Simulación de un reactor monolítico para la oxidación de metano.

CONSULTE EN LINEA A TRAVES DE REPOSITORIO INSTITUCIONAL

Tesis (Ing. Civil Químico) -- Prof. guía : Henrik Hansen; Luis Borzone Silva

h.59

La combustión catalítica de gas natural ha demostrado en los últimos años ser una tecnología bastante viable y económicamente competitiva frente a las crecientes restricciones ambientales en todo el mundo, ya que a través de ella, puede controlarse valores de variables operativas bajo los cuales se evita la formación de contaminantes tales como NOx y CO. Esta tecnología se basa en la utilización de cámaras de combustión catalíticas (o reactores catalíticos), en las cuales el catalizador es un sólido del tipo estructural (monolítico) de preferencia, el cual presenta mejores propiedades y comportamiento durante el régimen de operación y entrega por sobre todo una mayor eficiencia en la combustión completa de la corriente gaseosa que se alimenta. Este trabajo propone y desarrolla un modelo pseudo homogéneo bidimensional para un reactor de lecho fijo, el cual es simulado a través de software especializado para Ecuaciones Diferenciales Parciales (E.D.P.), MACSYMA, en el caso de reactor adiabático y FEMLAB para el caso de extracción de calor por las paredes del reactor. Se estudian dos casos bien definidos: 1) Reacción exotérmica en reactor adiabático y 2) Reacción exotérmica en reactor con enfriamiento externo de las paredes a través de fluido térmico. En el primer caso se simulan contornos aislados con respecto a la transferencia de energía, tomando como caso base la información de literatura especializada en el tema, el cual corresponde a una temperatura y concentración típicas de entrada, con perfiles que indican alta conversiones y elevaciones de temperaturas en la entrada para luego mantenerse constantes hasta la salida del reactor; también se concluye que la utilización de propiedades constantes es una aproximación bastante razonable con respecto al mismo caso en términos de propiedades físicas dependientes de la temperatura. En el segundo caso, se utilizaron los mismos rangos de temperatura y concentración, considerando uno de los contornos (dirección axial) con transferencia de calor, de tal manera de simular extracción de calor para una reacción altamente exotérmica; los resultados entregan conclusiones claras con respecto al efectivo enfriamiento en las paredes que afecta hacia el interior del reactor, lo cual se ve reflejado en la baja conversión en las paredes y también en las zonas interiores, también indica la formación de puntos calientes (hot spot) en la salida, pero aún así, dentro de niveles que son controlables debido a la modulación producida por la extracción de calor. Se concluye finalmente, que para mezclas de Metano diluidos en la corriente gaseosa, las variaciones de temperatura son poco relevantes, permitiendo su aumento gradual, se valida la suposición de perfiles planos en la dirección radial en el caso de la solución del balance de energía; es interesante destacar que las simulaciones indicarían que la reacción tiene una fuerte conversión inicial para luego decaer considerablemente hasta la salida (influencia de la constante pre-exponencial). En el caso no-adiabático, se concluye que hay cierta libertad y flexibilidad en relación a la temperatura de entrada, dado el buen control y nivel de temperatura desarrolladas en el reactor para valores altos de entrada; hay un efecto del enfriamiento, que influencia la conversión en éste caso, ya que en las paredes es prácticamente nula, aumentando hacia el centro. Queda abierta una amplia puerta hacia éste campo de las simulaciones y modelaciones a través de software especializados, siendo interesante un estudio de sensibilidad del mismo frente a los valores que asumen las constantes para distintas reacciones y situaciones de operación.

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