reactores de lecho percolador (trickle...

Dr. Rogelio Cuevas García

Reactores CatalíticosReactores trickle bed 1

REACTORES DE LECHO PERCOLADOR(TRICKLE-BED REACTOR)(TRICKLE-BED REACTOR)

Reactores CatalíticosDr Rogelio Cuevas GarcíaDr. Rogelio Cuevas García

REACTORES DE TRES FASES

Se puede considerar al reactor de lecho percolador como un tipo de reactor de cama fija operando en tres fases solido(catalizador)-líquido-gas g

Sistemas de reactores que operan en tres fases: (a) Reactor de lecho percolador. (b) Reactor de flujo inundado, (c) Reactor de lecho percolador en contra corriente.



USO DEL LOS REACTORES TRICKLE-BED

Usos el reactor trickle-bed tiene amplio uso en la refinería porejemplo:j pHDT (hidrotratamiento) de nafta y gasóleos pesados.Hidrocraqueo.Hidrofinishing de aceites lubricantes.

En los reactores de HDT, las altas presiones mantienen parte dela corriente de alimentación en fase líquida, la fase gas estaformada por el H2 y parte ligera del corte y el catalizadorpermanece en una cama fija.

Los sistemas de reactores sólido-líquido-gas se utilizan en reaccionesrelativamente lentas donde se requiere una gran cantidad de catalizador.

V j

USO DEL LOS REACTORES TRICKLE-BED

Ventajas:1. Separación fácil del solido de los productos de reacción2. Operación continua3. Permite operar a altas presiones y con relaciones L/D altas.4. Se pueden alcanzar altas conversiones porque el comportamiento del

gas y del líquido se aproximan bastante al flujo pistón

Desventajas:1 Bajos factores de efectividad1. Bajos factores de efectividad2. Bajos coeficientes de transferencia de masa L-G3. Mojados del catalizador incompletos y cambios en la distribución del gas

y liquido, llevan a la dificultad del escalado del reactor.



Representación esquemática del tipo de flujo que se presenta en un reactortrickle -bed

1) Región de flujo de gas continuo o región trickle-bed: la velocidad deflujo de gas y líquido es baja. La fase gas es continua y el líquido forma unacapa delgada sobre el catalizador.

TIPOS DE FLUJO EN EL REACTOR TRICKLE BED

2) Región de Flujo pulsado: Al aumentar la velocidad de gas o líquido, elflujo empieza a cambiar, se forman pulsaciones (zonas de fase continuasde líquido seguidas de zonas de gas). A mayores flujos se extienden zonasque ocupan la totalidad del diámetro del reactor en pequeñas columnas (seha determinado que las pulsaciones tiene flujos de 2-6 segundos). A flujosde gas bajos y líquidos altos se forma una fase continua de liquido ypequeñas burbujas de gas.

3) Región de espray. Cuando el flujo de gas es alto y del liquido bajo. Elliquido es arrancado del sólido y forma pequeñas gotas de líquido.



TIPOS DE FLUJO EN EL REACTOR TRICKLE BED

G Tosun. Ind Eng Chem Process Des Dev (1984), 23,35.

Mapa de tipo de flujo obtenida por Tosun para varias mezclas líquido-gas

Weekman y cols han establecido correlaciones* para la caída de presión enreactores co-corriente gas-líquido.Primero se calcula la caída de presión para cada fase utilizando la ecuación deÉ d é l l l l á t ( )

CAÍDA DE PRESIÓN EN REACTORES TRICKE BED

Érgun; después con esos valores se calcula el parámetro (χ)

Con este parámetro se determina la caída de presión relativa al líquido delsistema gas-líquido, a partir de correlaciones empíricas del tipo:

En especifico se utiliza la propuesta por Tosun**, realizada con un análisis deregresión

*VW Weekman Jr, JE Myers. AIChE J, (1964) 10, 951, **G Tosun. Ind Eng Chem Process Des Dev, (1984), 23,29.



Los errores típicos se encuentran de hasta 18%; pero se ha establecido que el la determinación de ΔP, pueden presentarse mayores errores.

L l ió i ú il d d l d 1 CLa correlación anterior es útil dentro de valores de χ entre 1 y 5. Con estos valores se alcanza un ΔP hasta 25 veces mayor que la que se presentaría en el flujo de líquido solo.

Es posible encontrar mejores correlaciones basadas en la retención del líquido.

Retención de líquido

La retención de líquidos se expresa como:

volumen de líquido retenido/ volumen de qcama catalítica

Retención de líquido total (ht) =retención de liquido estática (hs) +retención dinámica (hd)

hs formada por las regiones de líquido estáticas (externas) + los poros inundados de líquido (interna)



Como regla general

• La retención de líquidos dentro de los poros es una fracción del volumentotal de poros. Por ejemplo: para volúmenes de poro de entre (0.3-0.6) sep j p p p ( )tendría una retención interna de (0.3-0.6)*0.6 o alrededor de 0.2-0.3.

• La retención externa estática es función del diámetro de la partícula:•Partículas de 0.3 cm de diámetro tienen una retención estática externade 0.03-0.09.•Partículas de 0.05-0.10 cm presentan una retención estática externade 0.1.

L t ió di á i f ió d•La retención dinámica es función de•tamaño de partícula•Velocidad de flujo (aprox. L1/3)•Propiedades del líquido (en especial la viscosidad).

•Aparentemente la fase gas no tiene efecto alguno sobre la retención;excepto a flujos de gas altos.

Retención dinamica de liquidos

Agua en perlas de vidrio(29) dP=0.48 cm(30) dP=0.41 cm

0 7 0 8L0.7-0.8

Agua en partículas porosas se catalizador(31) DP=0.48L0.5

(32) DP=0.054 cm CuO/ZnOL1/3

Partículas de catalizador.(33) DP=0.071 Al2O3 en n-hexano



Perfiles de concentración obtenidos en unapartícula de catalizador totalmente mojada.

Los poros están completamente llenos delíquido Los perfiles pueden considerarse

Influencia del mojado de la partícula de catalizador

líquido. Los perfiles pueden considerarsesimétricos y la velocidad de reacción puedeestudiarse de la velocidad intrínseca y el modulode Thiele.

La concentración del gas (H2) en el líquido esuna función de la presión parcial (PH2), a travésde la ley de Henry

PH2=yH2PTPH2 yH2PTPH2=xH2PLH2

PH2=Presión parcial de hidrógeno fase gas.PLH2Presión parcial de hidrógeno fase LíquidayH2=Fracción molar (en fase gas) del hidrógeno.xH2=Fracción molar (en fase líquida) delhidrógeno

Perfiles de concentración en uncatalizador parcialmente mojado


catalizador parcialmente mojado

Las partículas de catalizador tienen losporos llenos de líquido; por lo tanto elreactivo B puede difundirse hasta ellado “seco”; sin embargo, en la parteseca del catalizador, la concentraciónde B es relativamente baja y por lo tantola efectividad del catalizador es baja enesta zona.En el caso de una reacción rápida laconcentración de B llega prácticamentea cero en el lado “seco”



Cuando se opera en el régimen de lecho percolador (trickle bed), solo partede la superficie del catalizador esta mojada


de la superficie del catalizador esta mojada.

En estas condiciones se asume que solo parte del catalizador es activo

Sin embargo, no es del todo correcto suponer que la actividad es unafunción de la superficie mojada; se ha tratado de obtener correlacionesbasadas en la fracción de área húmeda respecto al área total (aw/at) pero nose ha obtenido éxito.

Como ya se vio las condiciones de mojado no son iguales para particulaspequeñas respecto a partículas de mayor tamaño.

Calculo de coeficientes de transferencia

Aunque la predicción de los coeficientes de transferencia es compleja; sinembargo es posible realizar simplificaciones para determinarlos. Dentro deestas tenemos.

•La capa de líquido esta esencialmente estancada•La capa de liquido formada es muy delgada y•La resistencia a la trasferencia de masa externa a esta capa es pequeña

En estas condiciones la teoría de trasferencia de masa en una capa simple essuficiente.

Por otra parte la transferencia de gas implica dos etapas en seriePor otra parte, la transferencia de gas implica dos etapas en serie.1) Transferencia de masa en la capa de líquido2) La trasferencia de masa dentro del catalizador hasta el sitio activo.



El coeficiente de transferencia de masa del gas; por ejemplo, hidrogeno es:

2HgL

Dk

z=

z

z: representa el espesor promedio de la capa de líquido y se debe calcularutilizando la retención dinámica de fluido y el área mojada.

Para el reactivo líquido, B, y dado que este ya se encuentra en el líquido, ladistancia de difusión seria la mitad (z/2) y entonces.

2D2 BlB

Dkz

=

Se estima que DH2 es mayor que DB y entonces kgl=klB

Uno de los procesos que utilizan el reactor de lecho percolador es elhidrotratamiento.

•El proceso consiste básicamente en poner en contacto una corriente con

Modelos de reactores trickle bed

contenido de azufre e hidrogeno con un catalizador CoMo o NiMo soportadosen alumina



MODELOS DE REACTORES TRICKLE BED

•La corriente circula, generalmente, en sentido descendente a través de lacama catalítica.•Los componentes más ligeros se vaporizan debido a la alta temperatura, losmás pesados se mantienen como líquidomás pesados se mantienen como líquido.•La proporción de corrientes vaporizadas también depende de la presión.Además. La reacción es netamente exotérmica y entonces es posible quetambién se presente vaporización in situ

El ingeniero de diseño de este proceso tiene varios retos.1. Reacción en tres fases2. Descripción de los patrones de líquidoesc pc ó de os pat o es de qu do3. Distribución de los componentes en cada fase4. Cinética del proceso.


En especifico para la HDS se ha identificado un orden de reacción de primerorden para cada reactivo

10

100

% azufre sin reaccion

ar

DBT T1

DBT T2

0.1

1

S/S 0

1

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

LHSV, hr‐1

3MDBT

Velocidad de desulfurización de doscompuestos de azufe, T1=288 °C P=15 atmFrye et. al Chem Eng Prog,(1967), 63, 66

Desulfuracion de VGO a dos niveles deactividad (T 14°C mayor) R.R. Cecil et.alAIChE meet. Los Angeles .1968

0.01

0 0.5 1 1.5 2 2.5

LHSV, hr‐1





Si se tiene al catalizador completamente mojado, el modelo más simplees:Considerar que el reactor se comporta como un reactor de lujo pistón.

Entonces, la ecuación de diseño es simplemente:Entonces, la ecuación de diseño es simplemente:

Considerando la reacción de primer orden y que se presentanproblemas de transferencia de masa interna:

Llamando kap al coeficiente cinético que incluye lo problemas de

0 ( )AFC dX R dW= −

0( ) (1 )A AR kC Xη− = −

ptransporte y las condiciones de mojado del catalizador, esto es:

Volviendo a la ecuación de diseño, se tiene la ecuación a resolver:

apk kη=




0 0 0 (1 )

(1 )

apF C dX k C X dW

W dXdF k X

= −

=

( )

( )

0

0 0

(1 )

1ln1

1 ln1

ap

p ap pap ap w ap p

ap p

dF k X

V kW k k kX F F LHSV

kX LHSV

ρ ρτ ρ

ρ

−

⎡ ⎤ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞= = = =⎢ ⎥ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟− ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦⎡ ⎤

=⎢ ⎥−⎣ ⎦


Para explicar las desviaciones se hanutilizado las siguientes razones:

•Con el flujo de líquido cambian lascondiciones de mojado, disminuyendoel área de mojado.

•El orden de reacción es mayor a uno.

•Existe una distribución dereactividades de los compuestos de

fazufre.




Con base en lo anterior una de las primeras correcciones fue simplementeque se asume una dependencia simple con una potencia del flujo de líquido;esto es:

' napk k L=

Y que existe una dependencia fraccional del LHSV, con estas correcciones enla ecuación anterior:

Frye y Mosby presentan una función que incluye las posibles expresionesLHHW

( ) 1

1ln1

nap p

n

k LX LHSV

ρ−

⎡ ⎤=⎢ ⎥−⎣ ⎦

0 HkP PX

C.G. Frye, J.F. Mosby Chem Eng Prog, (1967), 63, 66

( )20

1

ln

1 ( / ) / 1

Hnn

T ii

X zX

L F F G L P P I=

=⎡ ⎤⎛ ⎞− + + +⎢ ⎥⎜ ⎟

⎝ ⎠⎢ ⎥⎣ ⎦∑

P=presión de vapor del líquido.G=velocidad másica ρu fase gas.

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