Factor de efectividad: una revisión necesaria para la correcta evaluación de la eficiencia de catalizadores

CLAUDIA MARÍA BIDABEHERE; GARCÍA, JUAN RAFAEL; ULISES SEDRAN

Mar del Plata

Congreso; XX Congreso SAM-CONAMET; 2022

INTEMA

Muchas reacciones industriales ocurren ante la presencia de catalizadores sólidos porosos. Además de la caracterización de sus propiedades físicas y químicas, es de interés determinar su actividad catalítica efectiva, la que es afectada por la forma y tamaño de los poros y de las partículas, además de otros factores. La Figura 1 muestra un esquema simplificado de un poro. El reactivo ingresa atravesando la capa límite, con velocidad caracterizada por el coeficiente de transferencia (kfilm); en el volumen de poros puede difundir en la fase fluida, adsorberse, desorberse y reaccionar en la superficie, con velocidades determinadas por las constantes intrínsecas k, k’ y ks. Los parámetros cinéticos mencionados, los de transporte y los de equilibrio de adsorción que determinan la dependencia de la concentración de la especie inmovilizada Q con la de la fase fluida (en sistemas diluidos, la constante de Henry es K=Q/C) definen la eficiencia del catalizador. De ahí la importancia de su determinación experimental, dado su impacto sobre el diseño y performance de reactores. La resistencia difusiva a la transferencia de masa hace que, en un sistema isotérmico, la velocidad observada sea inferior a la que se tendría si ocurriera a la concentración del reactivo en la fase fluida. Esta disminución de la actividad catalítica será mayor cuanto mayor sea el tamaño de las partículas de catalizador, lo que en situaciones prácticas sólo puede modificarse dentro de ciertos límites.El factor de efectividad (EF) se define como la relación entre la velocidad observada y aquella que existiría si no hubiese resistencias a la TM. De acuerdo al enfoque clásico, que asume que los perfiles de concentración en la partícula alcanzan el estado estacionario, este factor (SSEF) depende, cuando la resistencia externa a la TM es despreciable, de las constantes cinéticas, del equilibrio de adsorción y de la velocidad de difusión en el interior de la partícula, parámetros constitutivos del número adimensional conocido como Módulo de Thiele (ThM) [1]. Recientemente se ha desarrollado un factor de efectividad válido también para condiciones tales que los perfiles de concentración en el interior de la partícula se apartan del estado estacionario, lo que es usual en reacciones de interés práctico, con un catalizador con elevada capacidad de adsorción. El denominado factor de efectividad en estado transitorio (TSEF) depende no sólo del ThM , sino también del flujo si el reactor es continuo y del equilibrio de adsorción y de la carga de catalizador en el reactor y su volumen. Estos parámetros constituyen el número adimensional α, denominado capacidad de adsorción y definido como la relación entre la capacidad de las partículas para contener el reactivo –igual a VpK, siendo Vp el volumen de catalizador– y la capacidad de la fase fluida Vf (α=Vp[(1-ep)K+ep)/Vf), donde ep es la porosidad del catalizador [2]. El TSEF es más preciso que el SSEF, no está limitado a sistemas de baja capacidad de adsorción y además permite determinar simultáneamente parámetros de equilibrio y cinéticos con un número muy bajo de determinaciones experimentales [3]. Ambos han sido desarrollados para partículas de tamaño uniforme. Posteriormente se definió el impacto del tamaño no uniforme de las partículas esféricas en el factor de efectividad estacionario para reacciones con cinética tipo ley de potencia y LHHW, bajo condiciones de control intraparticular a la transferencia de masa [4]. Hasta el presente, no hay trabajos similares que consideren diferentes grados de dispersión en la distribución de tamaño de partículas (PSD) cuando hay control en la película exterior ni para casos de control mixto. Aunque el concepto del factor de efectividad es ampliamente empleado en la caracterización de catalizadores y en el diseño de reactores, hay en la literatura inconsistencias en resultados obtenidos por diferentes autores con sistemas muy similares. Posiblemente son debidas a discrepancias en la interpretación física atribuida a los parámetros involucrados en los cálculos, a suposiciones no verificadas tanto en lo referido a la dinámica de la partícula (si se ha alcanzado o no el estado estacionario) y a que los modelos empleados consideran tamaño uniforme para las partículas, entre otros aspectos. Sin embargo, esto último sólo puede lograrse en la práctica mediante métodos específicos de síntesis o separación, por ejemplo, por tamizado. En general esto no es posible y la dispersión de la distribución de tamaño de partículas es alta, conduciendo a errores en el cálculo del EF y en la determinación de parámetros del sistema. En este trabajo se señalan consideraciones a tener en cuenta sobre el significado físico de los términos involucrados en el módulo ThM, sobre la importancia de verificar el estado estacionario y sobre un criterio para la selección de la carga del catalizador en los ensayos. Además, se determina el efecto de una distribución de tamaños de partículas no uniforme sobre la actividad y efectividad catalíticas para casos en que la resistencia difusiva en la película externa a las partículas no es despreciable. Este enfoque resulta útil por aclarar aspectos a tener en cuenta, como asignar una adecuada interpretación física a los parámetros de equilibrio y cinéticos obtenidos, para permitir así una extrapolación de los resultados y predecir de manera correcta el funcionamiento de reactores a escala mayor. También extiende el empleo de modelos desarrollados para partículas de tamaño uniforme a catalizadores reales cuya distribución de tamaño de partícula pueda tener una dispersión alta.