Modelamiento de la transferencia de masa multicomponente basado en las ecuaciones de Maxwell-Stefan para el análisis de reactores industriales empacados

Abstract

El modelamiento de reactores industriales empacados ha sido objeto de estudio permanente durante el desarrollo de la ingeniería química. Dependiendo el tipo de reacción y la complejidad de modelos cinéticos, los balances macroscópicos del sistema pueden verse modificados. Existen modelos pseudo-homogéneos, heterogéneos, unidimensionales, bidimensionales, isotérmicos, no isotérmicos, con pérdida de carga, sin pérdida de carga, etc. A pesar de la amplia gama de alternativas disponibles, muchos sistemas reactivos requieren de modelos más rigurosos para la correcta representación de los fenómenos físico-químicos lo que se traducirá en un correcto diseño y/o herramienta de análisis de su desempeño. En esta tesis se propone una metodología sistemática y bien fundamentada para el análisis de los reactores industriales heterogéneos (gas-sólido) considerando los sistemas reactivos como sistemas multicomponentes. Para ello se desarrollaron herramientas de análisis, reportando paso a paso la deducción de los modelos involucrados, sus parámetros asociados y las posibles modificaciones dependiendo la complejidad del problema bajo estudio. Se definieron estrategias de solución por medio de algoritmos de cálculo para diferentes catalizadores (porosos y no porosos) y para diferentes disposiciones del reactor. Como objetivo principal de este estudio, se evalúo el efecto de la transferencia de masa extra- e intra-partícula, fundamentalmente con base al modelo de Maxwell-Stefan multicomponente, en el cálculo de la resistencia a la transferencia de masa multicomponente. Sin embargo, con fines comparativos, también se solucionaron modelos simplificados propuestos en la literatura (v. g., modelo pseudo-homogéneo y multicomponente con difusividad efectiva de Fick). De esta manera, se propusieron algoritmos detallados para el análisis y diseño reactores tubulares empacados. Los modelos fueron implementados y solucionados en el software MatLab® para el estudio de tres casos de relevancia industrial: la oxidación parcial de o-xileno; la síntesis de amoníaco; y el reformado de metano con vapor de agua. Cada uno de ellos se analizó con base en: (i) el examen de la partícula aislada (v.g., los efectos difusionales externos y/o internos para la transferencia de masa multicomponente y de calor) y (ii) el desempeño de un reactor a condiciones industriales (v.g., comparación de las predicciones de los modelos y datos de planta). (Texto tomado de la fuente)

The modeling of packed-bed industrial reactors has been the object of permanent study during the development of chemical engineering. Depending on the type of reaction and the complexity of kinetic models, the macroscopic balances of the system can be modified. Different type of models are available: pseudo-homogeneous, heterogeneous, one-dimensional, two-dimensional, isothermal, non-isothermal, with head loss, without head loss, etc. Despite the wide range of existing alternatives, many reactive systems require the most rigorous models for the correct representation of the physical-chemical phenomena, which will result in a correct design and/or performance analysis tool. In this thesis, a systematic and well-founded methodology is proposed for the analysis of heterogeneous industrial reactors (gas-solid) considering reactive systems as multicomponent systems. For this, analysis tools were developed, reporting step by step the deduction of the models involved, their associated parameters and possible modifications depending on the complexity of the problem under study. Solution strategies were defined by means of calculation algorithms for different catalysts (porous and non-porous) and for different reactor arrangements. As the main objective of this study, the effect of extra- and intra-particle mass transfer is evaluated, mainly based on the multicomponent Maxwell-Stefan model, in the calculation of multicomponent mass transfer resistance. However, for comparative purposes, simplified models proposed in the literature were also solved (e.g., pseudo-homogeneous and multicomponent model with effective Fick diffusivity). In this way, detailed algorithms for the analysis and design of packed tubular reactors are proposed. The models were implemented and solved in the MatLab® software for the study of three cases of industrial relevance: the partial oxidation of o-xylene; the synthesis of ammonia; and steam methane reforming. Each of them was analyzed based on: (i) examination of the isolated particle (e.g., external and/or internal diffusional effects for heat and multicomponent mass transfer) and (ii) the performance of a reactor at industrial conditions (e.g., comparison of model predictions and plant data).