Reactor de lecho fluidizado para la puesta en práctica de una reacción en fase gaseosa.

Reactor de lecho fluidizado (1) para la puesta en práctica de una reacción en fase gaseosa,

atravesando unamezcla de reacción gaseosa un catalizador heterogéneo en forma de partículas, que forma un lecho fluidizado, deabajo hacia arriba, y estando dispuestos elementos de inserción (3) en el lecho fluidizado, caracterizado porque loselementos de inserción (3) dividen el lecho fluidizado en una pluralidad de células dispuestas horizontalmente, asícomo una pluralidad de células (4) dispuestas verticalmente en el reactor de lecho fluidizado (1), con paredescelulares que son permeables a gases y presentan orificios que garantizan un índice de intercambio de catalizadorheterogéneo en forma de partículas en sentido vertical en el intervalo de 1 a 100 litros/hora por litro de volumen dereactor.

Reactor de lecho fluidizado para la puesta en práctica de una reacción en fase gaseosa

La invención se refiere a un reactor de lecho fluidizado para la puesta en práctica de una reacción en fase gaseosa, atravesando una mezcla de reacción gaseosa un catalizador heterogéneo en forma de partículas, que forma el lecho fluidizado, de abajo hacia arriba, y estando dispuestos elementos de inserción en el lecho fluidizado.

Los reactores de lecho fluidizado se emplean de modo conocido para la puesta en práctica de reacciones en fase gaseosa, en las que uno o varios eductos gaseosos, con o sin adición de gas soporte inerte, se conducen de abajo hacia arriba a través de una carga constituida por un catalizador heterogéneo en forma de partículas, que está muy finamente dividido, y se conduce a través del gas en suspensión, como lecho fluidizado. Frecuentemente se emplean partículas de lecho fijo con un diámetro medio de partículas en el intervalo de 1 a 1000 µm, en especial 1 a 500 µm, o también 1 a 200 µm.

Es característico del lecho fluidizado que el gas forme burbujas debido a la distancia limitada de las partículas de producto sólido. De modo conocido, los reactores de lecho fluidizado son apropiados de modo conocido para la puesta en práctica de reacciones exotérmicas o endotérmicas con gran tono térmico, ya que se dan muy buenas propiedades de transmisión de calor debido al extraordinario entremezclado de productos sólidos a través de las partículas de catalizador fluidizadas.

En el caso de reactores de lecho fluidizado, el tiempo de residencia de la fase gaseosa, la transferencia de materia y calor se determinan a través del estado de fluidización, que depende de la velocidad de circulación de la fase gaseosa y las propiedades de producto sólido del catalizador de lecho fluidizado.

No obstante, los reactores de lecho fluidizado son desfavorables respecto a la transferencia de materia, ya que el contacto entre catalizador y reactivos está limitado debido a la formación de burbujas de gas pobres en producto sólido.

Se han mostrado especialmente desfavorables reactores de lecho fluidizado en la puesta en práctica de reacciones críticas en tiempo de residencia y no selectivas. Debido al remezclado de productos sólidos por convección en el lecho fluidizado, el producto formado puede reaccionar adicionalmente en la zona de entrada del reactor de lecho fluidizado para dar productos secundarios y sucesivos, con efectos correspondientemente negativos sobre rendimiento y selectividad.

Por lo tanto, se investigó una pluralidad de elementos de inserción en el lecho fluidizado y sus repercusiones sobre las propiedades de reactores de lecho fluidizado. Ofrece una sinopsis, a modo de ejemplo, el Handbook of Fluidization and Fluid Particle Systems, editorial Marcel Dekker, New York -Basel, 2003, páginas 175-199.

En el caso de elementos de inserción se puede tratar, a modo de ejemplo, de tubos que se emplean en el lecho fluidizado, para reducir el tamaño de burbujas de aire y el entremezclado de productos sólidos por convección. Los tubos pueden estar orientados tanto vertical, como también horizontalmente, debiendo ser la distancia de los tubos más estrecha que el tamaño medio de burbuja de gas. En este caso es desventajosa la gran carga de superficie de sección transversal del reactor, así como la disgregación intensificada resultante y al tendencia a la descarga respecto al catalizador de lecho fluidizado.

Las chapas separadoras pueden presentar igualmente orientación horizontal o vertical. No obstante, en la disposición horizontal de chapas separadoras se llega a velocidades de gas más elevadas, que no son manejables para una carga de reactor económica, para la formación de capas de relleno de gas, que reducen en gran medida la transmisión de calor (véase el manual citado anteriormente, página 190, figuras 15 a a d en combinación con la descripción en la página 190 a 191, columna izquierda) . No obstante, en especial también se pueden empobrecer en catalizador sólido las zonas inferiores en el lecho fluidizado mediante la elevada carga por superficie de sección transversal, de modo que se debe considerar una clara reducción en la transmisión de calor. También son desventajosos elementos de inserción verticales, a modo de ejemplo series de tubos verticales, que no pueden ocasionar en especial una reducción de tamaño de burbuja suficiente para muchos fines de aplicación.

También se puede conseguir una mejora de las propiedades de tiempo de residencia y de transferencia de materia a través de apilados regulares o irregulares en el lecho fluidizado. En los espacios intermedios estrechos entre los cuerpos moldeados que forman la carga se puede mejorar la transferencia de materia y optimizar la distribución de tiempo de residencia. Sin embargo, también en este caso la gran carga de sección transversal debida al apilado se muestra desventajosa respecto a un entremezclado y a una tendencia a la descarga intensificados.

Por consiguiente, era tarea de la invención mejorar adicionalmente un reactor de lecho fluidizado con elementos de inserción, en especial respecto a las propiedades de tiempo de residencia, permaneciendo localmente el producto sólido bastante más tiempo, en aproximadamente 2 potencias de diez o más, en comparación con la circulación gaseosa, y evitándose los anteriores inconvenientes.

El reactor de lecho fluidizado con elementos de inserción será empleable en especial también para la puesta en práctica de procedimientos a escala industrial.

La solución consiste en un reactor de lecho fluidizado para la puesta en práctica de una reacción en fase gaseosa, atravesando una mezcla de reacción gaseosa un catalizador heterogéneo en forma de partículas, que forma un lecho fluidizado, de abajo hacia arriba, y estando dispuestos elementos de inserción en el lecho fluidizado, que está caracterizado porque los elementos de inserción dividen el lecho fluidizado en una pluralidad de células dispuestas horizontalmente, así como una pluralidad de células dispuestas verticalmente en el reactor de lecho fluidizado, con paredes celulares que son permeables a gases y presentan orificios que garantizan un índice de intercambio de catalizador heterogéneo en forma de partículas en sentido vertical en el intervalo de 1 a 100 litros/hora por litro de volumen de reactor. Ventajosamente, también en sentido horizontal, el índice de intercambio se puede situar en el intervalo de 0 a 100 litros/hora por litro de volumen de reactor.

Se descubrió que es esencial dividir el lecho fluidizado por medio de elementos de inserción, tanto en sentido horizontal, como también en sentido vertical, es decir, en cavidades huecas rodeadas por paredes celulares, siendo las paredes celulares permeables a gases, y presentando orificios que permiten un intercambio de materia en sentido vertical en el reactor de lecho fluidizado. Además, en las paredes celulares pueden estar previstos orificios que permiten un intercambio de materia en sentido horizontal. Por consiguiente, el catalizador heterogéneo en forma de partículas se puede mover ciertamente en sentido vertical, y en caso dado también en sentido horizontal, a través del reactor de lecho fluidizado, pero se retiene en las zonas aisladas en comparación con un lecho fluidizado sin los mismos, garantizándose los índices de intercambio definidos anteriormente.

El índice de intercambio se determina mediante el empleo de partículas de indicador sólido con marcaje radioactivo, que se introducen en el sistema de reacción fluidizado, como se describe, a modo de ejemplo, en: G. Reed "Radioisotope techniques for problem-solving in industrial process plants", capítulo 9 ("Measurement of residence times and residence-time distribution") , páginas 112-137, (J. S. Charlton, ed.) , Leonard Hill, Glasgow and London 1986, (ISBN 0-249-44171-3) . A través del registro de tiempo y espacio de estas partículas con marcaje radioactivo se puede determinar localmente el movimiento de producto sólido, y deducir el índice de intercambio (G. Reed en: "Radioisotope techniques for problem-solving in industrial process plants", capítulo 11 ("Miscellanous radiotracer applications", 11.1. "Mixing and blending studies") , páginas 167-176, (J. S. Charlton, ed.) , Leonard Hill, Glasgow and London 1986, (ISBN 0-249-44171-3) .

Mediante la selección selectiva de la geometría de células se puede adaptar el tiempo de residencia del catalizador heterogéneo en forma de... [Seguir leyendo]

1. Reactor de lecho fluidizado (1) para la puesta en práctica de una reacción en fase gaseosa, atravesando una mezcla de reacción gaseosa un catalizador heterogéneo en forma de partículas, que forma un lecho fluidizado, de abajo hacia arriba, y estando dispuestos elementos de inserción (3) en el lecho fluidizado, caracterizado porque los elementos de inserción (3) dividen el lecho fluidizado en una pluralidad de células dispuestas horizontalmente, así como una pluralidad de células (4) dispuestas verticalmente en el reactor de lecho fluidizado (1) , con paredes celulares que son permeables a gases y presentan orificios que garantizan un índice de intercambio de catalizador heterogéneo en forma de partículas en sentido vertical en el intervalo de 1 a 100 litros/hora por litro de volumen de reactor.

2. Reactor de lecho fluidizado (1) según la reivindicación 1, caracterizado porque los orificios en las paredes celulares de las células (4) dispuestas en el reactor de lecho fluidizado garantizan un índice de intercambio de catalizador heterogéneo en forma de partículas en sentido horizontal en el intervalo de 100 litros/hora por litro de volumen de reactor.

3. Reactor de lecho fluidizado (1) según la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque los orificios en las paredes celulares de células (4) dispuestas en el reactor de lecho fluidizado (1) garantiza un índice de intercambio de catalizador heterogéneo en forma de partículas en sentido vertical en el intervalo de 10 a 50 litros/hora por litro de volumen de reactor y en sentido horizontal de 0, o en el intervalo de 10 a 50 litros/hora por litro de volumen de reactor.

4. Reactor de lecho fluidizado (1) según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque los elementos de inserción (3) están configurados como empaquetadura de canales cruzados, con chapas metálicas dobladas permeables a gases (10) , capas de metal desplegado o tejido, dispuestas en paralelo en sentido longitudinal en el reactor de lecho fluidizado (1) , con bordes de pandeo (11) , que forman superficies de articulación (12) con un ángulo de inclinación respecto a la vertical distinto de cero, y formando las superficies de articulación (12) de chapas metálicas (10) , capas de metal desplegado o tejido sucesivas, el mismo ángulo de inclinación, pero con sentido contrario, y configurando de este modo células que se limitan en sentido vertical mediante puntos de estrechamiento

(13) entre los bordes de pandeo (11) .

5. Reactor de lecho fluidizado (1) según la reivindicación 4, caracterizado porque los ángulos de inclinación de las superficies de articulación (12) respecto a la vertical se sitúan en el intervalo de 10 a 80º, en especial entre 20 y 70º, de modo especialmente preferente entre 30 y 60º.

6. Reactor de lecho fluidizado (1) según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque los elementos de inserción (3) están formados por un apilado de bolas huecas.

7. Reactor de lecho fluidizado (1) según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque las células (4) de los elementos de inserción (3) presentan un diámetro hidráulico, medido por medio de técnica de marcaje radioactivo, entre 100 y 5 mm, preferentemente entre 50 y 5 mm.

8. Reactor de lecho fluidizado (1) según una de las reivindicaciones 1 a 5 o 7, caracterizado porque las células (4) de elementos de inserción (3) presentan una altura media, medida en sentido vertical en el reactor de lecho fluidizado (1) por medio de técnica de marcaje radioactivo, entre 100 y 3 mm, preferentemente entre 40 y 5 mm.

9. Reactor de lecho fluidizado (1) según una de las reivindicaciones 1 a 5, 7 u 8, caracterizado porque las superficies de articulación (12) en las chapas metálicas (10) , capas de metal desplegado o tejido, presentan una altura de articulación en el intervalo entre 100 y 3 mm, de modo especialmente preferente entre 40 y 5 mm, y la distancia de puntos de estrechamiento (13) entre los bordes de pandeo (11) presenta valores en el intervalo entre 50 y 2 mm, de modo especialmente preferente entre 20 y 3 mm.

10. Reactor de lecho fluidizado (1) según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque en los elementos de inserción (3) están alojados transmisores de calor (5) .

11. Reactor de lecho fluidizado (1) según la reivindicación 10, caracterizado porque los transmisores de calor (5) presentan configuración en forma de placas o tubular.

12. Reactor de lecho fluidizado (1) según una de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque los elementos de inserción (3) están constituidos por materiales metálicos, cerámicos, polímeros o vítreos.