REACTORES DE LECHO PERCOLADOR (TRICKLE

Dr. Rogelio Cuevas García
REACTORES DE LECHO PERCOLADOR
(TRICKLE-BED REACTOR)
Reactores Catalíticos
Dr Rogelio Cuevas García
Dr.
REACTORES DE TRES FASES
´
Se puede considerar al reactor de lecho percolador como un tipo de
reactor de cama fija operando en tres fases solido(catalizador)-líquidog
gas
Sistemas de reactores que operan en tres fases: (a) Reactor de lecho percolador. (b) Reactor de flujo inundado, (c) Reactor de lecho percolador en contra corriente. Reactores Catalíticos
Reactores trickle bed
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USO DEL LOS REACTORES TRICKLE-BED
Usos el reactor trickle-bed tiene amplio uso en la refinería por
j p
ejemplo:
´ HDT (hidrotratamiento) de nafta y gasóleos pesados.
´ Hidrocraqueo.
´ Hidrofinishing de aceites lubricantes.
En los reactores de HDT, las altas presiones mantienen parte de
la corriente de alimentación en fase líquida, la fase gas esta
formada por el H2 y parte ligera del corte y el catalizador
permanece en una cama fija.
USO DEL LOS REACTORES TRICKLE-BED
Los sistemas de reactores sólido-líquido-gas se utilizan en reacciones
relativamente lentas donde se requiere una gran cantidad de catalizador.
Ventajas:
V
j
1. Separación fácil del solido de los productos de reacción
2. Operación continua
3. Permite operar a altas presiones y con relaciones L/D altas.
4. Se pueden alcanzar altas conversiones porque el comportamiento del
gas y del líquido se aproximan bastante al flujo pistón
Desventajas:
1. Bajos factores de efectividad
1
2. Bajos coeficientes de transferencia de masa L-G
3. Mojados del catalizador incompletos y cambios en la distribución del gas
y liquido, llevan a la dificultad del escalado del reactor.
Reactores Catalíticos
Reactores trickle bed
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Representación esquemática del tipo de flujo que se presenta en un reactor
trickle -bed
TIPOS DE FLUJO EN EL REACTOR TRICKLE BED
1) Región de flujo de gas continuo o región trickle-bed: la velocidad de
flujo de gas y líquido es baja. La fase gas es continua y el líquido forma una
capa delgada sobre el catalizador.
2) Región de Flujo pulsado: Al aumentar la velocidad de gas o líquido, el
flujo empieza a cambiar, se forman pulsaciones (zonas de fase continuas
de líquido seguidas de zonas de gas). A mayores flujos se extienden zonas
que ocupan la totalidad del diámetro del reactor en pequeñas columnas (se
ha determinado que las pulsaciones tiene flujos de 2-6 segundos). A flujos
de gas bajos y líquidos altos se forma una fase continua de liquido y
pequeñas burbujas de gas.
3) Región de espray. Cuando el flujo de gas es alto y del liquido bajo. El
liquido es arrancado del sólido y forma pequeñas gotas de líquido.
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Reactores trickle bed
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TIPOS DE FLUJO EN EL REACTOR TRICKLE BED
Mapa de tipo de flujo obtenida por Tosun para varias mezclas líquido-gas
G Tosun. Ind Eng Chem Process Des Dev (1984), 23,35.
CAÍDA DE PRESIÓN EN REACTORES TRICKE BED
Weekman y cols han establecido correlaciones* para la caída de presión en
reactores co-corriente gas-líquido.
Primero se calcula la caída de presión para cada fase utilizando la ecuación de
É
Érgun;
d
después
é con esos valores
l
se calcula
l l ell parámetro
á t (χ)
( )
Con este parámetro se determina la caída de presión relativa al líquido del
sistema gas-líquido, a partir de correlaciones empíricas del tipo:
En especifico se utiliza la propuesta por Tosun**, realizada con un análisis de
regresión
*VW Weekman Jr, JE Myers. AIChE J, (1964) 10, 951,
**G Tosun. Ind Eng Chem Process Des Dev, (1984), 23,29.
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Los errores típicos se encuentran de hasta 18%; pero se ha establecido que el
la determinación de ΔP, pueden presentarse mayores errores.
L correlación
La
l ió anterior
i es ú
útilil d
dentro d
de valores
l
d
de χ entre 1 y 5. C
Con estos
valores se alcanza un ΔP hasta 25 veces mayor que la que se presentaría en
el flujo de líquido solo.
Es posible encontrar mejores correlaciones basadas en la retención del
líquido.
Retención de líquido
La retención de líquidos se expresa como:
volumen de líquido
q
retenido/ volumen de
cama catalítica
Retención de líquido total (ht) =
retención de liquido estática (hs) +
retención dinámica (hd)
hs formada por las regiones de líquido
estáticas (externas) + los poros inundados
de líquido (interna)
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Como regla general
• La retención de líquidos dentro de los poros es una fracción del volumen
j p
p
total de p
poros. Por ejemplo:
para volúmenes de p
poro de entre ((0.3-0.6)) se
tendría una retención interna de (0.3-0.6)*0.6 o alrededor de 0.2-0.3.
• La retención externa estática es función del diámetro de la partícula:
•Partículas de 0.3 cm de diámetro tienen una retención estática externa
de 0.03-0.09.
•Partículas de 0.05-0.10 cm presentan una retención estática externa
de 0.1.
•La
L retención
t
ió dinámica
di á i es función
f
ió de
d
•tamaño de partícula
•Velocidad de flujo (aprox. L1/3)
•Propiedades del líquido (en especial la viscosidad).
•Aparentemente la fase gas no tiene efecto alguno sobre la retención;
excepto a flujos de gas altos.
Retención dinamica de liquidos
Agua en perlas de vidrio
(29) dP=0.48 cm
(30) dP=0.41 cm
0708
L0.7-0.8
Agua en partículas porosas se
catalizador
(31) DP=0.48
L0.5
(32) DP=0.054 cm CuO/ZnO
L1/3
Partículas de catalizador.
(33) DP=0.071 Al2O3 en nhexano
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Influencia del mojado de la partícula de catalizador
Perfiles de concentración obtenidos en una
partícula de catalizador totalmente mojada.
Los poros están completamente llenos de
líquido Los perfiles pueden considerarse
líquido.
simétricos y la velocidad de reacción puede
estudiarse de la velocidad intrínseca y el modulo
de Thiele.
La concentración del gas (H2) en el líquido es
una función de la presión parcial (PH2), a través
de la ley de Henry
PH2=y
yH2PT
PH2=xH2PLH2
PH2=Presión parcial de hidrógeno fase gas.
PLH2Presión parcial de hidrógeno fase Líquida
yH2=Fracción molar (en fase gas) del hidrógeno.
xH2=Fracción molar (en fase líquida) del
hidrógeno
Influencia del mojado de la partícula de catalizador
Perfiles de concentración en
catalizador parcialmente mojado
un
Las partículas de catalizador tienen los
poros llenos de líquido; por lo tanto el
reactivo B puede difundirse hasta el
lado “seco”; sin embargo, en la parte
seca del catalizador, la concentración
de B es relativamente baja y por lo tanto
la efectividad del catalizador es baja en
esta zona.
En el caso de una reacción rápida la
concentración de B llega prácticamente
a cero en el lado “seco”
Reactores Catalíticos
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Influencia del mojado de la partícula de catalizador
Cuando se opera en el régimen de lecho percolador (trickle bed), solo parte
de la superficie del catalizador esta mojada.
mojada
En estas condiciones se asume que solo parte del catalizador es activo
Sin embargo, no es del todo correcto suponer que la actividad es una
función de la superficie mojada; se ha tratado de obtener correlaciones
basadas en la fracción de área húmeda respecto al área total (aw/at) pero no
se ha obtenido éxito.
Como ya se vio las condiciones de mojado no son iguales para particulas
pequeñas respecto a partículas de mayor tamaño.
Calculo de coeficientes de transferencia
Aunque la predicción de los coeficientes de transferencia es compleja; sin
embargo es posible realizar simplificaciones para determinarlos. Dentro de
estas tenemos.
•La capa de líquido esta esencialmente estancada
•La capa de liquido formada es muy delgada y
•La resistencia a la trasferencia de masa externa a esta capa es pequeña
En estas condiciones la teoría de trasferencia de masa en una capa simple es
suficiente.
Por otra parte,
parte la transferencia de gas implica dos etapas en serie.
serie
1) Transferencia de masa en la capa de líquido
2) La trasferencia de masa dentro del catalizador hasta el sitio activo.
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El coeficiente de transferencia de masa del gas; por ejemplo, hidrogeno es:
k gL =
DH 2
z
z: representa el espesor promedio de la capa de líquido y se debe calcular
utilizando la retención dinámica de fluido y el área mojada.
Para el reactivo líquido, B, y dado que este ya se encuentra en el líquido, la
distancia de difusión seria la mitad (z/2) y entonces.
klB =
22D
DB
z
Se estima que DH2 es mayor que DB y entonces kgl=klB
Modelos de reactores trickle bed
Uno de los procesos que utilizan el reactor de lecho percolador es el
hidrotratamiento.
•El proceso consiste básicamente en poner en contacto una corriente con
contenido de azufre e hidrogeno con un catalizador CoMo o NiMo soportados
en alumina
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Reactores trickle bed
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MODELOS DE REACTORES TRICKLE BED
•La corriente circula, generalmente, en sentido descendente a través de la
cama catalítica.
•Los componentes más ligeros se vaporizan debido a la alta temperatura, los
más pesados se mantienen como líquido.
líquido
•La proporción de corrientes vaporizadas también depende de la presión.
Además. La reacción es netamente exotérmica y entonces es posible que
también se presente vaporización in situ
El ingeniero de diseño de este proceso tiene varios retos.
1. Reacción en tres fases
2. Descripción
esc pc ó de los
os pat
patrones
o es de líquido
qu do
3. Distribución de los componentes en cada fase
4. Cinética del proceso.
MODELOS DE REACTORES TRICKLE BED
En especifico para la HDS se ha identificado un orden de reacción de primer
orden para cada reactivo
1
S/S0
% azufre sin reaccionar
100
10
0.1
DBT T1
DBT T2
3MDBT
0.01
1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
LHSV, hr‐1
Velocidad
de
desulfurización
de
dos
compuestos de azufe, T1=288 °C P=15 atm
Frye et. al Chem Eng Prog,(1967), 63, 66
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Reactores trickle bed
0
0.5
1
1.5
2
2.5
LHSV, hr‐1
Desulfuracion de VGO a dos niveles de
actividad (T 14°C mayor) R.R. Cecil et.al
AIChE meet. Los Angeles .1968
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MODELOS DE REACTORES TRICKLE BED
MODELOS DE REACTORES TRICKLE BED
Si se tiene al catalizador completamente mojado, el modelo más simple
es:
Considerar que el reactor se comporta como un reactor de lujo pistón.
Entonces, la ecuación de diseño es simplemente:
FC0 dX = (− RA )dW
Considerando la reacción de primer orden y que se presentan
problemas de transferencia de masa interna:
(− RA ) = η kC0 (1 − X A )
Llamando kapp al coeficiente cinético que incluye lo problemas de
transporte y las condiciones de mojado del catalizador, esto es:
kap = η k
Volviendo a la ecuación de diseño, se tiene la ecuación a resolver:
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MODELOS DE REACTORES TRICKLE BED
F0C0 dX = kap C0 (1 − X )dW
W
dX
=
dF0 kap (1 − X )
⎡ 1 ⎤ ⎛W ⎞
kap ρ p
⎛V ρp ⎞
ln ⎢
⎥ = ⎜ ⎟ kap = ⎜
⎟ kap = τ w kap ρ p =
LHSV
⎝ F0 ⎠
⎣ (1 − X ) ⎦ ⎝ F0 ⎠
⎡ 1 ⎤ kap ρ p
ln ⎢
⎥=
X
1
−
(
)
⎣
⎦ LHSV
MODELOS DE REACTORES TRICKLE BED
Para explicar las desviaciones se han
utilizado las siguientes razones:
•Con el flujo de líquido cambian las
condiciones de mojado, disminuyendo
el área de mojado.
•El orden de reacción es mayor a uno.
•Existe
una
distribución
de
reactividades de los compuestos de
azufre.
f
Reactores Catalíticos
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MODELOS DE REACTORES TRICKLE BED
Con base en lo anterior una de las primeras correcciones fue simplemente
que se asume una dependencia simple con una potencia del flujo de líquido;
esto es:
n
kap = k ' L
Y que existe una dependencia fraccional del LHSV, con estas correcciones en
la ecuación anterior:
⎡ 1 ⎤ kap ρ p Ln
ln ⎢
⎥=
1− n
⎣ (1 − X ) ⎦ LHSV
Frye y Mosby presentan una función que incluye las posibles expresiones
LHHW
ln
X0
=
X
kPH 2 P
n
n
⎡
⎛
⎞ ⎤
L ⎢1 − F + ( F + G / L) P / PT ⎜ 1 + ∑ I i ⎟ ⎥
⎝ i =1 ⎠ ⎦⎥
⎣⎢
(
)
C.G. Frye, J.F. Mosby Chem Eng Prog, (1967), 63, 66
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Reactores trickle bed
z
P=presión de vapor del líquido.
G=velocidad másica ρu fase gas.
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