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lkpartarrnto de Ingeniería de Procesos e Hidrairlica I/ Area de Ingenieria Quírdca / '* Dmsarrollo de un Sirulrdor Corputacionrl parr M Reactor dm LIC~ Fluidizado Gns - =lido y su utilizaci6n &oro Hsrradenta en el Msdo *'
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lkpartarrnto de Ingeniería de Procesos e Hidrairlica
I/ Area de Ingenieria Quírdca
/ '* Dmsarrollo de un Sirulrdor Corputacionrl
parr M Reactor dm L I C ~ Fluidizado Gns - =lido
y su utilizaci6n &oro Hsrradenta en el M s d o *'
Dedicatoria:
re8arPros hicieron posible su recrliaaci6n.
En especial Lo quiero dedicar a quienes me dieron su gran apoyo moral:
A CLacvdia Patricia
A Wico y Hetia
A mis padFes
1
En el desarrollo d e l presenter proyecto, desde su 8eStibn w t a la terminacidn, sstuviaron involwzradas muchcrs mus
personas que L a t s que se pudieran nom&r& a q u i , por tanto SOLO
mencionar4 a a q u a l l c ~ c que estuvieron cerca de mi,
disculpcmdume por l a s oIRisionBs.
En primer lqgor, quiero crgradacer Q mi asesor, el Dr. Mario Yizcarra. su ferviente cooperacibn y su constante suphrvisidn sin l a s cuaLes M se hubiera podido hatcer lo que se hizo. En
este punto quiero dar gracias tcvnbien al Dr. Jorge Garcia
PeFIa. qui4n m0 propreion4 el paquete estdstico que ayude5 a
La obtenci6n de la ciwtica utilizcLda para el modelamiento
presentado, CUiomAs. tuvo que ver de manera directa con la
gesti6n de la idea que culmin6 en esta recrlizaci6n. Hago
notar, que la verificacidn y validacibn d a 1 mpdalo y la
cin&tica utilizados se pudo hacer pacias a la coleccidn de
&tos reales tomados por eL D r . Richard Ruiz, quien adenrors
cooper6 con el deoarrollo de l a s i&as Msicas d e l Simulador. Por irztimp. doy mi reconocimiento a todas c r g u e L L a s personas
que con su trabajo de laboratorio. aun sin saberlo,
cooperaron de UM manera fundcunontal, ya que los &tos
experirmntales que obtuvieron fueron la buse d e l nwdelo
desarrol l a d o .
1
Rssuaen
Se disefl6 un Simulador Computacional para un Reactor de Lecho
Fluidiaade, a fin de poderlo utilizar como herramienta en el
diseno de este t i p o de aparatos. Se mode16 el Sistema que
lleva a cabo la reacci6n de oxidaci6n pdurcial de propileno
para producir Qcro1min.a. la cual es la base en la sintesis de
metioninu, un complenamnto proteinico utilieardo en el alimento
del m& avicola.
El simulador 8s de interhs pura cualquier persona inwlucrada
con el diseplo de reactores químicos de l e c h o fLuidizado, y en
especifico con propileno y acroteina traba~~an P€M€X y UM
compaffia transncrcionaL L l a n a d a DEGUSA.
\
c o n c l u s i o ~
La utitiaaci6n tie un Simul&r Computacionul como Herramienta
en el Diseplo de Reactores provea a la Ingenieria W m i c a ds
UM nueva capucidcrd al atmentar la velocidad a la que se
pueden h e r cilculos de lcrboratorio.
L a s bases de cualquier stmulador deben descansar en el
trabajo experimental desarrollado en el laboratorio. ya 'que
ai sor +ste la cuna d e l conocimiento necesurio en el
desarrollo & la Iwenirrria. no se puede dejar a un lacto su
importancia; &Ms. ?aay que partir & gua la rimulaci6n es un proceso que ayuda a m o d e l a r la realidud. mru de ni"
mamra constituye o forma la realidad misma.
En lo que respecta al diseplo d e l reactor. se o&serv6 que La
utilizacidn d e l Simulador es una gran herrumienta tanto para
diseplar equipo cow para efectuar diseplo y adlisir de experiwntos, quo aun nos encontramas deshcrbitYccdos a uti 1 izar.
Dicho lo anterior se -der concluir que el &srarroLLo de
herramientas cornputarcionales en el q u e a e r diario de la
iwenieria es una bU6?M for= de optimiear Z a s bases
experimentales AS Bsta y , por tanto, de fortalecernos para La competitividcrd tecnol6&ca internacional, asi como para podar
acrecentar el desarrollo tecnol68ico mismo.
4
Introducci6n
El proyecto aquf reportado presenta dos objetivos:
ai La construcci6n de un Simulador Computacional que
modela el comportamiento de un Reactor de Lecho
Fluidizado utilizado par-a llevar- a cabo la oxidaci6n
parcial de propileno a acroleina. b ) El diseno de un Reactor de Lecho Fluidizado a escala
industrial.
La Simulaci6n de Procesos es un tema que ha cobrado gran
importancia en nuestros dias. La mayor utilidad de este
proceso la presta al servir como herramienta, y a veces como
la base inclusive, del proceso de DisePIo y Control de
Procesos Qufmicos. En nuestro caso. este proceso se utiliza
como una herramienta en el proceso de dirjeKo de un Reactor-.
el cual operar& en un Froceso complicado como lo es la
Reacci6n de Oxidaci6n Parcial de un Hidrocarburo, en nuestro
caso F't-opileno. La relevancia del proceso de Simulacibn es
que, mientras en el laboratorio la obtenci6n de uno de los
datos de diseno nos llevaria varios dias o inclusive semanas,, mediante el uso del Simulador aqui presentado es cuesti6n de minutos. Las bases sobre las que descansa el simulador
definitivamente son experimentales en un 76 7; y te6ricas en
el 30 X r-estante, ya que sin la validaci6n experimental de la cinetica de la r-eacci6n todo el desarrollo te6r-ico-matemdtico
no sirve. La cindtica incluida en el simulador se valid6 con
el compartamiento experimental observado en u n reactor
diferencial: asul cabe destacar que,, en caso de querer-
utilizar- el simuladar- en un proceso diferente al presentado,
basta con cambiar los PROt%Z%fRZ * b w w t % ~ ae&&iuidad y PS@t%Z?U.RS wax a la nueva forma y el
simulador quedara listo para utilizarce en ese nuevo proceso.
Los Reactores de Lecho Fluidizacfo Gas-S6lido son aquellos que
involucran la operaci6n mediante la cual, los s6lidorj Sinos
localizados en el interior de bstos, por medio del paso de
. "".
una corriente gaseosa se transforman en una fase semejante a
un fluido. La fluidizaci6n tiene tres etapas caracteristicas: i j Al hacer pasar un gas a una velocidad lenta a travdts de
un lecho compuesto pot- &lidos, Bste seguir& una trayectoria
a tt-avbs de los intersticios entre particulas sin cambiarlas
de su posicih oricjinal. Esta es la etapa de lecho fijo.
i i ) Conforme se aumenta la velocidad de este gas a traves
del lecho, 5e llega a un punto en el cual las fuerzas de
fricci6n fluido-s6lido se equilibran con el peso de los
~6lidos. manteniendo a estos virtualmente suspendidos. Este punto se conoce como etapa de fluidizaci6n minima.
i i i ) Al incrementar el . f l u j o del gas por encima de la etapa
de fluidizaci6n minima se presentan qrandes inestabilidades
en el lecho observandose la formaci6n de burbujas a canales
dentro de la emulsi6n formada; el comportamiento mostrado
por los st51idos durante esta etapa es sumamente ~a6tic0, y se
desordena mas segfin se aumenta este *gimen be "ventilaci6n".
En este momento se dice que el lecho esta en fluidizacibn
agregativa, lecho f luidizado heterogdneo, lecho f luidizado de
burbujeo o simplemente lecho fluidizado gas--lido.
La zona de lecho fluidizado es conocida como la zona densa,
definiendose as1 para diferenciarla de la parte superior del
lecho que presenta una reducida poblaci6n de elidas. Sln
embargo, esta parte superior puede desaparecer si se aumenta
el flujo del gas a un reqimen suficientemente alto, tal que
los s6lidos que forman el lecho sean arrastrados hacia afuera
del reactor conjuntamente en la corriente de salida. A este
estado o comportamiento se le conoce como lecho fluidizado de
fase dispersa o diluida con transporte neumitico de s6lidos.
La caracteristira principal de este tipo de lechos es que una +ase s6lida fluidizada se comporta de manera sumamente
semejante a un liquido en ebullicidm, presentando
características tales como la de hacer flotar a un ob.jeto de menor densidad que la del lecho, presentar una interfase en
la fase densa que conserva siempre su posicion horizontal,
disminuir su altura a un nivel preespecificado si se le
4
coloca un vertedero, la formaci6n de burbujas Y chorros de
aire dentro de la fase fluidizada, etc. Estas caracteristicas
le dan a los lechos fluidizadas su propiedad mas importante:
el sistema de circulaci6n de &lidos, el cual permite tener
una fase que no presenta gradientes radiales de temperatura
ni concentraci6n en las reacciones quimicas. asi como un
sistema de intercambio de calor entre el lecho y las paredes
del reactor sumamente eficiente, lleqandose a considerar en
lechos pequePIos el comportamiento isot4rmico del reactor.
ahora bien, los reactores de lecho fluidizado presentan
ventajas y desventajas con respecto a otro tipo de reactores,
siendo algunas de ellas las que a continuaci6n se mencionan:
lecho lecho lecho transporte
II fijo 1' m6vi 1 1' f luidizado {cocupren te
reacc i6n el catalizador en este controlar gaseosa
Solo Se utiliza si Ventajoso dificil sirve
catalirada temperatura. la fino. Fici 1 Se requiere con &lido cuando es un polvo proceso
I paca desac- 1 reacci6n Ireqeneraci6n. I tivacibn.
lenta. control termico es muy Excelente el
Perfil de Temperatura
Grad ien- Temperatura Gradiente Formac i6n
mente. radiales y lecho. trolado radial y axial- ble. gradientes dentro del te con- casi constante controla- de gt-andes
axiales.
Parti cu 1 as que el Serios proble- dado por uniformes. s61 idas M i smos Polvos finos. TamaRo Grandes y
Poco control anterior mas de atrici6n flujo gas
Grad iente Bajo Se requiere de Interme- Solo es un de Presi6n problema en
pat-a consumo de f luidizado pres i6n Alto tanto, al. to y lecho de baja finos. dientes y por lecho fijo reactores para grandes gra- dio entre
potencia gruesos
Intercambio
de movil capacidad escalamiento dio al escalable te, buena Problema al de Calor I n t erme- E+iciente y Ineficien- Ineficiente
y flui- di zado
Conversi6n Fuede M a s baja que Flexible, Qlta, teori- camente de
alta pos de reac- hasta l(Xl7. hasta 1 0 0 % se r en otros ti- puede ser
tores
Dadas las ventajas en el control de la temperatur-a el primer
lecho fluidizado industrial fue utilizado por Winkler para
gasificar- carbcSn en polvo en 1922. La unidad se constitufa de
un tubo de 1 3 m. de altura y 12 m de area transversal. Far”
1944 en los Estados Unidos de &&rica se utilimar-on t-eactot-es
de lecho fluidimado para la producci6n acelerada de keroseno
durante la 2a. Guerra Mundial. &sf, los reactot-es de lecho
fluidixado se han estado utilizando en la industria de la
petroquimica secundaria; el proceso de la owidaci6n parcial
de propileno aqui presentado tambidn pertenece a esta
industria. El problema que se modela tambien requiere de un
buen control de la temperatura del reactor, ya que las
reacciones de oxidacidn de hidracarburos son altamente
exotermicas.
Como los reactores han cobrado importancia t&rica, se han
implementado varios modelos que persiguen la descripci6n del
comportamiento del lechol el cual, dada su naturaleza
hidrodinamira, es sumamente complicado. Dentro de estos
modelos destacan el de Davidson-Harrison, Eunii-Levenspiel,
Kato-Wen, van Deemter y otros. El modelo que se desarro116
Para simular nuestro lecho fluidimado e5 un hfbrido de los
mencionados anteriormente y posee 1 as siguientes
caracteristicas:
-El modelo de Kato-Wen describe al lecho fluidixado como una
2
serie de lechos fluidisadas mas pequeKos. caracterizado cada
uno de ellos por el tamaflo promedio de la burbuja. Esto es una
ventaja del modelo? ya que el diamett-o de la burbuja es una
variable que tiene una fuerte influencia sobre el regimen de
Transferencia de Masa. La desventaja del modelo de Kato-Wen es
que no se preocupa por el calculo exacto de los coeficientes
de transporte dentro del lecho. Asi, el modelo aqui
implementado toma la car-acteristica de describir el lecho en
funcidn del tamdo real de la burbuja.
-El modelo de Eunii-Levenspiel maneja el tarnao de la burbuja
como un parimetro ajustable para correlacionat- los resultados
mndeladós con los observados. Esta no par-ece ser muy
8
r-ealista- La ventaja de este modelo es que considera que el
lecho es un ente sumamente complicado, compuesto por tves
fases, cada una de las cuales opone resistencia a los
procesos de transporte. Dada esta concepcibn, el analisis y
cAlculo del coeficiente de transferencia de masa propuesto
por estos autores es mas completo que los del modelo descrito
anteriormente. El modelo aqui implementado toma esta ventaja.
-El modelo de Davidson-Harrison tiene la ventaja de ser el
modelo mas sencillo de los mencionados, ya que describe al
lecho basandose en la existencia de dos fases unicamente,
aunque tambien maneja el tamaKo de la burbuja como parametro
ajustable. El modelo aqui implementado trata de describir
cada compartimento de la manera tan sencilla como lo proponen
Davidson-Harrison, en lo referente al modelo matehtico, pero
conservando en el calculo del Coeficiente de Masa la
concepcibn de Kunii-Levenspiel.
-El modelo de van Deemter propone que, dada la naturaleza
ca6tica del flu.jo del gas hacia el interior del reactor, se
pueden presentar fendmenos físicos como la dispersi6n axial,
por tanto, en la descripci6n del lecho incluye un termino de
dispersi6n asial en la fase densa del lecho. El modelo aqui
implementado tambien incluye un tdrmino de dispersi6n.
Con este modelo híbrido se pretende simular el reactor de
laboratorio en primera instancia para luego, al ser excitosa
esta primera etapa, utilizar el programa simulador como una
herramienta de Diseno de un reactor a escala industrial. Los
detalles de la simulacih del reactor de laboratorio se
incluyen mas adelante en el artículo presentado en el
Congt-eso de la Sociedad Quimica de Mxico de 1989.
La cinetica involucrada en la oxidaci6n parcial del propileno
es sumamente complicada, ya que en el caso real se tiene el
siquiente mecanismo triangular:
..
Estas veacciones se llevan a cabo en presencia de un
catalizador de 6xidos de estaPlo y antimonio Sn-Sb-O j q el
cual es altamente selectivo hacia la formaci6n de Act-oleína; el modelo cindtico propuesto prevee selectividades del orden
del 70X al 80 X. que ya fueron corroboradas experimentalmente.
111 encontrarnos en esa situacidn, se decidid suponer que todo
el CO, que se encuentra en el sistema experimental es
unicamente producto de la oxidaci6n tata1 del propileno que
se aliment6, despreciando asi el paso de oxidaci6n de
acroleína y reduciendo el anhlisis a un mecanismo en paralela mas fhcil de analizar. U este mecanismo es al que se le
investigd la cinetica, analizandola por media del modelo
propuesto por Langmuir-Hinshelwood para la reacci6n de
pr-opileno gaseoso con oxígeno adsorbido en la superficie
catalítica. El resultado del anhli~ils. asi como la deducci6n
de expresiones para la cinBtica tanto del CO, como de la
acrolelna se incluyen en el articulo que se presenta
enseguida.
En lo que se refiere a la Simulaci6n del Reactor de Lecho
Fluidizado, la descripci6n y los resultados y conclusiones
obtenidos. se present6 un trabajo en el XXV Congreso Mexicano
de Química Fura y Uplicada. llevado a cabo del 23 al 26 de
Agosto del ano en curso en la Cd. de Aguascalientes, Ags. U
continuaci6n se presenta el desarrollo de +site. Tanto el
Programa Simulador como un manual de su uti 1 izacldn se
presentan en el apdndice # 1.
SIMWLA& DE UN REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO GAS - S&#M
RAFAEL MAVA V ~ S C A S . Ruz MARTINEZ. 7
MARIO VlZCARRA lukNooZA. UNIVIILaIDAD AUTONOYA YETROWLITANA-IZTAPALAPA
DrPARTAYIChlTO DE INQLNICRIA D E PROClESOB lE WIDRAULICA ARlEA Dm INQENICRIA QULYIQA
Av. YICWOACAN y PURISIYA. C O L . VI-NTINA. IZTAPALAPA. YlEXICO OpB40. D. F.
Abstract
El presente trabajo trata del desart-allo de un Simuladot- para
un Reactor- de Lecho Fluidizado. Se utilizaron datos
existentes en la Univer-sidad de un Reactor de Laboratorio,
1 0 5 cuales fueron modelados: y datos de un Reactor
Diferencial, con los que se desarrolló una Cinética en forma
de Ley de Acción de Masas para utilizarce en el modelamiento
descrito. Los resultados asi obtenidos se compararon con los
resultantes al utilizar una cinética ya reportada.
Resunman
En base a datos experimentales, obtenidos a nivel
laboratorio, en un reactor de lecho fluidizado en el que se
lleva a cabo la reacción de oxidacidn parcial de propileno,
se formula un modelo matemático-computacional basado en los
'planteamientos tebricos dados pot- Davidson-Harrison, Kunii-
Levenspiel y Kato-Wen. La solucidn de las ecuaciones
diferenciales simultáneas resultantes de los balances de masa
en el reactor se lleva a cabo mediante la aplicación del
método de colocación ortogonal, según lo desarrollado pot-
Finlayson.
El modelo presentado consta de dos partes:
a) El análisis estadístico que desemboca en la obtención de
la cinética de las reacciones desarrolladas, asi como el
desarrollo de 105 mecanismos de reacción:
b) La implementacidn del modelo matemitico y la
comparación con los datos obtenidos experimentalmente.
. ._ ..,.. .,.
Introducción
Los reactares de lecho fluidizado gas-sólido han cobrado impor-tancia industrial desde la década de los S O ' S . Debido a
su naturaleza hidrodinámica su descripción matemática es sumamente complicada. Para ello, se han implementado varios
modelos. algunos de los cuales son el de Davidson-Harrison
iDH), el de Eunii-Levenspiel (KL). los cuales se caracterizan por-que el diámetro de burbuja efectivo It del lecho es un pargmetr-o ajustable: y el modelo de Kato-Wen (KW) que se
cat-acteriza por proponer un tamaño de bur-buja que es
función de la posición relativa en el lecho.
Estos modelos poseen características que los distinguen entre sf. El modelo DH se caracteriza por su sencillez al postular
que en el lecho solo se encuentran presentes dos fases: la
tase particulada o emulsión, constituida pot- las partículas
sólidas y gas a condiciones de fluidizarión mínima; y una fase burbuja, constituida por- burbujas de gas 1 ibres de
sólidos, en la que la t-eacciÓn química no se toma en cuenta. Cabe señalar que este modelo es capaz de dar buenas
aproximaciones para una amplia gama de casos r-eales de t-eactot-es de lecho f luidizado.
El modelo EL es mas sofisticado y considera la existencia de kt-es fases en el lecho: la fase emulsign, análoga a la
del modelo DH en su constituci6n física,pera que no se
comporta a condiciones de fluidización mínima, sino que su
movimiento es función del gasto volumGtrico del gas hacia, el
interior del reactor: la fase burbuja. constituida por el gas
en exceso respecto al que ocupa la fase emulsión y que
arrastra una cantidad de sólidos que consjti tuyen lo que se
conoce como estela y se considera como la tercera fase dentro del lecho. Este modelo considera un cálculo detallado de los
coeficientes de transferencia de materia y energía dentr-o del lecho y con los alrededores, en el que destaca la aplicación
de la teoría de la película y cuyo Único parahetr-o vuelve a
ser- e1 dia'metro de las burbujas en el lecho.
El modelo KW es aun mas complejo ya que involucra la división
del reactor en una sucesión de "compar-timentos", cuya altut-a
es el dieímett-o promedio de burbuja en la posición axial a
describir. Cada uno de estos compartimentos se modela segun
KL.. Este modelo puede dar mejores predicciones que los
anteriores en algunos casos pr-ácticos, per-o no siempre sucede
así, como pudiese esperarse.
El modelo pr-esentado en el trabajo e6 un híbrido entre los anteriores y el propuesto por Rowe y Van Deemter-, quienes
consideran que en la +ase emulsi6n existe disper-sign del Q ~ S ~
car-acterística que puede alterar la conversi6n química. El
coeficiente de Dispersión involucrado en el modelo. se
calcula en base a la correlación que presenta Levenspiel
(1988). La difusividad del reactivo en la mezcla reaccionante
se toma como la di+usividad de Fropileno en Air-e, ya que las
conversiones consideradas en el Reactor- de Laboratorio son
bastante pequenas t .:: 12 % 1 , y por tanto, la composición de
esta mezcla no varia significativamente respecto a la de
alimentacidn, la cual se compone de estas dos especies.
Tanto el Reactor- Diferencial como el Reactor de Lecho
Fluidizado recibieron como alimentación Propileno industrial
( aproximadamente de un 90 X de pureza i , pero en la
determinación de la cinética se h i z o la suposicio'n de que la
alimentación estaba constituida por Fropileno puro y A i r e .
Modelo del Reactor
El mecanismo que se utiliza sigue la .forma de reacciones
paralelas de formación de C=H,,O y C O Z . Su far-ma es la
siguiente:
4 CsHm + t 02 - 3 COS + 3 HZ0
Los mecanismos de reacción y las cinéticas involucradas +se
buscan a través del modelo propuesto pot- Langmuir--Hinshelwood
y par mecanismo REDOX, s e g h se desarrolla en el apéndice,
. -.."- .. "
obteniendo pot- ambos caminas la conclusión de adoptar la
ley de potencias, proponiendo asi las siguientes cinéticas para las reacciones en estudio:
FarmaciGn de acroleina:
Formaci6n de GO,:
I
Para evaluar cada una de los parametros involucrados: ko. E. a, p, y, 6, se utilizaron datos obtenidos en un reactor
diferencial de la universidad, a los cuales se les aplicó un
anklisis estadístico obteniendose dos cinéticas posibles,
segcín se describe también en el apéndice. Al llevar a cabo la simulacith, además de estas dos cinéticas se utilizó tambieh
una modificaciok a la propuesta por Ferrat( 1980 ).
Implementacidn:
El Modelo representa a un Reactor de Lecho Fluidizado
Isot6rmico; se hacen las siguientes suposiciones:
- El reactor se puede modelar segun los planteamientos de KW. - Cada compartimento queda determinado por el tamaño de la
burbuja estimado segun Horio, Nonata (19863) que para nuestro
caso converge al modelo clásico de Mori-Wen (1975) .
- Cada compartimento se comporta como un lecho fluidizado DH, que además presenta dispersión axial del gas de la emulsión-
- El Coeficiente de Transferencia de Masa se puede calcular
basandose en el modelo KL.
- Existe Dispersión Axial significativa del gas presente en
la Fase Emulsi6n.
A s í , se construye el siguiente sistema matemático:
14
..+.".".. .^ ""-
Balances de masa:
Ahora,, el modelo se lleva a +or-ma de par-ámet ros
dimensionales definiendo las siquiente.; variables:
J
+ koc o -Ec/RT
PC3 Po16 3 LOS pat-;met ros ko , E. a. p. y. 6 . están d a d o s en tres
cin&ticas util1rada.s pot- el model(>. dos de ellas obtenidas
basandose en resultados del Reactor- Diferenclal de la Universidad. v la tercera tomada v moditicada de ia
t-efet-encla de Fer-t-at (. 1980 ) . se llstan a contlnuacxon:
3
~~ ~~ ~ ~
ccl o.= ho A parkit- de estas ecuaciones. =e procede a l a Simulacidn del
Reactor-. resolviendolaspor medio dela aplicacidn del método
de colocacion or-tngonal, sequn el procedimiento sugerido por-
Finlayson { 1974 ) , para sistemas sin simetr-ía v con un solo
Punto de colocacion. Este slstema de ecuaciones simctlta'neas a
resolver- queda de la siguiente manera:
, /
'b I
La r-esolcrciok del pr-oblema se lleva a cabo Pot- medio de un
método Newton-Raphson, debido a l a no-linealidad exhibida por
el término de t-eacclch Qe2. el cual representa la velocidad
de reacción evaluada en el punto de colocacldn central. Far-a llevar a cabo la aPlicaciu(n del método es necesar-io detinit-
10s siguientes vector-es v m a t r i z :
~ ( x j =
/
donde F ( X ) r-epresenta a l vector- funcion evaluado e n X y
J ( X > e s l a matt-íz Jacobiana de l a funcidn eva.lt-rada en X :
2
Este sistema es e l que se encuentra. implementado en e l
simulador-. cuyo , diaqrama de +lu.Jo es e l s iqu ien te :
r- ~~
F e t i c i d n . d e los datos r e l a c l o n a a o 5 s c o n el sistema:
pop. P C ~ J I X ~ . Da, T. ~ q s / ~ t m t . D reactor. L m f / D r e a c t o r ,
Ir catalizador. pe. #hoyosicm e n e l d i s t r - l b u l d o r . G m f .
m c a t / m O . eleccl& d e la c i n g t l c a a u t i l i z a r - Hafl.
2
R a f 2 . Ferr-at j i
MIENTRAS ( no se a l c a n c e la. a l t u r - a d e l lecho e x p a n d i d o )
HACER
Calcular- l o s par-amett-0s Z . c . A : C a l c u l a r l a c i n e t i c a 90 v l a s e l e c t i v i d a d :
C a l c u l a r - las n u e v a s P r e s i o n e s d e l o x i q e n o v d e l p r o p i l e n o a la salida d e l c o m p a r t i m e n t o ; E s c r i b i r - los r-esul tados ! c a l c u l a d o s : La lcu lo d e l n u e v o d i & n e t r - o d e l a but-hu, ia : C á l c u l o d e la t ' r - a c c i ó n de v o l u m e n d e l lecho ocupada POP- Las bur-bu,ias: S I ( a l q u n a d e los reactlv,os se aqotd ) ENl-OlVCES
OTRO c a l c u l a r la ~ o s i c i o / n r e l a t i v a e n e l lecho
..-blpr-o:timar e l Per-fil d e y e n e l c o m p a r t i m e n t o :
t e r m i n a r - l a simulac i o n
FIN MIEfjl'TRkS: I
1
I TERMINA 1
Resultad&%
La c o t - r o b o r a c i ó n d e l Modelo 5;e r e a l i z ó c o m m a r a n d o los
r e s u l t a d o s o b t e n i d o s pot- m e d i o d e la S i m u l a c i d n c c m t r - a l o s
r - e s u l tados e x P e r i m e n t a l e s d e l R e a c t o r d e L e c h o F l u i d i z a d o d e
L a b o r a t o r i o d e la U n i v e t - s l d a d . E s t a c o m p a r a c i d n se i l u s t r - a e n
l as s i s u s e n t e s f i q u t - a s . e n las q u e los par-t;mett-os tomados e n
c u e n t a s o n : '
a ) La c o n v e r - s i & t o t a l de F ' t - o m l l e n n e n e l reactor.
d e f i n i d a como la c a n t i d a d r e l a t i v a a la a l i m e n t a c i ó n ,
q u e t - e a c c i ' o n ó pat-a format- t a n t o a c t - o l e i n a como LO 2' b ) E l r e n d i . m i e n t o a A c r o l e i n a . o b i e n . l a S e l e c t i v i d a d
r - e l a t i v a . d e f i n i d a como l a t -azon d e P r o p i l e n o q u e
r e a c c i o n ó pat-a +ormar- A c r o l e i n a c o n respecto a la
c a n t i d a d total d e F t - o m i l e n o r e a c c i o n a d o .
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Discusich de Resultados
Analizando como Pr-imer Punto l a S e l e c t i v i d a d Relativa. se
puede observar- sue cualquiera de l a s t r e s c i n g t i c a s P r e d i c e
va lo res mas a l t o s a los observados exper-imentalmemte. Este
comportamiehto se Puede debet- a que e l c a t a l i z a d o r u t i l i z a d o .
en t re sus cat -acter is t icas Presenta la de una s e l e c t i v i d a d que
aumenta con+or-me aumenta la concentracidn de oxiqeno en e l
medio de reaccion; s iendo así . e l mejot- r-anqo de operacioh de
es te ca ta l i zador es en atm6steras oxidantes ( pc3ipol -::: 1 i.
y en 1.35 pruebas real izadas en e l Reactot- de Lecho F l u i d i z a d o
se ut i l i zaron a tmosferas reductoras < 1 I pc3/'po2 I L j . A l
l l e v a r a cabo e l a n á l i s i s e s t a d í s t i c o para. obtenet- l a s
ecuaciones cine(ticas que qobiernan al sistema. hubo necesidad
de aumentar- l a c a n t i d a d de datqs de velocidad de t-eacci&
d isponi .b les . pot- l a que en Reactor D i ferencia l se t r a b a j o en
un rango de Presiones de los t-eactivos que contempla tanto a l
rango de atmdsferas oxidantes como a l de reductoras 0 . 2 ' I
0
' # *
0
P 3 ' P Z - < 2 ) . Pot- tanto . en la determinacidn de las ecuac iones c in4 t icas u t i l i zadas en e l modelo se contemplaron
Puntos de desempeño dptimo del catal izador- . los cuales
exhiben se lect iv idades mas a l t a s : p e r o cabe notar que a pesar-
de ese f a l l o los va lores p red ichas de Se lect iv idad He lat iva
son bastante cercanos a los observados expet-iment.almente.
Observando los resu l tados de la convet -s ign to ta l obten idos
u t i l i z a n d o l a c i n G t i c a Ra+l SE? nota que son bastante buenos.
va que a pesar de estat- dispersos alrededot- de la 1 inea
i d e a l , s i tomamos un t-anqo de 2 5 X en la convers ion podemos
englobat- a la mavot-h de e l l o s . La d ispers ión de estos datos
es hasta c ie r to punto cuest ionab le , sequn se d i s c u t i r á . mas
adelante.
En l o r e f e r e n t e a los resu l tados .de convers1Ón calculada en
base a l modelamiento con l a c i n é t i c a R a f 2 se p u e d e nota r que
con excepción de un punto los demás resultados exhiben un
comportamiento bastante cercano al del modelaje ideal. aunque o
tamblgn presentan una dis rers iÓn bastante notor ia .
4
.-
.,:!
6hor-a. l a d i spers idn p resentada por los resu l tados de l
modelamiento es bastante cuestitJnhbie4 IO/P que l a t a b l a d e
resultados experimentales contiene una y solo una coleccion
de coot-denadas a campar-at-. Al no existir- tablas de tY?pliCadOS
n i a1qt-m o t r o medio de comParaci6n. n.o se puede llevar- a cabo
un a n i l i s i s de vat - ianza entre Ins resultados experimentales V
decidir - que tan conf iables son estos. Este punto queda
abiet - to para t ratarse en tr -abajos poster iores.
For G l t imo. los ' r -esu l tados obten idos para la convers ión a l
~ [ t i l i z a r - l a c i n é t i c a F e r 3 son muy ba jos y su tendencia es a
conset-vat-se a s i aun para convers iones del or-den d e l 15 X.
Este r-esultado se habia obsat-vado ya en un t raba jo anter io r -
R u i z . R. 1984 ) y puede debet-se a d i f e r e n c i a s en l a 5
condiciones de reacción y . qu i za . a d i f e r e n c i a s d e
comportamiento de los cata l izadores ut i l i zados pot- nosot ros y
Pot- Fer-rat.
En l o que a l s imulador se r e f i e r e . podemos observar que a.1
ca lcu la r - e l Digmetr-o de l a B u r b u j a pot- medio de l a
cor.r-elaci& dada pot- Kobayashi y l a Expansión del Lecho por
medio de lo p ropuesto p o r Kluni i -Levenspiel , la conversion calculada t iende a ser mas b a j a y mas apt-o:.:irnada a l
comportamiento ideal para l a s c i n & t ~ c a s Hafl y 'Haf2, aunque
existen algunos puntos que provocan profundas duda.5 acet-ca de
la comparacion. AI calcular- esos parámett-os Lktil izando las
0
6
I
b a
I
/
correlaciones dadas pot- Mori-Wen y Kato-Wen respectivamente.
se puede observar que las conversiones pt-edichas tienden a
cer mas a l t a s . en l a mayor-ia de los casos. t-especto a l a s
conversiones observadas, 1 legando inclusive en l o modelado
pot- l a cinét ica Rat2 a dar- un punto fuera de la real idad.
Cabe nnta r que l a d i f e r e n c i a s i g n i f i c a t i v a fue encontrada en
la pred icc ión de l tamaño de l a burbu.ia. ya que l a a l t u r a d e l
lecho expandido fue casi la misma en la mavor ia de los casos
modelados. Hunque. como d i j e a n t e s . e s t a d i s p e r s i 6 n aun es
Cuestionable.
41 set- l a c i n g t i c a d e o x d a c i d n p a r c i a l un mecanismo químico
sumamente comple.io, ' l a detet-minacion de la ecuac ión c iné t ica
que r i g e a l pr-oceso requiere un estndio muv extenso antes de
poder- determinar la expt-esi6n de la velocidad de r -eaccidn.
Pat-a 1 l e v a r . a cabo e l a n á l i s i s de 10s datos modelados vs. los
1
datos ekperimentales es necesario tt-aba.iar- a t-anqos de
p res ión mas amplios en e l t-eactor- de l a b o r a t o r i o , a f i n de
poder- disponer- de datos comparativos tanto en un medio de
atm6sferas reductoras como en uno de atm&sferas oxidantes.
La d i f e r e n c i a en l a s p r e d i c c i o n e s u t i l i z a n d o d i s t i n t a s
co r re lac iones pa ra e l c ; l cu lo de l tamaño de l a bur-bu,ia V l a
expansi6n del lecho Sue n o t o r i a en los puntos de conversión
sumamente ba. ia ( 2 2 X ) y en aquellos que presentaron las
conversiones mas a l t a s ( 1 15 % j . no s iendo as i en puntos
intermedios . Como e l tamaño de- l a bur-buja afecta directamente
a l a vf2locidad de Transferenc ia de Plasa en e l sistema
reaccionaAte se podt-ia esperar nuevamente que l a mejor
p red icc idn de l tamaño de burbuja sea la que oft-esca e l mejor-
modelamiento del sistema, p'ero debido a que l a dispers ión de
los datos aun es cuestionable este punto queda abierto.
Como recomendaciones al estudio del Simulador se pueden
agregar- los s igu ientes puntos de v is ta :
a) Es ,conven iente , hasta donde las l imi tac iones t&n icas lo
permitan, efectuar- un mavor- nÚmer-o de expet-imen.tos en l o s
puntos va tr -atados. para con el lo poder constr-uir - tablas de
rep l icados de los resu l tados . Estd tendr ía l a v e n t a j a \ d e
dar luqar a l a r e a l i z a c i ó n de un a n á l i s i s e s t a d í s t i c o
profundo de l a d i s p e r s i ó n d e l o s d a t o s . a l set- compat-ados con
los resuJ. tados mode'lados. además de per-mi t i t - l a
discr iminac ión de aquel05 puntos en l o s que esta presente un
er ror experimental qt-ande y que por lo tanto pueden alterar
la informacidn dada en l a s cmmparaclones calculado VB
observado..
b ) E n lo que cot-responde al modelo en s í . es necesario
u t i l i z a r d i f e r e n t e s c o t - r e l d t i i r i e s par” e l c a l c u l o d e l
C o e f i c i e n t e d e Transferencia de Ma.s,a v comparar a s i e l
comportamiento predicho por- e l Simulador- y poder- uti l i z a t - l o
como una herramienta en e l Diseño de Reactores de Lecho
Fluidirado.En lo que cot-t-esponde al modelo e n si. es
necesar-io util izar- diferentes correlaciones para e l ca’lccrlo
del Coeficiente de Tr%ans+er-encia de Masa y cornpar-at- e l
compot-tamienta predicho por e l Simulador para e l Diseño d e
Reactor-es d e Lecho Fluidizado.
Notación
Iniciales
E = fraccidn de espacio ocupada Pot- l a f a s e i
u = velocidad del ?as en l a f a s e i
PC= = pt-eslon parcial de propileno
ki = c o e t i c i e n t e de tt-ansfet-encia de materia burbuja-emulsion
i
i
I
evaluado sequn e l modelo d e Kunii-Levenspiel
9 = c o e f i c i e n t e de dispersion de la mezcla propileno-aire a o
M
la temperatura de l a t-eaccion
matt'm = relación de masa d e c a t a l i z a d o r a masa d e s d l i d o s
totale; en la emulsión
9 = densidad de la fase emulsi6n '72c. = vslocidad de desaparicion del propileno p o r - t-eacc io'n
suimica d
Db = diametr-o de la burbu.la
R = constante universal de l o s qases
T = temperatura de oper-aci& d e l lecho - h
SubQndices
"b = evaluado en la +ase burbu.ia
- = evaluado en l a tase emulsidn o
- & ' = evaluado en e l primer. sequndo, tet-cer- punto - 2 y "3 4
de colocacion respectivamente, los cuales se
localizan en el i n t e r v a l o C O . 1 7 . y son. a
5abe t- :
p u n t o 1 = (j. ( I Punto .3= 1 . ( 3
Punto 2= C).57735
24
Ape'ndice
I)La c i n e t l r a de las r e a c c i o n e s i n v o l u c r a d a s e n l a oxidacio'n
parc ia l d e l p r - o p i l e n o IS s u m a m e n t e ,complicada. ya s u e e1
sistema r e a c c i o n a n t e s i g u e e l s i s u l e n t e m e c a n i s m o t r i a n g u l a r :
d .
i + Qz
C3H6 ' C3HSO + Hz0
) + P O z - J. I ' + ; 02
3 COZ + 3 Hz0 3 COZ + 2 HZO Como e l c a t a l i z a d b r que 5e u t i l i z o Para l l e v a t - a cabo los
e x p e r i m e n t o s es a I . t a m e n t e s e l e c t i v o r-especto a la + o r m a c i ó n
d e l a U c r o l e i n a . l a o x i d a c i i n d e esta dltima se p u e d e
despreciar . l o q u e c o n d u c e a q u e d a r - n o s c o n u n mecanismo e n
paralelo. que es el u t i l i z a d o e n ' e l modelo. L a d e s c r - i p c i b n
pot- e l modelo d e L a n q m u i t - H i n s h e l w o o d l l e v a a l s i q u i e n t e
sistema: ( x = s i t i o a c t i v o d e - s u p e r - t i c i e d e c a t a l i z a d o r
4
d o n d e se t i e n e l o s i g u i e n t e : 2
d o , - - - kt CoZCV + k,'Co.x
x C3HS0 = kz 'CC3H6 c0.x
H a c i e n d o e l i l q e b t - a c o r r e s p o n d i e n t e v e x p l o t a n d o la
i n f o r m a c i d n q u e p u e d e n dar- todos l o s pasos d e la r e a c c i ó n se
l lega a las s i g u i e n t e s e x p r e s i o n e s c i n é t i c a s para TOS
P t - o d u c t o s d e i n t e r é s :
r- L5
fie asui podemos observar que debe e:.: ¡st i t - un mecan ism0 aun
mas complejo que ei que imaginamos. va que en la. e:.:presion de
l a c i n é t i c a d e l CO, depende de 1a.s concentraciones elevadas a
l a 9, la cual no se ha encontrado en l a t -eai idad. Sin
embarqo, podemos notar- que ambas cin6ticas se encuentran 10s
productos de las concentraciunes de propi leno v osiqeno. E5to
nos sr-rgier-e que l a c i n é t i c a r e a 1 puede involucrar términos de
esta natura leza también. En v i s t a de que lo que se peráique
es obtener una cinét ica Útil p a r d e l ' d i s e ñ o de reactores , a5 i
como p a r a u t i l i z a r s e d e n t r o d e l modelo del reactor - . optamos
p o r ei modelo funcional de l a l e y de potencias , que aunqL1.e
p u e d e e s t a r r e s t r i n g i d o a l i n t e r v a l o en e l que se han
r e a l i z a d o los experimentos, cumple con l a u t i l i d a d deseada.
11) La obtenci6n de los pargmetros de las c i n e t i c a s R a f l y K a f 2 se
h i z o m e d i a n t e e l método c l á s i c o de mínimos cuadrados para tres
v a r i a b l e s . Se l i n e a l i z a r o n los modelos aplicando loqaritmos
natu ra les . i . e. :
I '
i n Rh,,= I n k: + I n PC= + (3 I n P * ~ acr
Ensegu ida , ' ~ .u t i l i zando un paquete de u t i l e t - i a es tad ís t ica ,
se r e a l i z r i e l c á l c u l o de los pargmetros desconocldos.
Una vez real idado io a n t e r i o r , s e e s t i m 6 l a e n e r g í a de
act ivac ión para cada reacción pot- medio de l a d i v i s i ó n de
pat-e,jas a l e a t o r i d s de datos de velocidad. Conociendo a &Sta.
es f a c i l d e s p e j a r e l + a c t o ' r de Urr-henius del término
constante de l a juste .
F'or <imo. se desar-rol lo' una forma despe.)ada de l a
temperatura , par t iendo de la ve loc idad de reacc ión , la
cua l t i ene la forma: \
T = E a c r
U
ac r 3 Y se hizo u n a r e g r e s i d n l i n e a l s i m ~ l e de l a temperatura de
operaclon vs. el denominador de l a expresldn de .La derecha.
obteniendo a la enerql 'a de act ivac i6n como la Pen! : i le ¡ i te de l a
recta d. justada.
Bibliograffa
- Davidson, J.F. y Hat-rison, D. FLUIDISED PARTICLES. Cambr-iqe
Universitv Press. E.U.A. 1963.
- Ferrat, G. DESARROLLO DE CATALIZADORES FARA L A OXIDACION Y
\
/ .. ...,
Implementaci6n y Discuribn d e l Modelo
u1 anal izar- el modelo uti 1 izado surgen algunas dudas acerca
del por qu& de ciertas cosas que se utilizaron. El propdsito
de esta secci6n es tratar- de aclarar- algunas de &stas.
El modelo que se presenta en el articulo anterior pr-esenta
caractet-isticas de 4 mddelos ya establecidos, que son los
mencionados en el citado texto v ademas el modelo de Howe. La
elecci6n de las características al implementat- el modelo
finalmente ut.ilizado se r-ealiz6 de la siguiente manera:
a j La descriPci6n del reactor de lecho fluidizado como una
serie de com~artimentos. a seme.)anra de¡ modelo de Kato-Wen.
se escoqi6 ya que en un reactor- de lecho tluidizado r-ealmen,te
existen but-bu.ias de tamaKos sumamente variados y , en general,
se ha observado que el diametro de las burbujas tiende a
aumentar- conforme estas ascienden en el lecho. con lo que
varian propiedades como el coeficiente de transferencia de
masa Y la velocidad axial de la burbuja. Al concebir al
reactor como una serie de compartimentos con burbujas de
tamaKo vat-iable. estamos tomando en cuenta el cambio y etecto
de estas propiedades en funcidn de la altura relativa del gas
en el lecho. Las correlaciones de Kobayashi v de Mot-i-Wen se
escogieron para llevar- a cabo el cAlculo del diimetro de la
burbuja en el reactor; ya que sequn los resultados de la
tesis FhD de Richard Ruiz. son de las correlaciones que mejor-
7 .-a
h
predicen este comportamiento.
b ) El cdlculo del coeficiente de transferencia de masa
burbuja-emulsi6n se ~ ? s c o g i 6 en la tot-ma propuesta pot:
Kunii-Levenchiel debido a- que estos autores proponen un
calculo sumamente completo del coeticiente. me.ior-ando se$m
lu especiiican en su articulo. el mismo cAlculo realizado Pot-
Davidson-Harrison. En lo sue concierne .al modelo de Kato-Wen.
estos autores proponen una simplificaci6n excesiva para el
cdlculo del coeficiente. e inclusive ellos mismos proponen en
su a r t í c u l o que el Coeficiente por ellos calculado puede
Presentar- errores de orden de un tactor de 4: 1 1 .
ci E l modelo de K o w e 'y van ijeemter entra en .jueqo en e l
balance de masa para la fase emÚls i&n, ya que estos autores
son quienes proponen la existencia de d ispersibn en esta fase
y , ademAs, son quienes dan la cor respond iente cond ic i6n d e
f rontera. Esta var iaci6n al modelo se. implement6 va que l o s
otros modelos descr ipt ivos de l reactor consideran sue l a +ase
densa se comporta ya sea como un tanque perfectamente
ag i tado . o b'ien, como un f l u j o p i s t 6 n . Dada l a natura leza
c a 6 t i c a d e l f l u j o d e los s 6 l i d o s a l o l a r g o d e l r e a c t o r .
parece arriesgado proponer c&talquiera de estos dos patrones
de f l u . i o .
d ) E l metodo de colocaci6n ortogonal se escogi6 para resolver
e l s i s t e m a de ecuac iones d i ie renc ia les invo lucrado , va que
ademAs de ser ecuaciones d i ferencia les s imultdneas. l a
condicibn de f ron.tera pat-a la d ispers i6n estA dada de l o t ro
d iSCreklzaci6n. cuvo cr l ter - lo es e l d iamett -o de la bur-bu.la.
Se pLtede ver en las corridas del proqrama que este diAmetr-o
e5 bastante pequef'io. lleqandose a encotrat- subdivisiones en
ma.s de 31:) compartimentos. Como cada uno de estos
campartimentos se analiza como un reactor completo de lecho
fluidirado. relacionandose con el compartimento anteriot- y
posteriot-. cuando es el caso. mediante las condiciones de
frontera. lo que en realidad estamos haciendo es analizar a l
reactor en'su conjunto mediante la divisidn de &ste en mas de
60 subintervalos discretos. Considerando que la altura
promedio del lecho esti alrededor- de los T cm., estamos
construyendo soluciones matemiticas a cada millmetro de
altura de lecho, aproximadamente. Ademas, la altura Promedio
de cada uno de estos sub-lechos discretirados esti en funcidn
del tamaKo de la burbuja. el cual es el parametro que tiene
la mayor in+luencia en las propiedades del sistema
reaccionante. Todo esto lleva a concluir que la soluci6n
matematica construida de esta torma es un promedio ponderado
sobre los factores de mayor influencia y . por- 1 0 tanto, posee
alta validez. b.
I I
D i s e K o d e l Reactor I
El siguiente punto a tratar en este trabajo lo constituve el
disef5o ' y dimensionamiento de un Reactor capaz de satisfacer
la demanda de Acroleina d'e 1994.
Del estudio de mercado re,alizado previamente a este proyecto
se pudo concluir que la demanda promedio de Cicroleina Para
1994 sera del orden de 24.0(30 ton / aKo.
El diseKo del Reactor se fundamenta en los siquientes puntos:
a) El modelo del comPortamiento, tanto ' qulmico como
hidrodinbmico. del reactor se puede considerar como el
Presentado en el articulo de Simulaci6n. ( Secc. anterior 1 .
b) La cinbtica de la r-eaccibn ae o:.:idaci6n parcial d e
Prolpileno mas confiable Para este diseKo es la Haf2.
c) La fluidizacian es una caracteristlca sumamente dificil de
escalar-, v de hecho. aun no se ha escalado. Como el Pardmetro I
ma5 i m p o r t a n t e d e l a f l u i d i z a c i b n es e l tamano de l a bur-bu,ia
se hat-& e l d i s e n o en +uncidn de mantener- e l diAmetro de esta
de un tamaRo seme.jante a l encontrado en e l . r e a c t o r de
labor-ator-io. base de los datos exper imentales .
d ) Dado que e l d iamet ro de l r - eacto r i ndus t r ia l sera mayor- que
e l mane,iado en e l l a b o r a t o r i o . es necesario implementat- un -
sistema de intercambio de calor en e l inter - iot - del reactor a
f i n de ev i tar - los posib les gt -adient iss radia les de
temper-atura, ya que e l modelo fue desarrol lado para un
l a necesidad de mantener- un adecuado c o n t r o l d e l a
temperatura y de que los s6lidos no sean art-astt-ados. se
sugiere que esta re laci6n se mantenga del orden de 1.C)
( Levensp ie l . 1969 i. aunque tambien existe, l a recomendac~6n
de mantenerla en e l r a n g o C 1 . 4 1 ( ' U l r i c h . 19% >. En
nuestro caso. e s t a r e l a c i 6 n s e mantendrA en e l t-anqo de 1 a
importancia en reacciones como l a s que se van a l levar - a cabo
2. cuando se e s t a diseKand?ii bk igeha G&ii 2íccesot-ios inter-nos
que l i m i t e n e l tamaKo de las bu rbu , ias l a e lecc i6n de l
d i s t r i b u i d o r e s cr-cacial.
.h.? .
.3. S i se esta diseflando un Lecho de Eurbcr.ieo L i b r e , i . e . ,
S in accesor ios . los or - i f ic ios de l p lato pet -+orado deberan set-
pequeKos -
4 . Los o r i + i c i o s d e l p l a t o p e r f o r a d o deben ser de un tamaKo
lo su f ic ientemente g rande para ev i tar sue e l d i s t r i b u i d o r se
tape por dep6si tos de cata l izador , se recomiendan o r i f i c i o s -
de (3.6 a 2 . 5 cm.
5. Si se t ienen datos experimentales en l o s que se u t i l i c e
un d i s t r i b u i d o r ' d e t e r m i n a d o , f a c t i b l e de usarse a n i v e l
i n d u s t r i a l , 9 5 t e debe escogerse, ya que l a comparaci6n del
desempeKo de cada uno de estos puede set- Q t i l en un diseKo
p o s t e r i o r . En zl reacto r aquf propuesto se u t i l i z a como
d i s t r i b u i d o r un p la to pe r fo rado , ana logamente a l u t i l i zado en
e l t-eactot- de l a b o r a t o r i o .
Nivel de Act iv idad del Cata l i ladot - . Es un parAmetro de diseKo
sumamente importante cuando e l ca ta l i zador P resenta l a opc i6n
de envenharse o perderse. En nuestro caso, va que tenemos
una reaccibn sue va po r un mecanismo REDOX. e l c a t a l i z a d o r no
se envenena, ma5 s i n embargo puede perder-se pot- a t r i c i 6 n v
art-astre; dado este comportamiento. es necesario calcular- una
tasa promedio de perdida de c a t a l i z a d o r .
Cont ro l de l a D i s t i b u c i 6 n de TamaKos d e l % l i d o . P a r a tenet-
una buena t l u i d i r a c i 6 n de particulas es necesario poseer una
P e q u e K a fracc.L6n de s6l idos f inos, los cuales +uncionen de
manera analoqa a un lubr icante . S in embat-qo. e l aumento de l a
poolac i6n \ de i inos pot- rompimiento de 10s s 6 l i d o s o r i g i n a l e s
disminuye l a e f ic ienc ia de l s i s tema d e separacibn p o r -
c ic lones . ~1 tenet- en nuestro sistema un 7 0 X de inet-tes-
eStO5 Pueden poseer una f t-acci6n que se encargue de l a
l ub r icac i6n del lecno, l a recuperaci6n de catalizador se hace
entonces con s611dos del tamaKo rnAximo de l ca ta l i zador a f1n
de mantener 1.a d i s t r i b u c i 6 n de tamaKos o r i g i n a l . Cabe notar-
que ambas .tt-acclones de s6lidos. i ne r tes v c a t a l i z a a o r .
p r-omed i o.
S u p e r f i c i e - d e Intercambio de Ca lo r . Como se mencion6
previamente, s i se quiere tener una oper-acidn lo mas cercana
p o s i b l e de las condic iones isot4rmicas. es necesar io el uso
de aditamentos. internos o exter-nos, pat-a l o g r a r l o . En el
caso aqul i lustrado. dado que tambien necesitamos de un medio
para c o n t r o l a r e l tamaKo de l a s burbct.jas, e l accesor io lo
const i tuye un Intercambiador de Calor Interno, construido a
base de tubos verticales. enmedio de los cuales f l u y e e l
f l u i d o de enf r iamiento y pot- su s u p e r f i c i e e x t e r n a
intercambian calot- con l a mezcla reaccionante.
S iguiendo los puntos ar r iba mencionados se concluy6 que e l
mejor- DiseKo de l Reacto r es e l descr i to a cont inuaci6n: 105
Reactot- de Lecho Flurciixado
Const i tu ido por un tubo de acet’o ina:-:;dable t i p o 202. de 143
cm. de diAmett-o interno , dent ro de l cua l se a lberga e l c i c lbn
de tipo van Tongeren. E l gas l o r e c i o r e a una velocidad de
1500 cmi’s. l o cual dimensiona a ti4 cf;; de drAmetr-o y una a l t u r a
de 148 cm.
E l l echo ca ta l i t i co con s t i t u i do de 3:) X en volumen de
cata l i zador ( 6x ido de estaRo-antimonro i y 7 0 X de cerimica
inerte que l e s i r v e como di luvente.
El d i s t r i b u i do r de gas. cons t i tu ido de una placa de acero
inox idable de l t ipo 3Oi con perforacrones cit-cula.res de 1 mm.
de diamett-o cada ‘una. con una densidad r e l a t i v a de 5.842
o r i f i c i o s/cm ‘y una malla en la p a r t e inter ior , cuadr icu lada.
cuvos or i f ic ios t ienen una diagonal nrnor o i gua l a C).OICJ mm.:
2
y el intercambiador de c a l o r Y medio interno de
tamaKo de l a bLirbu.ja. de s c r i t o a r t - l b d .
Los parametros de opet-acibn del reactor son:
Temperatura de Uperaci6n
Pres i6n de UPeraci6n
TamaKo Be Fiartlcula promedio del catal izadot-
Relaci6n en peso cata l izador / inerte
Veloc idad superf ic ia l / Veloci’dad rtF
Altura del lecho !‘IF / Ijiamett-o del lecho
control del
. ,
L a instrumentaci6n del r -eactor 5e compone de un man6mett-o
d i f e r e n c i a l de mercurio qu& $4 l a par te s u p e r i o r d e l
d i s t r i b u i d o r h a s t a l a zona d i l u l l a de l l echo . Es te i ns t rumento
se ut i l i za pa ra mon i to rear l as cond ic iones de f l u id i zac i6n en
+uncibn de l a c a i d a de pt-esi6n a t raves del lecho. Para l levat-
a cabo e l moni toreo de la temperatura se u t i l i r a n t r e s
termopares. construidos de cromel-alumel. colocados en l a
entrada del lecho, . a l a m i t a d d e l a a l t u r a ( L m f / ’ Z , Y en l a
t -eq i6n d i lu ida . Estos sensot-es t ienen como + i n a l i d a d e l dar- l a
sena1 de at-r-anque de l a s bombas de enfr iamiento del equipo de
emer-qencia y . en su caso, de ordenar- e l ciet-r-e de l a e n t r a d a
del reactor para, prevenir- una posible explos16n por runaway.
Discuzi6n de los Resultados
La a p l i c a c i b n d e l uso de un simulador sit -vi6 para dar- una
estimacibn de las condic iones de reactidm ma5 adecuadas.
1-05 . t -&s~tl tad05 propuestos -Finalmente se restringieron a
con-det-siones del or-den d e l 50- % debido a l a tot-ma en sue Se
detet-minb l a c i n e t i c a . En la pa r te concern ien te a l a ob tenc idn
de l a ex (gres i6n c in i t ica nos encontramos con que se h i z o , pot-
+ines pt-Acticos simplemente, l a adopci6n de una lev de
I potencias. Esto provoca ’ que e l t-anqo de u t i l i d a d de l o s
resu l tados se encuent re rest r inq ido a condiciones semejantes a
l a s u t i l i z a d a s en su determinaci6n. Como se tr-aba.16 en e l
ranso de conversiones di - ferenciales ( del o rden de l 6 % i. la
eXtraPolaci6n a al tas convers iones resu l ta r iesqoza deb ido a
sue se ha obser-vado que, al hacer- e s t e t i p o de determinaciones
c i n e t l c a s . l a expt-esi6n de velocidad de t-eacci6n puede variar
en rangos de conversi6n dist intos. En este punto cabe proponer- \
que es necesar-io un estudio mas mt-a+undo d e l mecanismo. de set-
P o s i b l e en las condic iones de conversi6n a l a5 que 5e desea
t r -aba jar indust r ia lmente , hac iendo e l ana l is is de r-eactot-
i n t e g r a l pat-a o b t e n e r l a c o n f i a b i i i d a d en l o s r e s u l t a d o s
simulados. Los problemas de transferencia de masa en el lecho
tambien requieren de un poco mas d e estudio en lo que 5e
r e f i e r e a l a v a l i d e z de estimar- el c o e f i c i e n t e d e disPerS16n
naciendo una analoqia con el reacto r d e lecho .F i jo . Out-ante la.
set-ie de simulaciones hechas durante e l desar - ro l lo de l
simulador- se obset-v6 ate a l co locar es te te rmino en e l balance
de mater ia de la +ase emulsibn habla una me.iar pred icc i6n de
la conversi6n observada en e l reactor de lecho f lu id i rado de
l a b o r a t o r i o . l a d i s p e r s i d n d e las gt -A+icas calculado vs .
observado se minimir6 , mas s i n embarso aun no oe i o g r - 6 1 l eva r
a un q r-ado' 1 ( N X deseab le . En 1 o que respecta a las
condiciones de tr-ontet-a u t i l i z a d a s cabe destacar que l a
condic i6n de acre par-a l a s a l i d a d e l r e a c t o r (o campartimento)
l a t r a n s f e r e n c i a de mate r ia po r d i+~ ts i6n a t raves de l a tase
emulsi6n se hacia cero fue mot ivo de una ampl ia d isputa entre
e l autor de la p resente v s u asesor. E5te t&r-mino se
implement6 debido a la neces idad de ind icar un pos ib le
comPortamiento despues de l a s a l i d a d e l reactor que de alguna
manera v a l i d a r a l a c o n d i c i 6 n i n i c i a l d e l c o m p a r t i m i e n t o
s i g u i e n t e , va que cada compartimento se debe a n a l i z a r como SI
fuese un reactor de l e c h o t l u i d i z a d o en su t o t a l i d a d .
Otro punto importante a t r a t a r es l a manera en que se estim6
e l e f e c t o d e d i l u i r e l c a t a l i z a d o r con po rce lana i ne r te .
Netamente, a l s e r e l c a t a l i z a d o r mAs1co. se cons idero que l a
di lucl6r-1 unicamente tenia e+ecto en la disminuci6n de la.
fracci6n correspondiente de Area de reacci6n. s in cambiar de
ninquna manet-a la t -e laci6n entre la5 ve locidades de t ransporte
de masa Y de desaparicidn por reacci6n dadas pot- e l ba lance de
masa. Como t a n t o e l r e a c t o r d i t e r e n c i a l como e l r e a c t o r de
l a b o r a t o r l o de lecho f l u i d i z a d o p o s e e n e l mismo c a t a l i z a d o r
d i l u i d o con la misma ceramica. Y a l habet- o b t e n i d o l a
'Pt-ediccldm te6r ica de la tendencia de los resu l tados
experimentalmente observados se 5;crpuso que la aprox imaci6n
habia s ido buena desde e l punto de v ista pract ico de nctes,tt-o
sistema, aunque no se l lev6 a un e s t u d i o mas pr-o+undo.
En lo cor respond iente a l o s p.arAmetros de l a t l u i d i z a c r 6 n . t m f
P a r e.iemplo. se supusleron con e l mismo v a l o r par-a e l r e a c t o r
de l a b o r a t o r i o como para u n r e a c t o r i n a u s t r l a l . En la r e a l i d a d
estos valores pueden di fer i r - de un sistema a o t r o dadas l a s
'b
d i s t i n t a s Propiedades de empaque de cada u n o de los s istemas.
s i t u a c i d n que tambien t-E?quier-e de un poko de Pt-oiundizaclbn.
En l o r-e+erente a l programa simulador- +ue escr-ito de manera.
estructut-add Patma que . ta l como se espec i f i ca en o t r a p a r t e
d e l t r a b a j o , p u e d a u t i l i z a r c e e n d i s t i n t a s s i t u a c i o n e s y no
solo en aquellas. para las que tue diseKado; . pero ademas a s i
pet-mite l a o p c i d n d e . i n c l u s i v e , r e a l i z a r - un orden de
e j e c u c i 6 n d i s t i n t o a l pt-opuesto pudiendo set- tanto una
herramienta de modela-*ie como de diseffo put-o. Esto queda como
un p u n t o a b i e r t o a las ideas de un fu tu ro usuar io .
Las matematicas u t i l i z a d a 5 en e l d e s a r r o l l o d e l sirnuladot-
t r a t a r o n de set-vlt- unicamente como l a herramienta de ataque a
cm problema real de ingenlet-I a, aunque segun áe puede observar-
en el desarro l lo de l programa. acapararon una parte importante
d e l p r o v e c t o : e s t o v a l i 6 l a pena porque las bases de l a
simulaci6n vienen dadas en las matematicas aplicadas v las
bases de l a r-ealidad en l a r e l a c i 6 n + i s i c a de l a s v a r i a b l e s
involuct-adas, as¡ que para poder- u t i l i z a r - e l s~mctlador- 5e
espera no h a y a la necesidad de vo lver a implementar los
sistemas ‘katematicos correspondientes. s ino unicamente la
Per-te correspondiente a l a representacs6n de la real idad que
--,e est& estudiando.
En l o que concierne al diseKo del reactor nos encontramos con
algunas s i tuaciones cur iosas. El reactor - estA disef iado para
u n a conver-sidn baa’a ( p 2 52 X j , pot- los motivos previamente
expuestos Y , ademas, porque los reactores de lecho + lu id izado
s e u t i l i z a n en sistemas que necesiten de converslones no tan
a l t a s como las que es posnble alcanzar en reactores de lecho
f i j o . pot- ejemplo. As1 esta s i tuaci6n tr -ata de set- r-ealista
desde dos punt.os de v ls%a dist intos. La , ius t i i icac16n de l
diseno de un reactor - de este t ipo radica en l a lmportancla del
Producto como mater ia pr ima de s lntes is de l aminoacido
m e t i o n i n a , u t i l i z a d o como complemento n u t r i t l v o a e l ganado
a v l c o l a d e l p a i s y p roduc ido po r l a comPaKia tt-ansnacional
“Degussa“. Para que el diseKo del reactor- no se quede en e l
a i r e s e i n c l u v e a d e l a n t e un p o s i b l e diaqr-ama de una I n d u s t r i a
I
.-.* . .
productora de acro1eín.a.
En genera l . los t -esultados obtenidos con la s imulaci6n son
b a s t a n t e s a t i s f a c t o r i o s . mas aun considerando la complejidad
de un sistema de l a n a t u r a l e z a d e l r e a c t o r de lecho
f l u i d i z a d o . La d i spers i6n de las p red icc iones de l o s
recul tados de laboratorio puede no set- un punto c ruc ia l pa ra
determinar si e l modelo es o no f idediqno, ya que hubiese s ido
necesario contar con un con junto de resu l tados mas or-ecisos y
con un modelo c in&t ico mas cercano a l a r e a l i d a d . E s t o s p u n t o s ’
quedan ab ier tos para invest iqac i6n , aunque sea median te e l u5G
de un s istema di ferente a l aqui presentado.
Un pctntb importan’te a no ta r es que. en l a u t i l i z a c i 6 n r e a l de
un reactor de lecho f lu id izado, e l contr -o1 de la oper -aci6n
juega un papel cr-ucial, ya que como se puede ver-, l a v a r i a c i 6 n
de los efectos de cont ro l no es cont inua s ino pot- e l c o n t r a r i o
d i s c r e t a . En e l supuesto ca.so de diseKo en e l que f a l l a r a e l
sumin is t ro de l agua al sistema de en+r iamlento del reactor , e l
s istema de emerqencia se act ivar ia ut i l i zando ya sea 20 tubos
de enfriamiento +u: . : i l iar-es o bien ya sean 40 tubos de
en f r iamiento aux i l i a res . Es to p rovoca el cuestionamiento de
que pasar la 51 s e u t i l i z a r a n P.o~- e.lemplo solo 5 tubos
au : . : i l i a res . En caso de un descontrol por aumento en la
cmncentr-aci6n de alguno de los r e a c t i v o s q u i z a e l cambio de
temperatura. fuese lo su+ic ientemente pequeKo como Para
reso lve rse con esa accldn de control . pero en e l caso de una
set - ie de s~~cesos en cadena como l o s que se ooservat-Ian SI
f a l l a e l e q u i p o de enfr iamiento y pot- tan to aumentan l a s
velocidades de las dos t -eacclones competit ivas l levando a
nuestr-o producto a alcanzar- SLI t-eql6n icr - í t i c a de f lamabi l idad.
Y a que despues de l a r-eacci6n aun suhs ls te a lgo de l ox lqeno
al imentado, y por- tanto. pudiendo oca5jlonat- una exp los i6n . e l
sistema de emerqencla pr-opuesto pudlese ser e l Qnico capaz de
c o n t r o l a r la s i tuac i6n antes de l c ie r re de la a l lmentac i6n de l
reacto r . Es por- e l l o que el sistema tue propuesto pensando en
un golpe intenso de en t r iamlento pa ra e i caso de emet-qencla.
E l equ ipo de recuper-acldn de polvos qt..!p se ha de colocar-
- ?. 1
\
dentro de u n reactor de lecho f1tA:czaizado debe contar- con
algunas caracterist icas part icul.ar-es. En primer- lcrgat-. 10s
c i c l o n e s s e u t i 1 izan como t-ecupet-adores de polvo de p a r t í c u l a s
f i n a s < menor-es a 6t:J p i y en e l caso del lecho. por- l o
q e n e r a l , l a s p a r t i c u l a s de c a t a l i z a d o r , en masa o soportado.
tendran u n tamaKo mayor a e s t a e s p e c i f i c a c i 6 n . UdemAs. los
f l u j o s de ga5 que s e evacuan en u n lecno f luidizado pot' lo
general son' aitos. en tanto que para l o s c i c l o n e s s e
recomiendan velocidades de entrada limitadas, no siempre. a
2130 cmis. F'qr e l l o u n c i c l 6 n d e un lecho f luidizado debe de
tenet- la capacidad de manejar grandes + l u j o s de gas.
Not-malmente. l a de-scarqa d e los c i c l o n e s es la parte mas
s e n c i 1 l a de e s t o s , ya que consta de u n tubo, peqcref'io, s l n
c a r a c t e r i s t l c a s que lo haqan relevantemente diferente. En e l
caso de estar- colocados dentro del lecho esta situacibn cambla
a l i n c l u i r s e dos vat-iab¡es nuevas: la altura relativa a la sue
debe de descarqar- e l c i c l 6 n en el lecho y la necesldad d e una
v a l v u l a en l a zona de descarqa que e v i t e que e l qas del lecho
a r r a s t r e l a s p a r - t í c u l a s de s b l i d o r-ecuper-ado hacia. l a
c o r r i e n t e gaseosa eflcrente del reactor-. F'ara salvar- la primera
de e s t a s d i f i c u l t a d e s s e recomienda ( Per-r-y 5a. e d . i que la
descarga en l e c h o s i n d u s t r i a l e s s e r e a l i c e a una altura SLtpet-iOt- a %I cm. r e l a t i v a a l d i s t r i b u i d o r - . L a segunda de 13s
d i f i c u l t a d e s s e s o l u c i o n a u t i l i z a n d o a l g u n a de l a s t r e s
opciones de valvula diseKadas pat-a e v i t a r e l at-rastt-d d e
s6l idos hacia e l interior-: un tubo que tot-me u n at'co, u n tubo
que far-me una "u" cerrada, o bien, una v i l v u l a d e chapaleta.
como la u t i l i z a d a en e l diseKo propuesto. Se escogi6 esta
irltima cbpci6n va q u e e l aglomeramiento de s 6 l i d o s f i n o s . que
e s l o que s e puede provocar utilizando algunas de l a s o t r a s
v a l v u l a s , puede tener como consecuencia la +or-maci6n de u n
tap6n v por tanto la null f icacibn del equipo separador. a l o
$
que con e l uso de una v a l v u l a de c h a p a l e t a e s menos probable
que suceda alyo a s l .
El sistema propuesto consta de una bater-ia de se15 reactores
en Para:LeJ.a. Esta disposici6n surqe del hecho d e que, Por las
41
propiedades f lu idodin2micas del lerhcr. l a velocidad de
f l u i d i z a c i 6 n minima es bastante p p q u e K a y la re lac i6n de
velocidades maximas l o es tambien, ~t-ovocando que l a cantidad
de gas que se pueda t r a t a r en e l lecho sea bastante l imitada,
sobre todo por tra%at-s;P de un reactor- de ba,ia conversi6n
esperada. No 5e propuso un sistema de reactores en s e r i e -
debido a l a s l i m i t a c i o n e s en el conocimiento de la c inBt ica
cuando se . t ienen convers lones a f t a 5 , aunque, en p r i n c i p i o .
quiza 5e pudiese mejorar - fa -d ispos ic i6n de l equ ipo .
Para terminar-. se Pupde decir que el present9 t raba jo
represent6 un buen ejercicio de diseKo de un simulador-
computacianal, 'as1 como de una a p l i r a c i b n r e a l de esta
her ramienta . E l diseffo del reactor tambien jus6 un papel
importante en e l desempeKo del t raba. jo y de+ in i t ivamente
s i g n i 9 i c 6 un paso en el aprend i za je de l au to r . G s i mismo. e l
desat-t -o i lo t rata de set- ;ti I no solo ahora y no 5 0 1 0 par-a este
s is tema en par t icu lar , s ino que se esper-a que pueda ayudar en
l a +ormacic5n y ent-iquecimienfo de la gente involuct-ada con e l
disseKo de reactores de lecho t l u i d i z a d o . y dado que la base
d e l desar - ro l lo loqrado esta const i tu ida pot- e l balance de
masa, considerando a l a r-eacclbn química como un t&t-mrno mas
en l a e s t r u c t u r a de k t e , se espera que este simillador- pueda
5et- c a p a z de set-vir tambien en la p t -ed icc ibn de tasas o
rY2ldCiOnes ,de c i a s i f i c a c i d n en l e c h o s t l u i d i z a d o s u t i l i z a d o s
como separadores de p a r t i c u l a s s61 idas i: inas .
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