Nº 447184 INGENIERÍA QUÍMICA

ESTOS ÚLTIMOS AÑOS, el funcio-namiento de los reactores gas-líquidoha sido significativamente mejoradodebido a los avances en la tecnologíade agitación. Muchas veces, simple-mente con sustituir un mezcladorexistente, con una inversión modes-ta, se puede tener un gran impactoen la productividad de una planta.Los proyectos de nuevas plantas de-berían incluir siempre un estudio enla tecnología de agitación óptima dis-ponible en cada momento.

En este artículo exponemos tresejemplos donde la mejora de un re-actor y la confianza en su diseño po-dría ser llevado a cabo usando las úl-timas tecnologías en agitación y téc-nicas de diseño.

1. BiorreactoresLos líquidos más viscosos sufren unatransferencia de masa más pobre de-bido a la dificultad de difusión deloxígeno del aire a través de la pelí-cula líquida alrededor de las burbu-jas de aire. Sin embargo, en muchosbiorreactores esto es debido a anti-guos diseños de las palas, que gene-ran turbulencias y modelos de flujono uniformes en el biorreactor (Fig.1). El fluido cercano a las paredesdel recipiente apenas puede mover-se. Además, el flujo de mezcla radialgenerado por muchas palas, comolas turbinas Rushton, pueden pro-ducir serias heterogeneidades entrela parte superior e inferior a escalaindustrial, lo que puede no ocurrira escala laboratorio o piloto. El efec-to de este problema puede ser quelos agentes biológicos experimentencondiciones perceptiblemente di-versas (temperatura, oxígeno, pH yconcentraciones del sustrato) en di-versas regiones del biorreactor, afec-tando a la calidad del producto e in-cluso a pérdidas de hornadas.

La Figura 2 es un CFD que ilus-tra el gran movimiento radial y axialque se produce combinando palasde nuevo diseño. La Figura 3 es unafotografía de un agitador industrialutilizado en biorreactores.

Las nuevas palas tienen caracte-rísticas de funcionamiento muy es-tables comparadas a las palas tradi-cionales, como se puede ver en la Fi-gura 4. Hay que destacar, por ejem-plo, que a igual potencia introduci-da, las palas de nuevo diseño gene-ran fundamentalmente una turbu-lencia más alta (número de Rey-nolds). Este efecto puede ser un au-

Se exponen tres ejemplos (biorreactor,planta de hidrogenación, reactor de gran tamaño) donde la mejora de un reactor gas-líquido en una planta existente se podría llevar acabo con una simple sustitución del agitador, por uno nuevo basado enlas nuevas tecnologías

D. Houlton Dr. T. GrebeDpto. I+DB. Kastner Dpto. Ingeniería EKATO Ruehr- undMischtechnik GmbH.

DEDISEÑO DE EQUIPOS

Mejora de reactores gas-líquido usando nuevastecnologías de agitación

MEJORA DE REACTORES GAS-LÍQUIDO USANDO NUEVAS TECNOLOGÍAS DE AGITACIÓN

mento en transferencia de masa to-tal y en la productividad de hastacerca del 20%, así como un produc-to de una mejor calidad.

2. Mejora de una planta dehidrogenación La hidrogenación de compuestosorgánicos implica a menudo una re-acción trifásica en la cual el hidró-geno gas debe ser absorbido en unlíquido orgánico, a la vez que un ca-talizador en fase sólida debe mante-nerse en suspensión. El reactivo or-gánico y el hidrógeno reaccionancuando se encuentran en un sitio ac-tivo en el catalizador. La Figura 5muestra este proceso esquemática-mente, e ilustra el paso limitador, elcual, debido al relativo gran tamañode las burbujas de hidrógeno, esusualmente la transferencia de masadel hidrógeno en el líquido (así, in-crementando la transferencia demasa del hidrógeno en la fase líqui-da, se incrementa normalmente lavelocidad de la reacción).

Los reactores tradicionales de hi-drogenación (Fig. 6, izquierda) seinstalan con un anillo de dispersiónde gas cerca de la base y con una pa-la inmediatamente por encima de élpara dispersar el gas. El caudal de

entrada de hidrógeno al reactor es-tá esencialmente gobernado por lavelocidad de transferencia de masay de la reacción. El gas que no reac-ciona alcanza la superficie líquida yse desplaza al espacio superior delreactor. Cuando la presión de esteespacio superior es igual que la pre-sión de entrada, la alimentación separa hasta que el hidrógeno del es-pacio superior se ha reabsorbido enel líquido y ha reaccionado. Nor-malmente se coloca una pala cercade la superficie líquida para generarturbulencia y realzar esta reabsor-ción. Sin embargo, este “salpicadosuperficial” que se produce es inefi-

caz y puede limitar seriamente la ve-locidad de reacción.

Para mejorar la reabsorción, al-gunas plantas utilizan un compresorde hidrógeno para recircular el hi-drógeno del espacio superior denuevo al fondo del reactor (Fig. 6,tercer ejemplo por la izquierda). Sinembargo, los compresores son cos-tosos y requirieren normalmenteunos cuidados en la limpieza de lafase gas para evitar daños en el mis-mo. Otra alternativa es bombear ellíquido del fondo del recipiente yutilizar un eductor para arrastrar elhidrógeno del espacio superior (Fig.6, segundo ejemplo por la izquier-da). Esta solución requiere variosequipos adicionales para mejorar elfuncionamiento del reactor. La solu-ción que propone Ekato consistesimplemente en reemplazar el agita-dor existente (Fig. 6, derecha); estasolución puede ser adaptada fácil-mente a muchos reactores.

El sistema propuesto utiliza unapala de nuevo diseño, que reintro-duce ella misma el gas del espaciosuperior, ya que actúa como una tur-bina interna, recirculando el gas enel líquido mediante un eje hueco.Como el gas entra en el líquido en

INGENIERÍA QUÍMICA 185Mayo 2007

Figura 3Diseño avanzado de un agitador industrial para biorreactores

SIMPLEMENTE CON SUSTITUIR UN MEZCLADOREXISTENTE SE PUEDETENER UN GRANIMPACTO EN LA PRODUCTIVIDADDE UNA PLANTA

Figura 1Potenciales problemas de uninadecuado diseño en una palatradicional

Figura 2CFD de una mezcla intensivaaxial y radial combinandopalas PhaseJets y CombiJets

Zonas pobrementemezcladas

Tran

sfer

enci

ade

cal

orpo

bre

Canalizaciónde burbujas

de aire

“Efecto cámara”alrededor de

las palas

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la pala principal, éste experimentauna agitación muy intensa, que real-za la transferencia de masa local. Co-mo se puede ver en la Figura 7, elfuncionamiento total de la transfe-rencia de masa mediante el sistemaestá en el nivel más alto de funcio-namiento alcanzado, incluso másque otros sistemas externos muchomás complejos de recirculación.

3. Reactores gas-líquido degran tamañoDurante los últimos 50 años, y debi-do a los grandes movimientos econó-micos, los tamaños de los reactoresde producción a escala mundial sehan incrementado de unas cuantasdecenas de metros cúbicos a cientosde metros cúbicos. Desde un puntode vista tecnológico de la agitación,esto puede dar lugar a ciertos riesgosmecánicos, debido principalmenteal enorme incremento en las poten-cias y en los esfuerzos en el depósito,y en las fuerzas estáticas y dinámicas,así como la resonancia, puesto quelas frecuencias naturales del depósi-to y de los elementos internos pue-den estar cerca de la de velocidad delagitador o de la frecuencia de pasode la pala.

Al mismo tiempo, los costes prin-cipales de los equipos de planta sehan elevado; ambos debido al mate-rial adicional requerido para depó-sitos más grandes, y debido al costede metales “más nobles”. Por lo tan-to, el diseño mecánico del reactor yde los elementos internos del depó-sito ha llegado a ser económicamen-te significativo. Los depósitos a pre-sión se diseñan tradicionalmente enbase a la presión y de la temperatu-ra de diseño requeridas. Ekato utili-za cada vez más técnicas sofisticadas,tales como el análisis finito del ele-mento (FEA) para determinar y op-timizar los diseños del equipo. FEApuede ayudar a reducir al mínimo elsobredimensionamiento innecesa-rio (y, por lo tanto, costes) y a iden-tificar las áreas que podrían dar lu-gar a problemas, así como a ayudaren las mejoras de diseño que asegu-ran operaciones con total seguridady reducen al mínimo el riesgo deproblemas de operación o reducenla vida de servicio.

La evaluación detallada del dise-ño que hace posible FEA se ilustraen la Figura 8 con el ejemplo de unreactor gas-líquido de gran tamaño,con todas las partes en contacto con

Figura 4Efecto de flujo de aireación con palas PJ y CJ comparado con las turbinas Rushton

Figura 5Mecanismos de transporte en una hidrogenación

Figura 6Alternativas para mejorar la reabsorción en los reactores de hidrogenación

Pot

enci

a de

agi

taci

ón n

orm

aliz

ada

rete

nida

, N

P/ N

PO

Alimentación de gas normalizada, Q = q/n · D3

Difusión

BurbujaPH2

C*(PH )2

dburbuja = 5 mm

S/V = 1,2 103 m2 / m3

Convección

Difusión

Cat.

Shmin = 2

dCat = 50 µm

S/V = 1,2 105 m2 / m3

Transporte limitado por la capa líquida frontera

(sin capilaridad)

1 PJ + 2 CJ(palas de nuevo diseño)F AguaB Líquido viscoso

3 RT (palas tradicionales)H Agua

Líquido viscoso

Hidrogenador tradicional …con recirculación externa Nuevo diseño con turbina auto-inductora

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el producto fabricadas en materialde gran valor, y en el cual se instalóun agitador con una potencia demás de 1 MW. El eje era muy largo,con una hélice muy pesada de cua-tro palas en su extremo inferior. Secreó un modelo FEA del recipiente

y del mezclador para permitir la op-timización del diseño. El modelo usacerca de 12.000 elementos y 13.000nodos.

Se realizó un cálculo de ten-sión/flexión y un análisis modal pa-ra calcular el impacto de las grandes

fuerzas hidráulicas (y de la conside-rable masa del propio mezclador)en la estructura del recipiente y lo-calizar cualquier problema poten-cial de vibración. El análisis modalreveló una frecuencia natural del re-cipiente de 4,9 Hz perpendicular a

Figura 7Comparativa de transferencia de masa de varios sistemas (normalizado)

Potencia específica(P/Vl)* = P/Vl / (vl · pl

3 · g4)1/3

Tran

sfer

enci

a de

mas

a(k

L·a

)k =

(kL

·a)

/ (g2 /

v l)1/3

1) Reactor agitado de circuito cerrado (coalescente/no coalescente)

2) Reactor agitado con palas de disco (no coalescente)

3) Reactor agitado con palas huecas (no coalescente)

4) Reactor Ekato (no coalescente)

5) Lavador Venturi

6) Reactor con boquilla mezcladora (no coalescente)

7) Reactor de circuito cerrado, boquilla mezcladora(no coalescente)

MARQUE 88

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la línea central del mezclador y unafrecuencia de 5,1 Hz en la direcciónde impulsión del mezclador (Fig. 9).No había, por lo tanto, peligro de re-sonancia con la velocidad muchomás baja del eje o con la de la fre-cuencia de paso de la pala.

Después de que el reactor hubie-ra sido puesto en servicio, se realiza-ron medidas de vibración para vali-dar los cálculos realizados medianteFEA. Los sensores de la aceleraciónmontados en la linterna del mezcla-dor fueron utilizados para trazar undiagrama de aceleración-tiempo (eldiagrama superior de la Fig. 10).

De las medidas de aceleración-tiempo, las vibraciones “normales”,con lecturas de ±0,05·g (g = acelera-ción de la gravedad), y fuentes “ra-ras” de baja frecuencia, con acelera-ciones hasta 0,15·g, fueron observa-das. Usando análisis de frecuencia,más dos integraciones sucesivas, lasseñales de aceleración fueron con-vertidas a un espectro de desviación-frecuencia (diagrama de la Fig. 10).En este diagrama, se observa un picoen la frecuencia rotatoria del eje yotra aproximadamente 4 veces la ve-locidad de rotación (la frecuencia depaso de la pala); esta frecuencia es,sin embargo, claramente menos do-

Figura 8Modelos de elementos finitos de un reactor gas-líquido

Figura 9Frecuencia natural calculada de un depósito-reactor

4,9 HZ 5,1 HZ

Figura 10Medida de vibraciones en depósito-reactor, después de la puestaen marcha

nal

xterna

on ctora

Des

viac

ión

[mm

]

Tiempo

[x g

]

Espectro de frecuencias

Frecuencia

Lectura de la acceleración

TABLA 1

COMPARACIÓN DE MEDICIONES CON MODELO FEA

Punto de medida Dirección w.r.t. Frecuencias naturales [Hz]conducción Medido Modelo FEA

Depósito Transversal 5,1 4,9Longitudinal 5,3 5,1

Eje Transversal 6,2 6,2Longitudinal 6,4 6,4

minante. Había también algunos pi-cos debidos a las excitaciones “raras”en <0,1 Hz y también algunos picosdebidos “al condensado instantáneo”(problemas cuando el vapor entra enuna tubería fría, y parte de éste secondensa instantáneamente, lo quepuede producir un vacío repentino).

Después, el eje del agitador y elreactor fueron excitados por mediode choques pulsantes para medirotras frecuencias naturales. Los re-sultados para el recipiente eran casiidénticos a los predichos por el cál-culo mediante FEA, y en el eje eranidénticos al cálculo FEA (Tabla 1).

Se demostró que FEA proporcio-naba resultados fiables para el análi-sis del estrés y la optimización deldiseño, así como para análisis mo-dal. Esto puede ayudar a reducir cos-tes en equipos importantes y caros,

así como a asegurar que los efectosdinámicos y vibratorios no conduci-rán a la fatiga excesiva o al daño ca-tastrófico. Sin embargo, FEA requie-re experiencia significativa de partedel ingeniero que crea el modelo,tanto a la hora de realizar los cálcu-los, como a la hora de interpretar losdatos obtenidos. Los resultados sedeben validar siempre con medidasexperimentales.

4. ConclusionesLas mejoras de funcionamiento y di-seño tecnológico en agitadores im-plican que la mejora de procesos enplantas existentes puede lograrsecon una simple sustitución del agi-tador por uno nuevo basado en la úl-tima tecnología. Concretamente, elfuncionamiento de los reactores gas-

líquido puede ser mejorado signifi-cativamente. Usando datos de ensa-yos experimentales y de la extensabase de datos disponible, los progra-mas de diseño y las capacidades deFEA, es posible diseñar la plantaeconómicamente optimizada, mejo-rando la vida operacional de la mis-ma. Esto puede tener un gran im-pacto en la productividad de la plan-ta, para una inversión relativamentemodesta.

Estas técnicas también aseguranun alto rendimiento y diseños renta-bles para los nuevos reactores de “es-cala mundial”. Otros desarrollos nocomentados en este artículo, comomejoras en la “tecnología de sella-do” y en mantenimiento, puedenaumentar los beneficios obtenidosde la renovación de los reactoresexistentes.