Escalado De Reactores Quimicos fg15

ESCALADO DE REACTORES QUIMICOS

Las presiones competitivas en la industria química y en la biotecnológica hacen cada vez más necesario contar con procedimientos que permitan escalar lo más rápido y directo posible, desde los laboratorios de investigación y desarrollo. para poder acortar el tiempo que transcurre entre la concepción de un nuevo proceso y la puesta en marcha de la planta correspondiente, a escala industrial. 1. Escalado y innovación de procesos Vamos a centrarnos en los conocimientos técnicos y las herramientas que se necesitan para cambiar una invención en una verdadera innovación. La atención de los negocios quimicos deben prestarse más a la innovación de los procesos y no a la invención de nuevos productos. Desde este punto de vista, el estudio y el desarrollo de nuevos reactores, que son capaces de convertir la materia prima en productos con alta conversión y selectividad, juegan un papel importante en la innovación de la empresa química. 1.1. Principales problemas en el escalado de reactores El escalado de los reactores es una tarea importante para los ingenieros químicos y es el paso fundamental en la realización y optimización de plantas industriales. El término "ampliar" por lo general se explica como "la forma de diseñar un reactor piloto industrial capaz de replicarse a través de una metodología estándar de los resultados obtenidos en el laboratorio". Esta es una definición limitante, ya que la experiencia ha demostrado que en realidad no existe una forma estándar a través de la innovación de procesos: los procesos de producción actuales son el resultado de decisiones exitosas, y, a veces de muchos errores. Las razones son muchas: 

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Los datos cinéticos son peculiares al sistema reactivo. A menudo, la cinética está enmarcada por fenómenos de transporte y la dinámica de fluidos, hasta el punto de que a veces no tienen relevancia para el proceso. Las tecnologías a escala industrial rara vez se relacionan con equipos de laboratorio, incluso si la industria está llena de equipos de laboratorio ampliado. Diferentes aparatos son posibles para la misma reacción y las reacciones pueden llevarse a cabo en diferentes fases: columnas de solución,

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suspensión, camas fijas, camas goteo, lechos fluidizados, destilación y extracción. otras cuestiones, a menudo ignoradas en el trabajo de desarrollo, tales como impurezas, el envejecimiento de los catalizadores, corrosión, incrustaciones, la seguridad y los aspectos ambientales pueden representar un riesgo importante para el éxito.

2. Escala y modelado Ampliar es la capacidad de descubrir las normas cuantitativas que describen el funcionamiento de un reactor químico en diferentes escalas, las condiciones de funcionamiento y con diferentes tecnologías de reacción. Por lo tanto, no sólo implica la capacidad de diseñar y operar grandes plantas, sino también la habilidad de desarrollar tecnologías de reacción nuevos y más eficaces para llegar a ser el costo y la calidad del producto competitivo y de conocer los aspectos ambientales. Fig. 1 representa los elementos clave a tener en cuenta en la realización de este trabajo. No todas las herramientas son, en principio, para ser siempre tenidas en cuenta y, a menudo la selección se ve obligado por la disponibilidad de la información y sistemas.

2.1. Modelación matemática

La aplicación de las computadoras para el análisis de procesos químicos ha sido aceptada como una herramienta básica para la ampliación. Aparte de las diferentes actitudes profesionales y las tareas, una base común de todos los ingenieros químicos es el cálculo y la aplicación de los principios de conservación de materia y energía, que es el marco de la modelización matemática. Ejemplos de balances son los siguientes: 2.1.1. Flujo de pistón Ideal

Fig. 2. Esquema del reactor de flujo pistón ideal, con fluido a contracorriente con camisa de calentamiento.

Fig. 3. Esquema de tanque agitado continuo con camisa de calentamiento.

2.1.3. Cascadas de CSTR (Fig. 4)

2.1.4. Reactores con dinámicas complejas de fluidos (isotérmicas) (Fig. 5) Ecuaciones de balance de masas Volumen 1

Volumen i

Volumen n

Fig. 4. Esquema de la cascada CSTR

Fig. 5. La notación para un reactor de modelado como una serie de celdas unitarias..

2.2. Modelos de dinámica de fluidos Los modelos más simples dan algunas correlaciones en términos de números adimensionales.

Donde N y D son la velocidad de rotación y el diámetro del impulsor y p la densidad del fluido

Fig. 6. tanque agitado con un impulsor de seis palas y cuatro deflectores verticales.

3. Reactores heterogéneos en fase gaseosa Reacciones en fase gaseosa catalíticos son los más populares para la producción de productos petroquímicos y grandes intermediarios de volumen. La ecuación de velocidad de reacción rara vez se conoce incluso para las reacciones más experimentados. 3.1.1.1. Reactores experimentales. Experimentos cinéticos se llevan a cabo generalmente en reactores individuales isotérmicas tubular pase incluso si otros tipos de reactores se pueden utilizar (Fig. 7). Para mantener la interpretación lo más simple posible se considera que el flujo esta perfectamente ordenado con velocidad uniforme.

Fig. 7. Varios tipos de reactores experimentales. (a) reactor tubular, (b) reactor tubular con reciclado, (c) reactor cesta de hilado y (d) reactor con reciclado interno. 3.1.1.2. Análisis de experimentos. Si el reactor está diseñado y operado de manera integral y isotérmica, es decir, con relativamente altas conversiones, las ecuaciones de balance son muy simples:

3.1.1.3. Modelando el reactor industrial.

La disponibilidad de un modelo cinético es el punto de partida para la ampliación del laboratorio a reactores industriales. La forma industrial puede ser sin embargo muy larga. Varios puntos tienen que ser tenidos en cuenta:    

en primer lugar la selección de la tecnología: multitubular, de múltiples capas adiabática, en movimiento o lecho fluidizado; si los fenómenos inter e intra de difusión de partículas son relevantes, deben ser incluidos en el cálculo; el patrón de flujo en el lecho poroso debe ser cuidadosamente investigada; envejecimiento del catalizador y la estabilidad del sistema han de ser examinados en vista de la operación de la planta.

4. Reactores liquidos de gas Hay muchos ejemplos de reacciones entre gases y líquidos en la industria. Estos procesos se llevan a cabo en una variedad de equipos que van desde absorbedores de burbujear, a columnas de relleno o de placa, para autoclaves de agitación, para transportar o reactores de bucle de chorro. La importancia de la tecnología en relación con el rendimiento del reactor se ha menudo pasado por alto y esto es en muchos casos la razón de las actuaciones del proceso pobres. 4.1. Selección de un Impulsor a escala de una polimerización en emulsión La polimerización en emulsión de un monómero gaseoso para producir un producto comercial valioso es un problema complejo desde muchos puntos de vista. Si se quiere profundizar en todos los fenómenos elementales involucrados, uno se enfrenta a una combinación de problemas en la mecánica de fluidos, de difusión turbulenta, la cinética química, crecimiento de partículas, en interfase y calor intraphase y de transferencia de masa, y así sucesivamente.

4.1.1. Planteamiento del problema La polimerización en emulsión se lleva a cabo en reactores agitados sin deflector.

Las instalaciones industriales incluyen un piloto de 50 1 de autoclave, cuyo objetivo es probar diversas recetas de polimerización, experimentando diferentes condiciones del proceso y el desarrollo de nuevos productos. Sobre la base de estas observaciones simples el estudio se centró en los efectos de dinámica de fluidos sobre la estabilidad de la emulsión y la productividad del reactor. Un dispositivo de agitación tuvo que ser estudiado con un cizallamiento bajo en la emulsión para la estabilidad y adecuado para ser fácilmente ampliado desde el piloto al autoclave industrial para la productividad. 4.1.1.1. Conceptos básicos En términos generales, para una reacción gas-líquido la velocidad de reacción global (cinética de macro) se debe a dos procesos combinados: • difusión del reactivo gaseoso dentro de la fase líquida (transferencia de masa): • Reacción en la fase líquida (cinética micro). El primer paso está fuertemente influenciado por la dinámica de fluidos, mientras que la cinética micro dependen sólo de las variables de estado local. Tres regímenes pueden considerarse: • cinéticas muy lentas, donde la velocidad de reacción química es determinante de la velocidad; • velocidad de reacción rápida donde la difusión controla la tasa global; • reacción muy rápido en el que de transferencia de material se incrementa debido a la reacción química en el zona de difusión. 4.1.2. Modelo dinámico de fluido 4.1.2.1. Dimensión Vortex. En un reactor agitado sin deflectores la superficie del líquido no es plano sino que asume la forma de un vórtice cono.

Fig. 26. Reactor esquema y definición de los símbolos. El modelo supone para la velocidad tangencial de las siguientes expresiones::

donde w es la velocidad angular del agitador, rc es un radio característico y rR es el radio del recipiente. Con los símbolos de la fig. 26 se obtienen las siguientes ecuaciones:

La conservación del volumen de líquido da una ecuación para la profundidad de vórtice Li,:

y para la altura de vórtice:

En el caso de un vórtice estable el área de interfase puede ser fácilmente calculada por la siguiente expresión:

5. Tecnologías de reacción y de separación

5.1.1.1. Destilación con reacción química. Destilación con reacción es una práctica industrial cuando las reacciones deben ser promovidas por la separación de estado estable contemporánea de uno o más productos, con el fin de mejorar la productividad. La aplicación más popular de esta tecnología es la síntesis de MTBE de isobutileno y metanol. 5.2. La termodinámica de la reacción y las propiedades físico-químicas Esto es un ejemplo muy particular, cuando el vapor de equilibrio líquido se utilizan con el fin de promover la conversión de la reacción en una medida económica. La reacción A + B= C + D, que tiene lugar en la fase líquida, es ligeramente endotérmica e influenciados de manera espectacular por el equilibrio termodinámico: el valor de la constante de equilibrio es del orden de 10 a La reacción es activado por un catalizador volátil homogénea, no diluido en un 510% de un disolvente inerte (I).

5.3. El sistema de reacción El objetivo de la utilización de una columna de destilación es influir en el equilibrio al alcanzar un nivel muy bajo del producto C, lo que aumenta la concentración del producto D. Esto se puede conseguir por extracción de producto C con luz reactante A en la parte inferior de la columna. El sistema industrial investigado se representa en la Fig. 36. La reacción química tiene lugar sólo en las bandejas por debajo de la alimentación de los reactivos A y B, que contiene el catalizador no volátil.

5.4. Modelación matemática y optimización El modelado matemático de destilación con reacciones se basa en la solución del sistema global de ecuaciones algebraicas para todas las bandejas de la columna. El conjunto de la ecuación para la bandeja i es la siguiente:

Balance de energía.

Fase de equilibrio.

Equilibrio quimico

Cinetica química

Para las bandejas no reactivos, se utiliza la ecuación trivial X r = 0. El número total de ecuaciones es (2 NC +1+ NR) NP y es igual al número de variables que es el resto de parámetros del sistema, tales como la presión de la bandeja, bandeja de alimentación composiciones y temperaturas, y la masa de la bandeja y los retiros de calor Por lo general, el condensador y rehervidor en las ecuaciones de balance de calor son sustituidos por dos ecuaciones de

restricción compatibles para ser elegido entre la tasa total del destilado de flujo, y velocidad de reflujo del hervidor o la temperatura del condensador.