Universidad Veracruzana

Título:
Diseño, análisis y simulación del proceso de degradación de acetaminofén

Resumen:
En este proyecto de tesis se diseñó conceptualmente un reactor tipo PFR con el propósito de modelar el proceso de degradación fotocatalítica de acetaminofén en presencia de dióxido de titanio (TiO2), por medio de la aplicación de las ecuaciones de diseño. Se empleó información experimental que describiera detalladamente al fenómeno químico y que aportara importantes parámetros como la constante de velocidad y el orden de reacción, además de gráficos que permitieran visualizar el comportamiento de la concentración de acetaminofén durante todo el tiempo de reacción. Para realizar los cálculos se utilizaron los parámetros de operación como flujos molares, el flujo volumétrico, porcentajes de conversión y los parámetros cinéticos indagados. Se utilizó el software de simulación Aspen Plus para poder modelar este proceso químico y comprobar los cálculos conceptuales. La simulación en el software se llevó a cabo utilizando el módulo RSTOIC o reactor estequiométrico. Además, se especificaron parámetros como el modelo termodinámico, la reacción química, flujos molares a la entrada del reactor, condiciones de operación en el sistema de reacción y el porcentaje de conversión. Adicionalmente, se aplicó un análisis económico para conocer los costos generales del proceso. Se comprobó que el simulador Aspen Plus es una herramienta de apoyo en los cálculos de diseño de reactores, además de brindar información sobre los costos del proceso químico efectuado. Se observó que el proceso de degradación fotocatalítica de acetaminofén requiere de importantes tiempos de residencia y los cálculos de diseño conducen a reactores de grandes dimensiones. En el reactor PFR se pudo observar que los cálculos conducen a grandes longitudes en el sistema de reacción ya que se requiere de un excelente contacto entre el acetaminofén, el dióxido de titanio (TiO2) y la luz UV, pero podría ser industrialmente inviable porque se incrementan los costos debido al empleo de la radiación ultravioleta, material de construcción del reactor y en energía mecánica para impulsar la faselíquida por todo el PFR.

Autor del Trabajo:
Ing. José Luis Naranjo Cristóbal

Director del Trabajo:
Dr. Arick Castillo Landero

Participantes:
Dr. Raúl Alejandro Luna Sánchez
Dra. Carolina Solís Maldonado
Dr. Alfredo Cristóbal Salas

Conclusiones:
En el diseño conceptual del reactor tipo PFR se logró dimensionar un sistema de reacción utilizando las ecuaciones de diseño y encontrar la longitud, el diámetro, área de sección transversal, velocidad de flujo y el tiempo de residencia. Dichas variables dependientes permitieron observar diversas cualidades de la degradación fotocatalítica de acetaminofén. En los resultados de los cálculos se observó que el reactor tipo PFR requirió de una longitud
de casi 300 m para lograr tan sólo el 53% del acetaminofén ya que en las reacciones fotocatalíticas se requiere de un amplio contacto entre el catalizador, el contaminante y la luz UV que en los sistemas continuos se ve reflejado por una gran longitud en comparación con los reactores tipo batch que dependen únicamente del tiempo de reacción. El diámetro del PFR y la velocidad de flujo resultantes de la aplicación de las ecuaciones de diseño derivaron del régimen de flujo que debe de existir en este tipo de reactores ya que al incrementar el diámetro de cualquier tubería la turbulencia disminuye y el flujo se comporta de manera laminar lo cual es indeseable ya que se requiere precisamente de dicha turbulencia para mezclar los reactivos y llevar a cabo una buena transferencia de masa. Además, se halló que en los sistemas continuos tipo PFR las dimensiones del reactor depende de la velocidad de
reacción de modo que en las investigaciones a nivel laboratorio se trata con este factor de manera enfática ya que se busca acelerar las transformaciones fotocatalíticas de los contaminantes emergentes para destruirlos en menor tiempo.
En los cálculos se obtuvo un tiempo de residencia en el reactor de 3 horas lo cual es congruente ya que, según la información reportada por Uribe, el acetaminofén se consume en un 53% en el mismo tiempo. Durante el análisis de estos valores se puntualizó la importancia de considerar la información experimental en los cálculos de diseño sobre todo cuando se realizan cálculos con respecto al tiempo de residencia en el reactor PFR. Matemáticamente es posible hacer cualquier cálculo y determinar dicho tiempo para cualquier conversión de acetaminofén pero experimentalmente Uribe reportó que la degradación llega a una conversión máxima del 53% y a partir de ahí la reacción entra en un estado estacionario en donde la concentración del fármaco no cambia sustancialmente por lo que se considera constante porque el acetaminofén compite con los productos de degradación para ocupar un sitio activo en el TiO2 y con esto la velocidad de reacción va disminuyendo hasta hacerse nula.Los balances de materia permitieron conocer más sobre la degradación fotocatalítica. En los cálculos manuales se confirmó que la reacción química se producían otros compuestos orgánicos que participaban en la degradación y que disminuyan la velocidad de reacción, además se calcularon las fracciones molares de todas las especies químicas intervinientes tanto en la alimentación como en la corriente de productos. La simulación de la degradación fotocatalítica acetaminofén en Aspen Plus permitió conocer más aspectos cualitativos de la reacción. Primeramente, en el balance de materia realizado por el software se lograron corroborar los resultados obtenidos durante los cálculos manuales determinando que los errores relativos en los valores es pequeño lo que indica un buen grado de exactitud ya que la conversión es precisa y depende de la cantidad de decimales considerados. Además, en la simulación se obtuvieron los balances tanto en moles como en unidades de masa lo que hizo notar la predominancia de los productos de degradación para disminuir la velocidad de reacción dada la competencia que presentan estos con el contaminante principal por los sitios activos en el catalizador. Por último, los parámetros termodinámicos permitieron plantear y resolver el balance de energía a partir de los datos de entalpía arrojados en la simulación sin la necesidad de consultar alguna propiedad termodinámica como la capacidad calorífica o entalpías de formación, entre otros. Se identificó que la degradación fotocatalítica acetaminofén es un proceso exotérmico y por tanto libera calor. También se corroboró la información teórica que establece que los procesos fotocatalíticos se llevan a cabo a temperatura y presión constante ya que en los resultados de la simulación no hubo variación alguna en estos 2 factores. Además, los valores determinados en la simulación permitieron observar los cambios que se producen en las densidades de las mezclas de reactivos y productos que influyen en el flujo volumétrico total. Este efecto se descarta en la práctica experimental ya que el volumen total no presenta variaciones dado que los contaminantes emergentes se encuentran en muy bajas concentraciones y lo que se refleja en la simulación es simplemente el cambio de densidad debido a la transformación química. En los parámetros económicos se logró observar que el costo del proceso de transformación química es elevado si se compara con otros tratamientos fisicoquímicos, como la cloración u ozonicación, y con los procesos biológicos; todas las variables económicas dependen de las condiciones de proceso.

Palabras clave:
proceso, reacción, reactor, acetaminofén, parámetros, costos, diseño, pfr, químico, aspen.

Fecha:
05/2022.

Editor:
Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Veracruzana Región Poza Rica – Tuxpan.

Colección:
Fotocatálisis.