Ventajas, desventajas y ámbitos de aplicación de los lechos fijos, móviles y en ebullición

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Todo el contenido que sigue proviene de Internet y no conlleva responsabilidad legal. Lecho fijo: El reactor de lecho fijo, también conocido como reactor de lecho cargado, es un tipo de reactor en el que se utilizan catalizadores sólidos o reactivos sólidos para llevar a cabo procesos de reacción multipolar. Los sólidos suelen presentarse en forma de granulos, con un diámetro de 2 a 15 mm aproximadamente. Estos granulos se acumulan formando capas de cierta altura (o espesor). La capa de lecho permanece inmóvil, y el fluido pasa a través de ella para que se produzca la reacción. Su diferencia con los reactores de lecho fluidizado y los reactores de lecho móvil es que las partículas sólidas permanecen en estado estacionario. Los reactores de lecho fijo se utilizan principalmente para llevar a cabo reacciones catalíticas entre fases gaseosas y sólidas, como en las torres de síntesis de amoníaco, los oxidadores por contacto de dióxido de azufre y los convertidores de vapor de hidrocarburos. Cuando se utilizan en reacciones no catalíticas entre fases gas-sólido o líquido-sólido, la capa de reacción está rellena con el reactante sólido. El reactor de lecho de flujo laminar también puede considerarse un reactor de lecho fijo, donde las fases gaseosa y líquida fluyen en paralelo hacia abajo a través del lecho, lo que permite el contacto entre las fases gaseosa, líquida y sólida. 1. Clasificación: Los reactores de lecho fijo tienen tres formas básicas: ① Reactor de lecho fijo aislado axialmente. El fluido fluye axialmente de arriba hacia abajo a través del lecho, sin intercambio térmico con el exterior. ②Reactor de lecho fijo adiabático radial. El fluido fluye radialmente a través de la capa de lecho; se puede utilizar un flujo centrífugo o un flujo centrípeto. No hay intercambio térmico entre la capa de lecho y el entorno exterior. En comparación con los reactores axiales, en los reactores radiales la distancia que recorre el fluido es menor, el área de sección transversal del flujo es mayor y la caída de presión del fluido es menor. Pero la estructura del reactor radial es más compleja que la del reactor axial. Ambas formas pertenecen a los reactores aislados térmicamente, y son adecuados para aquellos casos en los que el efecto térmico de la reacción no es muy grande, o bien cuando el sistema de reacción puede soportar los cambios de temperatura causados por dicho efecto térmico en condiciones aisladas. ③Reactor de lecho fijo con tubos. Está compuesto por varias tuberías de reacción conectadas en paralelo. Se colocan catalizadores dentro o entre los tubos; el medio portador de calor fluye entre o dentro de los tubos para efectuar la calefacción o refrigeración. El diámetro de los tubos suele estar entre 25 y 50 mm, y puede haber hasta miles de tubos en total. Los reactores de lecho fijo con tubos son adecuados para reacciones que presentan un gran efecto de calor de reacción. Además, existen reactores formados por la combinación en serie de las formas básicas mencionadas anteriormente; a estos se les denomina reactores de lecho fijo multietapa. Por ejemplo: cuando el efecto térmico de la reacción es grande o es necesario controlar la temperatura en etapas, se pueden conectar varios reactores aislados en serie para formar reactores de lecho fijo aislados de múltiples etapas. Entre los reactores se colocan intercambiadores de calor o se añaden materiales para regular la temperatura, con el fin de operar en condiciones cercanas a las óptimas. 2. Características: Las ventajas del reactor de lecho fijo son: ① Baja mezcla inversa, lo que permite un contacto eficaz entre el fluido y el catalizador; cuando la reacción va acompañada de reacciones secundarias en serie, se puede lograr una mayor selectividad. ②El desgaste mecánico del catalizador es bajo. ③Estructura simple. Las desventajas del reactor de lecho fijo son: ① mala transferencia de calor; cuando la cantidad de calor generado por la reacción es grande, incluso en los reactores de tubos puede ocurrir un aumento excesivo de la temperatura (la temperatura de reacción se escapa al control y aumenta rápidamente, superando los límites permitidos). ②Durante el proceso de operación, el catalizador no puede ser reemplazado. Las reacciones en las que es necesario regenerar el catalizador con frecuencia generalmente no son adecuadas para este uso; en su lugar, se suelen utilizar reactores de lecho fluidizado o reactores de lecho móvil. 　　Los catalizadores en los reactores de lecho fijo no se limitan a los de forma granular; los catalizadores en forma de red ya se utilizan desde hace tiempo en la industria. Actualmente, los catalizadores en forma de nido de abeja y fibrosos también se utilizan ampliamente. 　　Los modelos matemáticos del reactor de lecho fijo son un tipo de reactor de reacción multipolar que ha sido ampliamente estudiado. Existen varios modelos matemáticos para describir los reactores de lecho fijo; en general, se dividen en modelos pseudohomogéneos (que no tienen en cuenta las diferencias de concentración y temperatura entre el fluido y el sólido) y modelos multipolares (que sí tienen en cuenta dichas diferencias). Cada uno de estos grupos puede dividirse, además, en modelos sin mezcla retrograda y modelos con mezcla retrograda. También se pueden clasificar en modelos unidimensionales y bidimensionales, según se tenga en cuenta o no la gradiente de concentración y temperatura a lo largo del radio del reactor. El reactor de lecho fijo es un tipo de reactor de catalización multipolar ampliamente utilizado. En su interior se encuentran partículas sólidas que no se mueven; estas pueden ser catalizadores sólidos o reactivos sólidos. Por ejemplo, en el caso del reactor de lecho fijo tubular, el catalizador se encuentra dentro de los tubos. Los materiales a reaccionar pasan de arriba hacia abajo a través del lecho de partículas sólidas. Entre los tubos, existe un medio transportador de calor que permite el intercambio térmico con los reactivos dentro de los tubos, con el fin de mantener las condiciones de temperatura adecuadas. Además, los reactores de lecho fijo también pueden utilizarse para reacciones no catalíticas entre gases y sólidos, así como entre líquidos y sólidos. Cuando el gas fluye a una velocidad menor a través del lecho fijo, la resistencia al ascenso del gas en movimiento no provoca cambios en el estado de movimiento de las partículas; por lo tanto, la altura del lecho se mantiene constante ； La caída de presión en la capa de lecho aumenta de forma logarítmica con la velocidad del flujo. Lecho fluidizado: En un lecho fluidizado, el fluido fluye hacia arriba a través de un lecho formado por partículas muy finas (en la torre). Cuando la velocidad del fluido es baja, este simplemente pasa por los espacios entre las partículas inmóviles. En ese caso, se denomina lecho fijo al lecho en cuestión ； A medida que aumenta la velocidad del flujo, las partículas se separan unas de otras. Se puede observar que una pequeña cantidad de partículas vibran y se mueven dentro de ciertos límites; esto se denomina lecho expansivo ； Cuando la velocidad aumenta lo suficiente como para que todas las partículas queden suspendidas en el gas o líquido que fluye hacia arriba, en ese momento se considera que el lecho ha alcanzado su punto de inicio como lecho fluidizado. Las partículas sólidas pueden tener una interfaz clara dentro del dispositivo, al igual que los líquidos como el agua; incluso cuando el dispositivo se inclina, la interfaz sigue estando horizontal ； La caída de presión en la capa de lecho no varía con la velocidad del flujo (prácticamente constante). En pocas palabras, el fenómeno por el cual las partículas sólidas, bajo la acción de un fluido, presentan comportamientos similares a los de los fluidos, se denomina fluidización. El lecho fluidizado es el equipo en el que tiene lugar la fluidización. En los reactores de lecho fluidizado, el catalizador se encuentra en estado de fluidez burbujeante; es transportado rápidamente a través del reactor por el medio de reacción y por el medio de elevación, como ocurre en los reactores de tubos de elevación para FCC. Cama de transporte: los granulos sólidos no presentan una interfaz visible dentro del equipo ； La presión en la capa de lecho disminuye a medida que aumenta la velocidad del flujo. La cama hirviente es un tipo de cama fluidizada. En este tipo de reactor, los sólidos se mueven dentro del reactor, y la capa formada por el fluido y las partículas sólidas funciona como si fuera un líquido en ebullición. En la parte inferior del reactor hay una placa de distribución, sobre la cual se colocan las partículas sólidas. El fluido entra desde debajo de dicha placa. Cuando la velocidad del fluido alcanza un valor determinado, las partículas sólidas comienzan a moverse; al aumentar aún más la velocidad, se llega al estado de fluidización. Dentro del reactor suelen encontrarse elementos internos como deflectores, intercambiadores de calor y dispositivos para separar el fluido de las partículas sólidas. La cama hirviente presenta una gran superficie de contacto, lo que permite una eficiente transferencia de calor y masa. Además, ofrece una alta productividad en términos de tiempo y espacio. Sin embargo, también presenta problemas graves de mezcla inversa. La cama fluidizada presenta una buena eficiencia en las reacciones o en la transferencia de calor, ya que los sólidos se encuentran en estado de movimiento. Sin embargo, requiere una gran cantidad de energía para funcionar, y además genera una gran cantidad de polvo durante el proceso de humidificación del carbón. Lecho móvil: El lecho móvil es similar al lecho fijo, con la diferencia de que los granulos sólidos se añaden continuamente desde la parte superior y se retiran desde la parte inferior. Se trata de un dispositivo de intercambio iónico en el que la resina de intercambio iónico fluye periódicamente entre los intercambiadores, los regeneradores y las torres de limpieza. La diferencia entre un lecho móvil y un lecho fijo radica en que, durante el proceso de reacción, el catalizador se mueve lentamente desde la entrada hasta la salida del reactor. El catalizador fresco (o el catalizador que ha sido regenerado) entra por la entrada del reactor, mientras que el catalizador inactivo sale por la salida del reactor para ser regenerado. La velocidad de movimiento del catalizador es lenta; no se ha alcanzado el estado de fluidización. Como los reactores de lecho móvil en los procesos de reforma continua de UOP e IFP. Diferencias: La cama fija puede procesar carbón con alto contenido de cenizas y alto punto de fusión de las cenizas; su inversión inicial es baja, pero su impacto ambiental es negativo… La cama por flujo de gas permite obtener la mayor producción, pero requiere que el tipo de carbón cumpla ciertos requisitos ； Actualmente no se puede aumentar la presión en el lecho de sulfuración, lo que limita su uso. Lo más importante de estos tres tipos de camas es el diseño de su estructura. Actualmente, en el país, el diseño de dichas estructuras se basa en estimaciones basadas en la experiencia y en pruebas de simulación; sin embargo, cuando esto se aplica a la producción industrial, surgen muchos defectos. La principal diferencia radica en su uso, en las propiedades de los materiales, y en si se trata de un proceso físico o de una reacción química. Los lechos fijos y los lechos móviles son más adecuados para reacciones gas-gas, gas-líquido y líquido-líquido; el propio lecho actúa como catalizador. Sus ventajas son la baja mezcla inversa, una menor cantidad de sólidos que se llevan consigo y una separación sencilla. El tipo de lecho en el lecho fluidizado es muy importante en el diseño, ya que se requiere una alta compatibilidad con el sistema de reacción. Además, la velocidad del gas durante el proceso, la cantidad de material que se extrae y el diseño de los equipos de separación complementarios, como los ciclones, están sujetos a requisitos muy estrictos. La transferencia de calor en los lechos fluidizados, así como las medidas para romper las burbujas y evitar la corriente paralela, también son temas ampliamente estudiados. Con los lechos fluidizados hay que tener cuidado de no obstruir el distribuidor de gas, ya que eso causa muchos problemas. La distinción entre lechos fijos, lechos móviles y lechos de ebullición se basa en la cantidad de aire que se introduce en el lecho. A medida que aumenta la cantidad de aire, se pasan, en primer lugar, de los lechos fijos a los lechos de burbujas (lechos de ebullición), luego a los lechos turbulentos y, finalmente, a los lechos de transporte. En sentido estricto, la cama móvil pertenece a la categoría de las camas fluidizadas; en este tipo de sistema, las partículas se desplazan hacia abajo, mientras que la altura de la capa permanece constante. Un ejemplo típico de proceso que utiliza una cama móvil es el proceso de reingeniería catalítica en la industria petrolera. En cuanto al ámbito de aplicación y las ventajas y desventajas, la tecnología de lecho fluidizado presenta, en general, buenas características en términos de transferencia de masa y calor, así como de uniformidad. Se utiliza a gran escala y es la más extendida en la práctica; por ejemplo, existen diversos procesos de gasificación y combustión desarrollados basándose en el lecho fluidizado circulante. Las columnas de lecho fijo y de lecho móvil están limitadas por las restricciones relacionadas con la transferencia de masa y calor, lo que hace que su escala sea pequeña. Sin embargo, la inversión en estos equipos es baja. La tecnología de gasificación de gas residual de Lurgi es un ejemplo típico de columna de lecho fijo; generalmente se necesitan varios hornos que funcionen de forma alternativa para lograr una producción continua en todo el proceso.