Un reactor de lecho fluidizado ( FBR ) es un tipo de dispositivo de reactor que se puede utilizar para llevar a cabo una variedad de reacciones químicas multifase . En este tipo de reactor, un fluido (gas o líquido) pasa a través de un material granular sólido (generalmente un catalizador ) a velocidades lo suficientemente altas como para suspender el sólido y hacer que se comporte como si fuera un fluido. Este proceso, conocido como fluidización , imparte muchas ventajas importantes a una FBR. Como resultado, los FBR se utilizan para muchas aplicaciones industriales.
Principios básicos
El material de sustrato sólido (el material catalítico sobre el que reaccionan las especies químicas) en el reactor de lecho fluidizado normalmente está soportado por una placa porosa , conocida como distribuidor. [1] Luego, el fluido se fuerza a través del distribuidor hacia arriba a través del material sólido. A velocidades de fluido más bajas, los sólidos permanecen en su lugar a medida que el fluido pasa a través de los huecos en el material. Esto se conoce como reactor de lecho empacado . A medida que aumenta la velocidad del fluido, el reactor llegará a una etapa en la que la fuerza del fluido sobre los sólidos es suficiente para equilibrar el peso del material sólido. Esta etapa se conoce como fluidización incipiente y ocurre a esta velocidad mínima de fluidización. Una vez que se supera esta velocidad mínima, el contenido del lecho del reactor comienza a expandirse y a girar como un tanque agitado o una olla de agua hirviendo. El reactor es ahora un lecho fluidizado. Dependiendo de las condiciones de operación y propiedades de la fase sólida, se pueden observar varios regímenes de flujo en este reactor.
Historia y usos actuales
Los reactores de lecho fluidizado son una herramienta relativamente nueva en el campo de la ingeniería química. El primer generador de gas de lecho fluidizado fue desarrollado por Fritz Winkler en Alemania en la década de 1920. [2] Uno de los primeros reactores de lecho fluidizado de Estados Unidos utilizados en la industria del petróleo fue la Unidad de Craqueo Catalítico, creada en Baton Rouge, LA en 1942 por la Standard Oil Company de Nueva Jersey (ahora ExxonMobil ). [3] Esta FBR y las muchas que le siguen fueron desarrolladas para las industrias petrolera y petroquímica. Aquí se utilizaron catalizadores para reducir el petróleo a compuestos más simples mediante un proceso conocido como craqueo . La invención de esta tecnología permitió incrementar significativamente la producción de diversos combustibles en Estados Unidos. [4]
Hoy en día, los reactores de lecho fluidizado todavía se utilizan para producir gasolina y otros combustibles, junto con muchos otros productos químicos. Muchos polímeros producidos industrialmente se fabrican con tecnología FBR, como caucho , cloruro de vinilo , polietileno , estirenos y polipropileno . [5] [ página necesaria ] Varias empresas de servicios públicos también utilizan RBA para gasificación de carbón , plantas de energía nuclear y entornos de tratamiento de agua y desechos. Usados en estas aplicaciones, los reactores de lecho fluidizado permiten un proceso más limpio y eficiente que las tecnologías de reactores estándar anteriores. [4]
Ventajas
El aumento en el uso de reactores de lecho fluidizado en el mundo industrial actual se debe en gran parte a las ventajas inherentes de la tecnología. [6]
- Mezcla uniforme de partículas: debido al comportamiento intrínseco similar a un fluido del material sólido, los lechos fluidizados no experimentan una mezcla deficiente como en los lechos empaquetados. Esta mezcla completa permite un producto uniforme que a menudo puede ser difícil de lograr en otros diseños de reactores. La eliminación de gradientes de concentración radiales y axiales también permite un mejor contacto fluido-sólido, que es esencial para la eficiencia y calidad de la reacción.
- Gradientes de temperatura uniformes: muchas reacciones químicas requieren la adición o eliminación de calor. Los puntos calientes o fríos locales dentro del lecho de reacción, a menudo un problema en los lechos empaquetados, se evitan en una situación fluidizada como una FBR. En otros tipos de reactores, estas diferencias de temperatura local, especialmente los puntos calientes, pueden resultar en la degradación del producto. Por tanto, las RBA son adecuadas para reacciones exotérmicas . Los investigadores también han descubierto que los coeficientes de transferencia de calor del lecho a la superficie para las FBR son altos.
- Capacidad para operar el reactor en estado continuo: La naturaleza de lecho fluidizado de estos reactores permite la capacidad de retirar continuamente el producto e introducir nuevos reactivos en el recipiente de reacción. Operar en un estado de proceso continuo permite a los fabricantes producir sus diversos productos de manera más eficiente debido a la eliminación de las condiciones de inicio en los procesos por lotes .
Desventajas
Como en cualquier diseño, el reactor de lecho fluidizado tiene sus inconvenientes, que cualquier diseñador de reactor debe tener en cuenta. [6]
- Mayor tamaño de la vasija del reactor: debido a la expansión de los materiales del lecho en el reactor, a menudo se requiere una vasija más grande que la de un reactor de lecho empacado. Este buque más grande significa que se debe gastar más en costos de capital iniciales.
- Requisitos de bombeo y caída de presión: El requisito de que el fluido suspenda el material sólido requiere que se logre una mayor velocidad del fluido en el reactor. Para lograr esto, se necesita más potencia de bombeo y, por lo tanto, mayores costos de energía. Además, la caída de presión asociada con los lechos profundos también requiere potencia de bombeo adicional.
- Arrastre de partículas: las altas velocidades del gas presentes en este estilo de reactor a menudo dan como resultado que las partículas finas se arrastren en el fluido. Estas partículas capturadas se sacan luego del reactor con el fluido, donde deben separarse. Este puede ser un problema muy difícil y costoso de abordar según el diseño y la función del reactor. Esto a menudo puede seguir siendo un problema incluso con otras tecnologías de reducción de arrastre.
- Falta de comprensión actual: la comprensión actual del comportamiento real de los materiales en un lecho fluidizado es bastante limitada. Es muy difícil predecir y calcular la masa compleja y los flujos de calor dentro del lecho. Debido a esta falta de comprensión, se requiere una planta piloto para nuevos procesos. Incluso con plantas piloto, la ampliación puede ser muy difícil y puede que no refleje lo que se experimentó en la prueba piloto.
- Erosión de los componentes internos: El comportamiento fluido de las partículas sólidas finas dentro del lecho eventualmente da como resultado el desgaste de la vasija del reactor. Esto puede requerir un mantenimiento y mantenimiento costosos para el recipiente de reacción y las tuberías.
- Escenarios de pérdida de presión: si la presión de fluidización se pierde repentinamente, el área de la superficie del lecho puede reducirse repentinamente. Esto puede ser un inconveniente (por ejemplo, dificultar el reinicio de la cama) o puede tener implicaciones más graves, como reacciones descontroladas (por ejemplo, reacciones exotérmicas en las que la transferencia de calor se restringe repentinamente).
Investigación y tendencias actuales
Debido a las ventajas de los reactores de lecho fluidizado, se dedica una gran cantidad de investigación a esta tecnología. La mayor parte de la investigación actual tiene como objetivo cuantificar y explicar el comportamiento de las interacciones de fase en el lecho. Los temas de investigación específicos incluyen distribuciones de tamaño de partículas, varios coeficientes de transferencia, interacciones de fase, efectos de velocidad y presión y modelado por computadora. [7] El objetivo de esta investigación es producir modelos más precisos de los movimientos y fenómenos internos del lecho. [8] Esto permitirá a los ingenieros químicos diseñar reactores mejores y más eficientes que puedan hacer frente de manera eficaz a las desventajas actuales de la tecnología y ampliar la gama de uso de FBR.
Ver también
Referencias
- ^ Howard, JR (1989). Tecnología de lecho fluidizado: principios y aplicaciones. Nueva York, NY: Adam Higler.
- ^ Tavoulareas, S. (1991.) Tecnología de combustión en lecho fluidizado. ** Annual Reviews Inc. ** 16, 25-27.
- ^ "Primer reactor de lecho fluido comercial" . Monumentos históricos nacionales de productos químicos . Sociedad Química Estadounidense . Consultado el 21 de febrero de 2014 .
- ^ a b Thornhill, D. "La página del reactor de lecho fluidizado" . Consultado el 13 de febrero de 2007 .
- ^ Producción de polipropileno mediante proceso en fase gaseosa, programa de economía tecnológica . Soluciones Intratec. 2012. ISBN 978-0-615-66694-5.
- ↑ a b Trambouze, P. y Euzen, J. (2004). Reactores químicos: desde el diseño hasta la operación. (R. Bononno, Trad.). París: Editions Technip.
- ^ Arastoopour, H. (Ed.). (1998). Sistemas de fluidización y partículas fluidas: investigación y desarrollo recientes. Nueva York, NY: Instituto Americano de Ingenieros Químicos.
- ^ Abbasi, Mohammad Reza; Shamiri, Ahmad; Hussain, MA (2016). "Modelado dinámico y distribución del peso molecular de la copolimerización de etileno en un reactor industrial de lecho fluidizado en fase gaseosa" . Tecnología avanzada en polvo . 27 (4): 1526-1538. doi : 10.1016 / j.apt.2016.05.014 .