CINDECA   05422
CENTRO DE INVESTIGACION Y DESARROLLO EN CIENCIAS APLICADAS "DR. JORGE J. RONCO"
Unidad Ejecutora - UE
congresos y reuniones científicas
Título:
PREDICCIÓN DE LAS VELOCIDADES DE REACCIÓN EFECTIVAS EN CANALES DE MONOLITOS CON DEPÓSITO NO UNIFORME
Autor/es:
OSVALDO M. MARTINEZ; NÉSTOR J.MARIANI; MARÍA J. TAULAMET; GUILLERMO F. BARRETO
Lugar:
La Plata
Reunión:
Jornada; Quintas Jornadas de Investigación, Transferencia y Extensión; 2019
Institución organizadora:
Facultad de Ingeniería - Universidad Nacional de La Plata
Resumen:
Los reactores catalíticos estructurados del tipo monolitos se han utilizado ampliamente en las últimas décadas, principalmente en el tratamiento de corrientes gaseosas con distintos contaminantes. Como ejemplos pueden citarse la eliminación de VOCs en corrientes de aire, deNOx provenientes de fuentes fijas y móviles y la oxidación preferencial de CO en celdas de combustible. Particularmente importante es su aplicación en los denominados escapes catalíticos de los vehículos para la eliminación de HC sin quemar, CO y NOx. Por su parte, recientemente sehan empleado a escala laboratorio para estudiar reacciones de interés industrial que se llevan a cabo en reactores de lecho fijo como síntesis avanzadas del tipo Fischer Tropsch e hidrogenación selectiva de 1,3-butadieno en presencia de 1-buteno en fase líquida. La principal ventaja de este tipo de reactores es la combinación de una alta superficie específica y una baja pérdida de carga. Normalmente el largo de los monolitos es mucho mayor que el diámetro hidráulico de la seccióntransversal de los canales, el cual resulta del orden de los milímetros. Pueden encontrase distintas formas para la sección transversal de los canales: circular, hexagonal, rectangular (incluyendo el caso particular de la geometría cuadrada), triangular o sinusoidal. Cabe señalar que los monolitos de sección transversal cuadrada son los más extensamente empleados, en particular, por tratarse de la alternativa mayormente seleccionada para los escapes catalíticos. La pared de los monolitos está compuesta por una capa catalítica adherida a una matriz (a veces se la denomina sustrato) que es la que determina la estructura del dispositivo, pero que no es activa catalíticamente. De acuerdo al material de construcción las matrices pueden ser de tipo cerámico o metálico. Las matrices metálicas se construyen mayoritariamente a partir de chapas deuna aleación de metal apropiada, las cuales se enrollan hasta alcanzar el diámetro necesario; mientras que las matrices cerámicas son normalmente fabricadas a través de un proceso de extrusión. Aún cuando existen ejemplos en los que la matriz tiene incorporado el o los agentescatalíticos activos, en la gran mayoría de las aplicaciones se deposita sobre las paredes internas de los canales una capa catalítica de material diferente al de la matriz. El espesor de la capa se encuentra normalmente en el rango 10-100 μm, es decir, alrededor de un orden de magnitud menos que el tamaño de los canales y, usualmente, menor que el espesor de los tabiques de la matriz (eventualmente puede ser comparable). Tanto en el libro de Cybulski y Moulijn [1] como en la reciente revisión de Sandeeran y Friedrich [2] se discuten las técnicas empleadas para la deposición de la capa catalítica. Una de las técnicas de mayor difusión es la de recubrimiento, en la cual los elementos activos se encuentran en una capa de material poroso, la cual se ha depositado sobre las paredes de los canales de la matriz monolítica a partir de un sol o de una suspensión (slurry) de los componentes (un óxido o una mezcla de óxidos). En general, a causa del propio proceso de recubrimiento el espesor de esta capa resulta no uniforme, tendiendo a concentrarse en los vértices de la sección transversal del canal. Esta acumulación no es deseable, pero resulta a menudo inevitable. En general, se puede prever que el espesor de la capa será no uniforme excepto para el caso de canales de sección circular. Por esta razón, desde un punto de vista riguroso, la evaluación de la velocidad efectiva de reacción debería llevarse a cabo resolviendo numéricamente los balances microscópicos contemplando las dos dimensionesespaciales (2D) de la sección transversal. Aún cuando existen en la actualidad plataformas numéricas apropiadas para resolver este problema, el tiempo de cálculo puede convertirse en un aspecto determinante cuando tal evaluación debe reiterarse una enorme cantidad de veces, en el análisis, diseño u optimización de estos reactores. Por lo tanto, es deseable, o a veces imprescindible, disponer de modelos que reduzcan ladimensión espacial y permitan aproximar el comportamiento catalítico de un monolito real manteniendo una adecuada precisión. Dentro de la bibliografía disponible, Papadias y col. [3-5] propusieron un método simplificado denominado Sector method. El mismo consiste en dividir lasección transversal del washcoat en un número de sectores, en cada uno de los cuales se asume se comporta en forma unidimensional e independiente del otro a los fines de evaluar la difusión con simultánea reacción química. Los autores aplicaron el método a monolitos de seccióntransversal cuadrada con distintas distribuciones del depósito catalítico utilizando distintas expresiones cinéticas, encontrando errores de hasta el 14% para algunos de los casos analizados. Recientemente Lopes y col. [6] propusieron un procedimiento más preciso (Modified Sector method), el cual se basa en el método propuesto por Papadias y col. [3-],adicionándole un segundo parámetro que tiene en cuenta la curvatura. El mismo se encuentra limitado a catalizadores que presentan una delgada capa activa depositada sobre la superficie externa. Este procedimiento lo aplicaron con adecuada precisión a monolitos de sección transversal circular yespesor de recubrimiento uniforme con distinto tipo de expresiones cinéticas y adicionalmente, analizaron monolitos de sección transversal cuadrada con distintas distribuciones del depósito catalítico, pero considerando solamente una reacción irreversible isotérmica de primer orden. Para el caso de cinéticas no lineales Lopes y col. [6] proponen emplear un módulo de Thiele generalizado. Sin embargo, aclararan que esta aproximación sólo puede emplearse cuando la curva de factor de efectividad frente al módulo de Thiele es monótona decreciente. Por lo tanto, nosería aplicable para la cinética tipo LHHW analizada en este trabajo. Debido a esto se propone emplear una modificación del método propuesto por Lopes y col. [6], en la cual se utilizan las mismas ecuaciones propuestas por los autores, pero el factor de efectividad se obtiene resolviendo los balances de materia en cada sector considerando a los mismos como placasplanas, en lugar de emplear el módulo de Thiele generalizado propuesto por los mismos. Los errores alcanzados empleando este procedimiento son menores a los obtenidos por Papadias y col. [3-5], pero aún siguen siendo de consideración para algunos de los casos estudiados. En nuestro grupo de trabajo, anteriormente, se propusieron modelos 1D: el modelo del cilindrogeneralizado de un parámetro (1D-CG, [7-13]) y el modelo de difusividad variable de 3 parámetros (1D-DV; [13, 14]). Estos modelos fueron aplicados a una gran cantidad de formas de catalizador y expresiones cinéticas. Al intentar aplicarlos al caso de los monolitos, se obtuvieron errores designificación debido a que no se verifican algunas de las hipótesis que conducen a obtener las expresiones de los parámetros geométricos que caracterizan el comportamiento catalítico de un cuerpo. En este contexto se concluye que resulta necesario contar con un modelo 1D alternativo quepueda ser empleado para estimar el factor de efectividad con adecuada precisión para distintas expresiones cinéticas y distintas cantidades de depósito catalítico no uniforme. En función de lo expuesto en este trabajo se propone un nuevo modelo 1D, denominado modelo de dos cuerpos (1D-2C), de aplicación general que permite alcanzar un nivel de precisiónapreciablemente superior al que presentan las alternativas de bibliografía en la estimación de la velocidad efectiva de reacción para depósitos catalíticos no uniformes en canales de monolitos.