TIPOS DE REACTORES REACTORES Y SU SU APLICACIÓN APLICACIÓN INDUSTRIAL Tabla Tabla 8. Reactores Reactores catalíticos catalíticos de lecho lecho !"il #ara #ara reaccio$es reaccio$es de %ase&'as %ase&'as Ti#o de Reactor REACTO R DE LEC)O *Ó+IL
REACTO R DE LEC)O 7LUIDI7I CADO
REACTO R DE 7LU
Características
E(e#los de a#licaci!$
Tra$s#orte Tra$s#orte del del catali,ador #or 'ra"edad- las co$dicio$es de reacci!$ e$ aor #arte so$ siilares a a/0ellas e%ect0adas e$ reactor de lecho 1(o. Es "e$ta(oso c0a$do el catali,ador #0ede re'e$erarse de los resid0os de la cob0sti!$.
Cra2i$' 3TCC- ho0dr 4o5 #rocess6deshidro'e$aci!$ de b0te$o.
Catali,ador a'itado #or 'ra"edad resiste$cia a la %0er,a del 40(o de 'as. E$ el lecho 7l0idi1cado casi #0ede lo'rarse las co$dicio$es isotricas. La caída de #resi!$ es i$de#e$die$te e$ 0$ a#lio es#acio del re$diie$to del 'as i$40e$te. La %ora de 0$ lecho 40idi1cado #0ede "ariar "ariar coo %0$ci!$ de la la 'eoetría de las co$dicio$es co$dicio$es hidr90licas. hidr90licas. I$te$sas a'itacio$es i$ter$as so$ %rec0e$tes #ara e(orar el tra$s#orte de asa tra$s%ere$cia de calor co$ catali,adores de alta resiste$cia a la abrasi!$. Se 0sa$ catali,adores de 1$o&'ra$0lado- la ca$tidad total se hace circ0lar co$ti$0ae$te e$tre traos de la reacci!$ te#la$do la re'e$eraci!$ 0$itaria
crac2i$' 3:ello''- 77C7le;icrac2i$'6 #rod0cci!$ de clor0ro de "i$ilo 3#roceso de Cloe6cloraci!$ del eta$o etile$o- #rod0cci!$ de b0tadie$o a #artir del eta$ol- #rod0cci!$ de iso#re$o- #oscloraci!$ de P+C Proceso Proces o 7ischer& 7isch er&T Tro#sch 3S$thol #rocess6
>.? REACTORES PARA REACCIONES NO CATAL@TICAS UE IN+OLUCRAN SÓLIDOS U$a "ariedad de reactores est9$ dis#o$ibles #ara reaccio$es $o catalíticas /0e i$"ol0cra$ s!lidos. La disc0si!$ solae$te si'0e a as#ectos i$d0striale$te i#orta$tes. 3.5.1. REACTORES PARA REACCIONES DE GAS-SÓLIDO NO CATALITICAS En general, las reacciones e gas-s!lio no ca"al#"icas se $an carac"eri%ao &or las al"as "e'&era"(ras e &roceso ) las *a+as "asas glo*ales e reacci!n
) ae's, la es"r(c"(ra ) geo'e"r#a e los solios &(ee ca'*iar (ran"e la reaccion.
tabla B. Reactor de flujo de goteo
#0ede %0$cio$ar e$ corrie$te directa o de co$trol de te#erat0ra a co$tracorrie$te #or i$ecci!$ i$teredia o recirc0laci!$. #eli'ro de distrib0ci!$ del lí/0ido desi'0al e i$co#leta h0ectaci!$ de catali,ador estrecha del tie#o de reside$cia de distrib0ci!$
des0l%o$aci!$ re1$aci!$ de #rod0ctos deri"ados del #etr!leo. hidrocra/0eo #rod0cci!$ de b0t$ediol de acetile$o %oraldehído i$terediarios or'9$icos 3b0t$ediol- adi#o$itrilo ethlhe;e$al6 de aldehídos- steres 9cidos carbo;ílicos de alcoholes de las 'rasas $at0rales de 9cidos 'rasos de resid0os 3de ba(a te#erat0ra de hidro'e$aci!$ de los al/0itra$es6
Col0$a de e#a/0e de b0rb0(as
#eli'ro de i$0$daci!$ re$diie$to líite de la ca#acidad s0(eta catali,ador #ara 0$ aor estrs ec9$ico 3rete$ci!$ es $ecesario6 la #ro#orci!$ de lí/0idos de alta #ro0e"e la elii$aci!$ de 'ra$ ca$tidad de calor de retroe,cla e$ %ase lí/0ida
Ai$acio$ de alcoholes des#ro#orci!$ de tol0e$o a be$ce$o ;ile$o
tabla . Reactores de lecho s0s#e$dido lecho 40idi1cado #ara reaccio$es de %ase lí/0ida de 'as&li/0ido sobre catali,adores s!lidos
Ti#o de reactor
caracteristicas Columna de burbujas con Diseo si#le Peli'ro- las #e/0eas catalizador suspendido caídas de #resio$ $o deseadas e$ la reaccio$ de distrib0ci!$ hoo'$ea del catali,ador e$ %ase li/0ida- debe$ #re"e$irse- si el #rod0cto es retirado coo solido. Reactor con recirculación Dis#ositi"os de i$tercabio de calor e"terna de e,cla e$ circ0ito e;ter$o #ara el %0$cio$aie$to co$ti$0o disco$ti$0ose#araci!$ del catali,ador %0era del reactor tanque de agitación Tabi$ se #0ede de burbuja con 0tili,ar e$ los odos catalizador en seico$ti$0o #or suspensión lotes- ase'0ra 0$a e,cla i$te$sa de todas las %ases de aor costo #ara el sellado el a$te$iie$to de la 0$idad a'itador Cascada de los co$"ersio$es 9s altas tanques de agitación /0e e$ de1$iti"a se da$ de burbuja con e$ el ta$/0e a'itado. catalizador Adec0ado #ara las suspendido "elocidades de reacci!$le$ta ada#taci!$ a la i$ecci!$ de i$teredios otros i$terco$e;io$es REACTOR DE LEC)O debido a #e/0eas 7LUIDI7ICADO caídas de #resi!$ el catali,ador debe te$er 0 alta resiste$cia ec9$ica
E(e#los de a#licacio$ hidrogenación de CO (Fischer Tropsch) de alquitrn ! carbón (fase final) de benceno a ciclohe"ano hidrodesulfuración
hidrogenación de los intermediarios orgnicos (nitrobenzenes# nitrilos# nitronaphthalenes# etc)
hidrogenación de los intermediarios orgnicos (nitro compuestos aromticos# but!nediol) hidrogenación de grasa refinación catal$tica %idrogenación continua de las grasas hidrólisis de las grasas en cidos grasos ! producción de glicerol de toluendiamina de dinitrotolueno
hidrocra/0eo des0l%0raci!$ de #etr!leo #esado las %raccio$es los resid0os /0e toda"ía 3)&
Oil #roceso- e$ tres %ases de lecho 40idi1cado6
Reactores #ara este ser"icio #0ede$ estar ese$ciale$te a'r0#ados e$ los de o#eraci!$ seico$ti$0a- es decir- si$ tra$s#orte de solidos 3hor$os de e(e "ertical tabores 'iratorios6- los de o#eraci!$ co$ti$0a- es decir- co$ tra$s#orte co$ti$0o de solidos. El se'0$do ti#o- a s0 "e,- se #0ede di"idir e$F 6 reactores co$ tra$s#orte de solidos #or 'ra"edad. G6 reactores co$ tra$s#orte eca$ico de solidos. >6 reactores co$ tra$s#orte $e09tico de solidos. Estos tres 'r0#os so$ 0 di%ere$tes res#ecto co$ el tie#o de reside$cia- las co$dicio$es de tra$s#orte de calor asa e$tre las %ases 'aseosa solida- las ca#acidades calorí1cas i$iciales. El #rier 'r0#o i$cl0e reactores de lecho !"il. Dado /0e el 'as tie$e /0e 40ir a tra"s del lecho de solidos- la tra$s%ere$cia de asa de calor e$tre las %ases es relati"ae$te b0e$o. El co$trol de te#erat0ra #0ede e%ect0arse de %ora si0lt9$ea lle"a$do a cabo reaccio$es e;otricas e$dotricas e$ el iso reactor. Los reactores co$ tra$s#orte eca$ico de solidos i$cl0e$ hor$os rotatorios hor$os de 0ltico#artie$tos 3 *etall0r'ical 70r$aces- Cha#. .- *etall0r'ical →
→
70r$aces- Cha#. G.6. El tra$s#orte de las %ases 'aseosa solida a tra"s del reactor e$ 'ra$ edida se #rod0ce #or se#arado. El tra$s#orte de calor de asa se #rod0ce$ co$ i$te$sidad solo e$ la s0#er1cie del lecho de s!lidos. La reaccio$ co#leta del #roceso de#e$de de la co$ti$0a #artici#aci!$ de la %ase solida- co$ 0$ i$te$so e,clado de los solidos. El calor es a e$0do s0i$istrado directae$te #or los /0eadores. *as de 0$a o#eracio$ #0ede estar e$ %0$cio$aie$to e$ el e/0i#o 3#or e(e#lo- el secado- cale%acci!$- re%ri'eraci!$- "arias eta#as de reaccio$6.
Figura 10. Reactores de lecho fjo catalítico para reacciones en ase líquida y gas líquido. !" Reactor de eecto derra#e en el $ujo %contracorriente"& '" Reactor de eecto derra#e en el $ujo %corriente directa"& C" colu#na de e#paque de burbujas( a" reacti)os líquidos( b" gases reacti)os( c" *l producto líquido( d" gas de escape( e" catalizador( " ruptura de disco.
El tra$s#orte de s!lidos e$ la corrie$te de 'as es #osible s!lo co$ taaos de #artíc0las #e/0eas la e$or distrib0ci!$ #osible de 'ra$o. A este 'r0#o #erte$ece$ los reactores de lecho 40idi1cado reactores de 40(o t0b0lar- los tostadores de #ol"o- los hor$os de s0s#e$si!$. Debido a las co$dicio$es %a"orables #ara la tra$s%ere$cia de calor asa- estos reactores o%rece$ tie#os 0 cortos de reside$cia re$diie$tos 9s altos /0e e$ otros ti#os. La #rese$cia de tra$s%ere$cia s0#er1cial de calor- co#lee$tario al edio de
tra$s%ere$cia de calor e$ s!lidos- el cale$taie$to directo so$ #osibles. Los ti#os de reactores i#orta$tes i$d0striale$te #ara reaccio$es de 'as&s!lido $o catalíticas se e$lista$ e$ la tabla e$ la 1'0ra G co$ s0s a#licacio$es. 3.5.. REACTORES PARA REACCIONES LI/0IDO-SOLIDO NO CATALITICAS
Los reactores 0tili,ados #ara reaccio$es lí/0ido&s!lido $o catalíticas debe$ ser diseados #ara el tra$s#orte e,cla de %ases- a "eces co$ alto co$te$ido de s!lidos. Debe ser doi$a$te el diseo de #rocesos #or lotes seico$ti$0os. La tabla G la 1'0ra > #rese$ta$ est0dio e(e#los de a#licaci!$ de los ti#os de reactor #ara reaccio$es li/0ido&solido $o catalíticas. 3.5.3. REACTORES PARA REACCIONES ASE-SOLIDO NO CATALITICAS
Los reactores 0tili,ados #ara reaccio$es e$ %ase solida $o catalíticas so$ siilares a los 0tili,ados #ara reaccio$es 'as&solido. Los lar'os tie#os de reside$cia las altas te#erat0ras de reacci!$ so$ $ecesarios- es#eciale$te #ara reaccio$es e$tre disti$tos s!lidos- debido al ba(o coe1cie$te de tra$s%ere$cia i$ter$a. El calor #0ede ser s0i$istrado #or el cale$taie$to directo o i$directo #or la /0ea de cob0stibles s!lidos. Los 'ases i$ertes se e#lea$ #ara el tra$s%ere$cia de calor la a'itaci!$ de los s!lidos. E$ la tabla > se e$lista$ a#licacio$es as i#orta$tes. 3.2. REACTORES ELECTROTR4ICO U$a "ariedad de sisteas de cale%acci!$ elctrica se 0tili,a$ #ara al'0$as reaccio$es $o catalíticas i#orta$tes e$tre 'ases s!lidos c0a$do la te#erat0ra de reacci!$ es ele"ada las 'ra$des ca$tidades de calor so$ re/0eridas. E$ el caso 9s si#le- elee$tos de cale%acci!$ 3barras- ci$tasetc.6 se 0tili,a$ #ara este #ro#!sito. U$ todo 0cho 9s e1cie$te- si$ ebar'o- es directa- es la Cale%acci!$ elctrica. Las o#cio$es a/0í so$ arcoresiste$cia- cale$taie$to #or i$d0cci!$. tabla . REACTORES PARA REACCIONES HAS&SÓLIDO NO CATAL@TICAS Ti#os de reactor REACTOR DE E
características Diseo si#le Las o#eracio$es seico$ti$0as alca$,a$ 0$ tie#o lar'o de reside$cia.
E(e#los de a#licaci!$ Hasi1caci!$ a0toterica de al/0itr9$ e$ c9ara i$eral- #rod0cci!$ trica de carb!$ acti"ado- cloraci!$ de %ra'e$tos etalicos de 7eCl>- red0ccio$ de co#0estos de cobre co$ )Cl e )G a C0Cl.
REACTOR DE LEC)O *Ó+IL
REACTOR *ULTICO*PARTI*ENTOS
)ORNO HIRATORIO
Las o#eracio$es co$ti$0as alca$,a$ 0$ tie#o lar'o de reside$cia s0i$istra$do calor e$ la corrie$te de 'as. Las o#eracio$es co$ti$0as alca$,a$ 0$ tie#o lar'o de reside$ciadirectae$te #0ede ser cale$tado cada co#artie$to- el 'as 40e a corrie$te o a co$tracorrie$te e$ #e/0eas ca$tidades. Diseo relati"ae$te co#licado Las #osibles o#eracio$es reside$ #or lar'o tie#ocale$ta$do directae$teel 'as #0ede 40ir a corrie$te o a co$tracorrie$te
Des0l%0raci!$ de 'as de esca#e-
Prod0cci!$ de carb!$ acti"ado
Ore roasti$'
Las altas te#erat0ras #rod0cidas #or el arco ca0sa$ la io$i,aci!$ de los 'ases #or lo ta$to acti"a$ los reacti"os- esta característica es 0tili,ada e$ los #rocesos de #lasa a alta te#erat0ra de #irolisis 3 Plasa Reactio$s- Cha#. →
G..
*etall0r'ical 70r$aces- Cha#. ?.?.6.
→
El e/0i#o 0tili,ado #ara las reaccio$es de s!lidos i$cl0e arco hor$o de red0cci!$ de cale$taie$to #or resiste$cia el hor$o Acheso$ 3 *etall0r'ical 70r$aces-Cha#. ?.G.- *etall0r'ical 70r$aces- Cha#. ?.>.6. El hor$o Acheso$ es 0$ dis#ositi"o de cale$taie$to #or resiste$cia #ara reaccio$es s!lido&s!lido es decir- a di%ere$cia de otros #rocesos- $o ha %0si!$ de la car'a s!lida. Todos los #rocesos electrotricos se caracteri,a$ #or 0$ e/0i#o de ele"ado costo alto co$s0o de e$er'ía elctrica. El re/0isito #re"io #ara s0 %0$cio$aie$to eco$!ico es 0$ #recio ba(o #or 0$idad de e$er'ía. Este 'r0#o de reactores s0s a#licacio$es se res0e$ e$ la Tabla J 7i'0ra J. →
→
Ti#o de reactor
caracteristicas
E(e#los de a#licacio$es
Ta$/0e de a'itacio$
Predoi$a$ las o#eracio$es seico$ti$0as o #or lotesla ca$tidad de solidos esta
Prod0cci!$ de cel0losa b9sica $itrocel0losa Red0ccio$ de $itrobe$ce$o co$ etales
liitada #or el #oder de a'itaci!$ del a#arato.
Cascada de ta$/0es de a'itacio$ Ta$/0e de recirc0laci!$ de li/0ido Tabor 'iratorio
Reactor de lecho 40idi1cado )or$o 'iratorio
Para ba(o coe1cie$te de reaccio$ alta co$"ersi!$. O#eraci!$ seico$ti$0a co$ solidos 1(os e$ el ta$/0e recirc0laci!$ del li/0ido. Para o#eracio$es #or lotes- 0$ ele"ado co$te$ido de solidos. O#eracio$es seico$ti$0as i$te$si"es co$ circ0lacio$ de li/0ido Cale$taie$to directo #ara reaccio$es de ele"adas te#erat0ras
a a$ili$a o hidra,obe$ce$o Prod0cci!$ de acido salicílico #or %e$olato de sodio seco 3#roceso :olbe K Schitt6 a#atite di'estio$ cell0lose di'esti!$ #rod0ctio$ o% ao$i0 s0l%ate %ro ao$i0 carbo$ate a$d '#s0 #rod0ctio$ o% cell0lose acetate a$d cell0lose ethers #rod0ctio$ o% Al7> b 5et #rocess Trataie$to del a'0a di'estio$ o% 40ors#ar or #hos#hate 5ith )GSOJred0ci$' deco#ositio$ o% )GSOJ i$ #rese$ce o% carbo$
tabla >. reactores #ara reaccio$es e$ %ase&solida $o cataliticas Ti#o de reactores Reactor de e(e
caracteristicas +er tabla
Reactor de 0ltico#artie$to )or$o 'iratorio
+er tabla
Reactor de lecho 40idi1cado
+er tabla
+er tabla
E(e#lo de a#licacio$es etall0r'ical #rocesses- e.'.#o5der boridi$' o% iro$&based aterials direct red0ctio$ o% iro$ ores 5ith carbo$ 3:i$'lor K*etor #rocess6 Calci$atio$ cee$t #rod0ctio$ b0r$i$' o% lie- doloite- '#s0- a$d a'$esite calci$atio$ theral deco#ositio$ o% 7eSOJ a$d =aCO> red0ctio$ o% barite 5ith carbo$ to =aS red0ctio$ o% ores 5ith carbo$ 3e.'.- to $O6 b0r$i$' o% lie 30ltista'e6
Figura 11. Reactores de lecho suspendido y lecho $uidifcado para reacciones de ase líquida y de gas+liquido sobre catalizadores sólido. !" Colu#na de burbujas con el catalizador en suspensión( '" reactor de lecho $uidifcado& C" reactor de bucle 'uss( ," tanque de agitación de burbuja con catalizador en suspensión( *" Cascada de los tanques de agitación de burbuja con catalizador suspendido a"su#inistro de co#ponentes líquidos ( b" su#inistro de co#ponentes gaseosos( c" producto líquido( d" catalizador( e" escape de gas( "agente de caleacción o rerigerante( g" interca#biador de calor& h" bo#ba( i" Reacción de #ezclado en la boquilla.
3.. Reac"ores &ara &rocesos elec"ro6(#'icos 7-Elec"roc$e'is"r)-4e"all(rgical (rnaces, C$a&. 5..8 &n las reacciones electroqu$micas# los electrones son suministrados de un reacti'o en el electrolito o remo'ido con la a!uda de una corriente elctrica *ebe ser aplicada a los
electrodos un m$nimo de tensión llamada tensión de descomposición para este propósito +dems de las reacciones electroqu$micas que ocurren en la superficie del electrodo# el proceso de transferencia ! reacciones qu$micas en el ba,o electrol$tico son importantes rocesos electroqu$micos tienen las siguientes 'entajas.
6 Alta #0re,a del #rod0cto 3$o ha reaccio$es sec0$darias6 G6 =a(a te#erat0ra de reacci!$ 3a e;ce#ci!$ de electr!lisis de sales %0$didas6 >6 79cil co$trol de "elocidad de reacci!$ a tra"s de la "ariaci!$ de la te$si!$ de la so$da Tie$e$ las si'0ie$tes des"e$ta(asF 6 Altas #rdidas de e$er'ía e$ el sistea G6 Se re/0iere es#acios a#lios >6 Los altos costos de i$"ersi!$ Por estas ra,o$es- los #rocesos electro/0íicos so$ a#licados s!lo c0a$do $o es dis#o$ible 0$ #roceso trico o catalítico #0die$do lo'rar el iso #ro#!sito- /0e es es#eciale$te cierto e$ la #rod0cci!$ de cloro- al0i$io cobre. U$ i$%ore de i#orta$tes a#licacio$es #ara #rocesos electrolíticos se da e$ lo si'0ie$teF