Análisis de difusión y reacción en catálisis trifásica a través de métodos de perturbación

Abstract

Catalytic reactions transfer between phases have shown economic benefits in various industrial processes, so it is important to study these reactions. However, mathematical models for this type of reaction systems are complex and difficult to solve analytically, in this study a method of disturbance has presented satisfactory results for the analysis of different systems of diffusion-reaction was applied, the method further allows obtaining explicit profiles to evaluate concentration and improvement factor equations. It is developing an approximate analytic solution for a system transfer catalysis between phases in which a solid phase and a liquid (SLPTC) interact occurs. The perturbation method was only applied to the case of steady state. Numerical solutions of the problem were also developed, in transient state and quasi-steady state where a coupled finite difference method with Runge-Kutta method was applied for the steady state and the finite difference method was used only for the purpose of observing the behavior resulting in the approximate analytical solution. The effect of Thiele modulus and mass Biot number on the behavior of the species studied SLPTC process. Steady state perturbation method successfully reproduced the mass flow and density improvement factor for any mass Biot number and values between 0.001 and 50 of the Thiele modulus, presenting an error less than 1%.

Las reacciones catalíticas de transferencia entre fases han demostrado ventajas económicas en varios procesos industriales, por lo que es importante estudiar este tipo de reacciones. Sin embargo, los modelos matemáticos para este tipo de sistemas reaccionantes son complejos y difíciles de resolver analíticamente, en el presente trabajo se aplicó un método de perturbación que ha presentado resultados satisfactorios para el análisis de diferentes sistemas de difusión-reacción, además el método permite la obtención de ecuaciones explícitas para evaluar perfiles de concentración y el factor de mejora. Se presenta el desarrollo de una solución analítica aproximada para un sistema de catálisis de transferencia entre fases en el cual interactúan una fase sólida y una líquida (SLPTC). El método de perturbación fue únicamente aplicado para el caso del estado estacionario. Se desarrollaron también las soluciones numéricas del problema, en estado transitorio y estado cuasi-estacionario donde se aplicó un método acoplado de diferencias finitas con Runge-Kutta y para el estado estacionario se empleó solamente el método de diferencias finitas con la finalidad de observar los comportamientos resultantes con la solución analítica aproximada. Se estudió el efecto del módulo de Thiele y del número de Biot másico sobre el comportamiento de las especies del proceso de SLPTC. En estado estacionario el método de perturbación reprodujo satisfactoriamente la densidad de flujo másico y el factor de mejora para cualquier número de Biot másico y para valores entre 0.001 y 50 del módulo de Thiele, presentando un error menor del 1%.