Soportes inertes, ‘el fiel escudero del buen caballero’

Los reactores de lecho fijo desempeñan un papel importante en los procesos de producción asociados a sectores industriales como: refinación de petróleo, petroquímicos, protección del medio ambiente, fertilizantes y proceso catalítico heterogéneo en general. En estos reactores el catalizador desempeña un papel clave, gracias a su capacidad para acelerar las reacciones químicas deseadas en condiciones de presión y temperatura relativamente suaves (al menos, más leves que las requeridas cuando no está presente).

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Sin embargo, el papel prominente que juega el catalizador puede llevarnos a olvidarnos de su leal escudero, los soportes cerámicos y alúminas, cuya forma más común de presentación es la bola inerte. La selección y disposición del soporte interno son aspectos que deben ser cuidadosamente considerados para que el lecho catalítico finalmente funcione según lo esperado. Es por eso que hemos decidido comenzar la publicación de boletines mensuales MERYT que tratan de este tema – ¡esperamos que le resulte interesante!

Los soportes se introdujeron originalmente en reactores de cama fija con un objetivo fundamental: asegurarse de que el catalizador apenas se mueve dentro del reactor una vez que se ha cargado y distribuido de forma homogénea. Permaneciendo fijos, se evitan tanto la formación de trayectorias de flujo preferenciales como las zonas muertas. Las zonas muertas apenas contribuyen al progreso de las reacciones deseadas y pueden elevar la temperatura local, haciendo que el catalizador se deteriore. Además de eso, mantener el catalizador en su lugar ayuda a reducir la pérdida de partículas individuales y polvo fino, que se genera por desgaste.

Usted puede considerar que muchas sustancias podrían realizar la función de soporte de manera efectiva. Sin embargo, el número de candidatos baja cuando la temperatura del reactor varía en un amplio rango (debido a los amplios ciclos térmicos de calentamiento-enfriamiento), o cuando puede tener lugar una despresurización repentina o variaciones rápidas en la velocidad lineal. Todos ellos son eventos comunes en las unidades de conversión en refinerías, por ejemplo.

El soporte inerte más utilizado consiste en sílice (SiO2) y alúmina (Al2O3), o sólo alúmina, bolas con alta esfericidad y dimensiones similares. Estas bolas están disponibles en varios tamaños estándar tales como: 1/8″, 1/4″, 3/8″, 1/2″, 5/8″, 3/4″, 1″, 11/4″, 11/2″ y 2 pulgadas.

Las bolas inertes muestran buenas propiedades mecánicas (minimizando la fractura y el desgaste durante la carga) y tienen coeficientes de expansión térmica muy bajos (de modo que tanto su forma como su disposición espacial permanecen aproximadamente iguales con los ciclos térmicos); también son químicamente inertes en la mayoría de los escenarios. Además de eso, las cavidades regulares entre las esferas (con fracciones vacías alrededor de 0,45) ayudan a distribuir el flujo uniformemente con caídas de baja presión (menos de 10 milímetros de columna de agua por cada 100 mm de capa)

Como se indicó anteriormente, las bolas inertes pueden estar hechas de sílice y alúmina o también pueden ser alúmina de alta pureza en su forma de alfa cristalización. En el primer caso, el tipo más común corresponde a un contenido de Al2O3 de 20-30% wt. (en seco) y un contenido (Al2O3+SiO2) superior al 90%. Este material cerámico está compuesto de feldespato de potasio, cuarzo y un tipo específico de arcilla, caolín. Dado que la mezcla de cerámica tiene una temperatura de sinterización relativamente baja (<1300ºC) and kaolin is a relatively abundant and cheap mineral, this type of balls is the most economical to manufacture.

En el extremo opuesto, las bolas de alúmina de alta pureza contienen más del 99% alfa-al2O3. Debido a su composición y alta temperatura de sinterización (1500oC), estas bolas exhiben las mejores propiedades en términos de resistencia química, resistencia a los golpes térmicos y temperatura máxima de funcionamiento (1650oC), y apenas contienen impurezas. Se utilizan principalmente para la síntesis industrial de amoníaco y en procesos olefínicos altamente reactivos (como la alquilación de benceno por catálisis de IC, por ejemplo).

Las propiedades más importantes para las bolas inertes se presentan en la tabla 1. Los límites notificados corresponden a diferentes soportes cerámicos y de alta alúmina suministrados por MERYT.

La densidad a granel se refiere a la densidad de las bolas inertes una vez que se colocan en el reactor, incluyendo su espacio vacío. Este valor a granel debe utilizarse para estimar el volumen efectivo ocupado por las capas de soporte, a diferencia de la densidad del material cerámico en sí, que siempre es mayor (de 2 a 4 kg/l).

Tabla 1.Principales propiedades de las bolas de cerámica y alúmina.

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La absorción de agua se calcula sobre la base del porcentaje promedio de peso en la población de bolas de cerámica. Es bastante sensible al contenido de alúmina y a la superficie específica de las bolas; cuanto mayor sea el tamaño de las bolas, menor será su absorción relativa de agua.

Las resistencias ácidas y alcalinas generalmente se cuantifican como la pérdida relativa de peso en el soporte cuando permanece en un medio ácido o cáustico bien definido durante un tiempo específico. Observe que la resistencia alcalina aumenta con el contenido de alúmina.

Las bolas inertes generalmente funcionan bajo compresión. Debido a su forma esférica, pueden soportar altas tensiones mecánicas. Además, la resistencia mecánica aumenta considerablemente con el tamaño.

La resistencia al choque térmico se puede medir exponiendo el soporte a un número determinado de ciclos de calentamiento-refrigeración e inspeccionando para comprobar si se ha producido alguna rotura. A efectos de comparación, las temperaturas máximas y mínimas deben ser similares, pero también las tasas de calefacción y refrigeración deben ser comparables. Las rampas de al menos 15oC/min son prácticas comunes.

En general, se puede concluir que el contenido de alúmina en el soporte cerámico debe especificarse en función de tres parámetros clave: temperatura de funcionamiento, resistencia alcalina y resistencia a la compresión. Otras propiedades, excepto la absorción de agua, son relativamente independientes de la alúmina. Todos los valores presentados en la tabla 1 representan bolas cerámicas de alta calidad.

En resumen, nos gustaría destacar el notable papel que desempeña el apoyo inerte, leal y trabajador, en el mantenimiento de la disposición adecuada del señor al que sirve, el lecho catalítico fijo y no contaminado. Las bolas inertes, dispuestas en capas estratificadas de diferentes tamaños, son una buena opción para luchar contra rivales duros como oscilaciones térmicas cíclicas, variaciones de flujo y posibles despresurizaciones de reactores. Se debe seleccionar un contenido más alto o menor de alúmina en función de la temperatura, la presión y la corrosividad específicas. Para terminar, es importante destacar que estas recomendaciones son válidas no sólo para el apoyo de catalizadores, sino que también se pueden aplicar a los adsorbentes.

En MERYT nos sentiríamos muy contentos de discutir con usted cualquier pregunta o consulta que pueda tener con respecto a este interesante tema de apoyos inertes.

¡Saludos y nos vemos pronto!