INGENIEROS PINTANDO DE VERDE LOS REACTORES QUÍMICOS. Intensificación y escalado. Javier Herguido...

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.

M.P. Dudukovic (2010)

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)

LA INGENIERÍA QUÍMICA Y SU IMPACTO

LA INGENIERÍA QUÍMICA Y SU IMPACTO

LA INGENIERÍA QUÍMICA Y SU IMPACTO

LA INGENIERÍA QUÍMICA Y SU IMPACTO

REACTORMateriales

Op. Unitarias

ResiduosProductos

Op. Unitarias

AB

RA, BSubproductos

REACTOR

T

P

A + B R

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

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

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)

Reactores giratorios (altas G)Ramshaw (Univ. Newcastle)

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.

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

• REACTORES ‘NO CONVENCIONALES’

• REACTORES ‘NO CONVENCIONALES’

Procesos REDOX purificación de H2

• REACTORES ‘NO CONVENCIONALES’

Procesos Oxidación catalítica selectivaProcesos deshidrogenación oxidativa

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’

• 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

• 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:

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)

• 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

• EJEMPLO: AROMATIZACIÓN DE METANO

Etapas:Etapas: Aromatización en lecho fluidizado:

¡regeneración en otro reactor!

CH4 aire

BTX

CO2

• 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)

• 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)

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

• 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

• EJEMPLO: AROMATIZACIÓN DE METANO

Etapas:Etapas: Escalado LABORATORIO

Gimeno, Soler, Herguido, MenéndezCounteracting catalyst deactivation in methane aromatization …Ind. Eng. Chem. Res. 49, 996-1000 (2010)

• EJEMPLO: AROMATIZACIÓN DE METANOEtapas:Etapas: Escalado GEOMETRÍAS

• 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)

• 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)

• EJEMPLO: AROMATIZACIÓN DE METANO

Etapas:Etapas: Escalado COMPROBACIÓN FLUJOSDE SÓLIDO Y GASANÁLISIS DE IMAGEN

• EJEMPLO: AROMATIZACIÓN DE METANO

Etapas:Etapas: Escalado COMPROBACIÓN FLUJOSDE SÓLIDO Y GASANÁLISIS DE IMAGEN

SCALE UP

OBJETIVO Stankiewicz & Moulijn (2000)

GRACIAS