EVALUACIÓN DEL CATALIZADOR SHELL 105 Castro Hoyos Manuel Ignacio1, Loaiza Fernández Shirly Paola1. Colina Márquez José Angel2. Programa Ingeniería Química3. 1
Estudiantes De VIII Semestre. Profesor De Procesos Catalíticos. 3 Programa de la Facultad de Ingeniería, Universidad de Cartagena. 2
INTRODUCCIÓN
Los procesos catalíticos en la industria son un pilar esencial para la obtención de un producto de una manera más rápida y reduciendo los gastos energéticos requeridos para la obtención de productos. La deshidrogenación de etilbenceno para la producción de estireno es uno de los procesos industriales más realizados, puesto que este proceso provee el reactivo necesario para la producción de productos plásticos a base de poliestierno, ya que este presenta buenas propiedades físicas que son apetecibles por la comunidad, se estima que el 65% de la producción mundial de estireno, es dirigido para el propósito antes dicho. La reacción para la deshidrogenación del etilbenceno es reversible y endotérmica ) ) la cual se lleva a cabo a temperaturas entre 600 °C y 650 °C (a ) 620 °C) que toma lugar en fase gaseosa. Como se puede ver en la reacción (1), de un mol de etilbenceno sales 2 moles de producto (estireno e hidrogeno), y como sabemos que la reacción se da en fase gaseosa, para poder llevar la reacción hacia adelante se deben lograr bajas presiones lo que favorece la producción de estireno e hidrogeno. Existen varios métodos para la producción de estireno a partir de etilbenceno, pero uno de los más usados es el método catalítico, pues permite que el proceso sea más rápido y que aumente la selectividad de la reacción. El Shell 105 es uno de los catalizadores más usados en la industria para producir estireno. La composición de este se ve reflejada en la siguiente tabla:
Tomado de Handbook of Industrial Catalysts de Lawrie Lloyd
Pero este ha sido modificado, cambiando muchas veces el hidróxido de potasio por carbonato de potasio, y llegando a una composición comercial de , y . Mecanismo de reacción
Aquí podemos ver la reacción para producir estireno en presencia del catalizador: ↔
Etil-benceno
)
Estireno
Hidrogeno
Pero también se presentan reacciones favorecidas por la temperatura, que compiten, como lo es la deshidrogenacion para la formación de carbono y algunos procesos de craking. ↔ ↔ ↔
) ) )
Por estas reacciones en paralelo que se presentan, es que se requiere que la selectividad del catalizador sea alta. Usualmente la selectividad de los catalizadores son del 92%, pero esta es inversamente proporcional a la conversión, por lo que no se busca que sea de mayor selectividad4. El catalizador usado, Shell-105, interactúa con los hidrógenos del etil para luego formar el grupo alquilo etenil, característico del estireno:
[Propuesta ilustrando el complejo del etil-benceno y el modo en el que la deshidrogenación involucra la migración de 2 H.] Obtenido de Metal-catalysis in Industrial Organic Processes,editado por Gian Paolo Chiusoli y Peter M Maitlis
Variable respuesta
La variable respuesta más estudiada al analizar un catalizador es la selectividad presentada por el catalizador para favorecer al producto deseado, que en este caso es el estireno y la conversión de etilbenceno, alcanzada por las condiciones presentadas.
Las variables a modificar para la evaluación del catalizador serán:
La temperatura Concentración de los componentes del catalizador (interesando más el de hierro)
Niveles de las variables Temperatura °C Concentración de Fe %wt
610
640
85,32
90
Los valores tomados para la temperatura fueron tomados según el intervalo de temperatura de producción presentada por Chiusoli 1. (600 °C-650 °C) La variación en la concentración de Hierro, en diferentes componentes fue tomado según el intervalo presentados por Chiusoli 1, Gangolf 2 y Lloyd3, y donde especifican que se coloca la concentración de Fe en el siguiente intervalo (80-90). Esta variación de hierro será estudiada suponiendo que la relación entre potasio y cromo será constante. Diseño del Experimento
Para poder empezar a trabajar con el experimento utilizamos el método de superficie respuesta, el cual utiliza unos puntos centrales y puntos estrellas, utilizando la herramienta estadística JMP e introduciendo los datos anteriores obtenemos los siguientes datos (los cuales fueron aleatorizados por la misma herramienta estadística) Pruebas
Temperatura (°C)
Concentración de Fe % wt
selectividad
Conversión
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
625 640 603,78679656 610 625 646,21320344 640 625 625 610
87,66 85,32 87,66 90 90,969259736 87,66 90 84,350740264 87,66 85,32
0.9 0.88 0.91 0.85 0.92 0.92 0.87 0.9 0.86 0.89
0.345 0.37 0.38 0.39 0.4 0.3 0.35 0.32 0.3 0.37
Luego de realizar la experimentación, se llenan las columnas de selectividad y conversión los cuales son los datos de respuesta a cada prueba. Los datos tomados de
cada experimentación son evaluados en el programa JMP, utilizando la aplicación llamada fit least square donde se modela una ecuación estadística para realizar el análisis de varianza, ANOVA. Para la variación de la conversión con respecto a las variables temperatura y concentración de hierro tenemos los siguientes datos: RESPUESTA DE LA CONVERSIÓN
Fuente de variación Model Error C. Total
Grados de libertad
Sumatoria de cuadrados
Cuadrado medio
F Ratio
5 4 9
0,00758137 0,00408113 0,01166250
0,001516 0,001020
1,4861
Fuentes de variación
Prob > F 0,3612
Nparm
Grados de libertad
Suma de cuadrados
F Ratio
Prob > F
Temperaura(610,640)
1
1
0,00293137
2,8731
0,1653
concentracion de Fe(85,32,90)
1
1
0,00160000
1,5682
0,2787
Temperaura*concentracion de Fe Temperaura*Temperaura
1
1
0,00040000
0,3920
0,5652
1
1
0,00086429
0,8471
0,4095
concentracion de Fe*concentracion de Fe
1
1
0,00257857
2,5273
0,1871
La solucion de estos datos da un valor minimo a 634,54815 °C y 87,276895 %wt, y el valor previsto por la solución ( ) es 0,3152499 El reciproco del valor es igual a 3,17,
por lo que podemos decir que los resultados de la muestra son producto exclusivamente del azar y que ocurrió algo que solo ocurre 1 de cada 3 veces, y el intervalo de confianza para lo ocurrido es de (1- ) 0,684. A continuación se muestra la superficie presentada por la respuesta conversión.
Para la variación de la selectividad con respecto a las variables temperatura y concentración de hierro tenemos los siguientes datos:
Fuente de variación Model Error C. Total
Grados de libertad
Sumatoria de cuadrados
Cuadrado medio
F Ratio
5 4 9
0,00063180 0,00476820 0,00540000
0,000126 0,001192
0,1060
Fuentes de variación
Prob > F 0,9850
Nparm
Grados de libertad
Suma de cuadrados
F Ratio
Prob > F
Temperaura(610,640)
1
1
0,00007286
0,0611
0,8169
concentracion de Fe(85,32,90)
1
1
0,00005895
0,0494
0,8349
Temperaura*concentracion de Fe Temperaura*Temperaura
1
1
0,00022500
0,1888
0,6864
1
1
0,00025714
0,2157
0,6665
concentracion de Fe*concentracion de Fe
1
1
0,00011429
0,0959
0,7723
La solucion de estos datos da un valor minimo a 616,91421 °C y 89,241222 %wt, y el valor previsto por la solución ( ) es 0,8782695. El reciproco del valor es igual a 1,13, por
lo que podemos decir que los resultados de la muestra son producto exclusivamente del azar y que siempre ocurre, y el intervalo de confianza para lo ocurrido es de (1- ) 0,121. A continuación se muestra la superficie presentada por la respuesta selectividad.
BIBLIOGRAFIA 1
Chiusoli G., Maitlis P, Metal-catalysis in Industrial Organic Processes, RSC Publishing
2
Gangolf H., Kinetics of the dehydrogenation of ethylbenzene over uranium oxide containing catalysts, 1974. 3
Lloyd L., Handbook of Industrial Catalysts, Springer
4
Catalytic
Dehydrogenation
of
Ethylbenzene
to
Styrene,
[Disponible
en:
http://www.personal.utulsa.edu/~geoffrey-price/Courses/ChE4133/Spring07/LSUPapers/McCaugheyPaper.htm]
