Precentacion Reactores

 

Universidad Autónoma de Nayarit

Unidad Académica De Ciencias Básicas e Ingenierías Carrera: Ingeniería Química Unidad de aprendizaje: Reactores heterogéneos Alumnos: Glori Gloria a de Jesus Jesus Casas Loera, Loera, Jo Jorge rge  Armando Aguiar T Tirado irado y Ezequiel González olivo

 

1.Análisis de datos heterogéneos para diseño de reactores

 

Ley de velocidad

•

Deducir

El mecanismo

•

Encontrar

Los parámetros de la ley de velocidad

•

Evaluar

Reactor de lecho empacado Reactor continuo de lecho fluidizado

•

Diseñar

 

Se hace reaccionar hidrógeno y tolueno sobre un catalizador  mineral sólido que contiene clinoptilolita (una sílica-alúmina cris crista tali lina na)) para para pr prod oduc ucir ir meta metano no y be benc ncen eno o

6 5 3  2  → 6 6  4 Se desea diseñar un reactor de lecho empacado y un reactor   con co ntinuo de lech cho o fluidizad zado para proce cesa sarr una alim limenta taci ció ón que contiene 30% de tolueno, 45% de hidrógeno y 25% de inertes. El tolueno se alimenta a razón de 50 mol/min a temperatura de 6400 C y presión de 40 atm (4052 kPa).

 

En la tabla se observa la velocidad de reacción de tolueno como una función de las presiones parciales de hidrógeno (H), tolueno (T), benceno (B) y metano (M).  TABLA 10-6

 

1.1 Deducción de una ley de velocidad a partir de datos experimentales *As *A sum umie iend ndo o qu que e la rea eacc cció ión n es pr prác ácttic icam amen entte ir irre reve vers rsib ible le

  2  →   

1. Depend Dependenc encia ia del del product producto o metan metano. o.  

´ ~ +

[.]   +⋯

(1)

 

1. De Depe pend nden enci cia a de dell pr prod oduc ucto to me meta tano no..  

´ ~ +

[.]   +⋯

(1)

,e lnaos pcroord riu dce as p 1oyco2 eofbescetorvsaombores -qru laSpinreesm ióbnadrg eom en ta tan ~e. un incremento cuádruple en 2. De Depe pend nden enci cia a de dell pr prod oduc ucto to be benc ncen eno. o.  

   +⋯

´ ~ +

(2)

El tipo de dependencia de -r~, respecto de PB dado por la ecuación (1), sugiere que qu e el benc bencen eno o se adso adsorb rbe e sobr sobre e la supe superrfici ficie e de cli clino nop ptilo tiloli lita ta..

 

3. Dependencia del tolueno  A bajas concentraciones de tolueno (corridas 10 y 11), 11), la velocidad aumenta al aumentar la presión parcial de tolueno, mientras que a concentraciones altas de tolueno (corridas 14 y 15):

   ´ ~ +  +⋯  

(3)

Una combinación de las ecuaciones (1) y (2) sugiere que la ley de velocidad podría ser de la forma

´ ~ 

 



+  +  +⋯

(4)

 

4. Dependencia del hidrógeno hidrógeno..  Al examinar las corridas 7, 8 y 9, en la tabla 10-6, vemos que la velocidad aume au ment nta a li line neal alme ment nte e al in incr crem emen enta tarr la co con ncent centra raci ción ón de . hidr hidróg ógen eno o; lleg llegam amos os a la conclusión de que la reacción es de primer orden respecto de H2. Teniendo en cuenta ese hecho, el hidrógeno no se adsorbe sobre la superfici icie o, bien, cubre muy poco de la superficie 1 » KH PH2 a las presiones empl em ple eadas adas.. Para Para la depe epend nden enci cia a de prim primer er or orde den n re resp spe ect cto o de H2

´ ~

(5)

Comb Co mbin inan ando do la las s ecuac cuaciion ones es,, enc ncon ontr tram amos os que que la ley ley de ve velo loci cida dad d

   

    +  + 

(6)

 

1.2 Búsqueda de un mecanismo congruente con las observaciones experimentales

A continuación propondremos un mecanismo para la hidrodesmetilación de tolueno. Asumiremos que el tolueno se adsorbe sobre la superficie y después reacciona con hidrógeno en la fase gaseosa para producir benceno adsorbido sobre la superficie y metano en fase gaseo eossa. Después, el ben encceno se desorbe de la superf superfici icie. e.

 

Comenzaremos suponiendo que la reacción entre tolueno adsorbido e hid idró róge geno no gase gaseo oso está está li limi mita tada da por por la reac reacci ción ón.. De ma mane nerra simb simbó ólica lica,, est ste e mecanismo y las leyes de velocidad asociadas para cada paso elemental son:

 :      (  

  S

T *S

 ∗ ) 

       : : 2 ()+ T*S      (2 ∗   

 ∗ )

 

B*S + ()

 

()  

:  ∗ 

     (∗      ) PARA MECANISMOS LIMITADOS POR LA REACCION SUPERFICIAL,

Para mecanismos mecanismos limitados por la reacción superficial, usaremos la ecuación de tasa de adsorción (10-72) para obtener   ∗ :

     (  

 ∗ ) 

 

Entonces:

  0 

y usaremos la ecuación de tasa de desorción (10-74) para obtener  ∗  La concentración total de sitios es:

      ∗   ∗

 

Sustituyendo las ecuaciones (10-75) y (10-76) en la ecuación (10-77) y reordenan reord enando, do, obtenemos: obtenemos:

  2      1      

De nuevo observamos que la constante de equilibrio de adsorción de una especie dada es exactamente el recíproco de la constante del equilibrio de deso de sorc rció ión n de di dich cha a es espe peci cie. e.

 

1.3 Evaluación de parámetros de la ley de velocidad  Asumiendo que la reacción reacción es prácticamente irreversible, la ley de  velocidad para para la reacción es clinoptilolita es  

´     +

   + 

(8)

Para la ley de velocidad dada por la ecuación (10-80), vemos que si dividimos ambos lados de la ecuación (10-80) por     e invertimos la ecuación   −´

 

  

    



  (9) 

Linealizar la ecuación de velocidad para extraer los parámetros de la ley de velocidad.

 

Ejemplo 10-3 Hidrogenación ión de etile len no a etano La hidrogenació ción (H) del etileno (E) en fo forrma de etano (EA),

2  2 4  → 2 6 se lleva a cabo sobre un catalizador de molibdeno de cobalto [Colect. Checo. Chem. Commu mun n., 51, 2760 (1988)]. Rea Realice un anális lisis de regresión no linea eall en los datos que figuran en la Tabla E10-3.1, y determine qué ley de velo ve loci cida dad d desc descri ribe be mejo mejorr lo los s dato datos. s.

 

Eje jem mplo 10-3 Hid idrrogenación de etile len no a etano Determine cuál de las siguie Det ien ntes leyes yes de velocidad descr criibe mejor los datos en la Tabla abla E1 E100-3. 3.1. 1.

         1       ′

′ ′

      1   

()

      ()   ( 1    )2

′        

()

()

 

Solución: Ploymath, clicamos la pestaña “Program “Program”” y elegimos la 1.  Abrimos Ploymath, opción “REG Regression Regression”. ”.

 

Solución:

2. En las primeras cuatro columnas agregamos los datos de PE, PEA,

PH y RATE dados en la tabla E10-3.1. De ahí, pasamos al lado derecho y damos clic en la pestaña “Regression “Regression”” y la de “Nonlinear  “Nonlinear ”. ”.

 

Solución: “ Model”” se mete la ecuación del modelo con el que 3. En la ventana de “Model se quiera trabajar, trabajar, ya sea a), b), c), d) o cualquier otra Ley de velocidad no lineal. También También se agregan los valores de los parámetros iniciales del modelo en cuestión, en este caso elegimos darle el valor de 1 a todos.

 

Solución: inciso b) Polymath nos arroja la siguiente solución: 4. En el caso del inciso

 

Solución:

5. Para el inciso c) obtenemos:

 

Solución: inciso d) Polymath Polymath arrojó los los siguientes siguientes datos: 6. Para el inciso

 

10.7 Desactivación del catalizador U de e sle a ecfa pn érs do idbare deel acnto ividdaed lcoastaplírto icbaleqm ua estiem ná esluignasridcioosnofosrm etcátlúisaisla ersealcació catalizador. *Butt y Petersen han propuesto una amplia gama de mecanismos para expl ex plic ica ar y el elab abor orar ar un mode modelo lo de la desa desact ctiivaci vación ón ca cata talí líti tica ca..

La desa desact ctiv ivac ació ión n cata catalí líti tica ca agre grega otro otro ni nive vell de co comp mple leji jid dad a la cla clasifi sifica caci ción ón de parámetros de velocidad de reacción y rutas. Además, es necesario introducir ajustes para la pérdida de actividad de los catalizadores en el di dise seño ño de reac reacto tore res s ca cata talí lític ticos os..

 

Categorías: de cinética separable y de cinética no separable. En el caso de cin cinét étic ica a sepa separrabl able, sepa separa rarremos emos la le ley y de velo veloci cida dad d y la ac acti tivi vid dad ad::

Cinetica separable Reacciones

Cinetica no separable

Ley de velocidad Actividad

 

Tenemos dos ecuaciones:

 : ´    ℎ ℎ      ´ ( (    ) ) (10)

         : :  ´´   ´Á   ℎ ℎ              (1 (11) 1)

 

Combinando las ecuaciones, la tasa de desaparición de reactivo A sobre un catalizador que se ha empleado durante un tiempo t iempo t es:

´       ( (  ,  , … ,  (12) 







Donde: ()= actividad catalítica, dependiente del tiempo () = tasa de reacción específica, dependiente de la temperatura  = concentración de reactivos, productos o contaminantes en fase gaseosa

 

La tasa de pérdida de actividad del catalizador, catalizador, r d' puede expresarse mediante la ley de velocidad análoga a la ecuación (10-93):

   

  

         ℎ( ,  , … ,  ) (13)











Para los casos que se presentan en este capítulo, tal funcionalidad puede considerarse independiente de la concentració ción (es decir cir, h = 1) o se serrá una función lineal de la concentración de las especies (es decir, h = C).

 

Tipos de desactivación de catalizador 

Pérdida de actividad catalítica

Desactivación por sinterización (envejecimiento)

Es la pérdida de actividad catalítica debido a la pérdida de superficie activa debido a la exposición prolongada a altas temperaturas en fase gaseosa.

Desactivación por coquific coqu ificación ación o ensuciamiento.

Este mecanismo de desactivación es común en reacciones que incluyen hidrocarburos

Desactivación por envenenamiento.

La desactivación por este mecanismo ocurre cuando las moléculas contaminant contaminantes es experimentan quimiadsorción irreversible sobre los sitios activos, reduciendo así el número de sitios disponibles para la

reacción principal.  

Envejecimiento: En la figura 10-23 se muestra la pérdida de área superficial resultante del flu flujo de soporte catalítico poroso sólido a alta temperatura provocando el cie cierre rre de dell poro poro..

 

Figura 10-24 se observa la pérdida de área superficial por migración atómica y aglomeración de pequeños sitios metálicos depositados sobre la superficie dentro de un sitio de tamaño mayor, en el cual los átomos interiores no resultan acce ac cesi sibl bles es a la reac reacci ción ón..

 

 Aunque hay otras leyes de velocidad para desactivación por sinterización, una de las leyes yes de vel velocidad de desacti ctivació ción empleada de manera más co com mún es de se seg gundo orden con con respecto cto a la acti ctivid vidad act ctu ual:

      2  



(14)



Integrando, con a = 1 en el tiempo t = 0, se tiene    (15)    + 

 

La cantidad de sinterización suele medirse en términos de áre área a de superficie activa de catalizador

 

    +  (16) 

La constante de desactivación por sinterización,  , sigue la ecuación de  Arrhenius

      ()    

 

  

(17)

 

Para analizar estos reactores, sólo agregaremos un paso en nuestro al alg gorit oritm mo, es deci decirr, la dete deterrmi min nació ación n de la ley ley de des esac acti tiva vaci ción ón de ca cata tali liza zado dorr.  A continuación se muestra la secuencia.

 

Reacto Reac tore res s de lec lecho móvi móvill Los sistemas de reacción con desactivación significativa de catalizador  requ re quie iere ren n de re rege gene nera raci ción ón cont contin inua ua,, re reem empl plaz azo o de dell ca cata tali liza zado dorr o am ambo bos. s.

El catalizador recién regenerado entra en la parte superior del reactor y después se desplaza por el reactor como lecho empacado compacto. El catalizador se coquifica continuamente al desplazarse por el reactor hasta que sale del mismo hacia el horno, donde se emplea aire para quemar el carbón.

 

El catalizador regenerado es elevado del horno por una corriente de aire y después alimenta a un separador antes de regresar al reactor. Las partículas de catalizador de manera típica miden de 1/8 . a ¼ de pulgada de di diám ámet etro ro.. Si las velocid cidades de alimentación de cataliza zad dor y reactiv tivos no varía ían n co con n el tiempo, el reactor operará en estado estacionario, es decir, las condiciones en cualquier punto dentro del reactor no cambiarán con el tiempo.

 

El balance molar para el reactivo A sobre

W es

                                            

               ´   0 (18) Dividiendo por  , cuando  tiende a cero, y expresando el flujo f lujo en términos de la conversión, se tiene



 

 -´ (19)

 

La ecuación de actividad se combina con el balance molar   

 

 [−´   = ]

(20)



Ecuación de diseño para reactores de lecho móvil

 

 r ci s