Consideraciones para la carga de catalizadores sólidos industriales en reactores químicos

La gran mayoría de las unidades utilizadas en la industria de procesos químicos utilizan catalizadores heterogéneos para mejorar considerablemente el rendimiento de los procesos que suelen acelerar. Este tipo de catalizadores industriales, generalmente, son complejos de manufacturar y por ende, bastante costosos. La carga y descarga de catalizadores sólidos dentro y fuera de reactores químicos puede tener un impacto enorme en el rendimiento del catalizador, el funcionamiento del proceso y la seguridad del personal involucrado en el proceso industrial.

Catalizadores sólidos diversos
Catalizadores heterogéneos sólidos. Imagen de nopro

Es por esta razón, que la manipulación y carga correcta de los catalizadores sólidos (catalizadores heterogéneos) es de gran importancia para la industria, incluso en aquellos catalizadores de diseño impecable. Realizar cargas eficientes de los catalizadores sólidos eleva de manera exponencial el rendimiento de la unidad de proceso, mejorando considerablemente la distribución del flujo en el interior del reactor, evitando también la sedimentación del lecho. De esta manera, da lugar a un funcionamiento más fiable de la unidad de proceso que involucra al catalizador sólido.

En este artículo describiremos algunas consideraciones a tomar en cuenta para realizar una carga eficiente de catalizadores sólidos en reactores químicos de diferentes tipos, como reactores tubulares y reactores de lecho fijo.

Tabla de contenidos
  1. Materiales y usos de los catalizadores sólidos
  2. Manipulación de los catalizadores sólidos
  3. Métodos de carga de catalizadores sólidos

Materiales y usos de los catalizadores sólidos

Carga de catalizadores sólidos en reactores tubulares
Carga de catalizadores sólidos en reactores tubulares. Imagen de planttech

Cualquier tipo de catalizador (sea homogéneo, biológico o heterogéneo) tiene como finalidad elevar la velocidad de una reacción química (o según sea el caso, disminuirla). Los catalizadores son fabricados en todo el mundo tomando en consideración normativas ambientales y de calidad, así como, análisis de costos para poder hacerlos más económicos e inocuos cada día.

Muchos catalizadores heterogéneos sólidos poseen metales de transición como sitios activos, es por esta razón, que la reacción deseada se realiza en la superficie del catalizador. La estructura electrónica de estos metales de transición absorbe a las moléculas reactivas con la fuerza suficiente para lograr una estabilización del estado de transición de la reacción. Sin embargo, esta fuerza no es tan poderosa para impedir la desorción de las moléculas de producto de la superficie del catalizador.

Entre los materiales más utilizados en la producción de catalizadores sólidos heterogéneos se encuentra el cobalto, el cual es ampliamente utilizado para la hidrodesulfuración, producción de PET y eliminación de mercaptano de la gasolina. Otros materiales frecuentemente utilizados en los catalizadores sólidos, son el platino, el rutenio, el paladio y la plata, siendo estos materiales muy eficaces a temperaturas y presiones elevadas. Como podemos notar, el uso de los catalizadores a nivel industrial es muy amplio.

En los reactores de lecho fijo el uso de los catalizadores sólidos es más frecuente. Suelen tener en su interior recipientes cilíndricos, los cuales se llenan con catalizadores sólidos (por lo general, del tipo gránulo). Los reactivos, que pueden ser líquidos o gaseosos, pasan a través de estos recipientes, entrando en contacto con el lecho de los catalizadores sólidos para eventualmente convertirse en productos.

En los reactores tubulares (utilizados generalmente en reacciones que presentan altas temperaturas y gases calientes en el exterior de los tubos del reactor, o en procesos con reacciones muy exotérmicas con flujo de refrigerante por fuera del tubo), el catalizador sólido se encuentra dentro del cilindro que conforma al reactor. La presencia de varios tubos en este tipo de reactores permite mantener y alcanzar las temperaturas de operación deseadas.

Los reactores de lecho fluidizado suspenden pequeñas partículas del catalizador sólido a través del movimiento ascendente del fluido que va a reaccionar. Este fluido suele ser un gas con un caudal suficientemente alto para permitir la mezcla de las partículas sin arrastrarlas fuera del reactor. Los reactores de lecho fluidizado suelen ser unidades de varios recipientes, por lo tanto, el catalizador sólido en condiciones normales de operación migra de un recipiente a otro.




Manipulación de los catalizadores sólidos

La manipulación de los catalizadores sólidos implica la contención total de estos catalizadores y requiere una exposición muy limitada del personal a los catalizadores. La carga y descarga de los catalizadores sólidos suele estar a cargo de empresas especializadas que cuentan con la tecnología y experiencia para realizar este tipo de trabajo de manera segura.

Personal manipulando eficientemente catalizadores sólidos
Personal realizando manipulación de catalizadores sólidos de manera segura. Imagen de nopro

La carga y descarga de
catalizadores sólidos abarca una gran cantidad de operaciones. El pre-embalaje que consiste básicamente en transferir al catalizador sólido de su empaque original a tolvas intermedias. Luego, el cribado y tamizado que permiten la extracción y separación de sólidos de diferentes tamaños para poder desechar polvos e impurezas de grosor inferior al del catalizador sólido. Por lo general, el método de carga viene dictado por el fabricante del catalizador.

En los reactores de lecho fijo los catalizadores sólidos suelen ser descargados del reactor a través de una rampa de descarga. También, suelen ser aspirados desde la boca de acceso superior del reactor utilizando equipos de aspiración especializados.




Métodos de carga de catalizadores sólidos

A continuación, veremos los principales métodos de carga de catalizadores sólidos en reactores químicos:

  1. Carga al vacío: En este tipo de carga se transporta neumáticamente al catalizador sólido, directamente desde sus envases contenedores al reactor, utilizando un sistema de vacío. Este método minimiza la exposición del personal al material del catalizador y reduce el impacto ambiental. Cabe destacar, que se elimina la necesidad de utilizar grúas, disminuyendo costos de operación.
  2. Carga directa: Como su nombre lo indica, este tipo de carga permite colocar al catalizador directamente desde sus contenedores al reactor. Generalmente, se utilizan grúas para realizar la operación. El catalizador es pasado previamente por un sistema de contención de polvo antes de la carga para evitar impurezas. Para los reactores de lecho fijo hay dos tipos de carga densa y la carga de malla flexible o calcetines, siendo esta última la menos costosa.
  3. Carga densa: Para lograrla, se utiliza un dispositivo que permite repartir el catalizador sólido de manera uniforme dentro del reactor. De este modo, se logra reducir el espacio vacío y la canalización, además de permitir una mayor ganancia de densidad del catalizador sólido. Existen diferentes tecnologías de carga densa, algunas utilizan equipos rotativos, otras utilizan como propulsor aire o nitrógeno. Los métodos de carga densa requieren una supervisión continua por parte del personal para regular la velocidad de carga. En la carga densa, por lo general, se adiciona al catalizador sólido por la boca superior del reactor.
  4. Carga de calcetines: Este método de carga permite transferir al catalizador sólido desde tolvas de carga hasta el lecho del reactor, utilizando una malla flexible o calcetines, como también se les conoce. Estas mallas suelen ser tubos rígidos unidos a las bocas de las tolvas unidos a una manguera flexible que permite la descarga en el reactor. Este método permite controlar la caída del catalizador dentro del reactor. El calcetín debe acortarse a medida que la operación se va desarrollando para lograr cargas eficientes.
  5. Carga de reactores tubulares: Este tipo de carga permite llenar directamente el catalizador sólido en cada tubo individual del reactor. Históricamente, este tipo de carga ha planteado una enorme cantidad de inconvenientes. El objetivo principal de esta operación es cargar sistemáticamente el catalizador fresco en los tubos, cumpliendo al mismo tiempo con los requisitos de corte y tolerancia de caídas de presión en toda la lámina del tubo. En la actualidad, se cuenta con una gran cantidad de avances que permiten una carga de reactores tubulares mucho más eficiente y segura, como por ejemplo, el uso de cintas de pescado que mejoran la experiencia y facilitan la tarea.

Se trata de un tema bastante extenso y muy interesante en ingeniería química, la idea de este artículo es dar una visión general sobre las consideraciones de carga de catalizadores heterogéneos sólidos y conocer los principales métodos de carga utilizados a nivel industrial para reactores químicos.

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Reactores Químicos: Consideraciones para la carga de catalizadores sólidos industriales by Ing. Bulmaro Noguera is licensed under a Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional License



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