Vantagens, desvantagens e áreas de aplicação dos leitos fixos, leitos móveis e leitos em ebulição

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O conteúdo a seguir é todo proveniente da internet e não implica responsabilidade legal. Leito fixo: O reator de leito fixo, também conhecido como reator de leito preenchido, é um tipo de reator no qual são utilizados catalisadores sólidos ou reagentes sólidos para realizar processos de reação multipolar. Os sólidos geralmente têm formato de grânulos, com tamanho entre 2 e 15 mm. Eles se acumulam formando camadas de certa altura (ou espessura). A camada de leito permanece imóvel, e o fluido passa por ela para que a reação ocorra. A diferença em relação aos reatores de leito fluidizado e aos reatores de leito móvel é que as partículas sólidas ficam em estado estático. Reatores de leito fixo são utilizados principalmente para realizar reações catalíticas entre fases gasosas e sólidas, como em torres de síntese de amônia, oxidadores por contato de dióxido de enxofre e fornos de conversão de vapores de hidrocarbonetos. Quando são utilizadas em reações não catalíticas entre fases gasosa e sólida ou líquida e sólida, a camada de reação é preenchida com o reagente sólido. O reator de leito de fluxo contínuo também pode ser classificado como reator de leito fixo, onde as fases gasosa e líquida fluem em paralelo através do leito, ocorrendo assim o contato entre as fases gasosa, líquida e sólida. 1. Classificação: Os reatores de leito fixo possuem três formas básicas: ① Reator de leito fixo axial adiabático. O fluido flui axialmente, de cima para baixo, através da camada do leito; não há troca de calor entre a camada do leito e o ambiente externo. ②Reator de leito fixo adiabático radial. O fluido flui radialmente através da camada de leito; pode haver fluxo centrífugo ou centrípeto. Não há troca de calor entre a camada de leito e o ambiente externo. Em comparação com os reatores axiais, nos reatores radiais a distância percorrida pelo fluido é menor, a área da seção transversal do fluxo é maior, e a queda de pressão do fluido é menor. Mas a estrutura do reator radial é mais complexa do que a do reator axial. Ambas as formas acima pertencem a reatores adiabáticos, sendo adequados para situações em que o efeito térmico da reação não é significativo, ou quando o sistema de reação consegue suportar as variações de temperatura causadas pelo efeito térmico da reação em condições adiabáticas. ③Reator de leito fixo com tubos. É composto por vários tubos de reação conectados em paralelo. Catalisadores são colocados dentro ou entre os tubos; o meio transportador de calor flui entre ou dentro dos tubos para fins de aquecimento ou resfriamento. O diâmetro dos tubos geralmente fica entre 25 e 50 mm, e o número de tubos pode chegar a milhares. O reator de leito fixo com tubos é adequado para reações que apresentam um grande efeito térmico de reação. Além disso, existem reatores formados pela combinação em série das formas básicas mencionadas anteriormente, sendo chamados de reatores de leito fixo em vários estágios. Por exemplo: quando o efeito térmico da reação é grande ou é necessário controlar a temperatura em etapas, vários reatores adiabáticos podem ser conectados em série, formando reatores de leito fixo adiabáticos em múltiplos níveis. Entre os reatores, são utilizados trocadores de calor ou materiais adicionais para regular a temperatura, de modo a operar nas condições mais próximas da temperatura ideal. 2. Características: As vantagens do reator de leito fixo são: ① Baixo grau de mistura, permitindo que o fluido entre em contato efetivo com o catalisador. Quando a reação é acompanhada por reações secundárias em série, é possível obter uma maior seletividade. ②O desgaste mecânico do catalisador é pequeno. ③Estrutura simples. As desvantagens do reator de leito fixo são: ① má transferência de calor; quando a quantidade de calor gerado pela reação é grande, até mesmo os reatores de tubos podem sofrer com aumento excessivo da temperatura (a temperatura de reação escapa ao controle e sobe rapidamente, ultrapassando os limites permitidos). ②Durante o processo de operação, o catalisador não pode ser substituído. As reações que exigem a regeneração frequente do catalisador geralmente não são adequadas para uso; nesses casos, costuma-se utilizar reatores de leito fluidizado ou reatores de leito móvel. 　　Os catalisadores em reatores de leito fixo não se limitam aos de formato granular; os catalisadores em forma de rede já são utilizados na indústria há tempos. Atualmente, catalisadores em formato de célula ou fibroso também são amplamente utilizados. 　　Os modelos matemáticos dos reatores de leito fixo são um tipo de reator de reação multipolar que foi bastante estudado. Existem vários modelos matemáticos para descrever esses reatores, que podem ser divididos, de modo geral, em modelos pseudo-homogêneos (que não levam em consideração as diferenças de concentração e temperatura entre o fluido e o sólido) e modelos multipolares (que levam em consideração essas diferenças). Cada categoria pode ser dividida, ainda, em modelos sem mistura inversa e modelos com mistura inversa. Além disso, dependendo se se leva ou não em conta a gradiente de concentração e temperatura ao longo do raio do reator, podem-se ter modelos unidimensionais e modelos bidimensionais. O reator de leito fixo é um tipo de reator de cataliseção multipolar amplamente utilizado. Dentro do reator, existem partículas sólidas imóveis, que podem ser catalisadores sólidos ou reagentes sólidos. Por exemplo, no reator de leito fixo em tubos, o catalisador fica dentro dos tubos; o material a reagir passa por cima desse leito, enquanto o meio termoico troca calor com o reagente dentro dos tubos, a fim de manter as condições de temperatura desejadas. Além disso, os reatores de leito fixo também podem ser utilizados em reações não catalíticas entre gases e sólidos, bem como entre líquidos e sólidos. Quando o gás flui a uma velocidade menor através do leito fixo, a resistência ao fluxo do gás não faz com que o estado de movimento das partículas mude; assim, a altura do leito permanece constante ； A queda de pressão na camada de leito aumenta de forma logarítmica com a velocidade do fluxo. Leito fluidizado: No leito fluidizado, o fluido flui para cima, passando por uma camada de partículas finas (localizada dentro da torre). Quando a velocidade do fluido é baixa, ele simplesmente atravessa os espaços entre as partículas imóveis. Nesse caso, o leito é chamado de leito fixo ； À medida que a velocidade do fluxo aumenta, as partículas se afastam umas das outras. É possível observar que uma pequena quantidade de partículas vibra e se move dentro de determinada área, o que é chamado de leito expansivo ； A velocidade aumenta ainda mais, de modo que todas as partículas fiquem suspensas no gás ou líquido em fluxo ascendente. Nesse ponto, o leito de partículas torna-se o ponto de partida para o estado de leito fluidizado. As partículas sólidas podem, assim como os líquidos como a água, ter uma interface bem definida dentro do equipamento. Mesmo quando o equipamento é inclinado, essa interface permanece horizontal ； A queda de pressão na camada do leito não varia com a velocidade do fluxo (permanece praticamente constante). Em termos simples, o fenômeno pelo qual partículas sólidas, sob a ação de um fluido, apresentam comportamentos semelhantes aos dos fluidos é chamado de fluidização. A cama fluidizada é o equipamento em que ocorre a fluidização. Nos reatores de leito fluidizado, o catalisador encontra-se em estado de fluidização em ebulição, sendo transportado rapidamente pelo meio de reação e pelo meio de elevação através do reator, como no caso dos reatores de tubo de elevação do FCC. Cama de transporte: os grânulos sólidos não possuem uma interface distinta dentro do equipamento ； A pressão na camada de leito diminui à medida que a velocidade do fluxo aumenta. A cama de ebulição é um tipo de leito fluidizado, no qual os sólidos se movem dentro do reator de leito fluidizado. A camada formada por fluido e partículas sólidas funciona como um líquido em ebulição. Na parte inferior do reator de cama de ebulição existe uma placa de distribuição, na qual são colocadas as partículas sólidas. O fluido é introduzido abaixo dessa placa. Quando a velocidade do fluido atinge um certo valor, as partículas sólidas começam a se soltar; ao aumentar ainda mais a velocidade do fluido, ocorre o estado de fluidização. Dentro do reator, existem geralmente divisórias, trocadores de calor e dispositivos para separar o fluido das partículas sólidas. A cama de ebulição possui uma grande área de contato, o que permite uma eficiência elevada na transferência de calor e massa, além de alta produtividade em termos de tempo e espaço. No entanto, há um problema grave de mistura inversa. A cama fluidizada tem um bom desempenho em termos de reação ou transferência de calor, pois os sólidos estão em movimento. No entanto, exige grande consumo de energia, além de gerar uma grande quantidade de poeira durante o processo de umidificação do carvão. Leito móvel: O leito móvel é semelhante ao leito fixo, com a diferença de que os grânulos sólidos são adicionados continuamente pela parte superior e removidos pela parte inferior. É um dispositivo de troca iônica em que a resina de troca iônica flui periodicamente entre o trocador, o regenerador e a torre de limpeza. A diferença entre leito móvel e leito fixo é que, no processo de reação, o catalisador se move lentamente do entrada para a saída do reator. O catalisador novo (ou o catalisador que foi regenerado) entra pelo lado da entrada do reator, enquanto o catalisador inativo é removido pela saída do reator, a fim de ser regenerado. A velocidade de movimento do catalisador é baixa, e ele não atinge o estado de fluidização. Como os reatores de leito móvel nos processos de reforma contínua da UOP e da IFP. Diferenças: A cama fixa consegue processar carvões com alto teor de cinzas e alto ponto de fusão das cinzas; seu investimento é baixo, mas seu desempenho em termos de proteção ambiental é ruim… A cama a jato tem maior capacidade de produção, mas exige certas características específicas no tipo de carvão utilizado ； Atualmente, não é possível aumentar a pressão no leito de sulfuração, o que limita sua utilização. O aspecto mais importante dessas três tipos de camas é o design do seu estrutura. Atualmente, no país, o design das estruturas das camas é feito, na maioria dos casos, por meio de estimativas baseadas em experiência e experimentos de simulação. Quando isso é levado para a produção industrial, surgem muitas desvantagens. A principal diferença entre elas depende do seu uso, das propriedades dos materiais envolvidos, bem como se trata de um processo físico ou químico. Os leitos fixos e os leitos móveis são mais adequados para reações gasoso-gás, gasoso-líquido e líquido-líquido. O próprio leito atua como catalisador; suas vantagens incluem baixo grau de mistura inversa, pouca perda da fase sólida e separação simples. O tipo de leito do leito fluidizado é muito importante no projeto, exigindo um alto grau de compatibilidade com o sistema de reação. Além disso, a velocidade do ar durante a operação, a taxa de remoção e o design dos equipamentos de separação associados, como os ciclones, são bastante rigorosos. A transferência de calor no leito fluidizado, bem como as medidas para quebrar as bolhas de ar e controlar o escoamento, também são temas amplamente estudados. No leito fluidizado, é preciso ter cuidado para que o distribuidor de gás não fique obstruído, pois isso causa muitos problemas. A distinção entre leito fixo, leito móvel e leito de ebulição é feita com base no volume de ar que é introduzido no leito. À medida que o volume de ar aumenta, as ordens de classificação são: leito fixo, leito de bolhas (leito de ebulição), leito turbulento e leito de transporte. O leito móvel pertence, em sentido estrito, à categoria dos leitos fluidizados; nesse tipo de sistema, as partículas se movem para baixo, enquanto a altura do leito permanece constante. Um exemplo típico é o processo de reprocessamento catalítico na indústria petrolífera, que é um processo que utiliza um leito móvel. Quanto ao escopo de aplicação e às vantagens e desvantagens, a tecnologia de leito fluidizado apresenta boa eficiência na transferência de massa e calor, além de garantir uma boa uniformidade nos processos. É utilizada em grandes escalas de produção e é amplamente aplicada, por exemplo, em diversos processos de gaseificação e combustão baseados em leitos fluidizados em ciclo. As camadas fixas e as camadas móveis são limitadas pela transferência de massa e calor, o que resulta em tamanhos menores. No entanto, o investimento necessário para esses equipamentos é baixo. A tecnologia de gaseificação de gás residual da Lurgi é um exemplo típico de sistema de camada fixa. Geralmente, são necessários vários fornos operando alternadamente para garantir a continuidade do processo.