Modelado del comportamiento de una reacción de oxidación catalítica en un reactor de lecho fluidizado Pubblico Deposited
El presente trabajo de investigación tuvo como objetivo principal elucidar el comportamiento de un reactor de lecho fluidizado para la Deshidrogenación Oxidativa de Etano (DHO-C₂) sobre un catalizador multimetálico MoVTeNbO desarrollado por el Instituto Mexicano del Petróleo (IMP). Para ello se realizó un estudio termodinámico de las principales reacciones en la DHO-C₂ y se encontró que esta reacción no está limitada por la termodinámica: Ka(298◦C)=1.7607X1015 y ∆G◦ ₂₉₈=-128.08 KJ/mol, ∆H◦ 298=-105.49 KJ/mol. Se tenía una base de datos experimentales cinéticos para el catalizador MoVTeNbO con los que se evaluó la influencia de la temperatura y espacio tiempo en la conversión de etano y selectividad de etileno de acuerdo a un estudio factorial 3² . El rango de selectividades a etileno y conversiones de etano fue de 81 a 95.7 y 16.5 a 86 % respectivamente. Se analizó y extendió dicha base de datos para desarrollar un modelo cinético del tipo Mars van Krevelen que consideró la dinámica oxido reducción en la superficie del catalizador. El modelo cinético para la DHO-C₂ ajustó adecuadamente los datos experimentales, obteniendo un valor de F de 1.581X10⁰³ donde el valor de F tabulado correspondió a 2.59. El modelo cinético se acopló al modelo de un reactor de lecho fluidizado pseudo heterogéneo, que consideró dos fases; emulsión y burbuja, para evaluar el comportamiento de la reacción de DHO-C₂ a escala industrial. Se simularon diferentes condiciones de operación incluyendo la temperatura de reacción (400, 440 y 480◦C), velocidad inicial de alimentación (3-11 veces umf ), tasas de alimentación etano/oxigeno (C₂H₆/O₂) de 1 y 3. Finalmente, para entender el efecto de la distribución de oxígeno en la reacción se modeló al reactor se consideraron dos casos: en el primero se alimenta O₂ a determinadas distancias del reactor con el objetivo de mantener la tasa DHO-C₂/O₂ de 1 a 4, ya que en este rango tuvieron lugar los experimentos cinéticos; y en el segundo caso se consideró una alimentación de oxígeno equidistante a lo largo del reactor. Los resultados mostraron que la temperatura de reacción influye directamente en la conversión y rendimiento de etano. Los mejores resultados se obtuvieron a una T de 480◦C alcanzando 91 % de conversión y un rendimiento de 89.9 %. Mientras que el efecto de la velocidad de alimentación se vio reflejado en el tiempo de residencia, para una velocidad inicial menor (3 veces umf ) se obtuvieron la mejor conversión y rendimiento: 90 y 82 % respectivamente. En tanto que el efecto de las tasas de alimentación sugiere que se alcanza una conversión de 86 % y un rendimiento de 55 % en el mejor de los casos cuando la concentración de etano es tres veces la concentración de oxígeno. Los casos de alimentación parcial de oxígeno mejoraron tanto la conversión como el rendimiento alcanzando 100 y 97 % respectivamente en los mejores casos. Estos resultados obtenidos sugieren que el reactor de lecho fluidizado es una alternativa prometedora para llevar a cabo la reacción de DHO-C₂ a escala industrial. No obstante, es necesario continuar con la investigación en catalizadores altamente selectivos viables para implementarse en reactores de lecho fluidizado a escala industrial, así como los mecanismos de reacción.
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