Conclusions for the Framework

En los procesos catalíticos petroquímicos y de refinación, existen muchas aplicaciones de la catálisis heterogénea y varias vías de utilización de los catalizadores, como son: cama fija, cama en movimiento, cama fluidizada y suspensión. En los siguientes ejemplos se considerarán solamente los casos de cama fija y cama en movimiento 29, 30).

Reactores con cama fija de catalizador

Las reglas de diseño de este tipo de reactores son bastante bien conocidas. Los problemas radican en hallar el tipo de equipamiento experimental de pequeña escala, adecuado para realizar las mediciones del rendimiento del catalizador y que éstas sean representativas en la escala industrial.

En el caso de la reformación catalítica, el esquema de reacción es complejo y los efectos térmicos son muy fuertes durante la primera fase de la transformación, o sea durante la dehidrogenación de las cicloparafinas. La tecnología, en uso general desde hace más de 30 años, consiste en tres o cuatro reactores de cama fija en serie, operando adiabáticamente, precedidos por hornos para compensar la naturaleza endotérmica global del sistema reaccionante (29).

Sin embargo, los estudios sobre la efectividad de los catalizadores se desarrollan normalmente en unidades piloto isotérmicas, usando lotes de 300 a 400 gramos de catalizador y esto dificulta hacer las comparaciones entre esas camas experimentales de algunos centímetros y las camas industriales mucho más grandes.

Sin embargo, esa situación es aceptable en este caso debido a que la transferencia de masa en el exterior de los granos de catalizador juega un rol despreciable en la cinética global y la transposición entre la operación isotérmica a nivel piloto y la adiabática a nivel industrial puede hacerse mediante correlaciones empíricas disponibles, aunque no se dispone aún de modelos matemáticos útiles para este proceso, debido a la gran complejidad del mismo.

El tipo de reactor utilizado industrialmente para las operaciones de hidroprocesamiento (hidrodesulfurización de gasolina, fuel-oil, destilados al vacío y residuos; hidrocraqueo para producir destilados medios y gasolina; hidrorefinación de aceites lubricantes, etc) es el de cama fija y dos fases fluidas, denominado "cama de escurrimiento" (trickle bed) (Figura 3.5).

A pesar de la amplia experiencia acumulada con algunos de estos procesos, el desarrollo de nuevos procesos y variantes y la necesidad de reducir el costo de los reactores (más del 30% del costo total de una unidad), han hecho que en los últimos años se hayan realizado un considerable

trabajo de investigación y desarrollo encaminado al conocimiento del flujo de dos fases (gas y líquido), a través de camas de catalizador y que mucho aún permanezca por ser aprendido.

Entre los aspectos no suficientemente estudiados, está la caída de presión en este tipo de equipo, la que sólo se podía calcular con un amplio margen de error (+ - 100%). Para los estudios de caída de presión y patrones de flujo, se han empleado equipos de laboratorio con tubos de 10 a 15 cm de diámetros, seguidos por la utilización de mockups para estudiar los problemas distributivos de las fases a través de la sección transversal de la cama del catalizador (Figura 3,6). La distribución de las fases líquida y gaseosa debía ser tan homogénea como fuera posible, ya que la homogeneidad determina la eficiencia de la cama de catalizador y el mínimo volumen del reactor.

Figura 3,5 Reactor de escurrimiento (De Trambouze, 1999)

En los reactores piloto con un pequeño diámetro interior (unos pocos centímetros), se obtiene fácilmente una buena distribución, a pesar de que las velocidades lineales de los fluidos son considerablemente menores que en la escala industrial. A su vez esas bajas velocidades lineales pueden tener un efecto significativo en la transferencia gas-líquido en los procesos que consumen grandes cantidades de hidrógeno, como es el caso del hidrocraqueo.

Con el empleo de los mockups se pudieron determinar las velocidades lineales que debían emplearse en los equipos industriales y posteriormente se realizaron corridas en plantas piloto con velocidades lineales lo más cercanas posibles a las obtenidas en los mockups.

Aquí es importante tener en cuenta que en los reactores piloto de pequeño diámetro interior, es fácil obtener una buena distribución a pesar que normalmente operan con velocidades de flujo considerablemente más bajas que en los equipos de escala industrial y esas bajas velocidades lineales pueden tener un efecto importante en la transferencia gas-líquido, en los procesos como el hidrocraqueo donde el consumo de hidrógeno es elevado.

Figura 3,6. Mockup desarrollado para estudiar la distribución gas/líquido en el reactor de escurrimiento (De Trambouze, 1990).

Por esa causa es conveniente realizar también corridas de planta piloto a las velocidades altas en que se operan las plantas industriales, para de esa forma poder garantizar, con los resultados conjuntos de los mockups y las plantas piloto, la obtención de las correlaciones entre el rendimiento, la selectividad y la vida del catalizador, fundamentales para el diseño de las unidades industriales.

Reactores con cama móvil de catalizador

Los requerimientos crecientes con relación a la cantidad y calidad de la gasolina y la producción de aromáticos, ha hecho incrementar la importancia de los procesos de reformación catalítica y ha llevado al desarrollo de un profundo trabajo de investigación para mejorar la estabilidad del catalizador.

Este desarrollo llegó a un punto en el cual no se podían obtener mejoras sin un cambio radical de la tecnología y de ahí surgió la utilización de una cama movible de catalizador, que permite la regeneración continua o semi-continua del mismo. Después de la regeneración el catalizador entra al tope del primer reactor, desciende por gravedad y sale por el fondo, de donde es empujado reumáticamente hacia el tope del próximo reactor y después de pasar por todos los reactores, retorna al regenerador para completar el ciclo.

Para disminuir la caída de presión a través de la cama de catalizador se adoptó una tecnología de flujo cruzado, con un reactor de la forma mostrada en la figura 3.7 (Tambouze, 1990).

Figura 3.7 Reactor de cama móvil con flujo cruzado (De Trambouze, 1990).

El trabajo requerido para el desarrollo de una unidad de proceso basada en esa tecnología incluyó (29, 30):

• Mejora de la resistencia mecánica de los catalizadores sin detrimento de la calidad de los mismos.

• Optimización de las condiciones de operación para mejorar el rendimiento de la regeneración.

• Estudio de la transferencia neumática del catalizador. • Detallar el diseño de los reactores de cama móvil.

• Diseñar válvulas aislantes de catalizador que fuesen herméticas al hidrógeno.

Los primeros dos objetivos se investigaron en unidades piloto de reformación construidas al efecto, las tres últimas requirieron del uso de mockups y en el caso particular del último de los objetivos, las investigaciones culminaron con pruebas a gran escala bajo condiciones reales de operación.

En particular el diseño detallado del reactor conllevó un estudio detallado de las interacciones gas-sólido y para ello se dieron los pasos siguientes:

-Empleo de una pequeña unidad de laboratorio de unos pocos centímetros de tamaño para mostrar los efectos tales como el amasado del catalizador contra los tamices en la salida delgas.

-Un mockup rectangular capaz de cargar hasta 350 L de catalizador, para un estudio preliminar de la relación entre el espesor de la cama compactada y la caída de presión en la fase gaseosa.

-Un mockup del tamaño y forma del reactor industrial planeado, aunque limitado a sólo un sector del cilindro para reducir los volúmenes de catalizador y de gas a recircular y con una de las caras hechas de Plexiglas de forma que se pudiera observar el flujo de sólidos mediante técnicas de trazado. El volumen de sólido total en ese mockup era de 2.5 m (Figura 3.8).

En el trabajo con los mockups, se emplearon como fase sólida los mismos gránulos que sirven de soporte al catalizador, la fase gaseosa fué el aire y las condiciones de operación fueron la temperatura y presión ambientales. De esa forma, gracias a una serie de mediciones y modificaciones hechas en el mockup grande, a muy bajo costo, fue posible definir la forma del reactor industrial y los valores máximos de flujos y caídas de presión.

Finalmente, combinando los resultados de las plantas piloto para las condiciones de operación del reactor y del regenerador con los resultados de los mockups sobre los problemas de transporte de sólidos e interacción gas-sólido, se estuvo en condiciones de diseñar y construir la primera unidad con esta tecnología, a una escala modesta primero (1/10 de las plantas industriales comunes) y a la escala normal después, convirtiéndose en una tecnología aceptada en el ámbito mundial y en franco desarrollo.

Figura 3.6 Variante de mockup utilizado para el estudio del comportamiento del reactor catalítico (De Trambouze, 1990)