Sensibilidad paramétrica

Diego Arena

Daniel Ramos

Aplicado a: Estudio de la sensibilidad paramétrica de un RTFP

Curso IRQII 2009

•Cuando una reacción exotérmica es llevada a cabo en un RTFP operando con temperatura de pared constante, un aumento en la temperatura de la mezcla reaccionante es inevitable.

•Por otro lado, dicho efecto es beneficioso desde el punto de vista de la eficiencia del proceso, esto es, el volumen necesario de reactor.

•Por razones de seguridad, selectividad del proceso y actividad catalítica (cuando corresponda), la “zona caliente” debe ser mantenida dentro de los límites especificados.

•En muchos casos, dicha zona es muy sensible a variaciones en las condiciones de entrada (C, T) y variables operacionales, como ser la temperatura de pared.

•Si no se tiene la precaución debida el sistema evolucionará hacia un estado de inestabilidad incontrolable.

Sensibilidad paramétrica del RTFPI

Problema:Producción de anhídrido ftálico a partir de O-Xileno en un reactor catalítico, constituido de tubos de 1” de diámetro y 3 m de longitud refrigerado con salmuera.Modo de operación:

Temperatura de pared constante (352 ºC).Presión constante (1 atm).

Alimentación: PA0 < 0.01 atm (límite de explosión).335 ºC < TE < 415 ºC.

Caso a estudiar – Producción de Anh. Ftálico

El proceso a estudiar es la producción de Ácido Ftálico a partir de o-Xileno, en unreactor flujo pistón con catalizador. Como ingreso al reactor, se tiene una mezcla deaire con o-xileno, en proporciones tales que sea segura de operar. Para prevenirposibles explosiones, la proporción de Xileno en el aire no debe ser superior a 0.01, yla temperatura debe ser menor que la de autoignición. Es de notar que si bien latemperatura de autoignición del Xileno, es de 465ºC, se toma como margen deseguridad, una temperatura máxima de trabajo de 415ºC. Por otro lado la reacción seve favorecida por un aumento en la temperatura, con lo cual, se toma unatemperatura mínima de trabajo de 335ºC. Es entorno a estos valores que se realizaráeste estudio.

Consideraciones:

•Densidad del gas constante.

•Perfil plano de temperatura y presión parcial del

reactivo en el sólido.

•Reacción irreversible de pseudo-primer orden.

Caso a estudiar – Producción de Anh. Ftálico

Nt = 2500 tubos.

dt = 0,0254 m.

lt = 3 m.

<u> = 3.600 m/h.

ρg = 1,293 kg/m3.

ρcat = 1.300 kg/m3.

CPuv = 0,323 kcal/m3.

ΔH = -3,07x105 kcal/mol.

Tw = 352 ºC.

U = 82,7 kcal/m2h.

rA = kPB0PA

PB0 = 0,208 atm

Lk = 19,837 – 13636/T [=] molAg-1atm-2h-1

Datos:

dVrdPP

FdWrdF CATAA

A

AAA

0

0

A

T

AgO

APM

P

Pv

F

0

0

AdlPPtkdPPPM

vCATABA

TA

gO

0)(

MODELO DEL SISTEMA

)(··

0

0TkP

u

PPPM

dL

dPA

gas

CATBTgA

Balance de Masa:

MODELO DEL SISTEMA

P

ABCATC

Cu

TkPPHdiam

TTU

dL

dT

·

)(····)(4 0

Balance de Energía:

dlTTdiamUNTTUdAQd CtC )·(··)(

AdlHPPtkdTCvQd CATABPuvO 0)(

El estudio se realizó mediante integración numérica del modelo anterior, para varias condiciones iniciales de presión parcial de Xileno a la entrada, y para valores de temperatura de camisa. Para acotar el estudio, se realizaron las consideraciones ya mencionadas:

•Temperatura de entrada de la mezcla Aire-Xileno: 335ºC (El mínimo del rango de trabajo).

•Temperatura de Camisa para el estudio de Presiones de Entrada: 352ºC

•Rango de Temperatura de Trabajo: 335ºC ---- 415ºC

Estudio de sensibilidad Paramétrica:

Para las condiciones anteriormente señalas tomando valores entre 0 atm y 0.02 atm se obtuvo:

Resultados del estudio de sensibilidad Paramétrica respecto a la Presión parcial de Xileno en la mezcla de aire a la entrada:

Para ese mismo rango de temperaturas se realizó una evaluación de la conversión lograda

(Presión final de xileno a la salida) quedando de la siguiente forma:

Resultados del estudio de sensibilidad Paramétrica respecto a la Presión parcial de Xileno en la mezcla de aire a la entrada:

Tomando en cuenta, que se busca lograr la mejor conversión posible, manteniendo las

temperaturas dentro del reactor en los valores recomendados, se realizó a partir de los

datos simulados la siguiente tabla:

P. Xileno

Entrada

(atm)

P. Xileno Salida

(atm)

Conversión

(%)

Temperatura

Máxima

(K)

0,006 0,00272 54 630,4

0,008 0,00347 56.7 633,1

0,01 0,00412 58.8 636

Si bien el valor más adecuado sería 0.01 atm, este valor es el límite del rango de trabajo, valor que por lo tanto no será utilizado. El valor que sería más adecuado sería 0,008 atm.

ESTUDIO DE SENSIBILIDAD PARAMETRICA EN FUNCIÓN DE LA PRESIÓN PARCIAL DE XILENO EN LA ENTRADA

Ahora para ese valor de presión parcial de xileno (0.008 Atm), se realizó un estudio de sensibilidad paramétrica respecto a la temperatura de camisa, resultando en:

Estudio de sensibilidad Paramétrica:RESPECTO A LA TEMPERATURA DE CAMISA

En la gráfica de la temperatura del reactor se puede observar que para la presión seleccionada, temperaturas de camisa superiores a los 660K no son manejables. Es por esto que se realizó un estudio en mayor detalle.

Estudio de sensibilidad Paramétrica:RESPECTO A LA TEMPERATURA DE CAMISA

Temp. de

Camisa

(K)

P. Xileno

Salida

(atm)

Conversió

n

(%)

Temperatura

Máxima

(K)

655,5 0,000596 92,6 687,5

652,2 0,000781 90,2 679,8

652,0 0,000814 89,8 678,6

Estudio de sensibilidad Paramétrica:RESPECTO A LA TEMPERATURA DE CAMISA

En base al estudio realizado, las condiciones de trabajo seleccionadas para

el reactor, como las más seguras, apropiadas y de mayor producción son:

Presión Parcial de Xileno a la entrada (atm) 0,008

Presión Total a la Entrada (atm) 1

Temperatura de la mezcla de gas a la entrada (K) 608

Temperatura de la Camisa (K) 652

Conversión Esperada (%) 89,8

Conclusiones del estudio de sensibilidad parámetrica