Naturaleza transiente del factor de efectividad. Su impacto y utilidad.

BIDABEHERE, CLAUDIA MARÍA; GARCÍA, JUAN RAFAEL; SEDRAN, ULISES

Ciudad de México

Encuentro; XLII Encuentro Nacional de la Academia Mexicana de Investigación y Do; 2021

AMIDIQ

El concepto de efectividad catalítica ha sido usado por más de 80 años en Ingeniería de las Reacciones Químicas, ya que simplifica el análisis, diseño y operación de reactores catalíticos. En ausencia de limitaciones externas a la transferencia de masa y energía, el factor de efectividad (EF) se define como la relación entre la velocidad de reacción observada, real, que resulta en el interior de los poros del catalizador y la velocidad de reacción en la superficie externa de las partículas, donde pueden medirse las concentraciones y temperatura. Si la desactivación es lenta, cuando las concentraciones en la fase fluida no cambian con el tiempo, los perfiles de concentraciones y de velocidades de reacción en las partículas catalíticas es estacionario, por lo que el EF depende de los parámetros cinéticos, de transporte y de equilibrio del sistema y de la geometría de las partículas a través del módulo de Thiele. Sin embargo, si los cambios en concentraciones externas son rápidos, los perfiles internos de concentración no alcanzan un estado estacionario y el término de acumulación en las ecuaciones de balance de masa ya no puede ser ignorado. Así, el EF transiente depende además de la capacidad de adsorción del sistema (relación de las cantidades de reactivo retenido por el sólido y la fase fluida externa en el equilibrio) y, en reactores de flujo, de un factor de flujo (caracteriza la velocidad de cambio de la concentración externa por efectos convectivos). Para un reactor batch isotérmico, en el que se lleva a cabo una reacción irreversible, de primer orden, con equilibrio de adsorción lineal, el EF es inicialmente nulo, puesto que no hay reactivo en el interior de las partículas. Conforme el reactivo se transfiere al sólido, difunde, se adsorbe y reacciona, el EF transiente aumenta hasta alcanzar un valor estable en el tiempo (pseudo-estacionario), siempre superior al calculado en estado estacionario para el mismo módulo de Thiele, y tanto mayor cuanto mayor sea la capacidad de adsorción del sistema. Si se utilizan los resultados de experimentos transientes para la determinación de parámetros cinéticos intrínsecos y se ignora la acumulación de reactivo en las partículas, pueden generarse resultados erróneos. Por ejemplo, empleando el método de Weisz-Prater en una reacción de primer orden, el error puede ser 50 % en sistemas con capacidad de adsorción moderada, o incluso mayores en sistemas con alta capacidad de adsorción. Además, el uso del EF transiente en reactores batch permite, bajo condiciones de reacción y con un número reducido de experimentos, la determinación simultánea de parámetros cinéticos, difusivos y de equilibrio de adsorción.