Fenómenos de transporte y reacción química en lechos fijos

Abstract

Los reactores catalíticos de lecho fijo constituyen el tipo de reactor más empleado en la industria de procesos químicos, tanto si los reactivos se encuentran en una única fase, líquida o gaseosa, como si se encuentran en fases diferentes, líquida y gaseosa. Su importancia en el sistema productivo ha sido señalada en diferentes fuentes de información, por ej. Dudukovic y col. (1999), destacándose que su campo de aplicación más tradicional, industrias petrolera y petroquímica, se ve continuamente extendido hacia otras áreas, como procesos de tipo bioquímico, electroquímico o de tratamiento de efluentes. La relevancia de este tipo de reactores ha dado lugar a una enorme cantidad de estudios que abordan diferentes aspectos relacionados a los mismos. Excluyendo cuestiones que son específicas de una reacción dada (ej. tipo de catalizador, información cinética, etc.) existen numerosas características comunes a todos los tipos de lechos fijos que han sido abordadas en la literatura. Las mismas tienen su punto de partida en la propia estructura del lecho, la cual afecta las características fluidodinámicas, tanto de flujos monofásicos como bifásicos, y estas a su vez determinan el comportamiento de los diversos parámetros de transporte, de materia y energía, que se pueden identificar, tanto a nivel de la partícula como del lecho en su conjunto. En este contexto, es reconocido que el modelado, la simulación y el cambio de escala de los lechos rellenos catalíticos requiere no sólo conocer el sistema de reacciones involucrado y sus correspondientes parámetros cinéticos, sino que además resulta necesario disponer de herramientas que permitan evaluar adecuadamente los fenómenos de transporte; tanto a escala del catalizador, donde se produce la difusión con simultanea reacción química, como a escala del lecho relleno propiamente dicho, donde se produce el transporte de materia y de energía, por ejemplo, la transferencia de calor en lechos rellenos con flujo bifásico. Existen variados ejemplos en los cuales los aspectos mencionados juegan un rol importante en el desempeño global del reactor y que, adicionalmente, se caracterizan por emplear distintas formas de pastillas de catalizador. Dentro de las mismas, las partículas esféricas tienen características particulares, ya que son las únicas en las cuales puede, generalmente, abordarse el estudio de la difusión-reacción estrictamente en una dimensión. Todas las otras geometrías de partícula son 2D o 3D. Por otra parte, el acomodamiento de las partículas en el lecho, es mucho más sencillo de estudiar para esferas, que para otras partículas y esto, por su parte, ha generado que la información disponible se haya orientado fuertemente al estudio de lechos rellenos con esferas. Sin embargo, a nivel industrial, la variedad de geometrías de partícula es muy grande, siendo las partículas cilíndricas (o aproximadas, dada la distorsión que presentan los extrudados) ampliamente utilizadas en diversos procesos, mientras que otras geometrías, como partículas multilobulares encuentran un fuerte campo de aplicación en reactores multifásicos, como los de lecho fijo con flujo bifásico descendente, o trickle-bed. Cuando se analiza la información bibliográfica, se aprecia que existe una clara falencia para la evaluación del comportamiento de lechos con partículas no esféricas. En este contexto se planteó el objetivo de la presente Tesis. El objetivo general planteado es el estudio de la incidencia de la forma de las pastillas catalíticas sobre el fenómeno de reacción-difusión en el interior de las mismas y sobre el transporte de energía, a escala del lecho relleno. Como objetivos específicos se pretende, por un lado, y en consideración a la escasez de datos de transferencia de energía a escala del lecho en sistemas con flujo bifásico, elaborar correlaciones para predecir la velocidad de transferencia de calor en dicho sistema para distintas formas de pastilla, a partir de la realización de un programa experimental. Adicionalmente, se pretende extender la aplicación de modelos geométricos unidimensionales para evaluar la velocidad de reacción efectiva en catalizadores sólidos de forma arbitraria, estableciendo límites de utilización de los mismos con respecto a la conjunción de la forma del catalizador y expresiones cinéticas, para una única reacción y sistemas de reacciones múltiples.