VARIABLES DE DISEÑO DE REACTORES DE ANHlDRlDO FTALICO

JosC Luis Herce V.

DIVISION DE CIENCIAS BASICAS E INGENIERIA Area de Química

UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA Unidad Azcapotzalco

M e x i c o 16, D.F.

f1o.y e n d í a e n t r e los mas grandes procesos

f a b r i c a c i h n d e a n h i d r i d o f t & l i c o , como pasÓ d e 2 x IO3 t ,one ladns por año en 1960

d e p r o d u c c i ó n ,

un e j e m p l o de e s t o s procesos, R 2230 x 10 t o n e l a d a s p o r 3

año en 1980, Este enerrne aumento en l a producc ión se debe a Pa c o n t i - nun..me,jora e n l a c a l i d a d v s l e c t i v i d n d d e los c a t a l i z a d o r e s u t i l i z a - dos -y a l d i s e ñ o d e r e a c t o r e s cada v e z de mayor tamaño, para l o cual ha s f d o n e c e s a r i o m e j o r a r los s f s t e m a s d e t r a n s f e r e n c i a d e c n n t i . d n t f de

mavSrnient.o, masa y c d o r as? como e l empleo de métodos d e C h l C U l O mas p r e c i s o s y por l o g e n e r a 1 , m a s e l a b o r a d o s ,

I'ara T R oxfdación c n t a l i t i c a d e orto-xfl.eno para I n o b t e n c i h n d e mhj- tlrfdo f t n l i e o se ha d e s a r r o l l a d o un c a t a l i z a d o r c o n s t i t u i d o por 11na

mas8 nctfva de Ti0, c o n un pequeño porcenta je en p e s o d e forma- do amhas compnestos una capa delgada sobre un s o p o r t e de mnterial f n e r t e que p u e d e ser d e p o r c e l a n a , s i l i c a t o de magnesio o c u a r z o ,

Y

I

IC1 presente t r a b a j e t i e n e como o b j e t i v o l a p r e s e n t a c i ó n d e los resul-

t a d o s preliminares d e l e s t u d i o d e un r e a c t o r a escala p i l . o t o para Ir? o b t e n c i ó n d e n n h i d r i d o f t & l . i e o , s e ñ a l a n d o e l e f e c t o de 1.ns p r i n c i . p a 1 e s variables e n el d i s e ñ o d e es te t i p o d e r e a c t o r e s s o b r e :

- la l o c n l i z n c i 6 n y c u a n t i f i c a c i b n d e l punto ca l iente ( h o t s p o t )

- I n s e l e c t i v i d a d d e l c a t a 1 . f z a d o r

3

1 o ANTECEDENTES

;; pere l a continua y creciente necesidad de anhidrids f t h l i c o as? cm0

4a edcnsez y rtumentm en l es prec ias d e l naftalene ham llevado ]Las i n - vestigncisnec hacia l a e b t e n c i h del anhidride f t á l i c e psr media de

3 .a e x j d a c i b catal!.ti.cn de e-xi lem O I 1

- Fleraores requerimientos de a i re Ncmores requerirnientes de energ5a

O Menor exatermicidad de 1.a reacci%a - ~ n - y e r eoBversiila - MeTjer s e l . e c t i . s i d a d - PlemcDr precie con respecte a l maftzllela@

5

Para l e g r a r el+ mejer rendimieate posible del anhidrid@ f t h l i c e es

necesario ceatar COB cntnlizadorec de gram select.ividad; el crrt,a1 i -

zadar mas util izado hasta el memento para prscesos de oxidaci.6n de

tridrocnrhures es el pentixida de valnadie V 2 0 5 , t a l es el case de l a

oxi dnci 6n de 2

- bemol - o-xilelao - aaftalero

Si e l catalizador se divide em partículas muy pequeiíias y se depssitn p u r a em el soporte, l a se lec t iv idad se ve dismimuida ela faver de 1.a

exidaciim tetal. Para resolver este problema se ha precedido a la disrniauci6a de l a s u p e r f i c i e de catalizador por medie del dep&ci;ta de V 2 0 5 fumdide sobre e l soporte m0 poroso. Otra ferma de regular l a actividad del V 2 0 5 consiste elia e l emplee de sustnracias adicielaa- l e s , come es e l caso de disulfatos; alcaliaes, que, sira ernbarge, ba- .ja coadi.ciores de eperaci ia de 360-380 C, preducea SO3 cuyas efectes corrosivos sobre l a i m s t a l a c i i n rersultaB em um ilacrements en les C Q S t O S .

I,n f i g u r a 1 muestra e l esquema de una iastalaci6n imdustrial p;n”

l a praducci6n de .axhidride f t á l i c a COB catalizador de V 2 0 5 - T i 0 , . E l

a ire se hace pnsar per ula f i l t r e y se eavía per un ventilader. aJ sistema d e precaleatamieats que epera cela vaper, E l ertmxileras pre-

calentada se alimenta a l a c o r r i e n t e de a i re dende se vapsriza. I,n mezcla de rencciim debe centelaer una properci6na de 44 g-ortexile - ne p e r metro c&bico de a i r e can e l f i n de evi tar les r iesgos de cx-

p 1 e s i é n . El reactar se mantiene a temperatura elevada por medi~e de

un sistema de calentnmiemta-eafriaient~ constituido p o r una sal fumdlidn coatenida en ua recipielate ela dende se malatiese a tempern- tara coastnate, Dado las elevadas velúmenes de gas, los reactores e s t k i-ategrades per 10,000 tubos , Alguaes, tubos pestela termeele- mentas calocados a diferentes alturas, cem e l f i m de comtralnr e l nvmce de ’n reacciila y l a actividad del catalizadsr, La mezcla d e

rencciim se enfria par medio de un iatercambiadar de caler que pra-

duce vaperr e l producte se almacewa y se elavia despuis a1 skutema

Y

6

d e destilnciÓn, l a temperatura del candensndsr se mantiene p o r en- cima de la temperatura de ratio de2 anhidrido maleica, de tal forma

que i s t e continua con la corriente gaseosa y se separa p e ~ t e v i o r m c ~

t,e t l isolvlhdala en agua,

K i modela debe permit ir e l c&lcula de concentraciones y temperntu- r n s en cunlqui.er punto d e l reactor, es per e l l o necesario que sea

\)idimensianal, Las posibilidades se reducen a Ins de coeficientes e f e c t i v o s o de cel.das; sin embargo Aris y Amudssn encontraron que el f l l l i d a ne se encuentra perfectamente agitado, lo que hnrla necz a n r i a l a i n t r o d u c c i ó n de un segundo factor de e f i c ienc ia que pueda trnducir las caract tr is t icas de mezclado en l o s espacias vac.ios, Ex i s te rrdemáa In lirnitaci8n de l o s modelas de celdas referente al tamaño de l a s mismas, que corresponde como mhimo al tamclño d e pay,

t l c r ~ l n , I'ar estas razones se selecc iana e l models bidimensionnl suqjeto n l a adecuada evaluación de l a s p a r h e t r o s de transfereucin de masas y ca lar y n las hipótesis s iguientes:

- régimen permanente - f~ujce pistón - el efecto d e l cambia en e l número de males es desprecia1)le - la presión total permanece constante (equivalente a l a p r e s i ó n

premeilie entre la entrada y l a s a l i d a )

I1os h n l a n c e s pueden describirse p o r media de las ecuacianes en coordenadas ndimcnsianales:

S i S ( ? i n t r o d u c e n l a s r e l a c i o n e s s i g u i e n t e s

7

'I '

Altura del lecho

T Fig . 3

Altura del lecho

Altura del lecho Altura del lecho

a

.

I n s b a l a n c e s s e t r an s f o r n l an e n :

- pars el f l u i d o

-- p a r a e l c a t a l i z a d o r

r = O

r l - 1

e = o

t = l

9

7 - P:CIJAClONES DE VELOCIDAD DE REACCIQN

I)e In g r a n variedad de productos que se pueden obtener, se l lnn encon I trnda experimentalmente 10s s i g u i e n t e s (Herct, F’rsmment):

- o-xi l o 1 - o - t o l u i l a l d e h i ~ d a - f t d i d a - anhidride f t h l i c a - anhidrida maléico

-D co .I co,

Y

las escpemns d e reacc i6nc propuestos son a su vez muy diversos; (PollHlg,

I ,evine, S i m a r d , Iiertwíg, Fremment y Herten , R&ner), E l esquema a d s p -

tndo f u e el u t i - l i z a d o par Rzmer en trabajos anteriores con r e s u l t a d o s

s a t i s f a c t o r i a s , Las e c u a c i a n e s d e v e l o c i d a d d e r e a c c i 6 n s o n :

5

1 Xylol .

10

C:I estudia de l o s p e r f i l e s de temperatura en e l x?enct.or permi t i e r o n

1n evaTuaci&n, per i d e n t i f i c a c i t i n , q,e l o s p a r ' p e t r a s t é r m i ~ c o s (le,

acuerda CI la meto8sl.ogia empleada en t r a b a j e s previos , Ros r e s u l - fado';: o b t e n i d o s p e r m i t i e r o n la n t i l i z a c i 6 n de Pehn= que c o r r e s -

ponde a l v a l o r g e n e r a l m e n t e a c e p t a d a y e l e s t a b l e c i m i e n t o de 1 ; I S 1-2 T nc i o n e s :

11

Fkperimehtalmente se ha comprebade que e l dfixiide de t i t a n i a (TfO,) u

es el mejor ce-catalizader del V,05 para disminuir l a preducci6n de n n h i d r i d a maleice y l a combusti6n t e t a l , Se ha repertnde un c o ~ tenide entre 2 y 15% de V 2 0 5 en l a masa activa de catalizador come el gptirno, en una capa que vaya de 0,03 a 1 - 5 m sehre e l seperte s i n que l a masa t o t a l de V 2 0 5 en e l ea ta l izadsr mbrepase el 3%,

Cena soportes se han seleccisnade diverses materiales,come: parce- lana, sjlicntcb de magnesia, quarzs, carburo de s i l i c i o , e t c c Pese a In pequeña superf ic ie , e l cntal izader es tan active que pueden ernpl.enrse particulas de catalizador de tamaño relativamente grande, de G n 12 mq que producen una caida de presión mensr,

w

Debida a l a actividad del catalizadsr que produce una cerrvpcrsi6n e l 2 vndn en un vol.umen de reactor relativemente peque%, e l prahlema de

a p e r a c i h se reduce PI l a t rans ferenc ia de caler , E l c o n t r e l debe

IJevarse a cabe entonces por medio de diversos*facteres C Q ~ O son:

- temperatura del medie de e n f r i a t e n t e - carga de inertes en la aliaentacign - n d i c f i n ile diluyentes al catalizador

De cualqui-er ferrna el. punte cal iente se encuentra cerca de In entrw- da de les gases (het spavt) que afecta la actividad del catalizador,

12

.- "I

b h Ins fignras 2-5 se muestran l o s p e r f i l e s de temperatura carakte- rystices, Kxperiencj a s (figo 2) atticienales m o n t r n r e n t a n XO’I Q !)e-

clueños camt,i.os en leb; 1)err j les n ~ . v a r i a r CI tamaño (IC I ns , ~ I * I , ? C I I I ns

del catalizador, Un catal izader de d i h e t r e menor t r a e cm0 canse-

cuencja mayor superficie de reaccign, rnayer densidad del l eche c a t 2 1 I t i c e y per tnnte una maysr velocidad de reacciin per unidad de

valumen de rencter, en comparaciÓn cm un catalizador de digmetre mayor q11e requerirá de una lengitud de reactor maysr (para d i b e - t r e s de reactar iguales),

A l aumentar l a velscidad de l e s gases ( f i g o 3) e l punto cal iente se

ve desplazado hacia adelante del reactor en l a direcei6n d e l f l u j o y l a temperatura de este punts también se ve incrernentadn, I,n cm- versión totall aumenta s i e l aumento de temperatura e s considerable, sirn embarga, la se lect ividad del cata l izader permanece apreximnda- mente constanteo

Una mayor cantidad de arte-xilens en l a a l i m e n t a c i h de a ire produ-

ce una fuerte elevaci6n de l a ternepratura en e l punto cal iente as?

come un desplazamiento en d i r e c c i h c o n t r a r i a a l a del f l u j a , es de-

c i r , el punta cal iente se desplaza hacia l a zena de entrada a l r e a s t e r ( f i g e ~ 1 ) -

EX l a Ei-gura 5 se representan les perfiles tP.pices cle temperatura cancentraciin a la large del renctar y en la f i g u r a 6 se inc1.u~ en 1.0s

perfi1.e~ de cencentracienes de n n h i d r i d s f t g l i c a ( l ínea cent:inua creci-ente), erta-xilena, anhidrid@ maleica (l inea inferior), f t n l i d w

(.l.inea punteada cen un ml’nxirne) y CO - CO, ( l ínea de punto y rayn) dct,eminndas mediante aniblisis crsmatogrgfica en la carr iente gases-

s a del reacter , Es de hacer netar que l a praduccf6n de anhidrido fthlica @@incide cen la desapar ic i in de l a f t a l i d a , l a cual puede cansidernrse temo un preducto intermedio para I n fwrnaci6n de3. anhi- dridcb f tkl ics , La pureza del anhidrido f t á l i c o puede mejernree per medio t3C la a d i c i 6 n de pequeñas cantidades de l i t i e , alumil)ie, zir- csrllis y f i s f o r o ,

&

1.3 catalizader alcanza después de un certe per?ads de activaci6n (X horas) su &xima actividad y puede trabajarse cBtn garata que van de 3 a 10 m3 de a i re p o r h g r a y p o r tuba de catalizador con una nlir~entnciÓn de 40 g de arte-xilene per metre c 6 h i c o de a i re ,

ICn 1 a figmra 6 se presentan l a s p e r f i l e s de temperatura ;y concen- .f:raci~&n encentrades experimentalmente, as? cemo l e s calculados a

p a r t i - r d e l modela bidimensienal prapueste, Puede apreciarse una nprsximci&n adecuada entre les valares obtenides a través del me- d e l e 1)idimensional de c e e f i c i m t e s de transferencia y les datas ex- 1)er-irnentnles,

CONCl ,U S .IONES

lJnn vez estudiada l a c i n é t i c a de exidacih del orte-xielno cen cata- l i z a d o r de V,05 para la ebtenciin de anhidrids ft’alio en un reacter de r e c i r c u l a c i b , s e pracedig al anglisis del csmportmiente de un

s is tema a escala p i l o t s ,

Tnieialmente se efeetus el n n g l i s i s de IPL transferencia de calor en e l r e a c t o r , midi-ende temperaturas en diferentes posicienes miales y r a d i a l e s , Se obtuvieron las csrPelacisnes necesarias para. e l c á l - cule de l o s parámetros tirmices, ;

- I n conductividad efect iva - el cocfi-ciente de transferencia de caler en l a paredo

l’aralelarnente se realizaren medicienes de las cencentracienes en el

sen-tido axial a f i n de peder cemprgbar l a efectividad del msdelo ci- n c l - i c e ademhs d e l cempertamiento térmico. Per medie de l a vnrinci6n de Ins csndicienes experimentales fue posible evaluar l a i n f l u e n c i a de :

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- 1 n terny)erntlrra del si sterna (le errl'rimn:i ents - 1n cencentraciin (le erte-xiI.ene n 1.n entrada (!el rencte4ra

- la velecidnd del gas

- el tamañe de part;cula de catalizader

setwe el- sistema,

I,n dete.r.minaciin de l e s p e r f i l e s de temperatura Il.evnren a In loca-- I-i-xaciGn y cuantificación del punte caliente para cada una de Ins

candicienea de operación y a señalar el efectc, de las variables mer1 cienadns sabre l a pesicibn y rnagni-tud del misme,

-

I,n csmparac5.Ón de resultades experimentales y calculadas permiti6 v e r i f i c a r l a v a l i d e z de l a aplicacign de les modelos de si.mu1nci.Ón

n u n s;stemn reactivo, catnple,jo y altamente exotirmcie coma e s el case de l a praducci6n de anhidride f t & l i c e ,

15

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VAPOR ($Fp _" -

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