INGENIEROS PINTANDO DE VERDE LOS REACTORES QUÍMICOS. Intensificación y escalado. Javier Herguido Catedrático de Ingeniería Química Depto. Ingeniería Química y Tecnologías del Medio Ambiente CREG -Grupo de Catálisis, Separaciones Moleculares e Ingeniería de reactores I3A - Instituto Universitario de Investigación en Ingeniería de Aragón
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INGENIEROS PINTANDO DE VERDE LOS REACTORES QUÍMICOS. Intensificación y escalado. Javier Herguido Catedrático de Ingeniería Química Depto. Ingeniería Química.
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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
Industrial PollutionNeale Osborne – 2002
The black country around WolverhamptonWest Midlands, England, 1866.
INDUSTRIA QUÍMICA
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
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
LA INDUSTRIA QUÍMICA Y SU IMPACTO
Lyondellbasell, CMAI, IMF(2008)
Población
total
Consumo
per cápita
Ineficacia
global de
procesos
LA INDUSTRIA QUÍMICA Y SU IMPACTO
World Bank, 2004
Población
total
Consumo
per cápita
Ineficacia
global de
procesos
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.
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
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
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
INTENSIFICACIÓN DE PROCESOS
A.I. Stankiewicz, J.A. Moulijn (2000)
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)
- Reacción + Destilación en una unidad (muy efectiva en reacciones limitadas por el equilibrio)
Stankiewicz & Moulijn (2000)
Methyl acetate process of Eastman Chemical Co.
SCALE UP
“Los resultados a escala laboratorio fueron tan buenos que nos saltamos la planta piloto”
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)
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?
SCALE UP
M.P. Dudukovic (2010)
SCALE UP Scale out (horizontal, paralelo, multiplicación)
SCALE UP Scale up (vertical)
SCALE UP
INTENSIFICACIÓN
FACTOR E
EFICACIA ENERGÉTICA RENTABILIDAD
• 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
OO22
CHCH44
CC22++
Procesos Oxidación catalítica selectivaCombustión de COV’s corientes gaseosasOxidación catalítica en fase líquida
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
• EJEMPLO: AROMATIZACIÓN DE METANO
Etapas:Etapas: 6 CH4 C6H6 + 9 H2
CH4 CHx C2Hy Hidrocarburos aromáticos
Depósitos carbonosos Depósitos carbonosos
- H2
+ H2
• EJEMPLO: AROMATIZACIÓN DE METANO
Etapas:Etapas: Optimización del catalizador
• EJEMPLO: AROMATIZACIÓN DE METANO
Etapas:Etapas: Selección modo contacto. Convencional: Lecho fijo
UOP LLC173 unidades (3,9.106 bpd)
• EJEMPLO: AROMATIZACIÓN DE METANO
Etapas:Etapas: Adecuación catalizador para lecho fluidizado:
Herguido, Menéndez, SantamaríaOn the use of fluidized bed catalytic reactors where reduction and oxidation zones are present simultaneouslyCatal. Today, 100, 181-189 (2005)
• EJEMPLO: AROMATIZACIÓN DE METANO
Etapas: INTENSIFICACIÓNEtapas: INTENSIFICACIÓN Reactor Lecho Fluidizado de Doble Zona (RLFDZ):