Modelamiento y casos especiales de la cinética química heterogénea

UNIVERSIDAD DE GUADALAJARA

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Secretario General

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Secretaria Académica

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Jefa de la Unidad Editorial

La presente obra ha sido sometida a revisión externa de pares y doble ciego.

Primera edición, 2018

© Jorge Medina Valtierra y Gabriela Camarillo Martínez

ISBN 978-607-547-172-3

D.R. © Universidad de Guadalajara

Centro Universitario de los Lagos

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Hecho en México / Made in Mexico

Prefacio

Jorge Medina Valtierra

Gabriela Camarillo Martínez

Los químicos y los ingenieros químicos, en un momento dado, descubren que la cinética química en fase heterogénea, además de ser interesante, es un campo muy importante de la química como ciencia central.

Este libro representa un intento por cubrir los aspectos más importantes de este tema, con énfasis en la interacción entre la transformación y el transporte de especies químicas, ya sean reactivos o productos, y su compleja difusión a través de las partículas catalíticas que contiene un reactor químico de lecho empacado.

La discusión se centra específicamente en el uso de catalizadores sólidos porosos, en los fenómenos superficiales tanto físicos como químicos, y consecuentemente en las limitaciones de la difusión de moléculas que se pueden tener en los espacios microscópicos del sólido catalítico.

El libro también provee una integración del modelamiento sin efectos importantes o sin limitaciones por la difusión de las especies químicas, es decir, manejando específicamente los fenómenos químicos y sobre todo el mecanismo y la cinética de la reacción química superficial. Las bases o fundamentos de la cinética química heterogénea son descritos brevemente mencionando que existen libros que se extienden de forma acertada en este tema en particular.

Se tiene la esperanza, a pesar de ser una obra relativamente corta, de que este libro sea útil no solo a aquellos involucrados en el estudio de los reactores químicos, sino también a los estudiosos de la catálisis heterogénea, ya sea enfocada a la enseñanza universitaria, sobre todo a nivel posgrado, o bien con fines de aplicar estos conocimientos en la industria de las transformaciones químicas.

Introducción

El objetivo de este texto especializado es mostrar la manera de generar los modelos cinéticos para una reacción química heterogénea, conlleve o no una difusión másica importante. Su manejo dentro de las ecuaciones de diseño para reactores químicos pseudohomogéneos y heterogéneos es el papel de otro tratado, pero se puede presentar una breve descripción de las ecuaciones usadas en el análisis integral de una reacción química incluyendo un ejemplo de una ecuación de diseño para un reactor en particular.

BALANCE DE MATERIA

Un balance de masa para el reactivo limitante A, que es en realidad la ecuación de diseño para un reactor de lecho fijo que se basa en la cantidad de catalizador presente y en contacto con los reactivos, se expresa así:

(1.1)

La anterior ecuación es la forma diferencial de un modelo heterogéneo unidimensional para un reactor catalítico de flujo pistón. La ecuación puede ser usada para calcular el valor de la conversión (X) del reactivo limitante definido como A para una cantidad de catalizador, W, considerando la cinética de la reacción química (-r) y el flujo molar de ese reactivo (F) que pasa por el reactor.. En todos los casos, el concepto de reacción química, –rA, debe de estar disponible en términos o variables medibles, pero que involucren los parámetros del fenómeno superficial que se estudia. Además, la ecuación anterior se propone al suponer estado estacionario, concentración uniforme en la dirección radial y sin dispersiones axiales en el reactor.

Sin embargo, el balance de materia, que llega a ser la ecuación de diseño para un reactor químico, puede ser tan complejo como la siguiente ecuación diferencial.

(1.2)

Esta ecuación describe un reactor bidimensional en el cual la dispersión axial es importante porque afecta directamente a la concentración del reactivo A (definido como CA).

BALANCE DE ENERGÍA

Este concepto pronostica la variación de temperatura en el tiempo y en el espacio de un sistema de reacción, lo cual es muy importante porque la velocidad de reacción tiene una alta dependencia con respecto a la temperatura.

El balance de energía puede ser tan complicado como la siguiente ecuación diferencial:

(1.3)

Esta ecuación describe el perfil de temperatura en un reactor bidimensional, donde la dispersión axial, disipación de la viscosidad, exotermicidad y pérdida de calor a los alrededores del sistema son muy importantes.

Contrariamente, el cambio de temperatura dT puede ser tan simple como la siguiente ecuación:

(1.4)

Se aplica a un reactor adiabático unidimensional, donde se predice la temperatura como una función de la distancia o longitud de un reactor tubular y de la velocidad de la reacción.

EXPRESIÓN CINÉTICA DE LA VELOCIDAD DE UNA REACCIÓN QUÍMICA

La definición de velocidad de una reacción química heterogénea involucra el peso del catalizador, aunque también se usa el volumen o inclusive el área del catalizador.

Así, la velocidad de una reacción heterogénea puede definirse como el número de moles de reactivo transformado por tiempo y por unidad de peso del catalizador:

(1.5)

En este caso se tienen