8/16/2019 Reactores Cataliticos de Lecho Fijo (Teoria)

1/3

Reactores catalíticos de lecho fijo

El desarrollo en los años recientes de la ingeniería de las reacciones químicas

y el aumento de las posibilidades del procesamiento de datos ha llevado a

extender la profundización del diseño de reactores y su performance.

Los modelos utilizados van desde los más simples (manejables antes de 1960)

hasta los más sofisticados presentados en los últimos años. El análisis y diseño

de los reactores se confronta continuamente con el grado de sofisticación que

se justifica. Esta es una problemática que no puede responderse en forma

general, el grado de sofisticación requerida depende en primer lugar del

proceso, es decir del esquema de reacción y su sensibilidad a las

perturbaciones en las condiciones de operación.

Los modelos propuestos para estudiar los reactores catalíticos se muestran en

la tabla siguiente:

MODELOSPSEUDO-HOMOGÉNEOS MODELOS HETEROGÉNEOS

UNIDIMENSIONALES FPI

FP DISPERSO

FPI + GRADIENTES

INTERFASIALES

FPI + GRADIENTES

INTRAPARTICULARES

BIDIMENSIONALES FPI + EFECTOS RADIALES GRADIENTES RADIALES

En esta tabla los modelos han sido agrupados en dos categorías: Modelos

pseudo-homogéneos y modelos heterogéneos. Los modelos pseudo-

homogéneos no tienen en cuenta explícitamente la presencia del catalizador,

en contraste con los modelos heterogéneos que separan las ecuaciones de

conservación para el fluido y el catalizador. Dentro de cada categoría los

modelos son clasificados en orden de complejidad creciente.

El modelo básico usado en la mayoría de los estudios hasta hoy es el pseudo

homogéneo-unidimensional el cual solo considera el transporte de masa por

8/16/2019 Reactores Cataliticos de Lecho Fijo (Teoria)

2/3

flujo pistón en la dirección axial. En algunos casos se puede superponer algún

tipo de mezclado en la dirección axial para considerar las condiciones de flujo

no ideales (FP disperso). Si además se consideran los gradientes radiales

tendremos un modelo bidimensional.

MODELO PSEUDO-HOMOGÉNEO-UNIDIMENSIONAL

Balance de masa para A: El Balance de masa puede plantearse por doscaminos diferentes de acuerdo a lo que se necesite evaluar.

Camino 1 Camino2

0− = A A A Vp pF dX r dV  ν   

( )1= − p L LV V    ε   

( )

0 0

0

1

−=

−=

−

 A A A Vp

 p

 A A Vp

 L

V C dX  r 

dV 

V dC r 

S dL

ν 

ν ε 

 

− = A

S A p m

dC 

r dLµ ν ρ   

donde pV   es el volumen de catalizador y Vp

r  es la velocidad promedio porunidad de dicho volumen

0− =∫ ∫ A

 A C 

 A m

dX F dW r ν 

  00

1− =∫ ∫ A

 A C 

 A Vp p

dX C dW r V ν ρ 

 

en donde ( )=m G m G

r r η   

por ejemplo para una reacción de orden 1

1=m G m Agr k C η   

Balance de Energía

0

0 0

0

0

0

0

− =

− =

− =

−

=

Vp

 A A A C 

 p

Vp

 A A A C 

 p

C 

 A A A Vp

 p

 A A C 

 A Vp p

r F dX dW  

r V C dX dW  

dW C dX r  

V 

C dX dW  

r V 

ν  ρ 

ν  ρ 

ν  ρ 

ν ρ 

 

8/16/2019 Reactores Cataliticos de Lecho Fijo (Teoria)

3/3

 De acuerdo a lo que vimos anteriormente (para FPI)

( )

( )

0

0

densidad molar del gas

− + ∆ =

= + ∆= →

&

&

O p A vp p R T 

O p A vp p R T 

O G

dQ F C dT H r dV  

F C dT dQ H r dV  F V 

ν 

ν 

 ρ 

 

( )   ( )

( )   ( )   ( )

1

1

= + ∆ −

= ∆ + ∆ −

&G p A vp L R T 

G p A vp L R T 

S C dT dQ H r S dL

S C dT U dA T H r S dL

µ ρ ν ε  

µ ρ ν ε  

 

2dA r dL d dLπ π = =  

Donde ( )∆T  se expresará según sea el sistema de intercambio de calor (ver

material Reactores no isotérmicos)

( )   ( )

( )   ( )

( )2

4

= ∆ + ∆

= ∆ + ∆

= ∆ + ∆

G p A vL R T 

G p A vL R T 

G p A vL R T 

S C dT U d dL T H r S dL

dT S C U d T H r S  

dL

dT d C U T H r  

d dL

µ ρ π ν  

µ ρ π ν  

µ ρ π ν  

π 

 

( )

4= ∆ + ∆G p A VL R T 

dT U C T H r  

dL dt  

µρ ν   

Balance de Cantidad de Movimiento

22

.

g S T 

 p

 f d P

dL g d  

 ρ µ −=  

T

diámetro de partícula

factor de fricción

densidad del gas

P presión total

 p

g

d 

 f 

 ρ 

=

=

=

=

 

 A continuación se desarrolla un ejemplo de aplicación que permitirá plantear eldiseño de un reactor catalítico.

Bibliografía:-  Froment, G - Bischoff, K (1990). Chemical reactors - Analysis and design.

Ed. Wiley.-  Smith, J. M. (1999). Ingeniería de la cinética química. Ed. CECSA.