Modelamiento de un reactor monolítico tipo espuma para la síntesis de cetenas

Abstract

RESUMEN

Este trabajo propone un modelo de base fenomenológica para la síntesis catalítica de cetena a partir de ácido acético sobre monolitos tipo espuma funcionalizados con sílice basado en información experimental propia y en técnicas convencionales de modelamiento y ajuste de parámetros de reactores de lecho fijo. Durante la síntesis se llevan a cabo reacciones competitivas entre sí, donde la deshidratación del ácido es la fuente de formación de cetena. Se diseñó un trabajo experimental preliminar para determinar las condiciones generales en que se desarrolla esta síntesis. Dicha experimentación consistió en: 1) experimentos en ausencia de reacción química para la estimación de los parámetros de transporte de calor, 2) experimentos aplicando el criterio de Koros-Nowak para determinar la presencia de limitaciones difusionales externas, 3) experimentos en presencia de reacción química para la estimación de los parámetros cinéticos de la mencionada red de reacciones. Las dos primeras partes de los experimentos permitieron deducir que el modelo más adecuado para representar el reactor monolítico tipo espuma es un modelo bidimensional no isotérmico seudo-homogéneo. Este modelo de reactor se acopló a un modelo cinético teniendo en cuenta las tres reacciones principales (deshidratación, descarboxilación y cetonización del ácido). Al modelo resultante, un sistema de ecuaciones diferenciales parciales, se le aplicó un procedimiento de ajuste de sus seis parámetros cinéticos y cuatro parámetros térmicos desconocidos. Los resultados mostraron que el ajuste de los parámetros fue aceptable y que el modelo 2D propuesto es adecuado para representar la conversión, selectividad y el perfil de temperatura dentro del monolito. Si bien este modelo no es completamente fenomenológico por que posee parámetros ajustables, al menos, aquí se demuestra que las metodologías convencionales de reactores son aplicables a monolitos de sílice.

Palabras clave: limitaciones de transporte, sílice, ecuaciones diferenciales parciales.

ABSTRACT

This paper proposes a pseudo-phenomenological model for the catalytic synthesis of ketene from acetic acid on foam monoliths using classical modeling techniques of fixed reactors. This synthesis is a competing reactions network where dehydration of acetic acid promotes formation of ketene. A preliminary experimental work was designed to determine a set of favorable conditions for this synthesis. These experiments consist of: 1) experiments without chemical reaction for the estimation of heat transport parameters 2) experiments using the Koros-Nowak criterion for determining the presence of external diffusional limitations 3) experiments in the presence of chemical reaction for the estimation of the kinetic parameters of reactions network. These experiments allowed deriving that a two-dimensional, non-isothermal and pseudo-homogeneous model was the most appropriate model to represent the monolithic type reactor. The reactor model was coupled to a kinetic model taking into account the three main reactions of the network of reactions (dehydration, decarboxylation and acid cetonization). At resulting model, a system of partial differential equations, six unknown kinetic parameters and four thermal parameters was fixed. The results showed that this adjustment was acceptable and the proposed 2D model is adequate to represent the conversion, selectivity and the temperature profile experienced inside of monolith. Although this model suffers from the need to find adjustable parameters, at least, it is shown that conventional methods are applicable to reactors silica monoliths.

Keywords: transport phenomena, silica, partial differential equations.