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INGENIEROS PINTANDO DE VERDE LOS REACTORES
QUÍMICOS. Intensificación y escalado.
Javier Herguido
Catedrático de Ingeniería QuímicaDepto. Ingeniería Química y Tecnologías del Medio Ambiente
CREG -Grupo de Catálisis, Separaciones Moleculares e Ingeniería de reactoresI3A - Instituto Universitario de Investigación en Ingeniería de Aragón
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Industrial PollutionNeale Osborne – 2002
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The black country around WolverhamptonWest Midlands, England, 1866.
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INDUSTRIA QUÍMICA
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ESTRUCTURA DE LA ACTIVIDAD DE LA INGENIERÍA QUÍMICA Y SU IMPACTO
M.P. Dudukovic (2010)“Chemical Engineering: Status and future challenges”
Chem. Eng. Sci. 65 (2010) 3-11
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World Economic Forum Water InitiativeD. Waughray – Ed. (2010)
LA INDUSTRIA QUÍMICA Y SU IMPACTO
M.P. Dudukovic (2010)
Población
total
Consumo
per cápita
Ineficacia
global de
procesos
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LA INDUSTRIA QUÍMICA Y SU IMPACTO
Lyondellbasell, CMAI, IMF(2008)
Población
total
Consumo
per cápita
Ineficacia
global de
procesos
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LA INDUSTRIA QUÍMICA Y SU IMPACTO
World Bank, 2004
Población
total
Consumo
per cápita
Ineficacia
global de
procesos
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LA INDUSTRIA QUÍMICA Y SU IMPACTO
Población
total
Consumo
per cápita
Ineficacia
global de
procesos
…rational people conclude that the only hope that we have in reducing the global pollution is in increasing all measures of process efficiency (atom, mass, energy) via increased application of science in process intensification and scale-up.
M.P. Dudukovic (2010)
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LA INDUSTRIA QUÍMICA Y SU IMPACTO
Ineficacia
global de
procesos
E factor (Environmental Impact Factor)
Masa de subproductos /Masa de producto deseado
R. Sheldon (1992)
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LA INGENIERÍA QUÍMICA Y SU IMPACTO
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LA INGENIERÍA QUÍMICA Y SU IMPACTO
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LA INGENIERÍA QUÍMICA Y SU IMPACTO
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LA INGENIERÍA QUÍMICA Y SU IMPACTO
REACTORMateriales
Op. Unitarias
ResiduosProductos
Op. Unitarias
AB
RA, BSubproductos
REACTOR
T
P
A + B R
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LA INGENIERÍA QUÍMICA Y SU IMPACTO
REACTORMateriales
Op. Unitarias
ResiduosProductos
Op. Unitarias
MAXIMIZAR•product throughput•conversion efficiency•selectivity•flexibility•process safety•“controllability”
MINIMIZAR•byproduct formation•energy use•downstream separations•physical complexity•capital cost
A + B R
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GREEN CHEMISTRY
Prevents wastes Renewable materials Omit derivatization steps Degradable chemical products Use safe synthetic methods Catalytic reagents Temperature & pressure ambient In-process monitoring Very few auxiliary substances I-factor, maximize feed input product Toxicity- low of chemical products Yes then it is safe Inherently non-
hazardous and safe
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GREEN ENGINEERING
Inherently non-hazardous and safe Minimize material diversity Prevention instead of treatment Renewable material and energy inputs Output-led design Very simple Efficiently use mass, energy, space &
time Meet the need Easy to separate by design Networks for exchange of local mass &
energy Test the life-cycle of the design Sustainability throughout the produce
life-cycle
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INTENSIFICACIÓN DE PROCESOS
…any chemical engineering developmentthat leads to a substantially smaller, cleaner, and more energy efficienttechnology is process intensification.
A.I. Stankiewicz, J.A. Moulijn (2000)“Process intensification: Transforming Chemical Engineering”
Chem. Eng. Progress, January 2000, 22-34
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INTENSIFICACIÓN DE PROCESOS
A.I. Stankiewicz, J.A. Moulijn (2000)
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Ejemplo de Intensificación de Reactores
Microreactores (alto S/V)D-P Kim (Chungnam Univ. Korea)
Reactores monolíticos (alto S/V)
Reactores de membrana (integración reacción + separación)
Reactores giratorios (altas G)Ramshaw (Univ. Newcastle)
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Ejemplo de Intensificación de Procesos
- Reacción + Destilación en una unidad (muy efectiva en reacciones limitadas por el equilibrio)
Stankiewicz & Moulijn (2000)
Methyl acetate process of Eastman Chemical Co.
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SCALE UP
“Los resultados a escala laboratorio fueron tan buenos que nos saltamos la planta piloto”
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SCALE UP
…the question arises whether we will beable to reproduce on commercial scale the data obtained on the bench scale.
…while innovative concepts on the meso and reactor scale have been introduced the quantitative description of transport kinetic interactions has not been advanced much … based on decades old models …
M.P. Dudukovic (2010)
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SCALE UP
Volumen = 0.5 m3
Área intercambio = 2.5 m2
A
Agua
Agua
Agua
A
Volumen x 1000 Área intercambio x 100
Escalado
- Proceso discontinuo Proceso continuo
Why so many batch stirred tank reactors?
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SCALE UP
M.P. Dudukovic (2010)
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SCALE UP Scale out (horizontal, paralelo, multiplicación)
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SCALE UP Scale up (vertical)
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SCALE UP
INTENSIFICACIÓN
FACTOR E
EFICACIA ENERGÉTICA RENTABILIDAD
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• Nuevos materiales para separación y catálisis
• Producción – separación de hidrógeno
• Seguridad industrial
• Ingeniería de reactores catalíticos
– Modelado cinético del proceso
– Selección del modo de contacto
– Modelado fluidodinámico
– Simulación y optimización de reactores
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OO22
CHCH44
CC22++
Procesos Oxidación catalítica selectivaCombustión de COV’s corientes gaseosasOxidación catalítica en fase líquida
• REACTORES ‘NO CONVENCIONALES’
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• REACTORES ‘NO CONVENCIONALES’
Procesos REDOX purificación de H2
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• REACTORES ‘NO CONVENCIONALES’
Procesos Oxidación catalítica selectivaProcesos deshidrogenación oxidativa
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3
u1
u3
u2
1
hb
Inerte
Hidrocarburo/ O2
Flujo desólidos
Distribuidor
2
Hid
rocarb
uro
/ O
2
Procesos Oxidación catalítica selectivaProcesos deshidrogenación oxidativa
• REACTORES ‘NO CONVENCIONALES’
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• EJEMPLO: AROMATIZACIÓN DE METANO
Problemas actuales:Problemas actuales: Aumento de coste de petróleo Escasez de recursos energéticos Reservas de gas natural en puntos lejanos Tecnologías actuales Gas-to-Liquid implican
o Obtención de gas de síntesis (caro y poco eficiente)
o Síntesis Fischer-Tropsch o de metanol, a altas presiones
Solución alternativa: aromatización de metanoo Problema: desactivación del catalizador
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• EJEMPLO: AROMATIZACIÓN DE METANO
Etapas:Etapas: 6 CH4 C6H6 + 9 H2
CH4 CHx C2Hy Hidrocarburos aromáticos
Depósitos carbonosos Depósitos carbonosos
- H2
+ H2
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• EJEMPLO: AROMATIZACIÓN DE METANO
Etapas:Etapas: Optimización del catalizador
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• EJEMPLO: AROMATIZACIÓN DE METANO
Etapas:Etapas: Selección modo contacto. Convencional: Lecho fijo
UOP LLC173 unidades (3,9.106 bpd)
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• EJEMPLO: AROMATIZACIÓN DE METANO
Etapas:Etapas: Adecuación catalizador para lecho fluidizado:
Mo/ZSM5/bentonita 25%
0 20 40 60 80 100 1204
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
C
onve
rsió
n (%
)
tiempo (min)
100% Bentonita; 0% HZSM-5 50% Bentonita; 50% HZSM-5 35% Bentonita; 65% HZSM-5 25% Bentonita; 75% HZSM-5
0 20 40 60 80 100 12010
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Sel
ectiv
idad
a B
TX (%
)
tiempo (min)
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• EJEMPLO: AROMATIZACIÓN DE METANO
Etapas:Etapas: Aromatización en lecho fluidizado:
Mo/ZSM5/bentonita 25%Lecho fluidizado convencional
C2 Benceno Tolueno p-Xileno o-Xileno Naftaleno BTX0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Sele
ctiv
idad
Prod
ucto
s/H
C (%
)
Productos de reacción
LechoFijo LechoFluidizado
Menéndez, Herguido, Téllez, Soler, Gimeno.Procedure for methane aromatizationPCT Application ES2009/070240
0 20 40 60 80 100 120
6
7
8
9
10
11
12
13
Con
vers
ión
(%)
tiempo (min)
Lecho fijo Lecho fluidizado
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• EJEMPLO: AROMATIZACIÓN DE METANO
Etapas:Etapas: Aromatización en lecho fluidizado:
¡regeneración en otro reactor!
CH4 aire
BTX
CO2
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• EJEMPLO: AROMATIZACIÓN DE METANO
Etapas: INTENSIFICACIÓNEtapas: INTENSIFICACIÓN Reactor Lecho Fluidizado de Doble Zona (RLFDZ):
DesactivaciónEndotermicidadConversión, Selectividad?
Herguido, Menéndez, SantamaríaOn the use of fluidized bed catalytic reactors where reduction and oxidation zones are present simultaneouslyCatal. Today, 100, 181-189 (2005)
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• EJEMPLO: AROMATIZACIÓN DE METANO
Etapas: INTENSIFICACIÓNEtapas: INTENSIFICACIÓN Reactor Lecho Fluidizado de Doble Zona (RLFDZ):
Desactivación EndotermicidadConversión, Selectividad?
0 100 200 300 400 5000
2
4
6
8
10
12
14
Co
nve
rsió
n (
%)
tiempo (min)
0 100 200 300 400 500
0
20
40
60
80
100
Se
lect
ivid
ad
BT
X/H
C (
%)
tiempo (min)
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Menéndez, Herguido, Téllez, Soler, Gimeno.Two Zone Fluidized Bed ReactorPCT Application ES2009/070241
• EJEMPLO: AROMATIZACIÓN DE METANO
Etapas: INTENSIFICACIÓNEtapas: INTENSIFICACIÓN Reactor Lecho Fluidizado de Doble Zona (RLFDZ):
Estacionario
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• EJEMPLO: AROMATIZACIÓN DE METANO
Etapas: INTENSIFICACIÓNEtapas: INTENSIFICACIÓN Optimización del Reactor RLFDZ:
Oxidante (CO2, H2O, aire,…)
Distribución del metanoGeometría (transición entre zonas):
Cilíndrico
CónicoÁngulo
Mayor intensificación:Separación de H2 mediante membrana permeable
selectiva
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• EJEMPLO: AROMATIZACIÓN DE METANO
Etapas:Etapas: Escalado LABORATORIO
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Gimeno, Soler, Herguido, MenéndezCounteracting catalyst deactivation in methane aromatization …Ind. Eng. Chem. Res. 49, 996-1000 (2010)
• EJEMPLO: AROMATIZACIÓN DE METANOEtapas:Etapas: Escalado GEOMETRÍAS
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• EJEMPLO: AROMATIZACIÓN DE METANOEtapas:Etapas: Escalado CFD
Juez, González, Cueto, Herguido, MenéndezCFD Modeling of a Two Zone Fluidized Bed Reactor for… ISMR-7 , Naantali - Finland (2011)
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• EJEMPLO: AROMATIZACIÓN DE METANOEtapas:Etapas: Escalado MODELADO
Juez, González, Cueto, Herguido, MenéndezCFD Modeling of a Two Zone Fluidized Bed Reactor for… ISMR-7 , Naantali - Finland (2011)
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• EJEMPLO: AROMATIZACIÓN DE METANO
Etapas:Etapas: Escalado COMPROBACIÓN FLUJOSDE SÓLIDO Y GASANÁLISIS DE IMAGEN
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• EJEMPLO: AROMATIZACIÓN DE METANO
Etapas:Etapas: Escalado COMPROBACIÓN FLUJOSDE SÓLIDO Y GASANÁLISIS DE IMAGEN
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SCALE UP
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OBJETIVO Stankiewicz & Moulijn (2000)
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GRACIAS