Ingenieria de Reactores Jesus M Santamaria

INGE-NIERA DE REACTORES

PROYECTO EDITORIAL CIENCIAS QUMICAS

Director: Guillermo Calleja Pardo

COLECCIN:

Ingeniera Qumica Director: Guillermo Calleja Pardo

,

INGENIERIA DE REACTORES

Jess Santamara Javier Herguido

Miguel A. Menndez Antonio Monzn

EDITORIAL SINTESIS

UNAM BIBLIOTECA CENTRAL

CLASIF TP' IS? J., 5'1

MA1'RIZ f!\81..! =i\ 4? NUM. AOQ. 1;t qt

Reservados todos los derechos. Est prohibido, bajo las sanciones penales y el resarcimiento civil previstos en las leyes, reproducir, registrar o transmitir esta publicacin, ntegra o parcialmente

por cualquier sistema de recuperacin y por cualquier medio, sea mecnico, electrnico, magntico, electroptico, por fotocopia o por cualquier otro, sin la autorizacin previa por escrito de

Editorial Sntesis, S. A.

Ilustracin de cubierta: Javier Herguido

J. Santamara, J. Herguido, ~.i\.~enndez,i\.~onzn

EDITORii\L SNTESIS, S. A. Vallehermoso, 34 - 28015 ~adrid

Telf.: 9i 593 20 98 http:/ /W\VW:sintesis.com

Depsito Legal:~- 24.590-1999 ISBN: 84-7738- 665-X

Impreso en Espaa - Printed in Spain

~

IN DICE

PRLOGO ............................................................................................................................................. 13

l. INTRODUCCIN Y CONCEPTOS GENERALES ............................................................... 15

J. Santamara

1.1. Qu es un reactor qumico? ................................................................................................. 16 1.2. La Ingeniera de reactores .................................................... ......... ..... ...... ................ ........... .. 17 1.3. Algunas definiciones .............................................................................................................. 17

1.3.1. Conversin, selectividad, rendimiento ..................................................................... 17 1.3.2 Continuidad en la operacin de reactores qumicos ............................................... 21

1.4. Desarrollo de reactores. Clases de reactores ...................................................................... 22 1.5. Ejemplos de aplicacin industrial ......................................................................................... 27

1.5.l.Necesidades de intercambio de calor (I): reactores con inversin peridica del sentido de flujo............................................ 27

1.5.2.Necesidades de intercambio de calor (11): auto-refrigeracin frente a refrigeracin indirecta ................................................. 28

1.5.3.La bsqueda del estado estacionario: evolucin del proceso de craqueo cataltico ....... ............................ ......................... 29

1.5.4.Mejora de la eficacia mediante la separacin in situ de productos de reaccin: destilacin reactiva ...................... ........... .... ............. ..... ....................... .... ............ .. ... . .. 29

1.5.5.Mejora de la selectividad mediante distribucin de reactantes: reactores de membrana .............................................................................................. 31

Cuestiones y problemas \ 33 Bibliografa ..................................... ................................... ............ .... ..... ................... ..... .......... ...... ... 34

6 Ingeniera de reactores

2. REACTORES HOMOGNEOS I: REACTORES DE MEZCLA PERFECTA .............................................................................. 35

A. Monzn

2.1. Reactores homogneos ideales ............................................................................................. 36 2.2. Reactor discontinuo de mezcla perfecta .............................................................................. 36

2.2.1.Balance de materia en un reactor discontinuo ........................................................ 38 2.2.2. Balance de energa en un reactor discontinuo ........................................................ 42 2.2.3. Diseo de reactores semicontinuos ........................................................................... 45 2.2.4. Optimizacin del tiempo de reaccin ................................................................... ;... 47

2.3. Reactor continuo de mezcla perfecta ................................................................................... 50 2.3.1.Balance de materia en un reactor de mezcla perfecta ............................ :.............. 50 2.3.2. Balance de energa en un reactor de mezcla perfecta ............................................ 52 2.3.3. Reactor de mezcla perfecta en estado no-estacionario .......................................... 53 2.3.4. Batera de tanques de mezcla perfecta en serie ...................................................... 54

Cuestiones y problemas .... ....... ... ............. .............. .. . .................................... .. . . . .......................... .. .. 59 Bibliografa ........................................................................................................................................ 61

3. REACTORES HOMOGNEOS 11: REACTORES DE FLUJO PISTN .......................................................................................... 63

A. Monzn

.3.1. Reactor de flujo pistn ........................................................................................................... 64 3.1.1.Balance de materia en un reactor de flujo pistn ................................................... 64 3.1.2. Balance de energa en un reactor de flujo pistn ................................................... 67 3.1.3. Reactor de flujo pistn con recirculacin ................................................................ 69 3.1.4.Reactor de flujo pistn en estado no estacionario.................................................. 74 3.1.5. Reactor de flujo laminar ............................................................................................. 75 3.1.6.Reactor de flujo pistn con dispersin ..................................................................... 77

3.2. Seleccin y comparacin de reactores homogneos ideales ............................................. 79

Cuestiones y problemas . ..... ................. .............. .................... ........... ...... ..... .............. ...... .. .. ...... ...... 85 Bibliografa .......................................................................................................................... ,............. 87

4. DISEO DE REACTORES HOMOGNEOS PARA REACCIONES COMPLEJAS ........... :............................................................................ 89

M. Menndez

4.1. Introduccin ............................................................................................................................ 90 4.2. Diseo de reactores para reacciones en paralelo . ...... ............ .. . . . . . . . . . ............ .................. ... 91

ndice

4.3. Reacciones en serie ............................................................................................................... . 4.4. Reacciones reversibles en serie o en paralelo .................................................................... .

4.4.1. Reacciones reversibles exotrmicas .......................................................................... . 4.4.2. Reacciones reversibles en paralelo .......................................................................... . 4.4.3. Reacciones reversibles en serie ................................................................................ .

4.5. Reacciones en serie-paralelo ................................................................................................ 4.5.1.Discusin cualitativa .................................................................................................. . 4.5.2.Discusin cuantitativa ................................................................................................ .

4.6. Aplicacin a reacciones d,e polimerizacin ~: ....................... .

7

97 99 99

101 102 102 103 104 lOS

Cuestiones y problemas ................................................................................................................... 105 Bibliografa ........................................................................................................................................ 106

5. ESTABILIDAD TRMICA EN REACTORES HOMOGNEOS ..................................... 107 J. Herguido

5.1. Introduccin 5.2. Sistema en estudio ................................................................................................................. .

5.2.1. Reactor continuo de mezcla perfecta con reaccin exotrmica ........................... . 5.2.2. Ecuaciones del sistema .............................................................................................. . 5.2.3. Determinacin de los estados estacionarios ........................................................... .

5.3. Rgimen autotrmico. Multiplicidad de estados estacionarios ...................................... .. 5.3.1. Curvas de calor generado, G(T) ............................................................................... . 5.3.2. Curvas de calor retirado, R(T) ................................................................................. . 5.3.3. Mltiples estados estacionarios: valores crticos : ................................................ . 5.3.4. Condiciones de existencia de unicidad o multiplicidad ........................................ .

5.4. Estabilidad de los estados estacionarios ............................................................................. . 5.4.1. Condiciones de estabilidad ....................................................................................... . 5.4.2. Tipos de comportamiento ante una perturbacin ................................................. ..

5.5. Comportamiento dinmico ................................................................................................... . 5.5.1. Consecucin del estado estacionario: planos de fases ........................................... . 5.5.2. Trayectorias en planos de fases. Lnea separatriz ................................................. ..

5.6. Otros sistemas reaccionantes ............................................................................................... .

108 108 108 109 110 111 111 111 113 117 120 120 122 123 123 124 128

Cuestiones y problemas ................................................................................................................... 132 Bibliografa ........................................................................................................................................ 134

6. FLUJO NO IDEAL EN REACTORES ' 135 J. Herguido

6.1. Introduccin ............................................................................................................................. 136 6.2. Funcin de distribucin de tiempos de residencia . .. . .................... ........... ................. .. ....... 136


6.2.1. Medida de la DTR

Cuestiones y problemas ..................................................................................................... :; .. ;;;:::.:. d67 Bibliografa .......................... '.............................................................................................................. 171

7. REACTORES DE LECHO FIJO ............................................................................................... 173

J. Santamara

7.1. Introduccin 174 7.2. Niveles de descripcin en un reactor de lecho fijo ................................................. : ........... 176 7.3. Ecuaciones de continuidad a nivel de partcula cataltica ................................................ 178

7.3.1.Balance de materia en el interior de una partcula aislada ................................... 178 7.3.2.El concepto de factor de.eficacia, 1J ........ , ........... 179 7.3.3.Balance de energa en el interior de una partcula aislada .................................... 181 7.3.4.La relacin de Prater .................................................................................................. 182

7.4. Estimacin de Ke y De ............................................................................................................ 182 7.5. Ecuaciones de continuidad a nivel de reactor .................................................................... 185

7.5.1.Balance de materia para el fluido que rodea las partculas ................................... 186 7.5.2.Balance de calor para el fluido que rodea las partculas ....................................... 188

7.6. Evaluacin de los coeficientes para la transferencia de calory materia ......................... 190 7.6.1. Transporte entre la partcula cataltica y el fluido circundante ............................. 190 7 .6.2. Coeficientes de transporte efectivos para el reactor .............................................. 190

7.7. Evaluacin de la prdida de carga en un reactor de lecho fijo ......................................... 192 Cuestiones y problemas ............................................................................... :................................... 202 Bibliografa ...... ... . .. .... ............. ..... ............ ........... .... ........................ .................. ... .............. ..... ...... ..... 205

8. LECHOS FLUIDIZADOS Y OTROS REACTORES CON SLIDOS EN MOVIMIENTO ......................................................................................... 207

M. Menndez

8.1. Introduccin ............................................................................................................................ 208 8.2. El fenmeno de la fluidizacin .. . ............ .. ............... .... ........... ................... ... ........................ 208

ndice 9

8.2.1.Evolucin de un lecho con la velocidad del gas ...................................................... 208 8.2.2. Ventajas e inconvenientes de los lechos fluidizados ............................................... 209 8.2.3. Tipos de partculas segn su comportamiento en la fluidizacin .......................... 210 8.2.4. La placa distribuidora ................................................................................................. 212 8.2.5. El flujo en un lecho fluidizado ................................................................................... 212 8.2.6. Prediccin de las propiedades del lecho ...... ... . . .................. ........... ........... ................ 213

8.3. Diseo de reactores catalticos de lecho fluidizado ........................................................... 216 8.3.1.Modelo de Kunii-Levenspiel ..................................................................................... 216 8.3.2.Modelo de burbujas lentas ................................................................ ; ........................ 219 8.3.3. Otros modelos .............................................................................................................. 220

8.4. Diseo de reactores de lecho fluidizado para reacciones no catalticas .......................... 220 8.4.1. Concentracin de gas constante, slido de tamao constante .............................. 220 8.4.2. Lechos fluidizados con elutriacin y tamao de partcula variable ...................... 221 8.4.3. Concentracin de gas variable ................................................................................... 224

8.5. Reactores de lecho mvil y de transporte neumtico ........................................................ 224

Cuestiones y problemas .... ..... ....... .. . . . .. .............. ....... .................. ... . ..... ................... .. ......... ... . . . . .. . .... 226 Bibliografa ........................................................................................................................................ 226

9. REACTORES GAS-LQUIDO .................................................................................................. 227

A. Monzn

9.1. Reacciones gas-lquido industriales ...................................................................................... 228 9.2. Tipos de reactores gas-lquido ............................................................................................... 228 9.3. Transferencia de materia con reaccin qumica .............. : .................................................. 231 9.4. Eleccin del tipo de reactor .................................................................................................. 238 9.5. Diseo de reactores gas-lquido ............................................................................................ 239

9.5.1.Reactores tipo torre de relleno ................................................................................. 241 9.5.2. Reactores tipo tanque agitado ................................................................................... 244 9.5.3. Reactores tipo torre de burbujeo .............................................................................. 247

Cuestiones y problemas ........... ............. ... . . ... ......... ... . . ............. .. . ........................... .. . ........... ... . . ....... 255 Bibliografa ........................................................................................................................................ 257

10. REACTORES GAS-LQUIDO-SLIDO ................................................................................. 259

J. Herguido

10.1. Introduccin ............................................................................................................................ 260 10.2. Tipos de contactares y modelos de flujo .............................................................................. 260

10.2.1. Reactores con el slido en lecho fijo ........................................................................ 260

lO Ingeniera de reactores

10.2.2. Reactores con el slido en suspensin ...................... ,: ... ;,.;~~~; ;;;.; ....................... 262 10.3. Modelo cintico del reactor ...................................................... , .. ~ .. ;;,.~'':~.......................... 263

10.3.1. Ecuacin general de velocidad. Etapas. Simplificaciones.:.!;,; .. (\U ............................ 263 10.3.2. Ecuaciones de rendimiento ............................................ ;.:,;;).t;,.;c 266 10.3.3. Eleccin del tipo de contactar ............................... ; ........ ' .. ;}~: ... :.:', ... : ......................... 267

10.4. Reactores Trickle bed o de lecho percolador .......................... :.; . ;:.:.:;.,},;.; .......................... 268 10.4.1. Regmenes de flujo ........................................................ ., ... : .. : .. ':.,.,; . ~ ........................... 268 10.4.2. Clculo de parmetros fluidodinmicos ....................... ;.,": .. :: ..... : ............................. 269 10.4.3. Modelo de reactor de lecho percolador ........................ : . : ...... , ............................. 278

10.5. Reactores Slurry o de barros ...................................................... ,.: .. :.:.;;; ........ ; ...................... 286 10.5.1. Regmenes de flujo ......................................................... ; ... :.: .. ~;,; ............................. 286 10.5.2. Clculo de parmetros fluidodinmicos .................. ., ..... L ... ;,,,;.;; ............................. 286 10.5.3. Modelo del reactor de barros ......................................... : ...... .,.::: ............................. 289

Cuestiones y problemas ........................................................................ , ... , .. ,................................... 291 Bibliografa ................................................................................................... : ........... ........................... 294

11. REACTORES BIOQUMICOS ................................................................................................. 295

M. Menndez

11.1. Introduccin 296 11.2. Reactores ideales .................................................................................................................... 297

11.2.1. Reactores discontinuos ............................................................................................... 297 11.2.2. Reactores continuos de mezcla perfecta ............................... , .................................. 301

11.3. La transferencia de materia en los reactores bioqumicos ................................................ 301 11.3.1. Transferencia de oxgeno ........................................................................................... 301 11.3.2. Efecto de la difusin interna ' 303

11.4. Diseo de reactores con modelos estructurados ................................................................ 304 11.5. Consideraciones sobre la operacin de reactores de fermentacin ............. : ................... 304

11.5.1. Efecto de la agitacin ................................................................................................. 304 11.5.2. Operacin con clulas soportadas ............................................................................. 305 11.5.3. Esterilizacin ................................................................................................................ 305

Bibliografa ........................................................................................................................................ 305 ' .

12. LA SEGURIDAD EN LOS REACTORES QUMICOS ....................................................... 307

J. Santamara

12.1. Introduccin ............................................................................................................................ 308 12.2. Explosiones ..................................................................................................................... ......... 309

ndice 11

12.2.1. Parmetros de inflamabilidad. Explosiones de gases ............................................. 310 12.2.2. Explosiones de polvo .................................................................................................. 314

12.3. Reacciones fuera de control: procesos runaway .................................................................. 315 12.4. Sobrepresin. Prdidas de contencin en reactores ........................................................... 325 12.5. Diseo de reactores ms seguros .......................................................................................... 328

12.5.1. Seguridad aadida ....................................................................................................... 328 12.5.2. Seguridad intrnseca .................................................................................................... 341

Cuestiones y problemas .......... ,........................................................................................................ 345 Bibliografa ............ ... . . . . . . . . . . . . . ......... .. . .. . . . . . ..... ... ........ ...... ........... .. ... . . .... ...... ...... ............. ... . ................ 346

En el prlogo de los libros tcnicos suele realizar-se un esfuerzo de justificacin de contenidos, por lo general dedicado a resaltar la novedad de la obra pre-sentada: con frecuencia se anuncia que el libro con-tiene temas hasta ahora no tratados, viene a llenar un hueco en la literatura tcnica, etc. Existiendo decenas de libros sobre Ingeniera de reactores, con un nme-ro significativo de ellos traducido al castellano, resul-ta lgico cuestionar la necesidad u oportunidad de uno ms en la lista. sta fue sin duda la principal conside-racin que nos planteamos al recibir la propuesta del libro que aqu se presenta.

Nuestra discusin inicial nos condujo a la conclu-sin de que, a pesar de -y gracias a- todo lo ya escri-to, podamos realizar una aportacin til, lo que nos llev a embarcarnos en un esfuerzo que, con intermi-tencias, se ha extendido a lo largo de ms de dos aos. En primer lugar, desde nuestro punto de vista, el valor de un libro de texto viene en gran parte dado por los ejercicios resueltos que aporta, ya que en ellos es don-de el estudiante tiene la ocasin de clarificar ideas mediante la aplicacin de los conceptos vertidos en la exposicin terica. En este apartado hemos tratado de aportar un nmero significativo de ejemplos y ejer-cicios resueltos originales -un total de 68-, con una amplia gradacin de complejidad: mientras que algu-nos simplemente ilustran la aplicacin de las expre-siones tericas, en otros se requiere que el estudian-

PRLOGO

te posea conocimientos previos de cintica y cierta familiaridad con el clculo numrico.

La oportunidad del libro se ampara tambin en la existencia de la nueva titulacin de Ingeniera Qumi-ca. En la mayor parte de las universidades que han implantado la carrera se han separado en asignaturas diferentes los contenidos correspondientes a la Cinti-ca Qumica y al Diseo de Reactores, lo que propor-ciona la ocasin de estructurar un texto dirigido exclu-sivamente a la Ingeniera de Reactores, dejando fuera los contenidos de Cintica, a la que se dedica otro libro de esta coleccin. Esto nos ha permitido abordar, siquie-ra sucintamente, temas que, como la estabilidad de reac-tores, los reactores G-L-S o los reactores bioqumicos, quedan fuera con cierta frecuencia de los libros de tex-to de Ingeniera de reactores. En la lnea de temas poco tratados, se ha aadido adems un captulo relativa-mente extenso sobre seguridad de reactores, un conte-nido que nos parece fundamental en la formacin de los futuros ingenieros qumicos. Por otro lado, recono-cemos de antemano que el nfasis del libro puede tener un cierto sesgo hacia los distintos tipos de reactores cata-lticos, un rea en la que los autores desarrollan la mayor parte de su actividad investigadora.

En el captulo de agradecimientos, queremos reco-nocer en primer lugar la paciencia y generosidad de nuestras esposas: Carmen, Eva, Marina y Pilar, en rela-cin con las muchas "horas extra" que han sido nece-


sarias para llevar a cabo este libro. Asimismo, esta-mos en deuda con Carlos Finol, Carlos Tllez, Eva Romeo y Rafael Ferruz por sus valiosas aportaciones de material grfico o ejemplos, y con el resto de los compaeros del Departamento de Ingeniera Qumi-ca y Tecnologas del Medio Ambiente de la Universi-

dad de Zaragoza, cuyo apoyo nos anim a lo largo de la redaccin del libro. Vaya tambin desde ahora nues-tro agradecimiento a todos aquellos que utilizarn este libro, como profesores o como estudiantes, y que con sus crticas y sugerencias nos ayudarn a mejorar, en su caso, futuras ediciones.

~

INTRODUCCION Y CONCEPTOS

GENERALES

1.1. Qu es un reactor qumico? 1.2. La Ingeniera de reactores 1.3. Algunas definiciones 1 .4. Desarrollo de reactores.

Clases de reactores

1

1.5. Ejemplos de aplicacin industrial


1.1. Qu es un reactor qumico?

En el contexto de la industria qumica, un reactor qumico es na unidad de proceso diseada para lle-var a cabo una o varias reacciones qumicas. Esta defi-nicin generalmente implica un sistema bien delimi-tado, casi siempre un recipiente cerrado, con lneas de entrada y salida claramente especificadas y un estric-to algoritmo de control.

Sin embargo, esta definicin no agota el campo de aplicacin de los contenidos de la Ingeniera de las reacciones qumicas. Es cierto que la mayor parte de las aplicaciones caen dentro de la definicin anterior, y a ellas principalmente se dirigen los contenidos de este libro. No obstante, los ingenieros qumicos han extendido la aplicacin de los principios de la Cinti-ca y de la Ingeniera de reactores a situaciones clara-mente fuera del mbito de las unidades de proceso industriales. Quizs el ejemplo ms cotidiano sea el de los convertidores catalticos de automocin, donde los gases procedentes de un reactor (el motor de explo-sin de un automvil) son tratados en un segundo reactor, en este caso una unidad equipada con un sofis-ticado catalizador sobre soporte monoltico.

Aunque no tiene lugar en un reactor industrial, el ejemplo anterior est prximo a lo que se espera encontrar en un libro de Ingeniera de reactores, tan-to por las materias primas como por el tipo de reac-ciones involucradas. Otras situaciones no lo estn tan-to. As, podemos disear reactores eficaces sin paredes, sin flujo de reactantes y sin un sistema de control. Tal es el caso de los procesos para la sntesis de materia-les mediante reacciones de combustin de estado sli-do [1, 2]. En ellos, una fuente externa de energa (resis-tencia elctrica, haz lser) inicia una reaccin en una fase slida con la composicin apropiada, reaccin que da origen a un frente de reaccin que se despla-za rpidamente a travs del slido. El reswtado es una onda de alta temperatura que permite obtener com-puestos slidos de elevada pureza (compuestos M)VY, donde M es un metal y N= B, C, N o Si, xidos mix-tos, incluyendo superconductores y diversos materia-les compuestos).

La atmsfera es tambin un reactor, de enormes dimensiones, donde tiene lugar una amplia variedad de reacciones: en las capas inferiores, los llamados compuestos orgnicos voltiles, que se emiten en una amplia variedad de actividades humanas -desde la industria alimentaria hasta operaciones de limpieza industrial, pasando por las unidades de proceso y tan-

ques de almacenamiento de la industria qumica-, reaccionan con xidos de nitrgeno en presencia de la luz solar para producir smog fotoqumico; en capas ms altas, una compleja red de reacciones radiclicas es responsable de la destruccin de la capa de ozono. Muchas otras reacciones tienen lugar en este reactor atmosfrico, que recibe radiacin solar e intercambia calor, materia y cantidad de movimiento con la cor-teza terrestre y cuyos reactante.s y productos difunden de acuerdo con las leyes familiares a los ingenieros qumicos. La utilidad de estas leyes para describir el comportamiento de la atmsfera como reactor qu-mico es tal que, a medida que se avanza en el conoci-miento de las correspondientes cinticas de reaccin, va siendo posible el modelado del conjunto de espe-cies atmosfricas y la prediccin de su evolucin a medio plazo. Al mismo tiempo, la identificacin de las principales especies contaminantes permite la pues-ta en marcha de medidas para evitar su generacin o para la destruccin de compuestos especficos antes de su emisin a la atmsfera [3]. A menudo, estas medidas involucran na combinacin de etapas de separacin fsica y reaccin qumica, que en este caso s se lleva a cabo en reactores tradicionales.

En la regin opuesta en cuanto a tamao estn los mini y microrreactores [4]. La adaptacin de las tc-nicas de microfabricacin utilizadas en la industria electrnica ha permitido la miniaturizacin de reac-tores y otros equipos de proceso, con obvias ventajas: alta flexibilidad, elevadas capacidades de intercambio de calor y una mayor seguridad intrnseca, gracias a la reduccin de inventario. Existen en la actualidad prototipos de demostracin capaces de contener una planta completa (sistema de alimentacin, reactor cata-ltico, intercambiadores de calor para reactantes y pro-ductos) en un volumen de algunos centmetros cbi-cos con productividades similares a las de un reactor de laboratorio. Aunque est claro que el coste de la unidad de producto fabricada en microrreactores es considerablemente superior al que se genera con reac-tores convencionales, los primeros presentan obvias ventajas para llevar a cabo reacciones de alto riesgo (con fuerte inestabilidad trmica, o en las que se mane-jen compuestos de elevada toxicidad).

Otro ejemplo de un campo de aplicacin que esca-pa del mbito convencional de la Ingeniera de las reacciones qumicas es el de la Ingeniera biomdica. Sabemos cada vez ms del comportamiento del cuer-po humano como reactor, las reacciones que tienen lugar, los catalizadores que utiliza y los mecanismos

empleados para mantener unas determinadas condi-ciones de reaccin. Este conocimiento ha permitido activar un rea de investigacin de gran inters, don-de los principios de la Ingeniera de las reacciones qu-micas se aplican a procesos teraputicos. Entre los ejemplos ms conocidos [5], estn los sistemas de dosi-ficacin de medicamentos en el interior del organis-mo, que emplean procesos de difusin y/o reaccin, los biorreactores para la purificacin de la sangre, que utilizan enzimas inmovilizados para eliminar sustan-cias txicas, y los reactores de implantes de clulas sobre soportes polimricos, que pueden convertirse en un futuro no muy lejano en la alternativa a numero-sos trasplantes de rganos.

1.2. La Ingeniera de reactores

Los ejemplos anteriores, tomados todos ellos de trabajos presentados a simposios sobre Ingeniera de las reacciones qumicas, muestran claramente la ver-satilidad de la Ingeniera de las reacciones qumicas como disciplina cientfica y su utilidad para resolver problemas de muy diversa ndole. A lo largo de este libro se va a exponer la aplicacin de sus principios al diseo y operacin de reactores, lo que denominamos "ingeniera de reactores". La otra parte de la Inge-niera de las reacciones qumicas, la Cintica qumi-ca, se refiere a la obtencin de datos que relacionan la velocidad de reaccin con las condiciones de ope-racin en un reactor y al tratamiento de estos datos con el fin de obtener la expresin matemtica de la ecuacin de velocidad de reaccin. Estos aspectos se tratan separadamente en otro volumen de esta serie.

De acuerdo con Levenspiel [6], la Ingeniera de las reacciones qumicas nace como disciplina cientfi-ca en el Primer Simposio sobre Ingeniera de las reac-ciones qumicas, celebrado en 1957. En l se acua el nombre de esta nueva rama de la Ingeniera qumica, que es definida como "una parte de la Ingeniera qu-mica que tiene por objeto el dominio de las conver-siones qumicas a escala industrial, lo que conducir en definitiva al diseo adecuado de reactores". En el prlogo de su libro sobre Ingeniera de las reacciones qumicas [7], Levenspiel va ms lejos, afirmando que Ingeniera de las reacciones qumicas es la actividad que, por s sola, hace que la Ingeniera qumica cons-tituya una rama de la Ingeniera.

Dentro de ella, la Ingeniera de reactores es "la cien-cia que desarrolla y ensea los mtodos para calcular

Captulo 1: Introduccin y conceptos generales 17

lo que puede hacerse con un reactor qumico" [6], lo que es otra forma de decir que nos proporciona las bases para realizar el diseo de un reactor, de manera que ste cumpla con su objetivo: proporcionar un produc-to dado a partir de reactantes conocidos, con una velo-cidad y selectividad determinadas, mediante un proce-so seguro y respetuoso con el medio ambiente. Para ello necesitamos establecer la ecuacin de funcionamiento del reactor que relaciona la salida del mismo con la ali-mentacin, las condiciones de operacin, el modo de contacto, la cintica intrnseca de la reaccin y los pro-cesos de transferencia de materia, energa y cantidad de movimiento que tienen lugar en el mismo.

El diseo del reactor condiciona en gran medida el xito de una planta qumica. Esto es as porque, aun-que el coste del reactor en s mismo, incluyendo su equipo auxiliar, a menudo constituye slo una peque-a parte del coste total en la planta, los procesos de separacin de productos y tratamiento de efluentes -una fraccin muy significativa no slo del inmoviliza-do en la planta, sino sobre todo de sus costes de ope-racin-, depende fuertemente de la composicin obte-nida a la salida del reactor. En el reactor es, adems, donde suele encontrarse la mayor complejidad del pro-ceso, las condiciones ms severas de presin y tempe-ratura y las mejores oportunidades para el desarrollo del proceso, junto con las probabilidades ms altas de un accidente grave en la operacin de la planta: slo en el Reino Unido, se estima que, en promedio, cada mes tienen lugar 2 accidentes causados por prdida del con-trol de la reaccin (runaway reactions) en procesos dis-continuos [8]. Por ello, el diseo del reactor requiere un conocimiento profundo del proceso, a fin de satis-facer simultneamente mltiples objetivos. Algunos de los ms importantes se muestran en el cuadro l. l.

Es importante darse cuenta de que, hoy en da, del ingeniero de reactores se espera que sea capaz de tomar decisiones, basndose no en un criterio nico (como podra ser, en una aproximacin tradicional, la mini-mizacin del coste unitario del producto, maximizacin del beneficio global, etc.), sino en una multiplicidad de criterios, que a menudo compiten entre s.

1.3. Algunas definiciones

1.3. 1. Conversin, selectividad, rendimiento

La Ingeniera de reactores tiene su propio lenguaje, que, sin embargo, a veces no se utiliza de manera uni-

1 8 Ingeniera de reactores

CUADRO 1.1 Principales objetivos a tener en cuenta en el diseo de reactores

Objetivos que necesariamente deben alcanzarse

Operacin dentro de coordenadas aceptables de temperatura, presin, tiempo de residencia, etc.

Seguridad de proceso Seguridad de producto Compatibilidad medioambiental

forme por todos los que la aplican. Conviene por tan-to comenzar definiendo con claridad algunos de los trminos y conceptos que se utilizan a lo largo de este libro. Consideremos un reactor en el que tiene lugar la reaccin de hidrogenacin cataltica de acetileno. Los reactantes son acetileno e hidrgeno, en las pro-porciones adecuadas, y si aceptamos que los produc-tos de reaccin son nicamente etileno y etano -ya que podra haber otros, como productos de craqueo, de polimerizacin, etc., con estos mismos reactantes-, tenemos una atmsfera de reaccin en la que existen cuatro especies qumicas. La corriente de salida del reactor est constituida por los productos ms los reac-tantes no consumidos. La conversin de un reactante A se define como

X _nAo-nA b" X _FAo-FA A - , O Ien A - ~"'--'-'-nAO FAo

[1.1]

Donde nAO es el nmero de moles de A alimenta-dos a un reactor discontinuo (FAo es el flujo molar de A, moles/s alimentados a un reactor continuo) y nA es el nmero de moles de A remanentes al final de la reaccin (FA es el flujo mQlar de A a la salida de un reactor continuo). Es decir, en el caso propuesto, XCzHz representara el cociente entre el nmero de moles de acetileno consumidos en el reactor y el nmero de moles de acetileno alimentados. A menudo se expre-sa en tanto por ciento, en lugar de en fraccin unita-ria como en la ecuacin [1.1 ]. Si el sistema tiene una densidad aproximadamente constante (en una reac-cin en fase gas la densidad de la mezcla reaccionan-te puede variar significativamente a medida que cam-bia la conversin, pero tambin podra hacerlo por

Objetivos que sera deseable alcanzar

Conversin mxima de la alimentacin Selectividad mxima a los productos deseados Minimizacin del consumo de energa

y materias primas Operabilidad/controlabilidad adecuadas Bajos costes de inmovilizado y operacin:

Baja prdida de carga, construccin sencilla, uso de materiales ordinarios, etc.

otras causas, como variaciones de temperatura o de presin a lo largo del reactor), suele ser habitual escri-bir la ecuacin anterior como

X - CAO -CA A-CAO

[1.2]

donde C AO y CA SOn las COncentracioneS de reactante A correspondiente al instante inicial y a un instante t respectivamente.

Por otro lado, cuando varias reacciones son posi-bles, la conversin por s sola no da suficiente infor-macin -proporciona la cantidad de reactante consu-mido, pero no indica hacia qu productos-, y es necesario introducir variables adicionales. La figura 1.1 muestra algunos de los casos posibles en ststemas simples con varias reacciones. El concepto de selecti-vidad se refiere a la especificidad de reacciones, mien-tras que el de rendimiento caracteriza la distribucin de productos. La selectividad hacia un producto deter-minado R (SR) se define de la siguiente forma:

[1.3]

es decir, el cociente entre el nmero de moles de R producidos y el de A consumidos, modificados por los respectivos coeficientes estequio~tricos (en el caso de que la reaccin slo produjese R, vA moles de A reaccionaran para dar vR moles d~ R). El caso de la hidrogenacin de acetileno propuesto ante-riormente correspondera al sistema paralelo-conse-cutivo de la figura 1.1;ya que es posible la hidroge-

FIGURA 1 .1 . Algunos esquemas simples de reaccin en sistemas donde son posibles varias reacciones.

nacin total (a etano) o parcial (a etileno) del aceti-leno adsorbido sobre los centros activos del catali-zador, pero tambin el etileno formado puede reac-cionar de nuevo y dar lugar a etano. En este sistema, la selectividad hacia etileno se calcula simplemente como el cociente entre el nmero de moles de etile-no producidos y el de acetileno reaccionados, ya que en este caso vA = v R = l.

En cuanto al rendimiento a un productoR, (YR) se define como el nmero de moles de R produci-dos por mol del correspondiente reactante A ali-mentado, de nuevo tras corregir por los correspon-dientes coeficientes estequiomtricos. Por tanto, de acuerdo con las definiciones anteriores podemos escribir

[1.4)

Ejemplo 1.1. A un reactor de laboratorio que contiene 3 g de un catalizador de acoplamiento oxidativo de metano (Li/MgO) a 790 oc se ali-mentan 200 Ncm3/min de una mezcla que contie-ne distintas relaciones CHi02 sin diluyentes. A la salida del reactor se mide el caudal, despus de haber eliminado el agua formada en la reaccin, y los productos se analizan por cromatografa de gases. Los datos obtenidos de dos experimentos se recogen en la tabla adjunta. Calcular las con-versiones de metano y oxgeno, as como la selec-tividad y el rendimiento a hidrocarburos C2 ( eta-no y etileno ).

Captulo 7: Introduccin y conceptos generales 1 9

Relacin CH4/02 4 3

Caudal de salida (Ncm3/min) 149 139 Concentracin de los distintos gases en la corriente de salida

del reactor(%) 02 0,17 0,20 CH4 78,10 77,38 co 0,99 1,01 C02 9,83 10,4 CzH4 6,75 6,92 CzH6 3,08 3,06 Otros hidrocarburos 1,03 1,02

El proceso de acoplamiento oxidativo de meta-no puede representarse por

A su vez, el etano formado puede deshidroge-narse trmica u oxidativamente para dar etileno de acuerdo con

o bien

Al mismo tiempo, son posibles otras reaccio-nes, como la formacin de hidrocarburos superio-res a partir del etano y etileno producidos en la reaccin o la combustin de reactantes y/o pro-ductos.a COy C02, que es la reaccin indeseada que debe evitarse.

Teniendo en cuenta los datos de la tabla ante-rior, si se toma como base de clculo 100 moles a la entrada del reactor, a partir de la ecuacin [1.1 ],

para el caso de una alimentacin con relacin CHi02 igual a 4, podemos escribir

X = 2000,8-1490,781 =O 273 CH., 200 0,8 '

X = 2000,2-1490,0017 =O 994 o, 2000,2 '


La selectividad a hidrocarburos C2 se obtiene de la ecuacin [1.3]. En la reaccin selectiva, cada dos moles de metano producen uno de C2 (etano o etileno ); es decir, los coeficientes estequiom-tricos son vA = 2 y v R = l. En este caso,

S = 149(0.,0675+0,0308)2 =0 67l Cz (200 X 0,8-149 X 0, 781) 1 '

El rendimiento se obtiene de acuerdo con la ecuacin [1.4]:

Para el caso de una relacin CH/02 igual a 3, los clculos se realizan anlogamente. La tabla que se presenta a continuacin resume (en porcenta-jes) los resultados del problema:

Relacin CH4/02 XcH4 Xaz SCz YCz 4 27,3 99,4 67,1 18,3 3 28,3 99,4 65,4 18,5

Como es lgico, los propietarios de un reactor qu-mico desean alcanzar valores altos de conversin y selectividad, ya que de ello depende en gran parte la posibilidad de obtener un producto a bajo coste y, por tanto, su competitividad frente a otras empresas del sector. Entre las etapas que se muestran esquemti-camente en la figura 1.2, la de separacin de produc-tos es, como ya se ha sealado, la que por lo general tiene un impacto mayor en los costes de operacin de una planta qumica. Sin embargo, el bloque de sepa-

Reciclo

racin de productos depende directamente de lo que ocurra en el reactor. Una baja selectividad en la eta-pa de reaccin conducir a una baja concentracin del producto deseado y a menudo a una variedad de sub-productos en la corriente de salida del reactor. Esto no slo encarece la separacin posterior, sino que ade-ms representa un uso ineficaz de las materias primas.

Por supuesto, la conversin tambin reviste gran importancia. A menudo se encuentra que es posible obtener una selectividad alta a conversiones muy bajas, lo que exige la separacin del reactante no consumi-do, que es mayoritario en la corriente de salida, y su reciclado a la entrada del reactor. En general, en estos casos la conversin ptima representa un compromi-so entre la prdida de selectividad y los costes de sepa-racin del reactante no convertido. Por supuesto, lo deseable en cualquier sistema es aumentar la selecti-vidad manteniendo al menos el mismo nivel de con-versin. Para ello puede utilizarse una variedad de estrategias que van desde la optimizacin del modo de contacto y la secuencia de temperaturas en el reac-tor hasta la modificaCin del catalizador utilizado. La fuerza impulsora es obviamente el elevado beneficio que representan aumentos siquiera modestos de la selectividad, especialmente en procesos de gran tone-laje. As, se estima [9] que una mejora del 0,5% en la selectividad a gasolinas del proceso FCC implicara un aumento de beneficios del orden de 2,5 millones de dlares al dia, considerando las ventas globales de gasolina. La ventaja competitiva se presenta cuando una empresa obtiene una mejora a la que la compe-tencia no tiene acceso, y de nuevo aqu juega un papel importante la selectividad del proceso: con los nive-les de conversin actuales, un aumento de tan slo el 1% en la selectividad del proceso de obtencin de xi-do de etileno por oxidacin de etileno con aire repre-sentara un aumento de beneficios en torno a un milln de dlares por ao en cada planta en la que la mejo-ra tuviese lugar.

,-----------------------------------,-

1

--Pmga

Materias l 1 Tratamientos 1 1 . , 1 primas - previos ~ ReacclOn Separacin 1 Productos de productos S b d '----------"~ u pro uctos

FIGURA 1.2. Esquema de un proceso industrial con reaccin qumica.

1.3.2. Continuidad en la operacin de reactores qumicos

Los reactores qumicos pueden operarse de forma continua o discontinua. Un reactor discontinuo pue-de definirse como un recipiente del que no entra ni sale materia durante la reaccin (figura 1.3a). En este caso, en el reactor se introducen una carga de reac-tantes, se lleva a la temperatura y presin adecuadas y se deja reaccionar por un tiempo determinado antes de descargar los productos de reaccin y los reactan-tes no convertidos. El caso contrario es el del reactor continuo, representado en la figura 1.3b, al que duran-te la reaccin se alimentan constantemente los reac-tantes y del que se retira ininterrumpidamente una corriente de productos. Por ltimo, a menudo se deno-minan reactores semicontinuos a aquellos en los que inicialmente se carga el reactor como en el caso dis-continuo, pero durante la reaccin se aaden reac-tantes o se retiran productos de manera ms o menos continua (figuras 1.3c y d).

Mientras que en un reactor discontinuo todos y cada uno de los elementos de fluido alimentados per-manecen durante el mismo tiempo en el reactor, esto por lo general no es as en un proceso continuo. Con-

a) b)

e) d)

FIGURA 1.3. Distintos tipos de reactores en cuanto a la con-tinuidad de la operacin: a) reactores discontinuos; b) Reac-tores continuos; e) reactor semicontinuo, con adicin de reac-tores; d) reactor semicontinuo, .con retirada de productos.


sideremos el reactor continuo de tanque agitado que se representa en la figura 1.3b. Dentro del mismo exis-ten corrientes internas, gradientes de concentracin, temperatura, etc., que desvan su comportamiento de los modelos ideales de reactor que se explican en cap-tulos posteriores. Sin embargo, incluso en el caso de que el reactor se comportase como un reactor de mez-cla perfecta ideal, los elementos'oe fluido en la corrien-te de entrada al reactor tiene una probabilidad P1 de permanecer en el mismo durante un tiempo tl' P2 de permanecer un tiempo t2, etc. Esto da origen a una dis-tribucin de tiempos de residencia, que tiene una influencia directa en la conversin y selectividad obte-nidas en un reactor. El concepto de distribucin de tiempos de residencia se estudia en el captulo 6.

Estrechamente relacionado con el uso de reacto-res continuos, aunque no necesariamente coinciden-te con ste, se encuentra el concepto de operacin en estado estacionario. En un reactor que opera en rgi-men estacionario estricto, nada cambia con el tiem-po. La concentracin de cualquiera de los reactantes o productos en un punto del interior del reactor, el perfil de temperatura, de presin, de velocidades, los caudales de entrada y salida ... todos ellos permane-cen constantes en el tiempo; sus valores seran los mis-mos ahora o dentro de diez aos. Est claro que lo que antecede se aplica a un sistema de referencia fijo con respecto al reactor: un punto cualquiera del mis-mo siempre ver la misma concentracin, temperatu-ra, etc. en los elementos de fluido que lo cruzan. En cambio, si nuestro sistema de referencia se desplaza con el fluido a lo largo del reactor, son posibles todo tipo de cambios en las variables anteriores, a medida que un elemento de fluido va reaccionando e inter-cambiando calor, materia y cantidad de movimiento con los que le rodean. Por tanto, no existe rgimen estacionario con respecto a un elemento de fluido que atraviesa un reactor, y este concepto slo tiene senti-do al aplicarse a una posicin concreta del mismo.

Como es lgico, el concepto de estado estaciona-rio, tal y como se ha expuesto, es una idealizacin que no se da en la prctica. En un reactor real, por ms que exista un buen sistema de control, son inevitables pequeas desviaciones de cada variable alrededor de su valor de consigna, de manera que, cuando se dice que un reactor ha alcanzado el rgimen estacionario, en realidad lo que se guiere decir es que no hay des-viaciones netas respecto al punto de consigna a lo lar-go de un intervalo de tiempo suficientemente largo (es decir, las desviaciones positivas compensan aproxi-


madamente a las negativas), y en todo caso la magni-tud de la desviacin en un instante dado es pequea.

Por otro lado, hay reactores que operan en esta-do intrnsecamente no estacionario: tal es el caso de los reactores discontinuos ya mencionados, pero tam-bin el de aquellos reactores continuos en los que necesariamente existe una evolucin temporal de algu-na de las variables del sistema, como por ejemplo ocu-rre en un reactor cataltico de lecho fijo con desacti-vacin del catalizador. En estas circunstancias puede llegar a alcanzarse el estado estacionario en alguna de las variables, pero no en todas. As, en el ejemplo ante-rior se puede tratar de mantener constante la con-versin a la salida del reactor por medio de un aumen-to gradual de la temperatura de operacin, de manera que se compense la desactivacin del catalizador.

1.4. Desarrollo de reactores. Clases de reactores

Existen infinidad de tipos de reactores, y cada uno responde a las necesidades de una situacin concreta. Hay que tener en cuenta que el ingeniero de reacto-res se enfrenta a procesos que operan en escalas que abarcan varios rdenes de magnitud y varan conside-rablemente de unos procesos a otros. Esto ha querido representarse en la figura 1.4, donde aparecen los inter-valos de tamao y tiempo implicados en las distintas reas que comprende la Ingeniera de las reacciones qumicas. As, en el extremo inferior de la grfica nos preocupan procesos que tienen lugar en el interior de una molcula, o entre dos molculas, tomos o iones, y los tiempos caractersticos son aquellos relacionados con el movimiento electrnico. En el siguiente esca-ln, los fenmenos que se describen tienen lugar entre grupos de molculas o tomos, entre molculas y un centro activo en un catalizador, etc., pero tambin podemos estar interesados en el diseo de partculas catalticas, lo que nos lleva a longitudes del orden de varios milmetros. Al mismo tiempo, los tiempos carac-tersticos de reaccin varan enormemente, como se indica en la figura. Lo mismo puede decirse de los pro-cesos de transporte, cuya escala puede medirse en metros (distribuciones defectuosas de lquido en reac-tores trifsicos), milmetros/centmetros (dispersin de burbujas de gas en reacciones gas-lquido), micras (fenmenos de turbulencia a escala microscpica) o angstroms (difusin configuracional en zeolitas). En cuanto al reactor propiamente dicho, el tamao de un

reactor desarrollado con tcnicas de microfabricacin puede estar en torno a un milmetro, mientras que un reactor de polimerizacin podra llegar a medir cien-tos de metros; al mismo tiempo, las escalas de tiempo de residencia van desde los milisegundos (reactores de llama, reactores monolticos para oxidacin parcial de hidrocarburos) hasta varias horas o incluso das, en el caso de reacciones de gran lentitud.

tamao (m)

FIGURA 1.4. Escalas de tamao y tiempo en Ingeniera de las reacciones qumicas, adaptada a partir de la referencia [4].

Las escalas tambin varan considerablemente en las distintas etapas del proceso de desarrollo que lle-va desde la reaccin en un matraz de laboratorio has-ta la planta industrial, como se muestra en la figura 1.5. A menudo, un nuevo proceso puede tener su ori-gen en la idea feliz de un investigador que, al cabo de unos meses, se traduce con xito en una sntesis de laboratorio. A partir de aqu, si se estima que el pro-ceso puede llegar a ser viable a escala industrial, el ingeniero de reactores dispone de una amplia varie-dad de reactores de laboratorio que le permiten estu-diar la cintica intrnseca de la reaccion, y en su caso establecer las condiciones ptimas de operacin y las bases para el escalado del proceso. En el laboratorio obtendremos 11na informacin esencial sobre nuestra reaccin: su dependencia cintica (concentraciones, temperaturas), calor liberado en la misma, el meca-

FIGURA 1.5. Etapas en el desarrollo de un proceso con reaccin qumica (adaptado de la referencia [1 0]). Los intervalos especificados son orienta-tivos y pueden variar considerable-mente en la prctica.

;e ~ "d o;

"d :; o;

' u

102

10 1

10

o o

nismo de reaccin, posible existencia de productos intermedios, la forma ptima de activacin de la reac-cin (adicin de calor, descomposicin de un inicia-dor, fotoactivacin, uso de activadores bioqumicos ... ), catalizadores adecuados, etc. La operacin continua a escala de laboratorio permite adems estudiar la dis-tribucin de productos bajo distintas condiciones y realizar una primera estimacin de los costes de ope-racin y separacin que tendra una planta de pro-duccin industrial.

Si tras el estudio en el laboratorio an se conside-ra factible la implantacin del proceso a escala indus-trial, por lo general el siguiente paso (que comienza mientras todava se sigue operando a escala de labo-ratorio) consiste en disear y construir una planta pilo-to capaz de producir algunas toneladas anuales del producto en cuestin; esto permite completar y com-probar la informacin obtenida en el laboratorio y evaluar los problemas del manejo de materias primas, productos, efluentes, transferencia de calor, etc., en cantidades de cierta magnitud. Esta etapa proporcio-na adems una magnfica oportunidad para verificar que la seleccin de materiales ha sido adecuada, que la operacin puede llevarse a cabo de forma estable y segura, etc. En general, aunque la inversin a nivel de planta piloto es ya considerable, an se est a tiem-po de rectificar errores o de aprovechar nuevas opor-tunidades. La construccin de la planta industrial pue-


2

Planta industrial

Planta piloto integrada

Planta integrada, escala de laboratorio

4 6 8 10

Tiempo (aos)

de comenzar cuando existen suficientes datos a esca-la de planta piloto como para confirmar la viabilidad industrial del proceso y para permitir el diseo de los elementos clave de la instalacin.

Como puede deducirse de los prrafos precedentes, el nmero de posibles reactores puede considerarse ili-mitado, porlo que en captulos posteriores de este tex-to nicamente se abordar el estudio de los tipos prin-cipales. El cuadro 1.2 es una clasificacin general de reactores, y en l se listan tipos de reactor utilizados en la prctica industrial para diferentes clases de reaccio-nes. Las distintas clases de reactor han surgido de unas pocas categoras bsicas al adaptar el diseo a las nece-sidades de un proceso especfico. A menudo, la expe-riencia alcanzada en otros procesos industriales se ha utilizado en el diseo de reactores. As, por ejemplo, resulta evidente que muchos de los equipos que se lis-tan en el cuadro 1.2 para reacciones gas-lquido o lqui-do-lquido son en realidad anlogos a los que se utilizan en las correspondientes operaciones de transferencia de materia. En otras ocasiones, los nuevos conceptos de reactor han ido surgiendo de forma natural, a partir de las posibilidades no utilizadas de los reactores existen-tes. A continuacin, como finalizacin de este captulo, se describen brevemente varios casos de desarrollo de reactores, con el objeto de ilustrar la aplicacin de con-ceptos y la evolucin de diseos en Ingeniera de reac-tores.


CUADRO 1.2 Clasificacin general de los reactores utilizados en la Industria qumica segn la clase de reaccin llevada a cabo

(compilada a partir de la referencia [11])

Clase de reaccin Tipo de reactor Eemplos de aplicacin Fase gas, De llama Combustin de H2S, produccin de negro de humo, cloracin de metano, nitra-exotrmica cin de propano

Tubular Cloracin de metano, propano, butadieno; reacciones de clorolisis

De lecho fluidizado Cloracin de metano, de dicloroetano; reacciones de clorolisis

Fase gas, De llama Proceso Sachsse-Bartholome, gasificacin a alta presin para obtener gas de endotrmica sntesis

Reformador Craqueo de naftas con vapor, produccin de cloruro de vinilo a partir de diclo-roetano, distintas reacciones de pirlisis

De lecho fluidizado Craqueo en lecho fluidizado de arena (Lurgi)

Fase lquida Tubular Reacciones de polimerizacin, hidrlisis, produccin de acetato de etilo, de iso-(una o ms fases) propanolamina, polimerizaciones diversas

Reformador Procesos de visbreaking, coquizacin retardada, gasificacin de crudos pesados

Con recirculacin Descomposicin del hidroperxido de cumeno a fenol y acetona, ciclohexano a externa caprolactama, produccin de cido fosfrico por va hmeda, saponificacin

de cloruro de alilo, reacciones de polimerizacin

Con recirculacin Produccin de melamina, de nitrocompuestos aromticos, de cido adpico, reac-interna cienes de polimerizacin

Tanque agitado Producin de nitrocompuestos aromticos, sulfonacin de benceno, esterifica-(discontinuo o cin de poliamidas, diversas sntesis de productos farmacuticos, reacciones de semicontinuo) polimerizacin

Tanque agitado Esterificaciones, deshidrataciones, saponificaciones, deshidrocloraciones, nitra-continuo cienes, ciclaciones, alquilaciones, oxidaciones, reacciones de polimerizacin

Columna de destilacin Condensaciones aldlicas, saponificaciones, esterificaciones, descomposiciones (dest.reactiva) diversas

De lecho fluidizado Coque a partir de residuos pesados, produccin de melamina, reacciqnes de polimerizacin

De cinta transportadora Pelculas de poliisobutileno, poliuretano, polmeros de alcohol vinlico, de meta-crilato

.

De spray Descomposicin de H2SO 4, produccin de MgO

Gas-lquido Tubular (iny. reactantes) Produccin de adiponitrilo, de nitroanilina; oxidacin de etileno a acetaldehido

Columna de burbujeo Oxidaciones diversas (etileno, tolueno, ciclohexano, butano, cumeno ... ); alqui-locin de benceno, hidroformilacin y epoxidacin de propeno, cloraciones diversas, produccin de cido acrlico, ter vinlico, metil piridina, cido pro-pinico (proc. Reppe), carboxilacin de metano!, hidrlisis de tricloroetileno

( .. ./. .. )


CUADRO 1.2 (continuacin}

Clase de reaccin Tipo de reactor Eemplos de aplicacin

Gas-lquido Con recirculacin Alquilaciones (fenol, orto-toluidina), oxidacin de hidrocarburos lquidos con aire externa

Tanque agitado Mltiples oxidaciones (p-xileno, etileno, propano, tolueno ... ), alquilaciones, clo-con burbujeo raciones, hidrogenacin de grasas, produccin de so2 Columna de destilacin Oxidacin de etilbenceno, cumeno, isobutano; cloracin de etileno, acetileno, (dest. reactiva) tricloroetileno; hidrocloracin de etileno, produccin de cidos sulfnicos, de sul-

fatos de alquilo, de nitrato amnico ...

De spray Produccin de anhdrido actico, de cido fosfrico, de perxido potsico, hidr-lisis de diclorodimetil silano

De pelcula Sulfonaciones diversas (dodecilbenceno, cidos grasos, olefinas) descendente

Horno rotatorio Reaccin de slidos fundidos con gases

Fase gas Cataltico de lecho fijo Reformado, hidrotratamiento, isomerizacin, conversin de CO, aminacin de (RCLF) metanol, produccin de anilina, de propionato de vinilo, de estireno, de meta-

nol; metanacin, oxidacin de amoniaco a NOx, deshidrogenacin oxidativa de metanol, produccin de cido hidrocinico, reformado de fracciones pesa-das, hidrocraqueo, proceso Claus, isomerizacin de naftenos, sntesis de amo-niaco, sntesis de metanol, hidrogenacin de benceno, deshidrogenacin de etil-benceno, oxidacin de so2

RCLF con flujo radial Sntesis de amoniaco, deshidrogenacin de etilbenceno, reformado

RCLF multitubular Oxidacin de etileno, de o-xileno, de propano, de cerolena, de metanol, de naf-taleno, de etanol; alquilacin de benceno, hidrogenacin de CO, de fenol, de gra-sas naturales; deshidrogenacin de dietilbenceno, de ciclohexanol, de 2-butanol, de etanol; sntesis de amoniaco, de MTBE, de acetato de vinilo, de estireno; des-hidratacin de cido actico, de etanol; reacciones de hidro- y oxicloracin

De lecho mvil Deshidrogenacin de butano, craqueo TCC

De lecho fluidizado Craqueo (FCC, Kellogg, flexicracking), hidrocaqueo, amoxidacin de propano, de o-xileno; oxicloracin de etileno, hidrogenacin de nitrobenceno, de etileno; oxidacin de oxileno, de butano, de 502, de etileno, de amoniaco, de HCI; pro-duccin de clorometil silanos, de adiponitrilo, de melamina, de butadieno, de isopreno; isomerizocin de butano

De lecho arrastrado Sntesis Fischer-Tropsch (proceso Synthol)

Catali:zadas: Reactor tipo Desulfuracin y refinado de productos petrolferos, hidrocraqueo, hidrogena-fase lquida, trickle bed cienes (aldehdos, grasas naturales, residuos pesados ... ), hidratacin de prope-gas-lquido no, etc.

De burbujeo (catoliza- Ami nacin de alcoholes, desproporcionacin de tolueno, hidrogenaciones (CO, dor suspendido o en NO, alquitranes y carbones, benceno, nitrocompuestos, aromticos, butinodiol), lecho fijo) hidrodesulfuracin, hidrlisis de grasas

De lecho fluidizado Hidrocraqueo y desulfuracin de fracciones pesadas

( .. ./. .. )


CUADRO 1 .2 (continuacin}

Clase de reaccin Tipo de reactor Ejemplos de aplicacin '

Gas-slido De eje vertical Gasificacin autotrmica de carbn, produccin de carbon activo, obtencin de y en fase slida cloruros metlicos (Fe, Cu), produccin de CS2, reduccin/calcinacin de menas (no catolizadas) metlicas

De lecho mvil Desulfuracin de gases, carbonizacin y coquizacin, procesado de pizarras bituminosas

De horno rotatorio Reduccin/calcinacin de menas metlicas, produccin de cemento, cianamida clcica, carbonilo de Ni, carbn activo, ZnO; descomposiciones diversas (FeSO 4, BaC03)

De lecho fluid izado y/ o Combustin de carbn, gasificacin de carbn, calcinacin y cloracin de menas lecho arrastrado metlicas, carbonizacin y coquizacin, produccin de carbn activo, produc-

cin de AIF3

Lquido-slido De tanque agitado Produccin de celulosa alcalina y nitrocelulosa, reduccin de nilrobenceno, pro-(no catolizadas) duccin de cido saliclico, de cianamida, de BF3, de tetraetilo de plomo, de

cianamida de sulfato de amonio; digestin de minerales (bauxita, apatito)

De amasado/tornillo Produccin de nitrocelulosa, acetato y ter de celulosa, celuloide, digestin de sin fin minerales (rutilo, ilmenita) '

Electrotrmicas Antorcha de plasma, Produccin de acetileno y etileno,cianuro de hidrgeno, carburo clcico, fsfo-reactor Fluohm, hornos ro, ferroaleaciones, grafito, carburo de silicio; descomposicin de corindn, de arco elctrico, de reduccin de xidos metlicos, cloracin de xidos de tierras raras resistencia elctrica, Acheson

Electroqumicas Diversos tipos de celdas Electrolisis cloro-alcali, produccin de metales por electrolisis de sales fundidas, electrolticas, celdas de refinado de metales, electrolisis de agua, produccin de flor, de clorato sdi-combustible, de mem- co, de perclorato, de ozono, de adiponitrilo, de anilina, de dihidro-estreptomi-brana cina; produccin de energa elctrica a partir de reacciones qumicas

Bioqumicas, De tanque agitado Produccin de antibiticos, aminocidos, levaduras aerbicas, catalizador De circulacin natural Produccin de biomasa, cido ctrico, cido actico; tratamiento aerbico de disuelto aguas residuales o suspendido

De circulacin forzada Produccin de levaduras, procesado de licor de pasta al sulfito, tratamiento aer-bico de aguas residuales, fermentacin de desperdicios

Bioqumicas, Tanques de Produccin de cido lctico, produccin de alcohol, fermentaciones diversas anaerbicas fermentacin

Bioqumicas, De lecho fijo Produccin de aminocidos, fructosa, etanol; tratamiento de aguas residuales aero o anaerbi-cas, catalizador De lecho fluidizado Produccin de enzimas, etanol; tratamiento de aguas residuales inmovilizado

De membrana Produccin de enzimas, aminocidos y productos farmacuticos

Fotoqumicas Tubular, de columna Cloracin de benceno, de metano, de aromticos; sulfocloraciones diversas, pro-de burbujas, tanque duccin de dodecanotiol, de provitamina D3, de vitamina D2, polimerizacin agitado de pelcula para obtener poliacrilonitrilo, poliacrilato, policloruro de vinilo, poliacetato de descendente, de cinta vinilo transportadora

1.5. Eiemplos de aplicacin industrial

7 .5. 7. Necesidades de intercambio de calor {1}: reactores con inversin peridica del sentido de flujo [ 12]

El principio de inversin peridica del flujo en la operacin de reactores adiabticos de lecho fijo se enunci hace casi treinta aos [13] con el objetivo de simplificar el equipo de las industrias de proceso y, en especial, de reducir el uso de acero de alta calidad en la antigua Unin Sovitica. Sin embargo, hasta finales de la dcada de los ochenta no se reconocieron sus amplias ventajas en la aplicacin al control de la con-taminacin atmosfrica y en particular a la combustin cataltica de compuestos orgnicos voltiles en efluen-tes gaseosos. El principio de funcionamiento se esque-matiza en la figura 1.6. Si el gas que entra al reactor encuentra una masa de catalizador que est a tempec ratura ms elevada, se calentar en contacto con ella, al tiempo que la temperatura de la masa de catalizador disminuye. Si el lecho de catalizador caliente es lo sufi-cientemente profundo, a partir de un cierto punto la temperatura de los gases alimentados ser suficiente como para producir la reaccin (ignicin) de la mezcla combustible, con la consiguiente liberacin de calor. Este calor es transportado por los gases hacia la salida

FIGURA 1 .6. Operacin en un reactor de lecho fijo con inversin peridica del sentido del flujo.


del reactor, intercambiando calor con la masa de cata-lizador, cuya temperatura va elevndose. Esto provo-ca una onda de alta temperatura que avanza hacia la salida del reactor.

Simultneamente, en la zona de entrada se sigue alimentando gas fro, por lo que la temperatura del catalizador en esta zona disminuye, tendiendo a la del gas de entrada, dando origen a la generacin de una zona de baja temperatura, que se desplaza hacia el interior del reactor. En la zona entre las dos ondas, la temperatura del lecho es suficientemente alta, y se produce la combustin de los compuestos orgnicos voltiles.

Antes de que la onda de alta temperatura salga del lecho, una inversin del sentido del flujo permite man-tener la zona caliente dentro del reactor. Como mues-tra la figura 1.6, ahora el gas fro entra en la regin donde la temperatura del catalizador es alta, por lo que se calienta en contacto con ste, y se repite la situacin anterior, en sentido inverso. Las zonas de entrada y salida del reactor actan como eficaces inter-cambiadores de calor, capaces de aprovechar casi en su totalidad el calor de reaccin, que va acumulndo-se en el reactor. Tras suficientes inversiones de flujo, se alcanza un estado pseudoestacionario dinmico; es decir, aunque dentro del reactor las condiciones cam-bian constantemente con el desplazamiento de los

Alimentacin Salida

direccin de flujo

Longitud del reactor


frentes de temperatura y de la zona de reaccin, a la salida del mismo se alcanza una conversin aproxi-madamente constante. Cuando el reactor con inver-sin de flujo se aplica a reacciones exotrmicas rever-sibles, la cada de temperaturas en la zona de salida del reactor se convierte en una ventaja adicional, ya que permite aumentar las conversiones alcanzadas.

1.5.2. Necesidades de intercambio de calor (//): auto-refrigeracin frente o refrigeracin indirecto [14]

El proceso de alquilacin permite obtener pro-ductos de mucho mayor valor (componentes de gaso-linas) a partir de la reaccin en fase lquida de olefi-nas ligeras e isobutano, catalizada por cidos (figura 1.7). Por ejemplo,

i-C4H10 + C4H8 --t 2,2,4 trimetil pentano + calor

La alimentacin de olefinas se mezcla con la oorrien-te de isobutano de reciclo (producto de cabeza en la

a)

Alimentacin de olefinas ms isobutano reciclado

b)

Alimentacin de olefinas ms isobutano

columna de desbutanizacin de la seccin de separa-cin de productos, que no se muestra en la figura) y se introduce al reactor, al que tambin se alimenta el ci-do sulfrico que acta como catalizador.

El calor generado en la reaccin debe eliminarse continuamente, para lo que en este caso existen dos opciones principales: refrigeracin indirecta y auto-refrigeracin.

En el sistema de refrigeracin indirecta (figura 1.7a), la presin de operacin se mantiene alta para reducir la evaporacin de hidrocarburos ligeros en el reactor y en el decantador. Desde el decantador, la fase orgnica se enva a serpentines de refrigeracin sumergidos en el lquido del reactor, donde la presin se reduce bruscamente, producindose el flash de las fracciones ms ligeras, proporcionando la correspon-diente refrigeracin. Este sistema requiere una dife-rencia de temperatura suficiente a travs de la pared del serpentn, a fin de obtener las velocidades de trans-ferencia de calor requeridas.

Cuando se utiliza auto-refrigeracin (figura 1.7b ), la reaccin se efecta a baja presin (presin mano-mtrica de 0,7 bar) a una temperatura de unos 4-5 oc.

Hidrocarburos en fase vapor al compresor de refrigeracin

reciclado ----'1'-------_L..-~--'-----'

cido reciclado al reactor

FIGURA 1.7. Sistemas de refrigeracin indirecta: a) y auto-refrigeracin; b) en reactores de alquilacin en fase lquida.

Se produce la evaporacin de vapores ricos en iso-butano, lo que proporciona refrigeracin a la mez-cla reaccionante. Los vapores de hidrocarburos se envan al compresor de refrigeracin y son recicla-dos al reactor. En este caso no se requiere diferen-cia de temperaturas. Tambin se produce un ahorro considerable en cuanto a la energa requerida para una buena mezcla en el reactor, al no existir el pro-blema del haz de tubos de intercambio de calor sumergido. Por ltimo, debido al tipo de reactor, en este caso resulta sencillo y econmico operar en ml-tiples etapas, lo que es ventajoso para la reaccin considerada, en la que una adicin escalonada de las olefinas reactantes (figura 1.7b) conduce a mayores selectividades.

7 .5.3. La bsqueda del estado estacionario: evolucin del proceso de craqueo cataltico [ 15]

El consumo de gasolina en los pases desarrolla-dos se ha duplicado en los ltimos 15 aos. Para hacer frente a este aumento no basta la separacin por frac-cionamiento de los componentes del crudo, sino que hay que romper (craquear) las porciones ms pesadas para convertirlas en productos de la fraccin de las gasolinas. Esto ha dado origen primero al craqueo tr-mico (1913), de bajo rendimiento para gasolinas y pobre control de la composicin del producto, y pos-teriormente al craqueo cataltico, cuyo desarrollo cons-tituye una historia fascinante de evolucin tecnolgi-ca dentro de la Ingeniera de las reacciones qumicas.

En los aos veinte se desarroll el proceso Houdry, que en 1936 desemboc en la introduccin del cra-queo cataltico industrial. La reaccin de craqueo cata-ltico es endotrmica, y lleva consigo la deposicin de residuos carbonosos sobre la superficie del cataliza-dor, lo que ocasiona una rpida desactivacin. La acti-vidad cataltica puede recuperarse, al menos parcial-mente, mediante combustin de los depsitos carbonosos. Esto debe hacerse con una corriente que contenga un bajo porcentaje de oxgeno, para limitar el incremento de temperatura. El proceso Houdry se llevaba a cabo en tres reactores de lecho fijo que ope-raban en paralelo (figura 1.8), con ciclos de operacin de pocos minutos de duracin. El calor necesario para la reaccin de craqueo se obtena de la etapa de rege-neracin, bien a travs de un sistema de intercambio de calor con sales fundidas, bien usando el propio


lecho cataltico como acumulador de calor en ciclos sucesivos de operacin/regeneracin.

El principal problema con el proceso Houdry era la rpida desactivacin del catalizador, que impeda la operacin en estado estacionario. Enseguida se reco-noci la necesidad de utilizar un proceso con regene-racin continua, lo que implicaba transportar cons-tantemente el catalizador desactivado hacia el regenerador. Hacia 1940, el proceso Thermofor (TCC) constituye un primer paso en esta direccin; utilizaba una lnea de transferencia neumtica para mover el catalizador recin regenerado y caliente hacia el reac-tor de craqueo, desde donde flua por gravedad hacia el regenerador. Este proceso utilizaba partculas rela-tivamente grandes, con bajas velocidades de transfe-rencia de masa y calor, requiriendo elevados reteni-dos de catalizador, lo que a su vez constitua un serio inconveniente de cara a la rapidez de respuesta ante cambios en la alimentacin.

Los primeros reactores de craqueo cataltico en lecho fluidizado (FCC) se introdujeron en 1942, impul-sados por la enorme demanda de gasolina a conse-cuencia de la Segunda Guerra Mundial. Los primeros diseos llevaban a cabo la reaccin de craqueo en un lecho fluidizado denso, donde el catalizador caliente se fluidizaba con la alimentacin vaporizada, y el catali-zador desactivado se transfera a un segundo lecho flui-dizado, donde se regeneraba con aire. En los aos 60, el catalizador utilizado (slice-almina), se sustituy por zeolitas, mucho ms activas, con tamaos de partculas entre unas decenas y unos cientos de micras. Esto per-miti utilizar reactores de transporte neumtico (riser), con altas velocidades del slido y tiempos de contacto con la alimentacin muy cortos (figura 1.8b ). A la sali-da del riser, un proceso de stripping con vapor elimi-naba la mayor parte de los hidrocarburos adsorbidos sobre el catalizador, que era entonces transferido al regenerador, desde donde, una vez regenerado y calien-te, volva al reactor de transporte neumtico.

7 .5.4. Meora de la eficacia mediante la separacin in situ de productos de reaccin: destilacin reactiva [16]

La destilacin con reaccin qumica se ha prac-ticado desde que la destilacin existe, debido a la inevitable presencia de reacciones no deseadas (reac-ciones homogneas autocatalizadas, como esterifica-ciones, transesterificaciones e hidrlisis). Tambin des-


a)

Aire, Vapor de agua, Alimentacin orgnica

b)

Catalizador desactivado

Aire

Cataliz~dor regenerado

Productos a separacin

-.. Reactor de transporte neumtico

Alimentacin orgnica

de los aos veinte, se pens que podra ser beneficio-so combinar reaccin qumica y destilacin en deter-minados casos, aunque no es hasta la dcada de los setenta cuando comienzan a materializarse aplicacio-nes industriales de cierta importancia.

La combinacin reaccin + destilacin puede resul-tar atractiva siempre que una reaccin en fase lqui-da haya de llevarse a cabo con un gran exceso de uno de los reactantes (por ejemplo, para mantener artifi-cialmente baja la concentracin de otros reactantes o productos que puedan sufrir reacciones laterales o para aumentar la conversin por desplazamiento del equilibrio) y tambin cuando, mediante la reaccin que tiene lugar en la columna, resulta posible la des-truccin de azetropos, lo que simplifica considera-blemente la separacin posterior.

Uno de los ejemplos ms conocidos es el de la pro-duccin de acetato de metilo, un producto intermedio en la fabricacin de una amplia variedad de poliste-

FIGURA 1 :8. a) Diseo inicial de reactores para cra-queo cataltico (proceso Houdry); b) Diseo UOP.

res (base de pelcula fotogrfica, acetato de celulosa, acetato Estron para filtros de cigarrillos, plsticos Teni-te de base celulsica, etc.). El esquema convencional de reaccin entre metanol y cido actico, seguido de separacin posterior, presenta problemas: por un lado, las conversiones mximas estn limitadas por el equi-librio de la reaccin; por otro, la separacin se compli-ca por la presencia de los azetropos metanol-acetato de metilo y agua-acetato de metilo. Los procesos con-vencionales utilizan una serie de reactores con gran exceso de uno de los reactantes para cnseguir una alta conversin del otro. Un sistema de separacin con-vencionalllega a necesitar hasta 8 columnas de desti-lacin para resolver la mezcla de productos, en la que estn presentes los cuatro componentes principales: metanol, cido actico, acetato de metilo y agua.

La figura 1.9 presenta un esquema del proceso East-man para la produccin de acetato de metilo utilizan-do una sola columna. La mayor parte de la reaccin

H 2S04 ---.,r~ (Catalizador)

Impurezas

la columna de eliminacin de impurezas

Agua


corrientes intermedias Salida

MeOH lateral H 2S04 HOAc

+ t + + o 1 "' Q) MeOAc/ p.

~ J Q) 'f?_ \MeOH / ';;" 50 -o

/ :; 'Cil o

a o ()

20 40 60 nmero de plato

FIGURA 1.9. Esquema de columna de destilacin reactiva para la produccin de acetato de metilo y perfiles de composicin en la misma (MeOH = metanol, MeOAc =acetato de metilo, HOAc =cido actico).

tiene lugar en la seccin central, por debajo de la entra-da del catalizador (H2S04). La seccin inferior, por debajo de la alimentacin de metano!, se dedica a la separacin metanol-agua, obteniendo agua casi pura como producto de colas. Por encima de la entrada de cido sulfrico, la composicin se enriquece en aceta-to de metilo, que se obtiene con alta pureza como pro-ducto de cabeza. La columna, de hecho, opera como si fuera una planta qumica completa, produciendo 200.000 Tm/ao de acetato de metilo, sin necesidad de purificacin posterior, lo que hace el proceso excep-cionalmente competitivo.

Otro ejemplo muy conocido de aplicacin de desti-'Iacin reactiva es el de la produccin de Metil-terc-butil-ter (MTBE), el aditivo sustituitivo del tetraetilo de plo-mo para aumentar el octanaje de las gasolinas. El MTBE se sintetiza a partir de la reaccin de isobuteno y meta-no!, que es catalizada por una resina cida de intercam-bio inico. En general, el isobuteno viene mezclado con otros productos c4, que son inertes bajo las condiciones de reaccin. En este caso se alimentan reactantes en pro-porciones prximas a las estequiomtricas (hay un lige-ro exceso de metano!), ya que se obtienen con cierta faci-lidad conversiones entre 90 y 95%. El problema aparece en la separacin, donde existen azetropos MTBE-meta-nol e isobuteno-metanol, adems del hecho de que es difcil separar los productos c4 (n-butano y butenos) y

el isobuteno no convertido a causa de sus bajas volatili-dades relativas.

El esquema de destilacin reactiva se muestra en la figura 1.10. La mayor parte de la reaccin (exotrmica) se lleva a cabo en un reactor aparte, lo que facilita el inter-cambio de calor, y la columna se utiliza para completar la reaccin. La corriente de alimentacin a la columna tie-ne una composicin prxima a la de equilibrio de la reac-cin, y se alimenta en la zona de agotamiento, por deba-jo de la seccin reactiva de la columna. El isobuteno no reaccionado en el reactor previo y los productos C4, as como el metano!, se separan del MTBE en la seccin de agotamiento, entrando en la zona reactiva, donde el iso-buteno termina de convertirse. La seccin de rectifica-cin separa los hidrocarburos C4 y el metanol en exceso de los azetropos formados, que vuelven a la zona reac-tiva. De esta manera se obtiene una separacin econ-mica, con alta pureza de MTBE, que se extrae como pro-ducto de colas. Prcticamente todas las nuevas plantas de produccin de MTBE utilizan esta tecnologa.

1.5.5 . . Meora de la selectividad mediante distribucin de reactantes: reactores de membrana [17]

Aunque an no existe un proceso comercial que utilice tecnologa de reactores de membrana, en los


hidrocarburos C4, metano!, isobuteno

hidrocarburos C4, metano!

C4, isobuteno, metano!, MTBE

ltimos aos se ha desarrollado un enorme inters por este tipo de reactores, a medida que los resultados de diferentes laboratorios de investigacin han ido poniendo de manifiesto posibles aplicaciones de los mismos.

Una de stas utiliza membranas cermicas porosas para distribuir oxgeno a un reactor en el que tiene lugar la oxidacin selectiva de hidrocarburos en fase gas, con el objeto de aumentar la selectividad a los productos intermedios de oxidacin. En efecto, si un hidrocarbu-ro A (por ejemplo butano) reacciona con oxgeno para dar un producto de oxidacin selectiva B (por ejemplo anhdrido maleico, o butadieno en el caso de una des-hidrogenacin oxidativa), tambin es posible que ambos, A y B, reaccionen con oxgeno para dar pro-ductos de oxidacin total, CO y C02

En muchas reacciones de oxidacin selectiva se encuentra experimentalmente que mantener una presin parcial de oxgeno suficientemente baja favorece las reac-ciones selectivas (A~ B) frente a las de oxidacin total. Esto plantea un interesante problema en cuanto a la inge-niera del reactor: para obtener conversiones suficiente-mente altas necesitamos oxgeno, que es un reactante, pero al mismo tiempo, una alimentacin con una con-centracin alta de oxgeno produce bajas selectividades. En un reactor de lecho fijo (figura l.lla), la alimentacin de oxgeno se verifica a la entrada del reactor, conjunta-

fiGURA 1.1 O. Esquema del proceso de produccin de MTBE mediante destilacin reactiva.

mente con el hidrocarburo, por lo que alcanzar altas con-versiones y al mismo tiempo mantener una baja concen-tracin de oxgeno son objetivos contradictorios. El pro-blema se resuelve utilizando un reactor con pared porosa (una membrana cermica o metlica), a travs de la cual

a)

A+0 2

b)

A~ B (prod. deseado) 0~ /oz

CO, C02 (prod. no deseados)

Productos -----+

Productos -----+

FIGURA 1.11. Ejemplo de reactor de membrana.

permea el oxgeno. De esta manera, controlando el flujo de permeacin, puede controlarse la concentracin de oxgeno en cualquier punto del lecho cataltico. El reac-tor de membrana no slo proporciona mayores selectivi-dades para una conversin determinada, sino que ade-

Cuestiones y problemas

l. Considerar las reacciones que pueden tener lugar en una cocina domstica, tanto dentro de reci-pientes (oxidacin de alimentos durante la coc-cin) como fuera (combustin de gas butano). Identifquense los reactantes, el modo de contac-to, las condiciones de reaccin. Discutir los pro-blemas de intercambio de calor, materia cantidad de movimiento en los respectivos reactores. Qu puede hacerse, desde la Ingeniera de reactores, para mejorar la eficacia del reactor?

2. El mecanismo ms aceptado para la reaccin de oxidacin de metano a gas de sntesis (2CH4 + 0 2

~ 2CO + 4H2) sobre catalizadores de Ni/Al20 3 describe el proceso como dos etapas sucesivas: en la primera tiene lugar la combustin de metano, agotndose el oxgeno disponible (el oxgeno en este caso es el reactante limitan te), y en la segun-da el proceso se completa con las reacciones endo-trmicas de reformado del metano restante con el C02 y vapor de agua formados. Cuando el proce-so se lleva a cabo en un reactor de lecho fijo, se obtiene una zona de alta temperatura cerca de la entrada del reactor, seguida por una rpida cada de temperatura a medida que se producen las reac-ciones endotrmicas. Discutir otros tipos de reac-tores que permitan transferir de forma ms eficaz el calor desde las zonas donde se libera (reaccio-nes exotrmicas) a aquellas donde se consume.

3. En un reactor de tanque agitado se lleva a cabo la oxidacin de alcoholes en fase lquida, utilizando aire que se borbotea desde el fondo del mismo. Se sospecha que el proceso est controlado por la transferencia de oxgeno desde las burbujas hasta el seno de la fase lquida. Cmo podra compro-barse esta hiptesis? En caso de confirmarse, qu podra hacerse para aumentar la velocidad de reac-cin?

4. Buscar en la bibliografa reciente un artculo en el que se describa un nuevo tipo de reactor o una modificacin importante a un reactor existente. Des-


ms, en reacciones fuertemente exotrmicas como las sealadas, distribuye la generacin de calor de forma ms homognea a lo largo del reactor, lo que reduce la for-macin de puntos calientes y hace la operacin ms con-trolable y segura [17, 18].

cribir de forma resumida (una pgina) el conteni-do del artculo. A qu tipo pertenece? Cules son las caractersticas de la operacin? Discutir la impor-tancia cientfica e industrial del nuevo reactor.

5. Una reaccin de oxidacin fuertemente exotrmi-ca (con un aumento adiabtico de temperatura del orden de 40 oc por cada punto porcentual de aumento en la conversin) se lleva a cabo en un reactor cataltico. Se requieren conversiones eleva-das (> 80% ), y hay que procesar unas 500 Tm/da de alimentacin gaseosa. Discutir posibles opcio-nes en cuanto al tipo de reactor/modo de operacin en estado estacionario y en estado no estacionario.

6. En algunas reaccines de fermentacin (por ejem-plo en la fermentacin alcohlica), el producto de reaccin inhibe la reaccin, de manera que por encima de una cierta concentracin de producto el proceso se detiene. En presencia de microorga-nismos activos, A (reactante) ~ rR (producto)+ cC (biomasa, es decir, ms micro- organismos). La velocidad de reaccin viene dada, de una mane-ra general, por [ 6]

donde k1 y k2 son constantes, y C'k es la concen-tracin de R a la cual la reaccin se detiene. Cmo podra operarse (tipo de reactor, modo de opera-cin) para llegar a conversiones ms altas a pesar de la inhibicin por el producto?

7. Se ha sugerido un nuevo

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