INGENIEROS PINTANDO DE VERDE LOS REACTORES QUÍMICOS. Intensificación y escalado. Javier Herguido Catedrático de Ingeniería Química Depto. Ingeniería Química.

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1 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

2 Industrial Pollution Neale Osborne – 2002

3 The black country around Wolverhampton West Midlands, England, 1866.

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5 INDUSTRIA QUÍMICA

6 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

7 World Economic Forum Water Initiative D. Waughray – Ed. (2010) LA INDUSTRIA QUÍMICA Y SU IMPACTO M.P. Dudukovic (2010) Población total Consumo per cápita Ineficacia global de procesos

8 LA INDUSTRIA QUÍMICA Y SU IMPACTO Lyondellbasell, CMAI, IMF (2008) Población total Consumo per cápita Ineficacia global de procesos

9 LA INDUSTRIA QUÍMICA Y SU IMPACTO World Bank, 2004 Población total Consumo per cápita Ineficacia global de procesos

10 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)

11 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)

12 LA INGENIERÍA QUÍMICA Y SU IMPACTO

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15 REACTOR Materiales Op. Unitarias Residuos Productos Op. Unitarias A B R A, B Subproductos REACTOR T P A + B R

16 LA INGENIERÍA QUÍMICA Y SU IMPACTO REACTOR Materiales Op. Unitarias Residuos Productos 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

17 GREEN CHEMISTRY P revents wastes R enewable materials O mit derivatization steps Degradable chemical products U se safe synthetic methods C atalytic reagents T emperature & pressure ambient I n-process monitoring V ery few auxiliary substances I -factor, maximize feed input product T oxicity- low of chemical products Y es then it is safe Inherently non-hazardous and safe

18 GREEN ENGINEERING Inherently non-hazardous and sa fe M inimize material diversity P revention instead of treatment Renewable material and energy inputs O utput-led design V ery simple E fficiently use mass, energy, space & time M eet the need E asy to separate by design N etworks for exchange of local mass & energy T est the life-cycle of the design S ustainability throughout the produce life-cycle

19 INTENSIFICACIÓN DE PROCESOS …any chemical engineering development that leads to a substantially smaller, cleaner, and more energy efficient technology is process intensification. A.I. Stankiewicz, J.A. Moulijn (2000) “Process intensification: Transforming Chemical Engineering” Chem. Eng. Progress, January 2000, 22-34

20 INTENSIFICACIÓN DE PROCESOS A.I. Stankiewicz, J.A. Moulijn (2000)

21 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)

22 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.

23 SCALE UP “Los resultados a escala laboratorio fueron tan buenos que nos saltamos la planta piloto”

24 SCALE UP …the question arises whether we will be able 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)

25 SCALE UP Volumen = 0.5 m 3 Área intercambio = 2.5 m 2 A Agua A Volumen x 1000 Área intercambio x 100 Escalado - Proceso discontinuo Proceso continuo Why so many batch stirred tank reactors?

26 SCALE UP M.P. Dudukovic (2010)

27 SCALE UP Scale out (horizontal, paralelo, multiplicación)

28 SCALE UP Scale up (vertical)

29 SCALE UP INTENSIFICACIÓN FACTOR E EFICACIA ENERGÉTICA RENTABILIDAD

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31 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

32 O2O2O2O2 CH 4 C2+C2+C2+C2+ Procesos Oxidación catalítica selectiva Combustión de COV’s corientes gaseosas Oxidación catalítica en fase líquida REACTORES ‘NO CONVENCIONALES’

33 Procesos REDOX purificación de H 2

34 REACTORES ‘NO CONVENCIONALES’ Procesos Oxidación catalítica selectiva Procesos deshidrogenación oxidativa

35 3 u 1 u 3 u 2 1 hbhb Inerte Hidrocarburo/ O 2 Flujo de sólidos Distribuidor 2 Hidrocarburo/ O 2 Procesos Oxidación catalítica selectiva Procesos deshidrogenación oxidativa REACTORES ‘NO CONVENCIONALES’

36 EJEMPLO: AROMATIZACIÓN DE METANO 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 metano o Problema: desactivación del catalizador

37 EJEMPLO: AROMATIZACIÓN DE METANO Etapas: 6 CH 4 C 6 H 6 + 9 H 2 CH 4 CH x C 2 H y Hidrocarburos aromáticos Depósitos carbonosos Depósitos carbonosos - H 2 + H 2

38 EJEMPLO: AROMATIZACIÓN DE METANO Etapas: Optimización del catalizador

39 EJEMPLO: AROMATIZACIÓN DE METANO Etapas: Selección modo contacto. Convencional: Lecho fijo UOP LLC 173 unidades (3,9.10 6 bpd)

40 EJEMPLO: AROMATIZACIÓN DE METANO Etapas: Adecuación catalizador para lecho fluidizado: Mo/ZSM5/bentonita 25%

41 EJEMPLO: AROMATIZACIÓN DE METANO Etapas: Aromatización en lecho fluidizado: Mo/ZSM5/bentonita 25% Lecho fluidizado convencional Menéndez, Herguido, Téllez, Soler, Gimeno. Procedure for methane aromatization PCT Application ES2009/070240

42 EJEMPLO: AROMATIZACIÓN DE METANO Etapas: Aromatización en lecho fluidizado: ¡regeneración en otro reactor! CH 4 aire BTX CO 2

43 EJEMPLO: AROMATIZACIÓN DE METANO Etapas: INTENSIFICACIÓN Reactor Lecho Fluidizado de Doble Zona (RLFDZ): Desactivación Endotermicidad Conversión, Selectividad? Herguido, Menéndez, Santamaría On the use of fluidized bed catalytic reactors where reduction and oxidation zones are present simultaneously Catal. Today, 100, 181-189 (2005)

44 EJEMPLO: AROMATIZACIÓN DE METANO Etapas: INTENSIFICACIÓN Reactor Lecho Fluidizado de Doble Zona (RLFDZ): Desactivación Endotermicidad Conversión, Selectividad?

45 Menéndez, Herguido, Téllez, Soler, Gimeno. Two Zone Fluidized Bed Reactor PCT Application ES2009/070241 EJEMPLO: AROMATIZACIÓN DE METANO Etapas: INTENSIFICACIÓN Reactor Lecho Fluidizado de Doble Zona (RLFDZ): Estacionario

46 EJEMPLO: AROMATIZACIÓN DE METANO Etapas: INTENSIFICACIÓN Optimización del Reactor RLFDZ: Oxidante (CO 2, H 2 O, aire,…) Distribución del metano Geometría (transición entre zonas): Cilíndrico Cónico Ángulo Mayor intensificación: Separación de H 2 mediante membrana permeable selectiva

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48 EJEMPLO: AROMATIZACIÓN DE METANO Etapas: Escalado LABORATORIO

49 Gimeno, Soler, Herguido, Menéndez Counteracting catalyst deactivation in methane aromatization … Ind. Eng. Chem. Res. 49, 996-1000 (2010) EJEMPLO: AROMATIZACIÓN DE METANO Etapas: Escalado GEOMETRÍAS

50 EJEMPLO: AROMATIZACIÓN DE METANO Etapas: Escalado CFD Juez, González, Cueto, Herguido, Menéndez CFD Modeling of a Two Zone Fluidized Bed Reactor for… ISMR-7, Naantali - Finland (2011)

51 EJEMPLO: AROMATIZACIÓN DE METANO Etapas: Escalado MODELADO Juez, González, Cueto, Herguido, Menéndez CFD Modeling of a Two Zone Fluidized Bed Reactor for… ISMR-7, Naantali - Finland (2011)

52 EJEMPLO: AROMATIZACIÓN DE METANO Etapas: Escalado COMPROBACIÓN FLUJOS DE SÓLIDO Y GAS ANÁLISIS DE IMAGEN

53 EJEMPLO: AROMATIZACIÓN DE METANO Etapas: Escalado COMPROBACIÓN FLUJOS DE SÓLIDO Y GAS ANÁLISIS DE IMAGEN

54 SCALE UP

55 OBJETIVO Stankiewicz & Moulijn (2000)

56 GRACIAS