Modelo matemático de gasificación de biomasa para reactores de lecho fijo/móvil considerando cambios estructurales mediante la ecuación de balance de población
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Resumen
En este trabajo se desarrolla y valida un modelo matemático unidimensional y transitorio para la gasificación de biomasa en un reactor de lecho fijo/móvil, incorporando la evolución estructural de la fase sólida mediante la ecuación de balance de población (PBE), resuelta por el Método de los Momentos (MOM). El modelo acopla balances de masa y energía, cinéticas heterogéneas y homogéneas, y transferencia de calor en medio poroso, permitiendo describir dinámicamente el tamaño de partícula, el área superficial y la porosidad del lecho. Las simulaciones, implementadas en MATLAB® 2023b, se validaron con datos experimentales de un reactor piloto de 1.2 m operado con aire (ER = 0.2), para guadua, cascarilla de arroz y troncos. Se obtuvieron temperaturas de 750-815 °C y una adecuada predicción de la composición del gas de síntesis (H₂,CO,CO₂,CH_(4(eq))), con errores inferiores al 2 % para H₂ y CO, y menores al 12 % para CO₂ y CH_4(eq) . El principal aporte radica en la incorporación del balance de población como un elemento estructural del modelo, lo que permite capturar el acoplamiento dinámico entre la evolución del sólido y los fenómenos de reacción y transporte, corrigiendo las desviaciones inherentes a enfoques que asumen propiedades estructurales constantes. Adicionalmente, el modelo permitió establecer criterios de escalabilidad térmica, identificando un diámetro autotérmico cercano a 0.23 m, a partir del cual el sistema puede operar sin aporte externo de energía. En conjunto, el modelo se consolida como una herramienta robusta para el análisis, diseño y escalamiento de gasificadores, integrando desempeño termoquímico y autosuficiencia térmica (Texto tomado de la fuente)
Abstract
In this work, a one-dimensional and transient mathematical model is developed and validated for biomass gasification in a fixed/moving bed reactor, incorporating the structural evolution of the solid phase through the population balance equation (PBE), solved using the Method of Moments (MOM). The model couples mass and energy balances, heterogeneous and homogeneous kinetics, and heat transfer in a porous medium, allowing the dynamic description of particle size, surface area, and bed porosity. The simulations, implemented in MATLAB® 2023b, were validated with experimental data from a 1.2 m pilotscale reactor operated with air (ER = 0.2), using guadua, rice husk, and wood chips. Temperatures in the range of 750–815 °C were obtained, along with an accurate prediction of syngas composition (𝐻₂, 𝐶𝑂, 𝐶𝑂₂, 𝐶𝐻₄), with errors below 2% for 𝐻₂ and 𝐶𝑂, and below 12% for the remaining species. The main contribution lies in the incorporation of the population balance as a structural element of the model, which enables capturing the dynamic coupling between the structural evolution of the solid and the transport phenomena, correcting the deviations inherent to approaches that assume constant
structural properties. Additionally, the model allowed the establishment of thermal scalability criteria, identifying an autothermal diameter close to 0.23 m, above which the system can operate without external energy input. Overall, the model is established as a robust tool for the analysis, design, and scaling of gasifiers, integrating thermochemical performance and thermal self-sufficiency.
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