catalisis-1-reaccion_y_difusion.pdf
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Ingeniera de las Reacciones Qumicas FCEFyN - UNC 1
Unidad V: Catlisis
PARTE 1:REACCIN Y DIFUSIN
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Ingeniera de las Reacciones Qumicas FCEFyN - UNC 2
CATALIZADOR SLIDO
REACTIVOS Y PRODUCTOS
CATLISIS HETEROGNEA
Porosos o monolticos Soportados o no-soportados
Geometras: placas, cilindros, esferas
Fase fluida: Gaseosa o
lquida
Reaccin ocurre en la superficie del slido
COMPLEJIDAD EN EL DISEO -> radica en la expresin de la ley de velocidad la cual involucra la combinacin de cinticas de procesos
de distinta naturaleza: transporte de materia, de reaccin y adsorcin/desorcin.
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Ingeniera de las Reacciones Qumicas FCEFyN - UNC 3
EXPRESIN DE LA ECUACIN CINTICA
DESCRIPCIN DE EQUIPOS
BALANCES DE MATERIA EN REACTORES CATALTICOS
CATLISIS HETEROGNEA
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Ingeniera de las Reacciones Qumicas FCEFyN - UNC 4
1. Difusin de reactivos en pelcula del fluido
2. Difusin de reactivos en el interior del poro
3. Adsorcin de reactivos sobre superficie
4. Reaccin qumica
5. Desorcin de productos desde superficie
6. Difusin de productos dentro del poro
7. Difusin de productos en pelcula del fluido
1
32
5, 6 y 7 se anulan cuando los productos no influyen en la reaccin
PROCESOS DE TRANSPORTE DE MATERIA EN EL PORO
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Ingeniera de las Reacciones Qumicas FCEFyN - UNC 5
PROCESOS DE TRANSPORTE DE MATERIA EN PASTILLA
CA
rEx = Difusin externarex
Partcula Capa lmite
Seno del fluido
CA
r
rin
rin = Difusin interna
rA
rA = Reaccin qumica
CA,SCA,r
Fluido en movimiento
Fluido estanco
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Ingeniera de las Reacciones Qumicas FCEFyN - UNC 6
Proceso en Serie -> difusin externa y difusin interna
interna dif.externa dif.global rrr
Proceso paralelo -> difusin en poros y reaccin superficial
En estado estacionario!
ETAPA CONTROLANTE ES EL PROCESO MS LENTO
PROCESOS DE TRANSPORTE DE MATERIA EN PASTILLA
LA FORMA DE LA LEY Y DE LOS PERFILES C-r SE DETERMINAN A TRAVES DE LA RESOLUCION DE BALANCES DE MATERIA DENTRO Y
FUERA DE LA PASTILLA
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Ingeniera de las Reacciones Qumicas FCEFyN - UNC 7
Balance molar general de A en un elemento de volumen INCLUYENDO LA DIFUSION
t
Cr
z
CU
y
CU
x
CU
z
C
y
C
x
CD AA
Az
Ay
Ax
AAAAB
2
2
2
2
2
2
Flujo DIFUSIVO- Ley de Fick -
Flujo CONVECTIVO Reaccin qumica
02
2
AA
XA
AB rdx
dCU
dx
CdD
En una dimensin y
en estado estacionario0
)/( 2
2
2
2 A
ArAAB rdr
Cdr
r
U
dr
drdCdr
r
D
Coordenadas rectangulares
Coordenadas esfricas
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Ingeniera de las Reacciones Qumicas FCEFyN - UNC 8
DIFUSIN EXTERNA
COEFICIENTE DE TRANSPORTE DE MASA
SAAABAX CCx
DJ ,
x
sDk Ag
]/[m [m/s]
2
)(Re, ScfD
dkSh
A
Pg
Nmero de Sherwood
Levenspiel, O. Ingeniera de las Reacciones Qumicas. Tercera edicin. Limusa Wiley. 2004
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Ingeniera de las Reacciones Qumicas FCEFyN - UNC 9
DIFUSIN EXTERNA
Velocidad de flujo/dimetro partcula
-rA
La difusin externa limita
La difusin externa ya no limita
SAA CC ,
Partcula Film Seno del fluido
CACA,SCA,R
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Ingeniera de las Reacciones Qumicas FCEFyN - UNC 10
REACCIN QUMICA
ADSORCIN + REACCIN + DESORCIN
-> Encontrar ley a travs de mecanismo Langmuir-Hinshelwood
Cada etapa est en serie, la mas lenta define la forma de la ley de velocidad
SBSB
SBSA
SASA
Se explora experimentalmente cual es la etapa controlante por el mtodo de
las velocidades iniciales
),,,,( BAAA KKkkCfR
-> Otra forma es proponer una la ley de velocidad como una funcin potencial simple y corroborar si se cumple el modelo experimentalmente
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Ingeniera de las Reacciones Qumicas FCEFyN - UNC 11
DIFUSIN EN LOS POROS
MODULO DE THIELE
r r + r
Balance de masa en la seccin de la partcula POROSA
0)(2
2
2
nAnAA C
De
k
dr
dC
rdr
Cd
senh
Rrsenh
r
R
C
C
AS
A )/(De
CkR
n
SAn
n
1
,
0)/(
AAzA r
dr
drC
r
U
dr
drdCdr
r
De
Condiciones de contorno !
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Ingeniera de las Reacciones Qumicas FCEFyN - UNC 12
DIFUSIN EN LOS POROS
Cuando es grande la
difusin en los poros
controla la velocidad
Levenspiel, O. Ingeniera de las Reacciones Qumicas. Tercera edicin. Limusa Wiley. 2004
Centro de la partcula
Frontera de la partcula
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Ingeniera de las Reacciones Qumicas FCEFyN - UNC 13
DIFUSIN EN LOS POROS
Definimos el factor de efectividad
intrnseca,
observada,
A
A
r
r
Luego se deducen ecuaciones entre y para diversas rdenes y geometras de partculas. Para esferas con n=1:
n
AnA Ckr
1coth3 2
De
kR 1
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Ingeniera de las Reacciones Qumicas FCEFyN - UNC 14
DIFUSIN EN LOS POROS
Levenspiel, O. Ingeniera de las Reacciones Qumicas. Tercera edicin. Limusa Wiley. 2004
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Ingeniera de las Reacciones Qumicas FCEFyN - UNC 15
ANLISIS DE CASOS LMITE 1 orden
Cuando < 0.3 1
AA Ckr La reaccin
controla
Cuando > 20 3/
AcaeA CkSDr R
3
La difusin en los poros controla
Un aumento de Sa o una disminucin de R conducirn a un aumento de rglobal
A
B
A B AA Ckr con = f()
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Ingeniera de las Reacciones Qumicas FCEFyN - UNC 16
CA
CA
r
CA,i
CA,r
Difusin interna y externa muy rpida, reaccin
controla, ley de velocidad es idntica que en
condiciones homogneas
Difusin externa muy rpida, difusin
interna controla
Difusin externa e interna deben considerarse
C
CA
r
CA = CA,i = CA,rA
CA = CA,i
CA
rCA,r
CA,i
B
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Ingeniera de las Reacciones Qumicas FCEFyN - UNC 17
CA
CA
r
CA,i
CA,r
Difusin externa e interna controlan
Difusin interna muy lenta, no llega sustrato al
interior de la pastilla, considerar superficie
externa
CA
CA
r
CA,i
CA,r
Caso lmite de = 0 partcula no porosa
C
CA
CA
r
CA,i
CA,rD
E
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k
S
k
Cr
ac
g
AA
1
"C
ANLISIS DE CASOS 1 orden
E
kk
Cr
g
AA
11
" Caso de partcula no
porosa
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Ingeniera de las Reacciones Qumicas FCEFyN - UNC 19
DETERMINACIN EXPERIMENTAL DE RESISTENCIAS
Importante para investigar cinticas de reaccin
Resistencia en la pelcula Variar caudal volumtrico manteniendo tiempo espacial Comparar VP kobs frente a kgSex
Resistencia de los poros Clculo del mdulo de Weisz-Prater Variar radios de las partculas Determinacin de la energa de activacin Cambio en el orden de reaccin para n1
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