escalado de reactores quimicos

8/15/2019 Escalado de Reactores Quimicos

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ESCALADO DE REACTORES QUIMICOS

Las presiones competitivas en la industria química y en la biotecnológica hacencada vez más necesario contar con procedimientos que permitan escalar lo másrápido y directo posible, desde los laboratorios de investigación y desarrollo. para

poder acortar el tiempo que transcurre entre la concepción de un nuevo proceso yla puesta en marcha de la planta correspondiente, a escala industrial.

1. Escalado y innovación de procesos

Vamos a centrarnos en los conocimientos técnicos y las herramientas que senecesitan para cambiar una invención en una verdadera innovación. La atenciónde los negocios quimicos deben prestarse más a la innovación de los procesos yno a la invención de nuevos productos.

Desde este punto de vista, el estudio y el desarrollo de nuevos reactores, queson capaces de convertir la materia prima en productos con alta conversión yselectividad, juegan un papel importante en la innovación de la empresaquímica.

1.1. Principales pro le!as en el escalado de reac"ores

l escalado de los reactores es una tarea importante para los ingenierosquímicos y es el paso !undamental en la reali"ación y optimi"ación de plantasindustriales.

l término #ampliar# por lo general se e$plica como #la !orma de dise%ar unreactor piloto industrial capa" de replicarse a través de una metodologíaestándar de los resultados obtenidos en el laboratorio#.

sta es una de&nición limitante, ya que la e$periencia ha demostrado que enrealidad no e$iste una !orma estándar a través de la innovación de procesos' losprocesos de producción actuales son el resultado de decisiones e$itosas, y, aveces de muchos errores.

Las ra"ones son muchas'

• Los datos cinéticos son peculiares al sistema reactivo. ( menudo, lacinética está enmarcada por !enómenos de transporte y la dinámica de

)uidos, hasta el punto de que a veces no tienen relevancia para elproceso.

• Las tecnologías a escala industrial rara ve" se relacionan con equipos delaboratorio, incluso si la industria está llena de equipos de laboratorioampliado.

• Di!erentes aparatos son posibles para la misma reacción y las reaccionespueden llevarse a cabo en di!erentes !ases' columnas de solución,



suspensión, camas &jas, camas goteo, lechos )uidi"ados, destilación ye$tracción.

• otras cuestiones, a menudo ignoradas en el trabajo de desarrollo, talescomo impure"as, el envejecimiento de los catali"adores, corrosión,incrustaciones, la seguridad y los aspectos ambientales pueden

representar un riesgo importante para el é$ito.#. Escala y !odelado

(mpliar es la capacidad de descubrir las normas cuantitativas que describen el!uncionamiento de un reactor químico en di!erentes escalas, las condiciones de!uncionamiento y con di!erentes tecnologías de reacción.

*or lo tanto, no sólo implica la capacidad de dise%ar y operar grandes plantas,sino también la habilidad de desarrollar tecnologías de reacción nuevos y máse&caces para llegar a ser el costo y la calidad del producto competitivo y deconocer los aspectos ambientales.

+ig. representa los elementos clave a tener en cuenta en la reali"ación deeste trabajo. -o todas las herramientas son, en principio, para ser siempretenidas en cuenta y, a menudo la selección se ve obligado por la disponibilidadde la in!ormación y sistemas.

. . /odelación matemática



La aplicación de las computadoras para el análisis de procesos químicos hasido aceptada como una herramienta básica para la ampliación. (parte de lasdi!erentes actitudes pro!esionales y las tareas, una base com0n de todos losingenieros químicos es el cálculo y la aplicación de los principios deconservación de materia y energía, que es el marco de la modeli"ación

matemática.jemplos de balances son los siguientes'

#.1.1. $l%&o de pis"ón Ideal

+ig. . squema del reactor de )ujo pistón ideal, con )uido a contracorrientecon camisa de calentamiento.

+ig. 1. squema de tanque agitado continuo con camisa de calentamiento.



. .1. 2ascadas de 2345 6+ig. 78

. .7. 5eactores con dinámicas complejas de )uidos 6isotérmicas8 6+ig. 98

cuaciones de balance de masas

Volumen

Volumen i

Volumen n

+ig. 7. squema de la cascada 2345



+ig. 9. La notación para un reactor de modelado como una serie de celdasunitarias..



#.#. Modelos de din'!ica de (%idos

Los modelos más simples dan algunas correlaciones en términos de n0merosadimensionales.

Donde - y D son la velocidad de rotación y el diámetro del impulsor y p ladensidad del )uido



+ig. :. tanque agitado con un impulsor de seis palas y cuatro de)ectoresverticales.

). Reac"ores *e"ero+,neos en -ase +aseosa

5eacciones en !ase gaseosa catalíticos son los más populares para laproducción de productos petroquímicos y grandes intermediarios de volumen.

La ecuación de velocidad de reacción rara ve" se conoce incluso para lasreacciones más e$perimentados.

).1.1.1. Reac"ores e peri!en"ales . $perimentos cinéticos se llevan a cabogeneralmente en reactores individuales isotérmicas tubular pase incluso siotros tipos de reactores se pueden utili"ar 6+ig. ;8. *ara mantener lainterpretación lo más simple posible se considera que el )ujo esta

per!ectamente ordenado con velocidad uni!orme.



+ig. ;. Varios tiposde reactorese$perimentales. 6a8reactor tubular, 6b8

reactor tubular conreciclado, 6c8 reactorcesta de hilado y 6d8reactor conreciclado interno.

1. . . . (nálisis de e$perimentos. 3i el reactor está dise%ado y operado demanera integral y isotérmica, es decir, con relativamente altas conversiones,las ecuaciones de balance son muy simples'

).1.1.). Modelando el reac"or ind%s"rial.



La disponibilidad de un modelo cinético es el punto de partida para laampliación del laboratorio a reactores industriales. La !orma industrial puedeser sin embargo muy larga.

Varios puntos tienen que ser tenidos en cuenta'

• en primer lugar la selección de la tecnología' multitubular, de m0ltiplescapas adiabática, en movimiento o lecho )uidi"ado<

• si los !enómenos inter e intra de di!usión de partículas son relevantes,deben ser incluidos en el cálculo<

• el patrón de )ujo en el lecho poroso debe ser cuidadosamenteinvestigada<

• envejecimiento del catali"ador y la estabilidad del sistema han de sere$aminados en vista de la operación de la planta.

/. Reac"ores li0%idos de +as

=ay muchos ejemplos de reacciones entre gases y líquidos en la industria.stos procesos se llevan a cabo en una variedad de equipos que van desde

absorbedores de burbujear, a columnas de relleno o de placa, para autoclavesde agitación, para transportar o reactores de bucle de chorro.

La importancia de la tecnología en relación con el rendimiento del reactor se hamenudo pasado por alto y esto es en muchos casos la ra"ón de las actuacionesdel proceso pobres.

/.1. Selección de %n I!p%lsor a escala de %na poli!eri ación ene!%lsión

La polimeri"ación en emulsión de un monómero gaseoso para producir unproducto comercial valioso es un problema complejo desde muchos puntos devista.

3i se quiere pro!undi"ar en todos los !enómenos elementales involucrados, unose en!renta a una combinación de problemas en la mecánica de )uidos, dedi!usión turbulenta, la cinética química, crecimiento de partículas, en inter!asey calor intraphase y de trans!erencia de masa, y así sucesivamente.

/.1.1. Plan"ea!ien"o del pro le!a

La polimeri"ación en emulsión se lleva a cabo en reactores agitados sinde)ector.



Las instalaciones industriales incluyen un piloto de 9> de autoclave, cuyoobjetivo es probar diversas recetas de polimeri"ación, e$perimentandodi!erentes condiciones del proceso y el desarrollo de nuevos productos.

3obre la base de estas observaciones simples el estudio se centró en lose!ectos de dinámica de )uidos sobre la estabilidad de la emulsión y laproductividad del reactor.

?n dispositivo de agitación tuvo que ser estudiado con un ci"allamiento bajo enla emulsión para la estabilidad y adecuado para ser !ácilmente ampliado desdeel piloto al autoclave industrial para la productividad.

/.1.1.1. Concep"os 'sicos

n términos generales, para una reacción gas@líquido la velocidad de reacciónglobal 6cinética de macro8 se debe a dos procesos combinados'

A di!usión del reactivo gaseoso dentro de la !ase líquida 6trans!erencia demasa8'

A 5eacción en la !ase líquida 6cinética micro8.

l primer paso está !uertemente in)uenciado por la dinámica de )uidos,mientras que la cinética micro dependen sólo de las variables de estado local.

4res regímenes pueden considerarse'

A cinéticas muy lentas, donde la velocidad de reacción química esdeterminante de la velocidad<

A velocidad de reacción rápida donde la di!usión controla la tasa global<

A reacción muy rápido en el que de trans!erencia de material se incrementadebido a la reacción química en el

"ona de di!usión.

/.1.#. Modelo din'!ico de (%ido

/.1.#.1. Di!ensión 2or"e . n un reactor agitado sin de)ectores lasuper&cie del líquido no es plano sino que asume la !orma de un vórtice cono.



+ig. :. 5eactor esquema y de&nición de los símbolos.

l modelo supone para la velocidad tangencial de las siguientes e$presiones''



donde B es la velocidad angular del agitador, rc es un radio característico y r5es el radio del recipiente.

2on los símbolos de la &g. : se obtienen las siguientes ecuaciones'

La conservación del volumen de líquido da una ecuación para la pro!undidad devórtice Li,'

y para la altura de vórtice'

n el caso de un vórtice estable el área de inter!ase puede ser !ácilmentecalculada por la siguiente e$presión'



3. Tecnolo+4as de reacción y de separación

3.1.1.1. Des"ilación con reacción 0%4!ica .

Destilación con reacción es una práctica industrial cuando las reacciones debenser promovidas por la separación de estado estable contemporánea de uno omás productos, con el &n de mejorar la productividad. La aplicación máspopular de esta tecnología es la síntesis de /4C de isobutileno y metanol.

3.#. La "er!odin'!ica de la reacción y las propiedades -4sico50%4!icas

sto es un ejemplo muy particular, cuando el vapor de equilibrio líquido seutili"an con el &n de promover la conversión de la reacción en una medidaeconómica.

La reacción ( CE 2 D, que tiene lugar en la !ase líquida, es ligeramenteendotérmica e in)uenciados de manera espectacular por el equilibriotermodinámico' el valor de la constante de equilibrio es del orden de > a Lareacción es activado por un catali"ador volátil homogénea, no diluido en un 9@

>F de un disolvente inerte 6G8.



3.). El sis"e!a de reacción

l objetivo de la utili"ación de una columna de destilación es in)uir en elequilibrio al alcan"ar un nivel muy bajo del producto 2, lo que aumenta laconcentración del producto D.

sto se puede conseguir por e$tracción de producto 2 con lu" reactante ( en laparte in!erior de la columna.

l sistema industrial investigado se representa en la +ig. 1:.

La reacción química tiene lugar sólo en las bandejas por debajo de laalimentación de los reactivos ( y C, que contiene el catali"ador no volátil.



3./. Modelación !a"e!'"ica y op"i!i ación

l modelado matemático de destilación con reacciones se basa en la solucióndel sistema global de ecuaciones algebraicas para todas las bandejas de lacolumna.

l conjunto de la ecuación para la bandeja i es la siguiente'

Calance de energía.

+ase de equilibrio.

quilibrio quimico

2inetica química

*ara las bandejas no reactivos, se utili"a la ecuación trivial H r E >.

l n0mero total de ecuaciones es 6 -2 -58 -* y es igual al n0mero devariables que es el resto de parámetros del sistema, tales como la presión dela bandeja, bandeja de alimentación composiciones y temperaturas, y la masade la bandeja y los retiros de calor *or lo general, el condensador y rehervidoren las ecuaciones de balance de calor son sustituidos por dos ecuaciones de



restricción compatibles para ser elegido entre la tasa total del destilado de)ujo, y velocidad de re)ujo del hervidor o la temperatura del condensador.

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