Simulación de un reactor de membrana con un modelo heterogéneo para la oxideshidrogenación de etilbenceno

A. BACHILLER; M. L. RODRIGUEZ; J. OREJAS; D.E. ARDISSONE

Girona – Cataluña, España

Congreso; 10° Congreso Interamericano de Computación Aplicada a la Industria de Procesos; 2011

Universidad de Girona (España); Centro de Información Tecnológica de La Serena (Chile); Universidad de Trás-os-Montes e Alto Douro (Portugal); Universidad de Costa Rica y Universidad Tecnológica Nacional FRVM (Argentina)

Se analiza el diseño de un reactor de membrana de carcasa y tubos, a escala industrial, para la reacción de oxideshidrogenación de etilbenceno (ETB) a estireno (STY) sobre un catalizador de P-O-Ni-Mn/Alúmina. La membrana utilizada es inorgánica, porosa y no permeoselectiva (Pedernera y col., 2000). Se estudian las resistencias a la transferencia de masa y calor inter-partícula y las resistencias a la transferencia de materia intra-particula. Se evalúan simultáneamente los factores de efectividad intra-partícula y los factores de efectividad globales. Se calculan, también, las diferencias de temperatura y concentración inter-partículas. Las reacciones consideradas son la deshidrogenación oxidativa de ETB y la combustión de STY (Ardissone y col., 1987). En la película externa, la transferencia de masa para este sistema de múltiples componentes se modela usando las ecuaciones de Steffan-Maxwell. En el interior del catalizador poroso, se usa el modelo Dusty-Gas para representar el proceso simultáneo de difusión multicomponente y reacción (Mason y col, 1983). El conjunto de ecuaciones diferenciales resultantes de la aplicación del modelo Dusty-Gas se resuelve empleando la técnica de Colocaciones Ortogonales sin simetría (Finlayson, 1984), la que ha demostrado muy buenos resultados (Ardissone y col., 2001). Las ecuaciones diferenciales que describen el transporte de materia y energía en la película externa, y las generadas a partir de los balances pertinentes para el reactor de membrana se integran utilizando la rutina GEAR. Los balances en el reactor se plantean suponiendo: operación en estado estacionario, comportamiento de gas ideal en tubos y carcasa, flujo pistón en los tubos rellenos, carcasa adiabática. Se analiza la influencia de diferentes variables operativas sobre la performance del reactor: temperatura de alimentación a los tubos y a la carcasa (Tº, Tºs; 350ºC a 420ºC), presión de alimentación a los tubos y a la carcasa (Pº, Pºs; 3 atm a 6 atm) y fracción de oxígeno alimentada por la boca de los tubos ( 0.0 a 0.15). Para diferentes posiciones axiales en el reactor, los resultados indican que las resistencias en la película externa son despreciables; sin embargo, las resistencias internas a la transferencia de masa son muy importantes y su magnitud se incrementa a medida que disminuye la concentración de oxígeno. Para Tº = Tºs = 380ºC , Pº = 5 atm, Pºs = 7 atm, y alimentando 10% de oxígeno, la máxima diferencia de temperatura entre el bulk y la superficie del catalizador es 3ºC. En tanto, los factores de efectividad internos disminuyen desde 0.7 a 0.3 entre la entrada y la salida del reactor. El algoritmo de cálculo generado para evaluar los factores de efectividad globales prueba la importancia de usar un modelo heterogéneo para la simulación del reactor. Referencias *Pedernera, M., Mallada, R., Menendez, M., Santamaría, J., AIChE J. 46(12)(2000) 2489. *Ardissone D., Ponzi M., Carrascull A., Castro Luna A., Rivarola J., Reaction of combustion and the influence of various diluents in catalytic oxidehydrogenation from ethylbenzene to styrene. Rev. Lat. Ing. Qca. Qca. Apl., 17, 171-178, (1987b). *Mason, E. A. and Malinauskas, A.P., “Gas Transport in Porous Media: The Dusty-Gas Model”. Elseiver. Amsterdam, (1983). *Finlayson, B.A. “Nonlinear Analysis in Chemicals Engineering”, Mc Graw Hill, New York,(1984). *D. Ardissone, A. Bachiller, M.Ponzi, J. Orejas. Oxidehydrogenation of ethylbenzene to styrene on P-O-Ni-Mn/Alumnia catalyst.  Reaction Kinetics and the development of catalytic processes, Edited by G.F. Froment and K.C. Waugh, Elseiver, (2001).