REACTORES DE FANGOS O TIPOS SLURRY

REACTORES DE FANGOS O TIPOS SLURRY                           

Un reactor tipo slurry es un reactor de flujo multifásico en el que se burbujea gas reactivo a través de una solución que contiene partículas sólidas de catalizador.

A continuación se muestran sus principales ventajas e inconvenientes:

Ventajas

• Pueden operar de manera continua o discontinua
• Fácil control de la temperatura
• Posbilidad de uso con fluidos viscosos y con fluidos formadores de espuma.
• Buen contacto sólido-líquido.
• Sus altos factores de efectividad interna permiten su uso en reacciones muy rápidas.
• Posibilidad de reemplazar el catalizador fácilmente.

Inconvenientes

• Potencia consumida en la agitación
• Coste de mantenimiento y construcción
• El mayor grado de mezcla implica menor conversión.
• Alta relación líquido/sólido/ reacción en fase líquida, necesitándose mayores volúmenes de reactor.
• Separación del catalizador.

Las columnas de burbujas son sistemas bifásicos de gas y líquido en los que un gas se dispersa a través de un burbujeador y burbujea a través de él un líquido en columnas cilíndricas verticales, con o sin internos tales como intercambiadores de calor. Cuando bien los sólidos se suspenden en el líquido, se forma una fase de suspensión. En consecuencia, se puede llamar de dos fases o tres fases (slurry) columna de burbujas. Con respecto al flujo de gas, el flujo de la fase líquido / slurry puede ser a corriente, a contracorriente, o en modo por lotes. El tamaño de las partículas sólidas típicamente varía de 5 a 150 μm y la carga de sólidos varía hasta el 50% del volumen. La fase gaseosa contiene uno o más reactivos, mientras que la fase líquida generalmente contiene productos y / o reactivos (o a veces es inerte). Las partículas sólidas son típicamente catalizadores. En general, la velocidad superficial líquida de funcionamiento (en el rango de 0 a 2 cm / s) es un orden de magnitud menor que la velocidad superficial del gas (1 a 50 cm / s).

[pic 1]

Regímenes de flujo en columnas de burbujeo

[pic 2]

En las columnas de burbujas, se han observado cuatro tipos de patrones de flujo, a saber, homogéneos (burbujeantes), heterogéneos (flujo roto), slug y flujo anular. Los investigadores han informado sobre la ocurrencia de un régimen de flujo slug solo en columnas de pequeño diámetro. En estos diferentes regímenes de flujo, la interacción de la fase de gas dispersa con la fase líquida continua varía considerablemente. Sin embargo, los regímenes de flujo burbujeante y roto se encuentran con mayor frecuencia. Dependiendo de las condiciones de operación, estos dos regímenes pueden estar separados por un régimen de transición.

El régimen de flujo homogéneo generalmente ocurre a velocidades de gas superficiales bajas a moderadas. Esta caracterizado por pequeñas burbujas de tamaño uniforme que viajan verticalmente con oscilaciones transversales y axiales menores. Prácticamente no hay coalescencia y ruptura, por lo tanto, existe una estrecha distribución del tamaño de la burbuja. La distribución del holdup de gas es radialmente uniforme; por lo tanto, la circulación de líquidos a granel es insignificante. El tamaño de las burbujas depende principalmente en la naturaleza de la distribución del gas y las propiedades físicas del líquido.

El flujo heterogéneo ocurre a altas velocidades superficiales del gas. Debido a la intensa coalescencia y ruptura, en este régimen aparecen burbujas pequeñas y grandes que conducen a una amplia distribución del tamaño de las burbujas. La gran rotura de burbujas a través del líquido, y por lo tanto, se llama flujo turbulento roto. La distribución no uniforme de retención de gas en la dirección radial provoca la circulación de líquidos a granel en este régimen de flujo.

Como se puede ver, los regímenes de flujo homogéneos y heterogéneos tienen una  hidrodinámica completamente diferente características. Tales características hidrodinámicas distintas dan como resultado diferentes mezclas, así como tasas de transferencia de calor y masa en estos regímenes de flujo. Por lo tanto, la demarcación de los regímenes de flujo se convierte en una tarea importante en el diseño y la ampliación de tales reactores y ha llevado a considerables esfuerzos de investigación que han resultado en métodos experimentales y modelos empíricos, semiempíricos y mecanísticos para identificar la transición del régimen de flujo.

La transición del régimen de flujo de burbujeo a roto o de roto a rapón depende simultáneamente de parámetros tales como la velocidad del gas superficial, el diámetro de la columna, propiedades  de la fase líquida y la fase gaseosa y diseño del distribuidor. La siguiente figura muestra uno de los pocos mapas aproximados de régimen de flujo de velocidad de transición versus diámetro de la columna que distingue entre burbujeante, transición, roto y tapón. Sin embargo, está limitado a sistemas de baja viscosidad en condiciones ambientales.

[pic 3]

Hold-up del gas en columnas de burbujeo

Debido a que los parámetros hidrodinámicos globales son manifestaciones de los patrones de flujo prevalecientes, varían con los regímenes. Este hecho generalmente se ha utilizado para identificar el punto de transición del régimen de flujo. Típicamente, la hidrodinámica global se ha cuantificado en función del hold-up del gas.

El holdup total de gas aumenta con un aumento en la velocidad superficial del gas. Como se puede ver en la Figura, la relación entre la retención total de gas y la velocidad superficial del gas varía en un rango de velocidades. La relación es casi lineal (n ~ 0.8-1) a bajas velocidades de gas, pero con una intensa interacción no lineal de burbujas a altas velocidades de gas, la relación entre el holdup de gas y la velocidad superficial del gas se desvía de la linealidad. El valor de n es menor que 1 (n ~ 0.4 - 0.6). Por lo tanto, el cambio en la pendiente de la curva de holdup de gas se puede identificar como un punto de transición de régimen. A veces, el holdup de gas muestra una curva en forma de S, dependiendo de las condiciones de operación y diseño. En tales casos, la velocidad superficial del gas a la que se ha alcanzado el máximo holdup de gas se identifica como la velocidad de transición.

[pic 4]

Un aumento en la velocidad del gas superficial aumenta la velocidad axial del líquido en la línea central hasta un valor máximo. Concluyeron que el máximo indica la transición del flujo homogéneo al heterogéneo. Debido a que no se proporcionaron datos de retención de gas, no se sabe si el máximo en la velocidad axial de la línea central se debe a la curva de holdup de gas en forma de S que podría estar presente en su sistema.

Sin embargo, cuando el cambio en la pendiente es gradual o la curva de retención de gas no muestra un máximo en el holdup de gas, es difícil identificar el punto de transición.

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