la misma dirección que la dirección  principal de flujo, o radial, si el fluido experimenta un cambio de dirección para atravesar el sólido. Herramientas para la modelización

La modelización de reactores de lecho fijo de múltiples lechos, al igual que la mayor parte de las operaciones y procesos en ingeniería química, se lleva a cabo planteando  balances de materia, energía y cantidad de movimiento, es decir, planteando las denominadas ecuaciones de variación Los fenómenos de transporte constituyen, junto con la termodinámica, la base de la ingeniería química, ya que permiten describir cualquier  operación de la industria de proceso en la que tenga lugar transporte de cantidad de movimiento, materia y energía, ya sea con o sin reacción química. Estos fenómenos se describen matemáticamente por medio de las ecuaciones de variación, que se formulan  planteando balances de cantidad de movimiento, materia y energía a un elemento diferencial de volumen del sistema objeto de estudio. Usos Industriales

El reactor de lechos múltiples se suele utilizar en los siguientes casos: a) Para sistemas reactivos que sean gases y vapores.  b) Cuando se desea una producción grande en forma continúa. c) Para reacciones exotérmicas o endotérmicas.

d) Cuando están empacados con partículas de catalizador actúan como reactores de lecho fijo. e) Si las partículas corresponden a un reactor, actúan como reactores heterogéneos sólido-gas. Ejemplos:

Proceso

Función del lecho

Forma del lecho

Tipo de Flujo

Oxidación de NH3 a NO Reducción catalítica selectiva de NOx Eterificación de isobutileno y metanol a metil t-butil éter por  destilación catalítica Oxidación de SO2 a SO3 Deshidrogenación de etilbenceno a estireno Síntesis de NH3

Catalizador

Malla

Axial

Catalizador

Monolito

Axial

Catalizador

Partículas

Axial

Catalizador

Partículas

Axial

Catalizador

Partículas

Radial

Catalizador

Partículas

Radial