Descripción fundamental y estructural de la actividad del catalizador en reacciones de desintegración catalítica de hidrocarburos

Abstract

Catalytic cracking reactions of hydrocarbons exhibit complex characteristics because there are simultaneous phenomena of mass transfer in the gas-solid interphase, reaction and intraparticle diffusion; additionally catalyst pores are occluded by the production of coke, this coke could be able to block pores’ mouths obstructing the flux of reactants into the catalytic zeolite causing “deactivation”. In order to explain the selective loss of activity observed during catalytic cracking reactions, in terms of global effectiveness factor and considering effective diffusivity for each reactive molecule, a theoretical analysis was performed based on experimental data previously reported. Besides, it was estimated that catalytic particle can be considered isothermal, as follows from a Prater-type analysis. A fixed bed laboratory-scale reactor, known as "MAT", was simulated using experimental results and estimating kinetic constants for each reaction; changes of characteristic time of intraparticle diffusion due to deposition of coke were considered. Once it was confirmed that this theoretical model of selective activity is feasible, an experimental analysis was performed, obtaining data from coke formation at three different temperatures and two residence times, using industrial equilibrium catalyst and a laboratory scale reactor, of stirred bed, known as "CREC-Riser Simulator". It was observed that when temperature and reaction time increase, there is higher formation and deposit of coke on the catalyst, decreasing the available pore volume available for catalytic cracking reactions. After incorporation of the proposed mathematical model, it was found that the ratio of reaction rates observed follows the trend expected for activity, inversely proportional to the amount of coke deposition.

Las reacciones de desintegración catalítica de hidrocarburos exhiben características complejas debido a que existen fenómenos simultáneos de transferencia de masa en la interfase gas-sólido, reacción y difusión intrapartícula; adicionalmente durante la reacción los poros del catalizador son ocluidos por formación y depósito de coque, impidiendo que las moléculas entren al poro, causando desactivación. A fin de explicar esta pérdida selectiva de actividad, observada durante las reacciones de desintegración catalítica, en términos del factor de efectividad global, considerando la difusividad efectiva para cada molécula reaccionante, se realizó un análisis teórico en base a datos experimentales ya reportados. Por otro lado, mediante un análisis tipo Prater se estimó que la partícula catalítica puede ser considerada isotérmica. Se simuló el reactor de lecho fijo a escala laboratorio, conocido como “MAT”, a partir de los resultados experimentales y se estimaron las constantes cinéticas aparentes para cada reacción; para ello se consideraron cambios de tiempo característicos de difusión intrapartícula debido al depósito de coque. Una vez corroborado que este modelo teórico de actividad selectiva es factible, se realizó un análisis experimental del que se obtuvieron datos de formación de coque a tres diferentes temperaturas y 2 tiempos de residencia, utilizando catalizador industrial de equilibrio y un reactor a escala laboratorio, de lecho agitado, conocido como “CREC-Riser Simulator”. Se observó que al incrementarse la temperatura y el tiempo de reacción, existe mayor formación y deposito de coque en el catalizador, disminuyendo el volumen de poro disponible para que se efectúen las reacciones de desintegración catalítica. Al incorporar el modelo matemático propuesto, se encontró que la relación de velocidades de reacción observadas sigue la tendencia de decremento esperado para la actividad, inversamente proporcional a la cantidad de coque depositado.