Cinetica quimica del proceso de reduccion directa

Teoria Cinetica de la Reduccion Directa

En cualquier proceso de reducción directa el tratamiento químico es el corazón del proceso, lo que lo hace posible o no, dependerá principalmente del factor económico. Para el diseño de un reactor, indistintamente del tipo, es necesario contar con información, conocimiento y la experiencia de una gran variedad de áreas: termodinámica, cinética química,mecánica de fluidos, transferencia de masa, transferencia de calor y sin dejar a un lado, por supuesto la economía del proceso. La síntesis de todos estos factores, enfocados al diseño apropiado de un reactor químico, es llamada Ingeniería de Reacciones Químicas, debido a que todos los procesos químicos giran en torno a este reactor.

En cuanto a la clasificación del tipo de reactor utilizado porla planta de reducción directa en estudio, podemos clasificarlo, de acuerdo a su clase, como un reactor continuo; debido a que los reactivos se introducen y los productos se extraen simultáneamente y en forma continua. Otra clasificación pertinente es que este es un reactor tipo torre, por poseer una estructura cilíndrica vertical, con una relación grande entre la altura y el diámetro, estaclasificación es la más acertada debido a que esta incluye torres con lecho empacado.

Ecuaciones básicas de diseño: Las ecuaciones de diseño se basan en lo común en tres clases se reactores:
• Reactor Intermitente.
• De Flujo tipo Pistón.
• Retromezclado.

Se le asigna al proceso de reducción en estudio un reactor tipo tapón, debido a que este supone un mezclado completo en la direcciónradial, pero no permite ninguna difusión en dirección del flujo (es decir, que no hay Retromezclado). Como resultado los perfiles de velocidad, temperatura y composición, son planos en cualquier área transversal perpendicular al flujo, pero la composición varia a lo largo de la trayectoria del flujo. Sin embargo en la realidad, se sabe que en el horno de cuba utilizado para reducir los óxidos de hierroexiste un perfil térmico a nivel radial, diferente a un valor constante, debido a la transferencia de calor que ocurre desde el gas hacia el sólido a través del radio, motivando por consecuencia una disminución en la temperatura del lecho a medida que se acerca al centro de este.

El tipo de reacciones involucradas en los procesos de reducción directa, se caracterizan por ser, no catalizadas yheterogéneas.

La velocidad de reacción para las reacciones heterogéneas se ven afectadas por la presión, temperatura, composición, transferencia de masa y calor, en el campo de la reducción directa por lo general es necesaria de horas para obtener la conversión deseada.

El reactor de reducción directa también puede ser clasificado como un reactor heterogéneo no catalítico, debido a queeste está limitado a las reacciones fluido – sólido, de manera aun más estricta a las reacciones Gas – Sólido.

Cinética de las reacciones heterogéneas: La ecuación cinética incluye términos de transferencia de masa además de los términos sobre cinética química. Los términos relacionados con transferencia de masa son diferentes para cada tipo de sistema heterogéneo. Por consiguiente no hay unaexpresión cinética general.

Las reacciones heterogéneas sólido-gas se pueden clasificar en:

1) Sistemas donde el reactante sólido no es poroso. Estas a su vez se clasifican según su geometría en:

a) La partícula sólida se va reduciendo de tamaño durante la reacción y no hay formación de un producto sólido.
b) La partícula cuyo tamaño no varía, donde el producto sólido permanece alrededordel material o núcleo no reaccionado.
c) La partícula cuyo tamaño va variando con el tiempo, debido a la diferencia de densidad entre el reactante y el producto sólido formado.

2) Sistemas donde el reactante sólido es poroso al gas reactante.

En la figura 5 se presenta el comportamiento típico de las partículas sólidas durante la reacción. Las reacciones heterogéneas por lo general se dan...