Fluidodinámica de un reactor de lecho fluidizado de dos zonas con cambio de sección y su aplicación usando membrana permeoselectiva

Resumen

El reactor de lecho fluidizado de dos zonas, recientemente patentado por la Universidad de Zaragoza (PCT/ES2009/070241), ha sido propuesto como una solución efectiva al problema de la desactivación catalítica que tiene lugar en procesos gas-sólido catalíticos en los que intervienen hidrocarburos gaseosos. El fundamento del reactor radica en la alimentación fraccionada de gas en el lecho. Por un punto intermedio de este se introduce una corriente de gas reactivo, mientras que por la parte inferior del mismo se alimenta una corriente de gas oxidante. De este modo se inducen dos zonas con atmósferas diferentes en un mismo lecho fluidizado (reductora y oxidante) y la circulación de partículas entre ambas zonas del lecho permite mantener una actividad catalítica constante a lo largo del tiempo. En la zona superior del lecho tiene lugar la reacción catalítica que genera, como subproducto, un depósito carbonoso (coque) sobre la superficie activa del catalizador mientras que en la zona inferior del lecho se produce la combustión de dicho coque obteniéndose partículas de catalizador regeneradas y nuevamente activas para desarrollar la actividad catalítica en la zona superior. A fin de ganar versatilidad y poder mantener el régimen de fluidización (la velocidad del gas) entre ambas zonas del lecho, aún trabajando con caudales muy diferentes de corriente reactiva y de regeneración, el diseño original del RFLDZ se modificó añadiendo un cambio de sección (RLFDZ-CS). Adicionalmente, se propuso la inclusión de membranas en la zona de superior del lecho para retirar selectivamente los productos de reacción (RLFDZ-CS+MB) con el objetivo de desplazar el equilibrio termodinámico en reacciones limitadas por éste. La presente tesis abarca la caracterización fluidodinámica del novedoso RLFDZ-CS+MB así como su demostración experimental en base al proceso productivo de propileno a partir de la deshidrogenación catalítica de propano. Las limitaciones de este proceso (bajas conversiones de equilibrio, elevada endotermicidad y rápida desactivación catalítica) pretenden ser mitigadas con el reactor multifuncional descrito. El estudio fluidodinámico del RLFDZ-CS+MB incluye la medición experimental del movimiento de las partículas catalíticas en el lecho, la caracterización del régimen de burbujeo en función de las condiciones de operación, el desarrollo de modelos matemáticos para predecir el grado de mezcla axial de sólidos y las propiedades de burbuja y la validación de códigos de fluidodinámica computacional, CFD, para simular el comportamiento del lecho. En concreto, se han utilizado técnicas de tratamiento digital de imagen y velocimetría de partículas para caracterizar el movimiento de sólidos y burbujas en el lecho, haciendo uso de trazadores ópticos fosforescentes para realizar el seguimiento del grado de mezcla axial entre las zonas superior e inferior del lecho catalítico. Se han desarrollado correlaciones hidrodinámicas para estimar la variación del tamaño y velocidad de burbujas de gas con la posición vertical en el lecho y se ha implementado el modelo de retromezcla a contracorriente (Counter-current Back-Mixing, CCBM) para predecir la evolución temporal del grado de mezcla axial. Se ha simulado el comportamiento fluidodinámico del RLFDZ-CS+MB mediante los códigos CFD comerciales Ansys CFX y Fluent, validando experimentalmente los resultados obtenidos por dichos modelos. Esencialmente, se ha evaluado el efecto del tipo de partícula, velocidad del gas, ángulo de cambio de sección y posición relativa de la alimentación superior en el comportamiento fluidodinámico del reactor. Adicionalmente se ha estudiado la influencia del cambio de escala, el uso y disposición de membranas en el lecho y la inclusión de obstáculos (internals) en el régimen de burbujeo y mezcla de sólidos. Se han analizado las limitaciones operacionales del sistema relativas la aparición de zonas muertas, by-pass de gas y regímenes de slugging y se ha descrito una ventana de operación para el correcto funcionamiento fluidodinámico del reactor. La demostración experimental del funcionamiento del RLFDZ-CS+MB, en base a la información recogida en la caracterización fluidodinámica, se ha llevado a cabo estudiando la deshidrogenación catalítica de propano en presencia de un catalizador activo y selectivo a la deshidrogenación (Pt-Sn/MgAl2O4) y de membranas densas basadas en paladio para la extracción selectiva de hidrógeno de los gases de reacción. Se ha establecido un rango de temperaturas de operación y fracciones de agente oxidante en la alimentación óptimos para maximizar la producción estacionaria de propileno. La intensificación de procesos llevada a cabo en el RLFDZ-CS+MB multifuncional ha mejorado las tasas de rendimiento a propileno de procesos comerciales, obteniéndose los mejores resultados (SC3H6 = 92%, YC3H6 = 58%) entre los reportados en literatura.