MX2010014119A - Sistema de reaccion con alimentacion continua y metodo de operacion. - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a un sistema de reacción, característicamente con alimentación continúa de reactivos, preferentemente líquidos de diferente densidad. En el cual estos son transferidos de manera independiente y controlada desde los depósitos contenedores hacia el arreglo de al menos un reactor de lecho empacado mediante el sistema de bombeo, para que interaccionen y reaccionen químicamente entre sí, los productos obtenidos se recuperan al hacerlos circular mediante la tubería de conexión hacia el separador continuo que separa en al menos 2 salidas que se conectan mediante tubería a al menos un deposito recolector. Característicamente el arreglo de reactores de lecho empacado consisten en cilindros cuyo interior comprende al menos una población de partículas sólidas inertes que favorecen la turbulencia de los reactivos que fluyen a través de ellas, en una modalidad preferida los reactivos presentan diferente densidad, y su flujo de entrada al arreglo de reactores es regulado para obtener el tiempo de residencia idal para que estos reaccionen completamente.

Description

SISTEMA DE REACCION CON ALIMENTACION CONTINUA Y METODO DE OPERACION OBJETO DEL INVENTO La presente invención se refiere a un sistema de reacción, característicamente con alimentación continúa de reactivos.

ANTECEDENTES La producción del biodiesel a partir de aceites vegetales ha tomado importancia en los últimos años. El proceso de producción del biodiesel involucra una etapa de reacción donde se logra la transesterifícación de ácidos grasos contenidos en el aceite con un alcohol en presencia de un catalizador. De esta reacción se producen principalmente una mezcla de alkil-ésteres (biodiesel) y glicerina (Knothe, et al., 2005). La reacción se lleva a cabo típicamente en un tanque agitado donde las dos fases (aceite y alcohol-catalizador) se mezclan para que reaccionen. Para alcanzar conversiones aceptables (+90%), es necesario operar a temperaturas del orden de 60 °C y con tiempos de reacción del orden de una hora (Knothe, et al, 2004 y Bambase, et al., 2007). Los tiempos de reacción largos se atribuyen, principalmente, a limitaciones de transferencia de masa, y no tanto a la velocidad con la que ocurre la reacción (Bambase, et al., 2007). Se han utilizado con éxito dispositivos en escala micro para llevar a cabo esta reacción debido a que en esta escala se favorecen los procesos de transferencia de masa entre las dos fases reaccionantes (Jovanovic, 2008). La mayoría de estos microdispositivos (microreactores) involucran microcanales por los cuales se hacen pasar las fases reaccionantes. Wen, et al. (2009) propusieron el uso de un microreactor con canales en zig-zag logrando favorecer el micromezclado debido a los cambios de dirección en los canales y, de esta manera, mejorar la conversión en el reactor. Por lo tanto, la presente solicitud de patente provee un sistema de reacción con alimentación continua de reactivos en el cual por sus propias características logra cambios en la dirección de flujo favoreciendo un micromezclado entre las fases reaccionantes para lograr velocidades de reacción similares a las obtenidas en microreactores.

BREVE DESCRIPCION DE FIGURAS Figura 1 Diagrama esquemático del reactor continuo para dos reactivos líquidos inmiscibles para reacciones A+B->C+D Figura 2. Diagrama esquemático de la zona del cabezal inferior. El fluido más denso se alimenta en el cabezal y se distribuye por los tubos interiores. El fluido menos denso se inyecta directamente al interior de los tubos donde comienza el empaque. Solo se pone un esquema de inyección para facilitar la comprensión.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION La presente invención, representada en la figura 1 se refiere a un sistema de reacción de alimentación continúa, que se conforma por la interconexión de: a) al menos dos depósitos contenedores (1) con sistema de calentamiento para el almacenamiento de los reactivos a hacer reaccionar, b) al menos un sistema de bombeo (2) con control de flujo que succiona e impulsa el líquido o fluido de cada uno de los depósitos contenedores, de manera independiente hacía: i. un cabezal distribuidor del fluido más denso (3) ii. una cámara de reacción (4), en el interior de la cual se localiza: - al menos un cilindro de reacción de lecho empacado (5), particularmente, la salida del reactor y cámara de reacción que forman un mismo conducto, se conecta a: c) un cabezal superior (6) el cual salen los productos a d) un separador continuo (7) que luego está conectado a e) al menos un depósito recolector, no representado en la figura.

Cabe señalar que los reactivos contenidos en los depósitos contenedores son fluidos, preferentemente líquidos inmiscibles entre sí; y estos son transferidos a un flujo determinado a la entrada del reactor de lecho empacado. Particularmente, el flujo de entrada al reactor de lecho empacado es regulado por una bomba controladora de flujo. Sin embargo cuando la viscosidad y densidad de los reactivos son diferentes, se requiere una bomba peristáltica por cada depósito contenedor.

Opcionalmente, los depósitos contenedores pueden ser calentados de manera conjunta o separada. De tal forma que el calentamiento de manera conjunta preferentemente es mediante transferencia de calor por convección, y el calentamiento de manera individual opcionalmente es por convección o conducción.

La cámara de reacción (4) consiste en una coraza cilindrica, posicionada en vertical en el interior de la cual se colocan, de manera paralela a ella, al menos un cilindro reactor (5) de lecho empacado, soportados todos en su cabezal inferior (3), el cual tiene una entrada para suministrar el fluido de mayor densidad, y múltiples entradas para suministrar el fluido de menor densidad directamente a cada reactor de lecho empacado (12).

Por el interior de la cámara de reacción, y alrededor de los reactores circula un fluido de calentamiento que entra por la parte inferior (8) de la cámara de reacción y sale por el extremo superior (9). En el extremo superior de la coraza, se localiza un cabezal superior (6) que está conectado mediante tubería a un separador continuo (7) que tiene una primer (10) y segunda (11) salida de productos.

Particularmente el conjunto de cilindros reactores de lecho empacado (5) en su interior está empacado de al menos una población de partículas sólidas de geometría variable (13). Ver figura 2. Opcionalmente hay 2 poblaciones de partículas solidas de geometría variable y material inerte empacando el interior del reactor, y particularmente cada población de partículas se empaca una sección determinada del reactor.

Característicamente, la cámara de reacción se conforma por un receptáculo cerrado tipo coraza, de acero inoxidable o al carbón, en el cual se introducen el reactor de lecho empacado; el empaque esta soportado con un dispositivo que permite el libre flujo de reactivo y mantiene en su lugar al empaque. La coraza se usa con la finalidad de regular y controlar la temperatura del reactor de lecho empacado mediante una transferencia de calor indirecta, por convección. La temperatura en el interior de la cámara de reacción es controlada y regulada mediante un panel de control y sensores de temperatura.

De manera general, el método de operación del sistema de reacción con alimentación continua consiste en introducir al menos 2 fluidos inmiscibles al reactor de lecho empacado, para que en su interior se lleve a cabo la turbulencia y, como consecuencia, un incremento en la velocidad de reacción entre los reactivos alimentados.

Particularmente el método de operación del sistema comprende las etapas de: a) Precalentamiento de los fluidos localizado en los depósitos contenedores. b) Ingresar al reactor de lecho empacado un flujo de cada fluido del depósito contenedor. c) Recuperar a la salida del reactor de lecho empacado el producto obtenido.

En la etapa a) el precalentamiento de los fluidos se realiza mediante transferencia de calor a los depósitos contenedores, que opcionalmente es calentamiento individual en el caso de que cada fluido ingrese a una determinada temperatura pero diferente En la etapa b), el ingreso de cada fluido a los reactores de lecho empacado se realiza controlando mediante sistema de bombeo con control de flujo, (que incluye bombas de vacío y válvulas reguladoras de presión) la velocidad de flujo de entrada de cada reactivo a los reactores de lecho empacado. Particularmente, el ingreso de los reactivos al reactor de lecho empacado se realiza con flujo vertical ascendente.

La reacción se lleva a cabo en cada reactor de lecho empacado, y los parámetros a controlar son: -Temperatura que está regulada por el fluido que circula por el interior de la cámara y alrededor de los tubos, -Actividad reológica que tiene efecto sobre el tiempo de retención y está dada por la velocidad de flujo de ingreso y las partículas solidas inertes empacadas en el reactor para promover la turbulencia.

La aplicación industrial del sistema de reacción con alimentación continua, es principalmente en la industria química donde se lleva a cabo una reacción con reactivos inmiscibles, y de manera particular a continuación se menciona un ejemplo, para la obtención de biodiesel mediante el sistema propuesto.

Ejemplo de Realización Preferido El sistema de reacción con alimentación continua y método de operación pregonado en esta solicitud de patente fue implementado para obtener biodiesel, teniendo las siguientes condiciones: A. Dos depósitos contenedores con sistema de calentamiento, donde en cada uno de ellos se depositó: B. Un sistema de bombeo que controla el flujo de ambos depósitos C. Reactores de lecho empacado, de manera individual con solo una población de partículas solidas e inertes, que a continuación se indican: • vidrio molido y tamizado con un tamaño de partícula entre 590 y 710 µp? • vidrio molido y tamizado con un tamaño de partícula entre 710 y 1000 µ?? • perlas de vidrio con un diámetro de 500 µp? • perlas perforadas (esferoides) similares a las usadas para adornos y manualidades "chaquira", con dimensiones externas de 2200 µp? (diámetro) x 1350 µp? (altura) y un diámetro de orificio de 1300 µ??.

D. Un separador continuo conectado a un E. Deposito recolector El reactor de lecho empacado presenta por uno de sus extremos, una entrada que se conecta a un conector de al menos dos entradas, y por el otro extremo, se conecta a un conductor de salida que se acopla perfecto con el separador continuo y luego al depósito recolector.

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES Un sistema de reacción continúa caracterizado porque está conformado por: a. Al menos dos depósitos contenedores de reactivos, con sistema de calentamiento, b. Al menos un sistema de bombeo, que comprende bomba de presión y válvulas reguladoras de flujo y un distribuidor de flujo, c. Una cámara de reacción, que comprende un cabezal superior, un cabezal inferior, y en su interior un arreglo de al menos un reactor de lecho empacado, con entrada y salida para recircular un fluido de calentamiento en su interior y alrededor del arreglo de reactores de lecho empacado, para incrementar la temperatura en el interior de los mismos mediante contacto, d. Un separador continuo y e. Al menos un deposito recolector; La interrelación de todos los elementos consiste en que los reactivos se transfieren desde los depósitos contenedores hacia el arreglo de al menos un reactor de lecho empacado mediante el sistema de bombeo, para que reaccionen químicamente entre sí, y los productos obtenidos circulen mediante la tubería de conexión hacia el separador continuo que separa en al menos 2 salidas que se conectan mediante tubería a al menos un deposito recolector. El sistema de reacción continúa de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque los reactivos son fluidos. El sistema de reacción continúa de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque los reactivos son fluidos preferentemente de diferente densidad. El sistema de reacción continúa de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque los reactivos preferentemente son líquidos inmiscibles. El sistema de reacción continúa de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el sistema de calentamiento es preferentemente por contacto y con control individual. El sistema de reacción continúa de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque requiere un sistema de bombeo por cada depósito contenedor. El sistema de reacción continúa de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque los reactores de lecho empacado en su interior tienen cuerpos sólidos de geometría variable de un material inerte, para inducir la turbulencia y promover el incremento en la velocidad de reacción. El sistema de reacción continúa de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque los cuerpos sólidos de geometría variable de un material inerte, opcionalmente son al menos uno de entre los siguientes: a) vidrio molido y tamizado con un tamaño de partícula en el rango de entre 500 a 750 µ?? b) vidrio molido y tamizado con un tamaño de partícula en el rango de entre 751 a 1000 µp? c) perlas de vidrio con un diámetro no mayor a 500 µ?? d) Perlas esferoides con perforación central, no mayores a 2500µp? de diámetro x 1500 µ?? de altura y un diámetro de orificio no mayor a 1500 µp?. 9.- El sistema de reacción continúa de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el separador continuo opcionalmente es una centrifuga. 10. - Un método de operación del sistema de la reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque comprende las siguientes etapas: a. Precalentamiento de los reactivos localizado en los depósitos contenedores, b. Ingresar al reactor de lecho empacado un flujo de cada fluido del depósito contenedor, c. Recuperar a la salida del reactor de lecho empacado el producto obtenido. 11. - El método de operación del sistema de conformidad con las reivindicación 10, caracterizado porque en la etapa a) el precalentamiento de los reactivos se realiza por separado. 12. - El método de operación del sistema de conformidad con las reivindicación 10, caracterizado porque en la etapa b) cada reactivo ingresa al reactor de lecho empacado de manera individual y simultanea. 13. - El método de operación del sistema de conformidad con las reivindicación 10, caracterizado porque las etapas a), b) y c) se llevan a cabo de manera continúa.