Reactor de lecho fluidizado

Un reactor de lecho fluidizado (FBR) es un tipo de dispositivo de reactor que se puede usar para llevar a cabo una variedad de reacciones químicas multifásicas. En este tipo de reactor, se pasa un fluido (gas o líquido) a través de un material granular sólido (generalmente un catalizador posiblemente en forma de esferas pequeñas) a velocidades suficientemente altas para suspender el sólido y hacer que se comporte como si fuera un fluido. Este proceso, conocido como fluidización, imparte muchas ventajas importantes a la FBR. Como resultado, el reactor de lecho fluidizado ahora se usa en muchas aplicaciones industriales.

Diagrama básico de un reactor de lecho fluidizado

Principios básicos

El sustrato sólido (el material catalítico sobre el que reaccionan las especies químicas) del material en el reactor de lecho fluidizado suele estar soportado por una placa porosa, conocida como distribuidor.[1] El fluido es forzado a través del distribuidor hacia arriba a través del material sólido. A velocidades más bajas del fluido, los sólidos permanecen en su lugar a medida que el fluido pasa a través de los vacíos en el material. Esto se conoce como un reactor de lecho empacado. A medida que aumenta la velocidad del fluido, el reactor alcanzará una etapa en la que la fuerza del fluido sobre los sólidos es suficiente para equilibrar el peso del material sólido. Esta etapa se conoce como fluidización incipiente y se produce a esta velocidad mínima de fluidización. Una vez que se sobrepasa esta velocidad mínima, el contenido del lecho del reactor comienza a expandirse y girar alrededor como un tanque agitado o una olla de agua en ebullición. El reactor es ahora un lecho fluidizado. Dependiendo de las condiciones de operación y las propiedades de la fase sólida, se pueden observar varios regímenes de flujo en este reactor.

Historia y usos actuales

Los reactores de lecho fluidizado son una herramienta relativamente nueva en el campo de la ingeniería química. El primer generador de gas de lecho fluidizado fue desarrollado por Fritz Winkler en Alemania en la década de 1920. [2] Uno de los primeros reactores de lecho fluidizado de los Estados Unidos utilizados en la industria del petróleo fue la Unidad de craqueo catalítico, creada en Baton Rouge, LA en 1942 por la Standard Oil Company de Nueva Jersey (ahora ExxonMobil).[3] Este FBR y los muchos a seguir fueron desarrollados para las industrias petrolera y petroquímica. Aquí se utilizaron catalizadores para reducir el petróleo a compuestos más simples a través de un proceso conocido como craqueo. La invención de esta tecnología hizo posible aumentar significativamente la producción de varios combustibles en los Estados Unidos.[4]

Hoy en día, los reactores de lecho fluidizado todavía se utilizan para producir gasolina y otros combustibles, junto con muchos otros productos químicos. Muchos polímeros producidos industrialmente se fabrican utilizando tecnología FBR, como caucho, cloruro de vinilo, polietileno, estirenos y polipropileno.[5] Varios servicios públicos también utilizan FBR para la gasificación de carbón, plantas de energía nuclear y entornos de tratamiento de agua y desechos. Utilizados en estas aplicaciones, los reactores de lecho fluidizado permiten un proceso más limpio y eficiente que las tecnologías de reactor estándar anteriores.[4]

Ventajas

El aumento en el uso del reactor de lecho fluidizado en el mundo industrial de hoy se debe en gran parte a las ventajas inherentes de la tecnología.[6]

  • Mezcla uniforme de partículas: debido al comportamiento intrínseco del fluido del material sólido, los lechos fluidizados no experimentan una mezcla pobre como en los lechos empacados. Esta mezcla completa permite un producto uniforme que a menudo puede ser difícil de lograr en otros diseños de reactores. La eliminación de los gradientes de concentración radial y axial también permite un mejor contacto fluido-sólido, que es esencial para la eficiencia y la calidad de la reacción.
  • Gradientes de temperatura uniformes: muchas reacciones químicas requieren la adición o eliminación de calor. Los puntos calientes o fríos locales dentro del lecho de reacción, a menudo un problema en los lechos empacados, se evitan en una situación de fluidificación, como una FBR. En otros tipos de reactores, estas diferencias locales de temperatura, especialmente los puntos calientes, pueden resultar en la degradación del producto. Por lo tanto, los FBR son muy adecuados para las reacciones exotérmicas. Los investigadores también han aprendido que los coeficientes de transferencia de calor del lecho a la superficie para los FBR son altos.
  • Capacidad para operar el reactor en estado continuo: la naturaleza del lecho fluidizado de estos reactores permite la capacidad de extraer continuamente el producto e introducir nuevos reactivos en el recipiente de reacción. El funcionamiento en un estado de proceso continuo permite a los fabricantes producir sus diversos productos de manera más eficiente debido a la eliminación de las condiciones de inicio en los procesos por lotes .

Desventajas

Como en cualquier diseño, el reactor de lecho fluidizado tiene inconvenientes, que cualquier diseñador de reactor debe tener en cuenta.[6]

  • Aumento del tamaño del recipiente del reactor: debido a la expansión de los materiales del lecho en el reactor, a menudo se requiere un recipiente más grande que el de un reactor de lecho lleno. Este barco más grande significa que se debe gastar más en los costos de capital iniciales
  • Requisitos de bombeo y caída de presión: El requisito de que el fluido suspenda el material sólido requiere que se alcance una mayor velocidad del fluido en el reactor. Para lograr esto, se necesita más potencia de bombeo y, por lo tanto, mayores costos de energía. Además, la caída de presión asociada con las camas profundas también requiere un poder de bombeo adicional.
  • Arrastre de partículas: las altas velocidades del gas presentes en este tipo de reactor a menudo dan como resultado partículas finas que son arrastradas por el fluido. Estas partículas capturadas se sacan del reactor con el fluido, donde deben separarse. Este puede ser un problema muy difícil y costoso de abordar según el diseño y la función del reactor. A menudo, esto puede seguir siendo un problema incluso con otras tecnologías de reducción de arrastre.
  • Falta de comprensión actual: la comprensión actual del comportamiento real de los materiales en un lecho fluidizado es bastante limitada. Es muy difícil predecir y calcular la masa compleja y los flujos de calor dentro de la cama. Debido a esta falta de comprensión, se requiere una planta piloto para nuevos procesos. Incluso con plantas piloto, la ampliación puede ser muy difícil y puede no reflejar lo que se experimentó en la prueba piloto.
  • Erosión de los componentes internos: el comportamiento similar a un fluido de las partículas sólidas finas dentro del lecho eventualmente causa el desgaste del recipiente del reactor. Esto puede requerir un mantenimiento costoso y mantenimiento para el recipiente de reacción y las tuberías.
  • Escenarios de pérdida de presión: si la presión de fluidización se pierde repentinamente, la superficie del lecho puede reducirse repentinamente. Esto puede ser un inconveniente (por ejemplo, dificultar el reinicio de la cama) o puede tener implicaciones más graves, como reacciones fuera de control (por ejemplo, para reacciones exotérmicas en las que la transferencia de calor se restringe repentinamente).

Investigaciones actuales y tendencias

Debido a las ventajas de los reactores de lecho fluidizado, se dedica una gran cantidad de investigación a esta tecnología. La mayoría de las investigaciones actuales tienen como objetivo cuantificar y explicar el comportamiento de las interacciones de fase en la cama. Los temas de investigación específicos incluyen distribuciones de tamaño de partículas, diversos coeficientes de transferencia, interacciones de fase, efectos de velocidad y presión, y modelado por computadora.[7] El objetivo de esta investigación es producir modelos más precisos de los movimientos internos y los fenómenos de la cama.[8] Esto permitirá a los ingenieros químicos diseñar reactores mejores y más eficientes que puedan enfrentar efectivamente las desventajas actuales de la tecnología y expandir el rango de uso de FBR.

Véase también

Referencias
  1. Howard, JR (1989).
  2. Tavoulareas, S. (1991.
  3. «First Commercial Fluid Bed Reactor». National Historic Chemical Landmarks. American Chemical Society. Consultado el 21 de febrero de 2014.
  4. Thornhill, D. «The Fluidized Bed Reactor Page». Consultado el 13 de febrero de 2007.
  5. Polypropylene Production via Gas Phase Process, Technology Economics Program. Intratec Solutions. 2012. ISBN 978-0-615-66694-5.
  6. Trambouze, P., y Euzen, J. (2004).
  7. Arastoopour, H. (ed.). (1998).
  8. Abbasi, Mohammad Reza; Shamiri, Ahmad; Hussain, M.A. «Dynamic modeling and Molecular Weight Distribution of ethylene copolymerization in an industrial gas-phase Fluidized-Bed Reactor». Advanced Powder Technology 27 (4): 1526-1538. doi:10.1016/j.apt.2016.05.014.
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