REACTORES_HETEROGENEOS(1)

Vista previa del material en texto

CARRERA
ING. EN PROCESOS QUÍMIOCS
ASIGNATURA
DISEÑO DE REACTORES
UNIDAD II
TRABAJO ESCRITO
REACTORES HETEROGENEOS
 
DOCENTE
JOSÉ LUIS XOCHIHUA JUAN
INTEGRANTES
RODRIGO ROUSSEL RAMÍREZ
CHRISTOFER FLEURI SANCHÉZ 
ROSELIS EVELYN SIMBRON VALENCIA
JESÚS EDUARDO RHI SEQUERA
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN	3
DESARROLLO	5
Sistema heterogéneo	5
Reacción heterogénea	5
b)	Tipos de reactores heterogéneos de lecho móvil, de lecho fluidizado, de lodos y biológicos.	6
Reactores de lecho fijo	6
Reactores de lodos y lecho fluido	7
Reactores fluidizados	7
c)	Explicar las reacciones heterogéneas y su cinética.	8
Reacciones catalíticas	8
Reacciones fluido-sólido no catalítico	9
Reacciones fluido-fluido	9
d)	Catálisis y reactores catalíticos.	10
Catálisis	10
Principios generales de la catálisis	11
Catálisis heterogénea	11
Mecanismo general de catálisis	12
Reactores catalíticos	13
CONCLUSIÓN	15
BIBLOGRAFÍA	17
INTRODUCCIÓN
En la presente investigación se indago sobre los reactores heterogéneos su diseño, reacciones, tipos y la cinética que los conforman y que se puede obtener a partir de estos como los beneficios que es tener una buena elección de un reactor para dicho proceso. Los procesos heterogéneos tienen lugar en más de una fase (sólida, líquida o gaseosa), y son de importancia sobre todo en lo que respecta al uso de catalizadores de transferencia de fase. La ecuación cinética debe incluir los términos de transporte de materia entre fases, puesto que está presente más de una, los cuales son diferentes en tipo y número para los distintos sistemas heterogéneos.
Existe un tipo especial de reactores, se les llama heterogéneos los que debido a su naturaleza obedece leyes cinéticas diferentes, además de que por su complejidad los balances de materia y energía son más complejos, la diferencia radica en el número de fases físicas involucradas, los mecanismos de transferencia tanto de calor como de energía son más complejos debido a que están presentes más de un mecanismo, pudiendo ser de naturaleza conectiva o conductiva. En estos están presentes dos o hasta tres fases. Pueden ser catalíticos o no catalíticos que operan en modelos de tanque o del tipo flujo tubular.
Dentro de los reactores heterogéneos se encuentran varios tipos que son el reactor de lecho fijo donde nos dice que el catalizador esta esencialmente estacionario hasta el momento de su descarga y una de sus ventajas es el flujo pistón, también existen los reactores de lodo y lecho fluido que estos funcionan con un proceso continuo y emplean partículas pequeñas para realizar operaciones y mantenerlas expandidas sus ventajas es que son de fácil reemplazo y regeneran el catalizador y por último los rectores fluizados que para cualquier sistema reaccionante el modelo de diseño depende de una representación adecuada de la cinética y del flujo, siendo este último aspecto el que ofrece mayor dificultad en los lechos fluidizados para poder llevar a cabo dichos procesos.
Cabe mencionar que dentro de estos al existir varias fases donde intervienen varios estados de la materia existe diversas reacciones llevadas a cabo catalíticamente como no catalíticas. Todo esto llevado a cabo por la catálisis que  es el proceso por el cual se aumenta o disminuye la velocidad de una reacción química, debido a la participación de una sustancia llamada catalizador en dichas sustancias que reducen la velocidad de la reacción son denominados catalizadores negativos o inhibidores . A su vez, las sustancias que aumentan la actividad de los catalizadores son denominados catalizadores positivos o promotores, y las que desactivan la catálisis son denominados venenos catalíticos.
La elaboración de los productos químicos industriales más importantes implica a la catálisis. Por ejemplo, en la reducción del etino a eteno, el catalizador paladio (Pd) es "envenenado" parcialmente con acetato de plomo (II), Pb (CH3COO)2. Sin la desactivación del catalizador, el eteno producido se reduciría posteriormente a etano.
Al saber lo que con lleva la catálisis dentro de los reactores existe los reactores catalíticos los cuales suelen ser de dos tipos: fluidizado o de lecho empacado, la elección depende de la reacción de interés y del mecanismo cinético observado dentro del mismo así con dicha investigación se puede llegar a la conclusión que reactor es el más conveniente en caso de querer llevar a cabo una reacción heterogénea dentro del mismo poder controlarla o hasta tener un diseño del reactor dependiendo la cinética del mismo.
DESARROLLO
a) Concepto de reactores heterogéneos.
Un reactor heterogéneo es en el cual existen varias fases, es decir, dentro del proceso que sigue el reactor se presentan los tres estados de la materia sólido, líquido y gaseoso estos presentan un sistema continuo como el sistema requiere una fase para que la reacción se lleve a cabo. Dentro de los reactores heterogéneos los reactores catalíticos operan con un catalizador o no catalizador pero siempre la reacción se lleva a cabo con más de una fase.
Sistema heterogéneo
Cuando se requiere la presencia de más de una fase para que la reacción se lleve a cabo.
Reacción heterogénea
Cuando se requiere más de una fase para que la reacción se lleve a cabo. Por lo tanto, puede involucrar más de dos fases.
Entonces de acuerdo a lo anterior podemos encontrar reactores que operen con reacciones heterogéneas u homogéneas. Dentro de los reactores heterogéneos los reactores catalíticos, que operan con la presencia de catalizador, y los reactores no catalíticos.
b) Tipos de reactores heterogéneos de lecho móvil, de lecho fluidizado, de lodos y biológicos.
Reactor fluidizado Reactor de lecho móvil 		Reactor de lodos o biológico 
	
 Reactores de lecho fijo
 El catalizador permanece esencialmente estacionario (en tubos o bandejas) hasta su descarga o reactivación; sus ventajas son la aproximación al flujo de pistón, alta relación de catalizador a reactivos, versatilidad de las condiciones operativas y tiempos de contacto, posibilidad de altas presiones, simplicidad y mantenimiento. Sin embargo, la baja conductividad térmica de los soportes cerámicos típicos hace que los tubos con unas pocas pulgadas se comporten de modo cuasi-adiabático (impidiendo el control de temperaturas en reacciones con elevado calor de reacción) y los sobrecalentamientos resultantes pueden degradar el catalizador o su selectividad. Otras limitaciones derivan de la resistencia a la compresión (peso del lecho). En estos reactores es importante maximizar la vida, resistencia y porosidad del catalizador, y minimizar la caída de presión y resistencia a la difusión en los poros, logrando el mejor compromiso entre estas características que suelen estar contrapuestas. 
Reactores de lodos y lecho fluido
Estos emplean partículas pequeñas y condiciones de operación para mantenerlas expandidas; ofrecen las ventajas del fácil reemplazo y regeneración del catalizador (que puede realizarse durante el propio proceso en continuo), una rápida mezcla que facilita la transferencia conectiva (control de temperatura y operación isotérmica), y baja resistencia difusional interna debido al pequeño tamaño de las partículas. En estos sistemas, el diseño del catalizador se concentra en maximizar la actividad, selectividad y resistencia a la atrición (pérdidas y separación). Las reacciones catalíticas heterogéneas en fase gaseosa se llevan a cabo generalmente en lechos fijos con pastillas o gránulos. La disposición de los lechos catalíticos, el diseño del reactor, y el tamaño y forma de las partículas, vienen dictados por los requerimientos de transferencia de calor, flujo de fluidos y pérdidas de presión en el sistema. Las reacciones catalíticas heterogéneas en fase líquida suelen llevarse a cabo en columnas de goteo continuas, empleando catalizadores granulares o encapsulados. Reactivos y disolvente, en su caso, se bombean sobre el lecho, y los gases reaccionantes a emplear (normalmente oxígeno o hidrógeno- pasanen contracorriente o en paralelo. El producto se recoge continuamente del lecho catalítico con o sin filtración del catalizador. Para reacciones donde la fase líquida es discontinua, se emplean invariablemente catalizadores en polvo; estos deben tener resistencia a la atrición (pérdida de finos), buenas características de suspensión (actividad) y fácil filtración. Estas propiedades son función del diseño del catalizador, debiendo buscarse el compromiso entre ellas.
Reactores fluidizados
Para cualquier sistema reaccionante el modelo de diseño depende de una representación adecuada de la cinética y del flujo, siendo este último aspecto el que ofrece mayor dificultad en los lechos fluidizados. En lechos de borboteo libre, normalmente el flujo de gas se desvía mucho del ideal; en este caso no resultan útiles los métodos sencillos de experimentación con trazadores. Sin embargo, puede reducirse considerablemente el tipo de flujo no deseado de estos lechos con un diseño adecuado de los aparatos (deflectores y distribuidores).
c) Explicar las reacciones heterogéneas y su cinética.
Reacciones catalíticas 
La catálisis es una práctica de gran importancia, cada vez más extendida en la industria: se estima que más del 20% de todos los productos manufacturados han pasado por alguna etapa catalítica. Los procesos catalíticos se clasifican en: homogéneos (soluto en fase líquida), y heterogéneos que, a su vez, podemos dividir en: - Catalizador líquido y reacciones en fase fluida (burbujas) - Catalizador sólido: reacción en fase líquida (suspensión, lechos) reacción en fase gas (tubo relleno, móvil o fluidizado) - Los catalizadores homogéneos y líquidos son ácidos, bases, compuestos organometálicos disueltos, etc.; en la frontera entre la catálisis homogénea y heterogénea se encuentran los coloides. - Los catalizadores sólidos, o de contacto, son metales, óxidos y sales metálicas, organometálicos, yodo, azufre, carbón, sílice, alúmina, etc. - Están también los catalizadores biológicos, basados en enzimas o bacterias, con interés industrial en fermentaciones (levaduras), fabricación de medicamentos y alimentos, eliminación de contaminantes, etc. - Existen reacciones especiales como las auto catalíticas donde el catalizador se produce en el mismo proceso; y las fotoquímicas donde la energía de activación procede de la radiación UV/VIS, aunque el mecanismo no es propiamente catalítico.
Los procesos heterogéneos son los más importantes, sobre todo para reacciones en fase gaseosa con catalizador sólido, y en particular compuestos metálicos; algunos ejemplos significativos son: la oxidación de óxido de azufre, síntesis de amoniaco y nítrico, craqueo de hidrocarburos, polimerizaciones, incineración catalítica, reducción selectiva de NOx, etc. (Tabal1).
Tabla 1. Procesos heterogéneos
Reacciones fluido-sólido no catalítico
 Para reacciones no catalíticas de partículas sólidas con un fluido que las rodea (gas o líquido) existen dos modelos básicos: en la mayoría de los casos el modelo de núcleo sin reaccionar se ajusta mejor al comportamiento real que el de conversión progresiva. La tabla resume las expresiones conversión-tiempo para reacciones elementales irreversibles (primer orden) y partículas de formas diferentes; puede tenerse en cuenta directamente la acción simultánea de las diferentes resistencias debido a que actúan en serie y todas ellas son lineales respecto a la concentración: el tiempo necesario para alcanzar cualquier grado de conversión (t) o la conversión completa (τ) es igual a la suma de los tiempos para cada una aislada.
A (fluido) + b B (sólido) → productos (ABb) CAg:
 Concentración del gas ρB: densidad molar de B en el sólido L, R: dimensiones de las partículas l, rc: núcleo sin reaccionar kg, De, ks: coef. De transporte de masa, difusividad efectiva en las cenizas y constante cinética de primer orden para la reacción.
Reacciones fluido-fluido
 Pueden existir muchas combinaciones de velocidad (global), equilibrio entre fases (solubilidad) y métodos de contacto (gas/líquido o líquido/líquido), aunque solo algunas son importantes a escala técnica. La expresión cinética global ha de tener en cuenta la resistencia al transporte de masa (para facilitar el contacto entre los reactivos) y de la etapa de reacción química, cuyo valor relativo puede variar ampliamente; cada caso requiere análisis particular para identificar y seleccionar los regímenes cinéticos. Se define un parámetro de conversión en la película como cociente entre la máxima conversión posible en la misma y el máximo transporte por difusión a su través (suponemos la resistencia en la fase gaseosa despreciable): 
M= k·CAiCBx0/ (DA1/X0)CAi= k·CB·DA1/kA1 2
d) Catálisis y reactores catalíticos.
Catálisis
En muchos mecanismos de reacción existe una etapa elemental, con una velocidad menor que la del resto de etapas, que limita la velocidad global de la reacción. Para conseguir que la reacción transcurra a mayor velocidad una opción sería aumentar la temperatura; sin embargo, esto podría hacer disminuir la concentración en el equilibrio del producto que deseamos, o bien dar lugar a reacciones secundarias que consuman el producto deseado, o que generen impurezas. Para evitar todo esto suele ser útil el empleo de un catalizador. 
Existen reacciones catalizadas en las que el catalizador sufre algún tipo de transformación, por ejemplo, una descomposición, siendo esta transformación independiente de la reacción principal, sin embargo en este caso se suele hablar de reacciones promovidas y al catalizador se le denomina promotor. A las sustancias que disminuyen la velocidad de la reacción se les conoce como inhibidores o catalizadores negativos, y su aplicación industrial más importante es la reducción de reacciones secundarias hacia productos no deseados. Las reacciones catalíticas se pueden clasificar en homogéneas, enzimáticas y heterogéneas. Las homogéneas se producen en una sola fase, gaseosa o líquida (esta última es la más frecuente), y en ellas el catalizador se encuentra disperso uniformemente.
 La catálisis heterogénea, la más importante desde el punto de vista industrial, tiene lugar en sistemas de reacción polifásicos, donde la reacción se produce en la terfase. Normalmente el catalizador es sólido y los reactivos gases, vapores o líquidos. La catálisis enzimática, que ocurre en las reacciones bioquímicas, posee características propias de las dos anteriores aunque mecanísticamente se asemeja más a la catálisis heterogénea.
Principios generales de la catálisis
Mecanismo típico
Los catalizadores generalmente reaccionan con uno o más de los reactivos para formar productos intermedios que, posteriormente, conducen al producto final de reacción. En el proceso se regenera el catalizador. El siguiente esquema es típico de una reacción catalítica, donde C representa el catalizador, X e Y son reactivos, y Z es el producto de la reacción de X e Y:
X + C → XC (1)
Y + XC → XYC (2)
XYC → CZ (3)
CZ → C + Z (4)
Aunque el catalizador es consumido por la reacción 1, posteriormente es producido por la reacción 4, por lo que la reacción global es:
X + Y → Z
Como el catalizador se regenera en una reacción, a menudo sólo se necesitan pequeñas cantidades para incrementar la velocidad de la reacción. Sin embargo, en la práctica los catalizadores son algunas veces consumidos en procesos secundarios.
Catálisis heterogénea
Los catalizadores se emplean en general para acelerar las reacciones lentas o que no podrían efectuarse de otro modo; pero también se utilizan para modificar el nivel de temperaturas de operación, o para influir en la distribución de producto, o bien, aunque más raramente, para retardar la reacción. Los procesos catalíticos se pueden dividir en dos grupos importantes: Homogéneos y heterogéneos. Los procesos catalíticos heterogéneos de mayor importancia industrial son los que emplean principalmente catalizadores sólidos (Ilustración 1).
En general, la catálisis heterogénea
Los reactivos y el catalizador están en diferente fase.
v = f(superficie de catalizador)
Ilustración 1 Gráfica catálisis heterogénea
Mecanismo general de catálisis 
Una reacción catalizada ocurre por una ruta alternativa a la de la reacción sin catalizar.
Ilustración 2 Mecanismo general de catálisis
El catalizador participa en alguna etapa del mecanismo, pero queda liberado al final. En la catálisis heterogénea y enzimática el catalizador forma un complejo de adición con la molécula sustrato. En la catálisis ácido-base hay una transferencia protónica entre el catalizador y el sustrato.
El catalizador no afecta la posición del equilibrio químico. Puesto que en el equilibrio , entonces el catalizador aumenta las velocidades del proceso directo e inverso exactamente en la misma cantidad. Hay una gran variedad de mecanismos para las reacciones catalizadas. Un modelo general, común a reacciones catalizadas por superficies, enzimas o por ácidos y bases, es el siguiente:
Reactores catalíticos
Suelen ser de dos tipos: fluidizado o de lecho empacado, la elección depende de la reacción de interés y del mecanismo cinético observado
Los reactores de lecho fluidizado poseen las siguientes propiedades:
· El flujo es complejo, no es bien conocido, solo se puede estimar de forma aproximada los mecanismos de transferencia de masa, desde el punto de vista de transferencia el contacto no es muy eficiente debido a la diferencia de varias barreras físicas, esto obliga a usar una mayor cantidad de catalizador.
· El control de temperatura se realiza de forma más fácil, comparado con el reactor de lecho empacado.
· La reactivación del catalizador en caso de ser necesaria es más fácil y eficiente debido a la fluidización presente debido a que es posible bombear y transportar el catalizador.
· Este tipo de flujo es adecuado para partículas de tamaño pequeño, ideal para reacciones rápidas en donde se necesita un área de contacto grande.
El reactor de lecho empacado posee las siguientes características:
· La regeneración del catalizador requiere del uso de gases; Es común usar un sistema de re-circulación a fin de aumentar la eficiencia de reactivación
· Este sistema presenta dificultades en el control de temperatura debido a la formación de zonas calientes y frías en el interior del lecho.
· No se puede usar un tamaño de catalizador pequeño debido a la formación de tapones y caídas de presión.
Balance de materia: Al igual que el PFR, el balance es diferencial, además se toma en cuenta la difusión radial, el balance se realiza tomando en cuenta una geometría radial.
CONCLUSIÓN
Jesús Eduardo Rhi Sequera:
En conclusión los reactores heterogéneos son aquellos en los cual existen uno más reacciones llevadas por un proceso catalítico como no católico, todos los reactores heterogéneos se caracterizan por tener dos o más fases, es decir, que dentro del reactor se presentan los tres estados de la materia sólido, líquido y gaseoso. Dentro de estos la catálisis es una parte muy importante dentro de los mismos dado que la mayoría de los reactores heterogéneos llevan a cabo reacciones catalíticas como no catalíticas como también la realización de los reactores catalíticos estos se lleva a cabo una cinética la cual existen dentro del reactor reacciones catalíticas, fluido-solido no catalíticas y fluido-fluido todos estos factores pueden ser determinantes para la elección de un reactor heterogéneo así teniendo un proceso dentro de los reactores más eficiente y rápido para llevar a cabo las reacciones.
Roselis Evelyn Simbrón Valencia:
Uno de los temas importantes para la carrera es la termodinámica la cual abarca infinidad de temas, pero uno de ellos es para el cálculo de los reactores heterogéneos, en conclusión, lo entendido del tema fue que este tipo de reactores involucran dos o más fases reactivas (gas-sólido, líquido-gas, sólido líquido o líquido-líquido), de contacto en torres o reactores agitados. Los reactivos o catalizadores sólidos se disponen en forma de lechos: fijos (reposición discontinua), o lechos móviles y fluidizados (con posible transporte neumático y regeneración), a través de los cuales se mueve la fase fluyente; también se emplean tanques de suspensión de lodos (agitados), emulsiones líquidas y borboteo de gases. Este tipo de reactores los podemos ver a un nivel industrial el cual su aplicación o su funcionamiento es de suma importancia para el proceso del que este encargado en cuanto a los cálculos solo por las integraciones que se presentan es un poco tedioso sin embargo vale la pena saber cómo se obtuvieron los resultados como futuros ingenieros químicos.
Christopher Fleuri Sánchez
Para concluir esta investigación es importante mencionar que los este tipo de reactores son de gran importancia, ya que en ellos son llevadas a cabo simultaneas reacciones que forman parte de un proceso catalítico o no; en estos se llevan a cabo reacciones de tipo líquido-sólido o líquido-líquido, que pueden o no estar catalizadas, de dicho modo es factible realizar la reacción de una manera más eficiente y aprovechando de mejor manera los reactivos, es decir, aumentando el grado de conversión de la reacción, y al paso de la misma acelerar el proceso, lograr optimizarlo. Cabe mencionar que estos reactores se caracterizan por presentar 2 o 3 estados de agregación, es decir, en su interior se encuentran los 3 estados de la materia que son: Sólido, Líquido o Gaseoso.
Rodrigo Roussell Ramírez
En conclusión dicha investigación nos menciona las diferentes reacciones que se llevan a cabo en los reactores heterogéneos, así también como su tipo de cinética y los arreglos de los mismos; la catálisis en este tipo de reactores es un método muy típico y abundante, y dado que su principal característica es que es este tipo de reactores es posible encontrar la materia en sus 3 fases de estado, la catálisis es más eficiente por lo cual el procesos se transforma y opta por una optimización en la cual se mejora eficazmente el grado de conversión de los reactivos en productos. Además, también se abordan temas como los tipos de reactores heterogéneos, que son: el reactor de lecho móvil, el reactor de lecho fluidizado, el reactor de lodos y los reactores biológicos que son de gran impacto en procesos industriales para la generación de productos de uso cotidiano.
BIBLOGRAFÍA
· Dr. Rogelio Cuevas García. (01/09/2009). Introducción a Reactores. En Reactores (47). UNAM: UNAM.
· Elements of Chemical Reaction Engineering – H. Scott Fogler – 4th Edition
· J. M. Smith. (2012). Ingeniería de la Cinética Química 6ta Edicion. CECSA: CECSA.
· H. Scott Fogler . (2014). Elements of Chemical Reaction Engineering. 4th Edition: Eastern Economic .