PROCESOS DE TRANSPORTE EXTERNO EN REACCIONES HETEROGENEAS

PROCESOS DE TRANSPORTE EXTERNO
EN REACCIONES HETEROGENEAS
REACTORES DE LECHO FIJO
Los reactores de lecho fijo (o empacado) se refieren a sistemas de dos fases en los que el fluido reaccionante fluye a través de un tubo lleno de partículas o gránulos catalíticos estacionarios. En estos reactores, habrá regiones cerca de la superficie externa de las partículas en las que la velocidad del fluidoserá muy baja. En estas regiones, que resultan especialmente evidentes cerca de los puntos de contacto entre las partículas, la transferencia de masa y energía entre el fluido global y la superficie del gránulo se produce primordialmente por conducción. A medida que aumente la distancia de la superficie, el mecanismo dominante será la convección. La complejidad de las trayectorias de flujoalrededor de un gránulo individual suspendido en una corriente de fluido es considerable. Cuando esto se combina con interacciones entre los gránulos, tal como sucede en los reactores de lecho fijo, el problema de predecir o correlacionar las velocidades locales no tiene solución en la actualidad. Por tanto, las velocidades de transporte se definen por lo general en términos de un coeficiente promediode transferencia de calor o de masa. Aun cuando los datos experimentales muestran que existen variaciones, se supondrá también que el coeficiente promedio puede aplicarse a toda la superficie del gránulo. Con estas suposiciones es posible usar un solo valor del coeficiente de transferencia de calor o de masa, para describir las velocidades de transferencia entre el fluido global y la superficie delos gránulos.

El error que se introduce al usar un coeficiente promedio no es tan serio como
podría suponerse, pues las correlaciones entre el coeficiente de transferencia de masa, k,,,, y el coeficiente de transferencia de calor, h, están basadas en datos experimentales para lechos de partículas (véase la Sec. 10-2). Es decir, los resultados experimentales son, por lo general, para valorespromedio de los coeficientes. Por otra parte, Gillespie y cok.* han llevado a cabo un interesante estudio de la variación del coeficiente de transmisión de calor con respecto a la posición del gránulo en el lecho y con la localización en la superficie de un gránulo. Los resultados mostraron que los valores de h eran más bajos para las primeras dos capas de gránulos (medidas desde la entrada) que enel resto dei lecho. Además, el coeficiente resultaba mayor cerca de la pared del lecho que en la sección central del tubo cilíndrico, debido probablemente a la mayor velocidad que existe a una distancia aproximadamente igual al tamaño de un gránulo desde la pared.2 Los coeficientes locales también variaban con la posición; los valores más altos se obtuvieron en la superficie perpendicular a ladirección del flujo global en el lecho. Petersen3 ha descrito la situación de los intentos analíticos para predecir las variaciones locales de h. En los problemas de disefio de reactores, se supone que se conoce la velocidad en el interior del centro catalítico (Cap. 9). También se cuenta con valores para la temperatura y las concentraciones del fluido global. Con esto se calcula la velocidad totalmediante la resolución simultánea de las ecuaciones para la velocidad de reacción y transferencia de masa y energía, y en el proceso se eliminan las concentraciones desconocidas en la superficie del gránulo catalítico. Si todas las ecuaciones son lineales con respecto a las concentraciones superficiales y las temperaturas, es posible resolverlas analíticamente, tal como lo ilustran las Ecs. (10-5)y (10-6). Si algunas ecuaciones no son lineales, es necesario resolverlas por medios numéricos. Cuando el objetivo es una ecuación de velocidad intrínseca, la velocidad global se obtiene directamente de las mediciones experimentales; por ejemplo, a partir de datos de reactores diferenciales o integrales, tal como se explicó en la Sec. 4-3, o de otros tipos de reactores de laboratorio, como se...