Catálisis heterogénea

CAPÍTULO 4

Modelado y Optimización de Reactores de Lecho Fijo

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Capítulo 4

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Modelado y Optimización de Reactores de Lecho Fijo

4.1 Introducción
Los principales equipos involucrados en el proceso de reformado de etanol son los
reactores catalíticos de reformado, conversión de CO (water-gas-shift) y oxidación
preferencial de monóxido.En el presente Capítulo se realiza un resumen de los modelos
de reactores catalíticos de lecho fijo mencionados en la literatura. En general los modelos
involucran un número importante de ecuaciones diferenciales en derivadas parciales
(PDEs). La posterior discretización de uno o más dominios de integración transforma el
sistema en un conjunto de ecuaciones diferenciales ordinarias (ODEs),acoplado a un
sistema de ecuaciones algebraicas no lineales. La solución de este conjunto de
ecuaciones abarca la resolución numérica un sistema de ecuaciones algebraicodiferenciales (DAEs) de gran tamaño; la cual depende en cierta medida de las
herramientas matemáticas con las que se intente resolver el problema. Una adecuada
implementación y posterior resolución del sistema DAEs permitirárealizar la optimización
de las variables constructivas y operativas como así analizar las limitaciones de la
tecnología convencional de lecho fijo.
En el presente Capítulo, se detallan además los aspectos de transferencia de
energía, describiendo los modelos utilizados para modelar la cámara de gases calientes
acoplada al reactor de reformado así como la transferencia de energía al medio ambientea través de materiales aislantes y refractarios.
Finalmente se describen los aspectos de formulación matemática necesaria para
una exitosa implementación en el entorno de modelado gPROMS® (general PROcess
Modeling System- Process Systems Enterprise Ltd., 1997). El objetivo es desarrollar una
metodología aplicada al diseño de reactores mediante optimización basada en modelos.
Si bien gPROMS®tiene implícitos diferentes revolvedores y no requiere de la
programación del método de integración del sistema DAE, para una resolución robusta y
la posterior utilización de los algoritmos de optimización se necesita una adecuada
reformulación matemática del modelo.

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Capítulo 4

4.2 Modelos de Reactores Catalíticos Heterogéneos de Lecho FijoModelos matemáticos para reactores heterogéneos catalíticos de lecho fijo
adiabáticos y no adiabáticos han sido extensivamente estudiados y se encuentran
sistemáticamente listados en la bibliografía (Fogler, 1986; Carberry y Varma, 1987;
Froment y Bischoff, 1990; Hlavacek y col., 2002).
Debido a la complejidad de los fenómenos físicos-químicos que tienen lugar en los
reactores catalíticos delecho relleno, su descripción exacta es dificultosa o conlleva
problemas matemáticos muy complejos. De esta manera, para la descripción de la
mayoría de los reactores químicos, se recurre frecuentemente a modelos simplificados
que capturan las características más críticas y notables del problema en cuestión. Esto
quiere decir que no existe un modelo universal. El mejor modelo se seleccionasobre la
base de las propiedades del sistema en particular bajo consideración, las características
del sistema en interés, la disponibilidad de parámetros incluidos en el modelo y la
perspectiva de un tratamiento numérico exitoso de las ecuaciones del modelo.

Existen numerosos modelos utilizados en la descripción de reactores de lecho fijo.
El más generalmente utilizado es aquél donde elsistema heterogéneo es tratado como
uno continuo. Esta estrategia resulta en un conjunto de ecuaciones algebraicodiferenciales para las variables de la fase fluido y la fase sólido (Fogler, 1986; Carberry y
Varma, 1987; Froment y Bischoff, 1990).
Una segunda aproximación, considera una pequeña parte del reactor como un
reactor unitario o celda. Cada celda se conecta con algunas de las celdas del...