Ingeniería de Reacciones

Transcripción

1 DEFINICIÓN La Ingenería de las Reaccones Químcas es la rama de la Ingenería que estuda las reaccones químcas a escala ndustral. Su objetvo es el dseño y funconamento adecuado de los reactores químcos. (O. Levenspel, 1962) Como defnó O. Levenspel en 1962 La Ingenería de las Reaccones Químcas es la rama de la Ingenería que estuda las reaccones químcas a escala ndustral. Su objetvo es el dseño y funconamento adecuado de los reactores químcos. La ngenería de las reaccones químcas se basa en los conceptos cnétcos y termodnámcos de la reaccón químca aplcados a nvel ndustral, para dseñar y hacer funconar correctamente aquel equpo donde debe tener lugar, el cual se denomna RECTOR QUÍMICO. 1

2 Recrculacón Materas prmas condconamento RECTOR QUÍMICO SEPRCIÓN Productos 10-25% coste total Subproductos El reactor químco es el núcleo del proceso químco INGENIERÍ DE L RECCIÓN QUÍMIC La ngenería de la reaccón químca se ocupa de la etapa de tratamento químco del proceso que en muchos casos es la etapa más sgnfcatva del msmo, es decr, la que decde económcamente la posbldad de llevarlo a cabo. Objetvo: estudo de las reaccones químcas con vstas al dseño y funconamento de los RECTORES en los que se llevarán a cabo a escala ndustral con segurdad y economía. Eleccón del: -tpode reactor -cálculo del tamaño - determnar condcones de funconamento. 2

3 RECTOR: nstalacón en la que se realza a escala ndustral una reaccón químca, con segurdad y economía. eleccón del tpo de reactor: asegurar el tpo de contacto de los reactvos en el nteror del reactor, para consegur la mezcla deseada de las fases presentes. cálculo del tamaño: garantzar el sufcente tempo de contacto entre las sustancas y con el catalzador en su caso, para consegur el avance deseado de la reaccón. determnacón de condcones de funconamento: permtr condcones de presón, temperatura y composcón de modo que la reaccón tenga lugar de acuerdo a la termodnámca y cnétca de la reaccón. 3

4 CLSIFICCIÓN DE LS RECCIONES QUÍMICS Según el número de ecuacones estequométrcas necesaras para representarla. Smple Reversble + B C Irreversble + B C Múltple Sere B C Paralelo B C Según el tpo de fases en contacto Homogénea Catalzada No catalzada Heterogénea Las reaccones químcas pueden ser smples o múltples en funcón de que sea necesaro una o más ecuacones estequeométrcas para defnr el proceso. Llamamos reaccones reversbles a aquellas en que una vez alcanzado el equlbro coexsten reactvos y productos en el medo de reaccón, e rreversbles a aquellas en que todos los reactvos se transforman en productos (constante de equlbro elevada). Cuando a partr de un msmo reactvo pueden obtenerse más de un producto, puede ser o por que haya una sere de reaccones concatenadas donde los productos de una son reactvos de la sguente de manera que la proporcón entre los dversos productos vendrá dada por el valor relatvo de las dferentes constantes de equlbro. Otra posbldad es que pueden darse varas reaccones en paralelo, reaccones compettvas, sendo la proporcón entre los dferentes productos funcón de las dferentes velocdades de reaccón. Según el tpo de contacto entre las fases que ntervenen en una reaccón esta puede ser: Homogénea: s todos los componentes son mscbles. Heterogénea: s alguno de los componentes no es mscble y pueden aprecarse nterfases en el sstema. Otro de los factores a tener en cuenta a la hora de estudar un proceso con reaccón químca es s se realza en presenca de catalzadores o no. 4

5 CINÉTIC DE RECCIONES Termodnámca: ΔH, ΔG y K eq. Cnétca: v reac. = f (Tª, [ ], ) Varables que afectan a la velocdad de reaccón Presón Temperatura Composcón de la mezcla a a a n-1 n-1 + a n n El dseño de un reactor químco para una reaccón vendrá condconado por: conocmento termodnámco: nformacón calor de reaccón y cte. de equlbro. conocmento cnétco: permte determnar la velocdad de la reaccón y estudar la nfluenca sobre ella de la temperatura, concentracones, etc... Varables que afectan a la velocdad de reaccón Presón Temperatura Composcón de la mezcla S tenemos una mezcla homogénea de n sustancas en la que tene lugar la reaccón smple. a a a n-1 n-1 + a n n 5

6 Balance del reactvo lmtante Entrada de Salda de Generacón de (- Consumo ) cumulacón de Ecuacón de velocdad: V = cte, Tª = cte, P = cte., [ ] f (x) v reac = - 1 V 1 a dx dt = f ( X ) v reac =varable ntensva ndependente de cualquer producto o reactvo al que se refera. f(x ) <> expresón empírca Denomnamos reactvo lmtante a aquel que controla el desarrollo del proceso al encontrarse en cantdades subestequeométrcas con respecto a los demás. En el caso de que la mezcla sea heterogénea, el reactvo lmtante suele ser aquel que se encuentra en fase sólda. El balance de masas debe hacerse referdo al reactvo lmtante Entrada -Salda +Generacón -Consumo =cumulacón Se defne como velocdad de reaccón referda al reactvo lmtante para un sstema cerrado de volumen V, sotermo, de presón cte. y de composcón unforme donde transcurre la reaccón smple genérca consderada anterormente: v r =- 1/V 1/a dx /dt = f(x ) donde la funcón f(x ) representa la ecuacón empírca de velocdad, expresada en funcón de las concentracones del reactvo lmtante. Para el caso más sencllo: reaccón smple una sola ecuacón estequeométrca la conversón de reactvo lmtante (), X la ecuacones de dseño se reducen a: Balance del reactvo lmtante Ecuacón de velocdad. El balance debe aplcarse a ntervalos de espaco y tempo en los que la temperatura y la composcón de la mezcla reacconante pueden consderarse constantes. La velocdad de reaccón es una varable ntensva ndependente de cualquer producto o reactvo al que se refera. 6

7 DISEÑO DE RECTORES: Clasfcacón Grado de mezcla Mezcla perfecta: [ ] f (x), Tª f (x). [ ] Tª t = cte Flujo de pstón: [ ] = f (x), Tª = f (x). x [ ] Tª x = cte t DISEÑO DE RECTORES Para descrbr un reactor químco para un sstema homogéneo hay que especfcar: Grado de mezcla: Las dos stuacones lmtes son: Mezcla perfecta: mplca composcón y temperaturas unformes en todo el volumen ocupado por la mezcla reacconante en el nteror del reactor. Flujo de pstón: mplca la crculacón de la mezcla reacconante por un tubo con perfl radal plano de velocdad, temperatura y composcón. Reactores deales: los que corresponden a estas dos stuacones lmtes. Estos reactores se representan por un tanque perfecto agtado y por un tubo por el que crcula la mezcla reacconante a gran velocdad 7

8 DISEÑO DE RECTORES: Clasfcacón Régmen de funconamento Estaconaro: (c, x, T, P...) f( t ) [ ] Tª x = cte No estaconaro: (c, x, T, P...) = f( t ) t [ ] Tª t Régmen de funconamento Régmen estaconaro: las condcones en cualquer punto no varían con el tempo (c, x, T, P...) f( t ) Régmen no estaconaro: las condcones varían en funcón del tempo. (c, x, T, P...) = f( t ) 8

9 DISEÑO DE RECTORES: Clasfcacón Intercambo de energía con el exteror Isotermo: Tª = cte Tª = cte Exotérmca ΔH < 0 enfrar Endotérmca ΔH > 0 calentar dabátco: Tª cte Exotérmca ΔH < 0 ΔT > 0 Endotérmca ΔH > 0 ΔT < 0 Intercambo de energía con el exteror. Isotermo: ntercamba calor con el exteror para que la temperatura se mantenga constante en todo el volumen del reactor. dabátco: no ntercamba calor con el exteror por lo que la temperatura no se mantendrá cte. 9

10 DISEÑO DE RECTORES: Clasfcacón Intercambo de la matera con el exteror Dscontnuo: Q(entrada) ncal ; Q (salda) fnal Q Entrada reaccón Salda Contnuo: Q(entrada); Q (salda) t Q Entrada Salda t Intercambo de la matera con el exteror: Dscontnuo: no ntercamba matera con el exteror sno que se carga ncalmente con la mezcla reacconante y se descarga una vez transcurrdo el tempo adecuado. Contnuo: los caudales totales máscos de entrada y de salda son guales (hay ntercambo de matera). 10

11 RECTOR DISCONTINUO CONDICIONES: [ ] y/o Tª no constantes en el tempo (régmen no estaconaro). Volúmenes de produccón moderados. Procesos de carga/descarga y acondconamento. Los térmnos de entrada y salda no exsten. VENTJS: lta conversón por undad de volumen. Moderados costes de nstalacón y puesta en marcha. Flexbldad de operacón. condconamento en vacío. DESVENTJS: ltos costes de operacón. Varacón en la caldad de los productos obtendos. RECTOR DISCONTINUO El reactor dscontnuo trabaja sempre en régmen no estaconaro, varando por ello las propedades del sstema a lo largo del proceso de reaccón. Los térmnos de entrada y salda del reactor no se tenen en cuenta dado que el tempo CERO del proceso es el momento de ncarse la reaccón (posteror a la etapa de carga), la cual transcurre hasta el momento en que se descarga el sstema, momento que suele aprovecharse para el acondconamento del sstema (lmpeza, modfcacones, reparacones, mantenmento, etc.) Son sstemas que trabajan por cclos carga-reaccón-descarga- acondconamento en los cálculos de duracón del cclo de produccón hay que computar el tempo de carga-descarga-acondconamento. Sulen utlzarse para produccones pequeñas en las cuales la reaccón presenta altos grados de conversón por undad de volumen, flexbldad de operacón, pues pueden cambarse las condcones de un cclo a otro lo cual provoca por el contraro una varabldad de la caldad del producto obtendo. Los costes de nstalacón y puesta en marcha suelen ser moderados, en contra de lo que sucede con los de operacón que son altos. 11

12 RECTOR DISCONTINUO Conversón fracconal : cocente entre el varacón del nº de moles de y los moles que exstían ncalmente del reactvo lmtante X = n n n o o = 1 - n n o Balance del reactvo lmtante Entrada de 1 Salda de 1 Generacón de 1 (- Consumo 1 ) cumulacón de 1 Generacón de 1 (- Consumo 1 ) f(tempo) Conversón fracconal: cocente entre el varacón del nº de moles de y los moles que exstían ncalmente. X =(n o -n )/n o = 1- n /n o La conversón habrá que referrla al reactvo lmtante. No exsten los térmnos entrada y salda. Los térmnos generacón y consumo sufren varacón con el tempo. 12

13 Ecuacón de velocdad n 1 dx o v reac = = f V a dt Ingenería de Reaccones RECTOR DISCONTINUO DE MEZCL PERFECT (BR) FSES: gas; gas/líqudo; gas/sóldo; gas/líqudo/sóldo; líqudo; líqudo/sóldo. USOS: Produccones dscontnuas, bajos volúmenes de produccón. VENTJS: lta conversón por undad de volumen, flexbldad de operacón. DESVENTJS: ltos costes de operacón, varabldad de caldad. EJEMPLOS: Farmacoquímca, Químca Fna, Fermentacón. ( X ) t R = tempo de reaccón X = conversón fracconal del Reactvo lmtante para t R t R = X [ o] a dx f ( X ) 0 Un reactor dscontnuo de mezcla perfecta es un recpente con un sstema de agtacón efcente que permte que las condcones en todos los puntos del reactor sean los msmos en cada nstante. Como todo sstema dscontnuo trabaja en condcones no estaconaras exstendo un proceso de carga (nco) y de descarga (fnal) además de unas labores de acondconamento. Se caracterzan por la sencllez de los equpos y el pequeño equpo expermental necesaro, lo cual favorece el bajo coste de los sstemas. Generalmente se utlzan para realzar reaccones en fase fluda (gaseosa, líquda o pulverulenta), con altas tasas de conversón por undad de volumen y flexbldad de operacón. Están ndcados para pequeñas produccones en las cuales exste una gran varabldad en las condcones del producto obtendo tanto en lo que se refere a sus especfcacones como al volumen de produccón. Se efectúa el balance del reactvo lmtante en todo el volumen del reactor (Tª y concentracón guales en todo el volumen) y los térmnos de entrada y salda no exsten 13

14 RECTOR DISCONTINUO DE MEZCL PERFECT (BR) CONVERTIDOR BESSEMER Reactor dscontnuo de mezcla perfecta, con agtacón neumátca. Se utlza para obtener aceros a partr de arrabo y chatarra. El convertdor Bessemer es un reactor dscontnuo de afno de acero, consstente en un recpente basculante que se carga con arrabo, chatarra, etc. para medante una reaccón de oxdacón elmnar las mpurezas del arrabo y convertrlo en acero. Es un proceso rápdo pues apenas dura unos mnutos, y que una vez fnalzado se procede al gro del convertdor para la elmnacón de la escora (óxdos de las mpurezas) sobrenadante, y posterormente el acero afnado. 14

15 RECTOR DISCONTINUO DE FLUJO PISTÓN (lecho fjo) FSES: gas/sóldo; líqudo/sóldo. USOS: Lecho fjo, reactor semcontnuo. VENTJS: lta conversón por undad de volumen, flexbldad de operacón. DESVENTJS: ltos costes de operacón. EJEMPLOS: Reactores catalítcos, descomposcones térmcas. Ecuacón de velocdad Reactvo lmtante: lecho fjo t R = X [ o] a dx f ( X ) 0 Reactvo lmtante: componente corrente de almentacón [ ] X 0 τ R = a dx f(x 0 ) l gual que el resto de los reactores dscontnuos los RDFP trabajan en regmen no estaconaro estando consttudos por un sóldo poroso a cuyo traves (lecho fjo) se desplaza un fludo. Suelen emplearse en reaccones catalzadas por sóldos y para la descomposcón térmca de sustancas. 15

16 Torres de adsorcón RECTOR DISCONTINUO DE FLUJO PISTÓN (lecho fjo) Reactor dscontnuo de flujo pstón, para la purfcacón de gases por adsorcón de las mpurezas en un sóldo adsorbente (gel de sílce, carbón actvo, alúmna, tamz molecular, ) Las torres de adsorcón son un ejemplo de reactor dscontnuo de flujo pstón donde la fase fluda (gas o líqudo) pasa a través del lecho adsorbente contendo en la columna. Una vez que la columna está próxma a su agotamento (capacdad de adsorcón) el caudal de fase fluda se derva a una segunda columna donde tene lugar el proceso de adsorcón hasta que se agota, momento en que la prmera está en condcones de ser utlzada al haber sdo regenerada o susttuda. 16

17 RECTOR CONTINUO CONDICIONES: [ ] y/o Tª constantes en el tempo (régmen estaconaro). Tempo espacal o tempo de resdenca. Grandes volúmenes de produccón. Flujos de entrada y salda. VENTJS: lta velocdad de reaccón. Moderados costes por undad de producto. Gran homogenedad de produccón. Fáclmente automatzables. DESVENTJS: ltos costes de nstalacón. Poca versatldad. RECTOR CONTINUO El reactor contnuo trabaja en régmen estaconaro, donde los procesos de carga y descarga se realzan medante correntes de entrada y salda y no varando las propedades del sstema a lo largo del proceso de reaccón. l no haber un nstante ncal al que referr el resto del proceso, no suele hablarse de tempo de reaccón sno de tempo espacal o de tempo de resdenca. Suelen utlzarse para grandes produccones en las que la reaccón presenta altas velocdades de reaccón. Cualquer cambo en la almentacón o en el proceso tarda en ser asumdo por el sstema, por lo que resultan poco versátles, aunque el producto obtendo es muy homogéneo y el sstema en s msmo faclmente automatzable. Los costes de nstalacón y puesta en marcha suelen ser elevados, en contra de lo que sucede con los de operacón que son bajos, por lo que repercuten poco en el preco fnal del producto. 17

18 RECTOR CONTINUO Conversón fracconal : cocente entre el varacón del caudal molar del reactvo lmtante a la entrada y a la salda del reactor X F = 0 F - F 0 Balance del reactvo lmtante Entrada de 1 Salda de 1 Generacón de 1 (- Consumo 1 ) cumulacón de 1 Tempo espacal 3 VReactor (m ) τ (s) = 3 Q (m /s) Conversón fracconal: cocente entre el varacón del caudal molar del reactvo lmtante a la entrada y a la salda del reactor. X =(F o -F )/ F o = 1- F / F o La conversón habrá que referrla al reactvo lmtante. Exsten los térmnos entrada, salda, generacón y consumo, pero no el de acumulacón. Los térmnos generacón y consumo no sufren varacón con el tempo. Se habla de tempo espacal o tempo de resdenca hdráulco y es el cocente entre el volumne del reactor y el caudal volúmco. 18

19 RECTOR CONTINUO DE FLUJO PISTÓN (PFR) FSES: gas; gas/líqudo; gas/sóldo; líqudo; líqudo/sóldo. USOS: Reaccones a gran escala, alta velocdad de reaccón, alta temperatura. VENTJS: lta conversón por undad de volumen, bajos costes de operacón, buena transferenca de calor. DESVENTJS: Gradentes de temperatura, necesdad de paradas de acondconamento. EJEMPLOS: ltos hornos, dgestores aerobos, oxdacón NO. Un reactor contnuo de flujo pstón (PFR) es un recpente de smetría de revolucón, generalmente clíndrco, en el que se supone que las condcones en todos los puntos de una msma seccón transversal al eje prncpal del reactor son los msmos en todo nstante. Como todo sstema contnuo trabaja en condcones estaconaras exstendo una corrente de entrada (almentacón) y otra de salda (desagüe). El acondconamento del sstema suele ser realzado con las natalacones paradas, lo cual hace de las labores de mantenmento preventvo sean crucales en este tpo de sstemas. Se caracterzan por la complejdad de los equpos y el equpo expermental necesaro relatvamente sofstcado, lo cual favorece el alto coste de los sstemas. Generalmente se utlzan para realzar reaccones en fase fluda (gaseosa, líquda o pulverulenta), con altas velocdades de reaccón. Están ndcados para grandes produccones en las cuales no exste gran varabldad n en las condcones de reaccón n en las del producto obtendo. l ser grandes los volumenes de produccón los costes repercutdos por el preco de las nstalacones en el producto fnal es muy bajo. 19

20 RECTOR CONTINUO DE FLUJO PISTÓN (PFR) lto horno Reactor contnuo de flujo pstón, para la obtencón de arrabo a partr de menas de herro, coque y calza. El are nsuflado por toberas alcanza temperaturas muy altas (reaccones de oxdacón, y la fusón del metal) El alto horno es un reactor contnuo de flujo pstón donde los reactvos sóldos (mneral de herro, coque y calza) se almentan por la zona superor y van desplazándose haca el fondo por accón de la gravedad, transformándose en arrabo (herro con alto contendo en carbono y otros elementos mpurfcadores) y escora (mezcla de óxdos). En contracorrente se almenta are que actúa de agente oxdante del carbono dando lugar a CO y energía, el prmero es el agente reductor de los óxdos de herro y la energía permte que se realcen las reaccones a velocdad adecuada y obtener el arrabo en estado líqudo, lo cual permte su separacón de las escoras sóldas de menor densdad. Por la boca del horno salen los gases producdos por la combustón y reduccón de la carga almentada. El motvo por el cual la seccón del alto horno no es clíndrca sno de doble tronco de cono es por que el volumen de la mezcla reactvos productos y resduos no es constante, sno que en una prmera etapa (en sentdo descendente) los reactvos aumentan de volumen y por ello la seccón útl del reactor. Posterormente comenza el proceso de fusón de la mezcla, lo cual sgnfca una dsmnucón del volumen y de la seccón. 20

21 Reaccones gaseosas a gran escala y en algunas reaccones en fase lquda. Ejemplo: Oxdacón NO a NO 2 en la produccón de HNO 3 dv R F o F F -df F f RECTOR CONTINUO DE FLUJO PISTÓN (PFR) E - S = C dl Efectuar los cálculos con respecto a dv R (Incremento del Volumen de reactor) F. dt - ( F -df ). dt = v reac. dv R. dt df = v reac. dv R X Fo - F = F o F = 1 - F o dx df = - F o ; - df = F o. dx X R dx V = F 0 Q F [ 1 ] 0 R o v (X ) = [ ] X o τ R 0 Xf reac VR τ = = V R -Fo. dx = vreac. dvr τ R = tempo espacal = tempo que emplea un elemento de volumen de reactvo en recorrer la longtud L del reactor X 0 f v dx reac (X ) Se aplca el balance general del reactvo lmtante extenddo a un elemento dv del reactor en dreccón axal y a la undad de tempo y sn acumulacón (sólo se consdera cuando se alcanza el estado estaconaro). F. dt - ( F + df ). dt + v r. dv R. dt = 0 df + v r. dv R = 0 plcando la expresón de la conversón fracconal y del tempo espacal se tene τ r = - [ 1 ] o X o dx /f(x ) 21

22 RECTOR CONTINUO DE MEZCL PERFECT (CSTR) FSES: gas/líqudo; líqudo; líqudo/sóldo. F o F USOS: Velocdades medas de reaccón, bajas temperaturas de reaccón. VENTJS: Buen control de temperatura, smplcdad de construccón, bajos costes de operacón. DESVENTJS: Baja conversón por undad de volumen. EJEMPLOS: Reactores anaerobos, produccón de compuestos orgáncos. Un reactor contnuo de mezcla perfecta (CSTR) es un recpente con un sstema de agtacón efcente que permte que las condcones en todos los puntos del reactor sean los msmos en cada nstante. Como todo sstema contnuo trabaja en régmen estaconaro exstendo una corrente de entrada (almentacón) y otra de salda (desagüe), sendo las condcones nvarantes con el tempo. Están ndcados para sstemas de reaccón con velocdades de reaccón medas y bajas temperaturas, permtendo un buen control de la temperatura del sstema sendo sencllos de construccón y de bajos costes de operacón, alcanzandose bajas conversones por undad de volumen. 22

23 RECTOR CONTINUO DE MEZCL PERFECT (CSTR) Condcones dentro del reactor guales que a la salda ( X ) V 0 F - F + f R = 0 τ R = [ ] a 0 F = F X f(x 0 ( 1 - X ) ) V R F = f 0. X ( X ) τ R = tempo espacal = tempo medo que permanece un elemento de volumen de reactvo en el nteror del reactor En un CSTR las condcones del sstema (temperatura, composcón, etc.) no varían n con el tempo n con la poscón, de manera que no podemos hablar extríctamente de avance de reaccón a nvel macroscópco, sendo el tempo de reaccón gual al tempo de retencón hdráulco. El avance de reaccón se comprende s lo explcamos a nvel mcroscópco suponendo un elemento de volumen que entra en el reactor y permanece en promedo en el msmo un tempo gual al del tempo de retencón hdráulca. 23

24 CTLIZDORES B* B* E a B* cat E a B* cat E a (cat) E a (cat) C+D ΔH > 0 +B ΔH < 0 +B C+D k = e E a R T C o n v e rs o n Conversón de Equlbro con catalzador sn catalzador t tempo Un catalzador es una entdad que camba la velocdad de reaccón químca, tomando parte ntmamente en ella, pero sn llegar a ser un producto. La accón prncpal es la reduccón de la barrera de energía potencal que los reactantes deben pasar para formar los productos. La ntroduccón del catalzador dóneo en el sstema debe afecta favorablemente a los valores de y E de la ecuacón de rrhenus. k =. e -E/kT La presenca del catalzador se lmta a aumentar la velocdad de reaccón, pero no modfca en modo alguno las varables termodnámcas: 1. No puede llevar a cabo reaccones termodnámcamente mposbles. 2. No altera la constante de equlbro. 3. No nfluye en al calor de reaccón, pues éste sólo depende de los reactantes y productos. 24

25 CTLIZDORES RECCIONES CTLÍTICS HOMOGÉNES Todas las sustancas nvolucradas en la reaccón están en la msma fase (generalmente líquda). La velocdad de reaccón se expresa en moles de una sustanca producda o consumda por undad de tempo y de volumen de mezcla reacconante (con catalzador ncorporado). Tpos: el reactante se transforma de forma rreversble en B, en presenca del catalzador: + C B + C la reaccón esté acompañada por otra que transcurre sn el concurso del catalzador: + C B + C K 1 B K 2 formacón de un compuesto ntermedo, que se descompondrá en el producto regenerando el catalzador: + C C B + C K 1 K d TIPOS DE RECCIONES CTLÍTICS a) Reaccón catalítca homogénea: suelen llevarse a cabo en fase líquda. La velocdad de reaccón se expresa en moles de una sustanca producda o consumda por undad de tempo y de volumen de mezcla reacconante (con catalzador ncorporado). 25

26 CTLIZDORES RECCIONES CTLÍTICS HETEROGÉNES Las reaccones tenen lugar en la superfces de los catalzadores sóldos, transcurren a través de una sere de etapas químcas y físcas que son las que sguen: Dfusón exteror de los reactantes desde el fludo hasta la superfce del catalzador. Dfusón nteror a través de los poros del catalzador. dsorcón de los reactantes sobre la superfce del catalzador. Transformacón químca de las especes adsorbdas sobre la superfce del catalzador. Desorcón de los productos a través de los poros del catalzador. Dfusón a través de los poros del catalzador. Dfusón exteror de los productos desde la superfce del catalzador a la masa del fludo. b) Reaccón catalítca heterogénea: los reactantes y productos están normalmente en fase gaseosa, dando sstemas de contacto gas - sóldo. La velocdad suele expresarse en moles de la sustanca producda o consumda por undad de tempo y undad de peso o volumen del catalzador, donde W es el peso de volumen del catalzador. Varables que afectan a la velocdad de reaccón concentracón, temperatura y presón de operacón. característcas funconales del catalzador. 26

27 CTLIZDORES Velocdad global Reaccón Químca Etapas de dfusón Control por dfusón Control por reaccón químca Velocdad real Temperatura Estas etapas se producen en sere, de forma que cualquera de ellas pueda controlar la velocdad global del proceso: cuando se alcance el estado estaconaro. Las condcones de operacón afectan a las dstntas etapas. 27

28 CTLIZDORES DIFUSIÓN EXTERN Transporte de reactantes hasta la superfce externa del catalzador y de productos desde la msma. Gas - sóldo: Reactor tubular control por dfusón = f(v gas a través del lecho) Líqudo-sóldo: Tanque agtado control por dfusón = f(rpm agtador) DIFUSIÓN INTERN Transporte a través de los poros del catalzador de reactantes y productos. control por dfusón = f(dámetro de los poros) DSORCIÓN/DESORCIÓN Interaccón de algunos de los compuestos que ntervenen en la reaccón con la superfce nterna del catalzador. adsorcón físca (fuerzas de Van der Waals y London). adsorcón químca (enlace covalente, ónco) DIFUSIÓN EXTERN Es el transporte de reactantes y productos hasta la superfce del catalzador. S es la etapa controlante - el catalzador no recbe el reactante - se encuentra saturado. Sstema gas - sóldo: Reactor tubular control por dfusón = f(velocdad del gas a través del lecho) Sstema líqudo - sóldo: Tanque agtado control por dfusón = f (revolucones/mn del agtador) La expresón de velocdad es smlar a la que rge los fenómenos de absorcón gas-lqudo. En los fenómenos de absorcón el equlbro se produce en la nterfase gas-líqudo, aquí el equlbro se da en la superfce del catalzador. DIFUSION INTERN La dfusón a través de los poros del catalzador, de los reactantes o productos, puede ser la etapa controlante. control por dfusón = f (dámetro de los poros) Puede producr aumento de costes de operacón, y hacerla nvable. DSORCIÓN Interaccón de algunos de los compuestos que ntervenen en la reaccón con la superfce del catalzador actvo (props. absorbentes, funcones catalítcas). Dos tpos: tendenca a adsorber por saturacón de valencas lbres qumsorcón adsorcón por fuerzas Van der Waals (adsorcón físca). La dferenca entre ambos radca en la velocdad con que alcanzan el equlbro y la energía puesta en juego. 28

29 CTLIZDORES CENTROS CTIVOS: ctvdad Selectvdad CENTROS CTIVOS Elementos específcos de un catalzador, responsables drectos de la dsmnucón de la energía de actvacón requerda para el proceso. Ejemplo: Centros ácdos: pueden ser: centros Lews - aceptores de electrones centros Brönsted - lbera protones. Selectvdad de un catalzador: ndca la capacdad de orentar un reactvo haca un determnado producto. ( estereoselectvdad) Catalzadores soportados: Los compuestos actvos están unformemente dstrbudos sobre otro sóldo (soporte nerte). Ejemplos: SO 2, l 2 O 3, óxdos metálcos, carbono amorfo, arcllas... a) aumenta la superfce actva del catalzador. b) puede cambar la selectvdad del catalzador. c) mejora certas propedades físcas del catalzador. Importanca económca e ndustral de los catalzadores, consumo en los procesos químcos específcos, refnado del petroleo y el control de las emsones gaseosas. 29

30 CTLIZDORES CTIVIDD: SELECTIVIDD: P W P cat P ó ÁRE SUPERFICIL Y DISTRIBUCIÓN Y TMÑO DE POROS. V P cat PROPIEDDES QUÍMICS: establdad, resstenca a los venenos. PROPIEDDES FÍSICS: resstenca a la erosón y abrasón. REGENERCIÓN: capacdad de recuperar actvdad y selectvdad. PRECIO Y DISPONIBILIDD DE MTERIS PRIMS. FCTOR GEOMÉTRICO: accesbldad de los centros actvos (tamaño y forma). FCTOR ELECTRÓNICO: dstrbucón de nubes electróncas. INFLUENCI DEL SOPORTE: efecto de la estructura porosa del soporte, grado de dspersón, nteraccón de la fase actva con el soporte. DISEÑO DE CTLIZDORES HETEROGÉNEOS Factores: actvdad para la reaccón. (cantdad de reactante que se transforma =f(t,p,velocdad ) al entrar en contacto con el catalzador) - rendmentos selectvdad: (de un producto, la cantdad obtenda/ total reactante) área superfcal y dstrbucón y tamaño de poros: 1000 m 2 /g propedades químcas. establdad, resstenca a los venenos propedades físcas: resstenca a la erosón y abrasón regeneracón: la actvdad dsmnuye con el tempo de empleo - envejecmento y envenenamento preco y dsponbldad de materas prmas. Factor geométrco: espacado nteratomco parece afectar a la etapa de adsorcón. Factor electrónco: propedades electróncas Factores de nfluenca: efecto de la estructura porosa del soporte grado de dspersón nteraccón de la fase actva con el soporte 30

31 BIBLIOGRFI Levenspel, O. Mnlbro de reactores químcos, Ed. Reverté, S.. Costa López, J.; Cervera March, S.; Cunll García, F.; Esplugas Vdal, S.; Mans Texdó, C. y Mata Álvarez, J. Curso de Ingenería Químca. Cap. 1, 2 y 3. Ed. Reverté, S.. Levenspel, O. "Ingenería de las reaccones químcas". Ed. Reverté, S.. Van Ortuño,. "Introduccón a la Químca Industral" Ed. Reverté, S.. 31