MOPS: Simulación conjunta de las interacciones en fase gas y la 

formación de hollín en la pirólisis de mezclas acetileno­etanol  Como ya se ha mostrado, utilizar un mecanismo cinético‐químico que sólo  incluye reacciones en fase gas presenta limitaciones importantes a la hora de  reproducir  los  resultados  experimentales,  especialmente  en  referencia  a  las  especies  que  están  implicadas  de  manera  más  directa  en  la  formación  de 

hollín  y  sus  precursores.  Por  ello  es  necesario  desarrollar  un  modelo  completo,  que  incluya  la  formación  de  hollín,  con  el  fin  de  tener  un  mejor  conocimiento de los procesos que tienen lugar en los sistemas de combustión.   Se  consideró  oportuno  realizar  una  colaboración  con  el  Computational  Modelling  (CoMo)  Group  de  la  Universidad  de  Cambridge,  debido  a  su  prestigio  en  la  simulación  de  este  tipo  de  procesos  (Balthasar  y  cols.,  2002;  Kraft, 2005; Celnik y cols., 2007; Celnik y cols., 2009b; Mosbach y cols., 2009),  de modo que complementara la experiencia del GPT en relación al modelado  cinético en fase gas. 

Esta  sección  incluye  un  resumen  de  las  actividades  desarrolladas  en  el  marco de la colaboración establecida, se presentan los resultados obtenidos y  las decisiones tomados durante el proceso de colaboración. A continuación, se  presentan los datos obtenidos utilizando el software MOPS, desarrollado por  el grupo CoMo, para la simulación conjunta de las interacciones en fase gas, la  transición de fase gas a sólida y la formación de hollín. Para ello se utiliza el  mecanismo  cinético  en  fase  gas  ya  presentado  en  esta  Sección  (4.2),  que  incluye reacciones para el acetileno, el etanol y la formación de PAH. 

A  continuación  se  muestran  los  resultados  de  la  simulación  de  los  experimentos de formación de hollín a partir de mezclas acetileno‐etanol, con  un 40% en volumen de etanol, entre 975 y 1475 K.  

Simulaciones considerando los perfiles de temperatura  

Hasta  este  punto  del  trabajo,  las  simulaciones  que  se  presentan  se  han  llevado  a  cabo  considerando  únicamente  la  zona  isoterma  del  reactor,  tal  y  como  se  ha  hecho  de  manera  satisfactoria  en  trabajos  anteriores  (Alzueta  y  cols., 2001; 2008; Alzueta y Hernández, 2002). Sin embargo, hay que tener en  cuenta que MOPS está diseñado para calcular la fracción volumétrica de hollín  (Fv) a lo largo del reactor en cada momento, mientras que experimentalmente  se cuantifica la cantidad total de hollín formado durante el tiempo de reacción.  Por  tanto,  para  conocer  dicha  cantidad  total  de  hollín  formado  es  necesario  aplicar  el  modelo  a  la  longitud  total  del  reactor  y  considerar  el  perfil  de  temperaturas (presentado en la Figura 3.8) a lo largo del mismo. 

Para  realizar  dichas  simulaciones,  se  deben  fijar  algunos  parámetros  de  entrada necesarios para que el programa realice los cálculos pertinentes. Las  simulaciones  se  llevan  a  cabo  para  un  reactor  de  flujo,  fijando  en  1024  el  número  máximo  de  partículas  estocásticas  (Nmax),  un  número  máximo  de  densidad  de  partícula  (M0)  de  3·1011  cm‐3  y  1  ejecución.  Los  cálculos  se 

realizan tanto con el algoritmo Strang como con el Predictor‐Corrector, que ha  demostrado presentar resultados más estables (Celnik y cols., 2009a) 

En  estas  condiciones,  no  se  llegan  a  alcanzar  resultados  de  simulación  satisfactorios. MOPS no es capaz de procesar los casos de estudio y de acuerdo  a los informes generados por el programa, estos problemas pueden atribuirse  a: 

 El  método  de  resolución  de  ecuaciones  diferenciales  ordinarias  falla debido a problemas de rigidez. 

 El tamaño de paso de cálculo no es el adecuado. 

 Existen problemas de ensamblado entre las reacciones en fase gas y  las de formación de partículas. 

 Errores  desconocidos  que  requieren  una  investigación  más  profunda en el código del programa. 

Se aplican distintas estrategias variando distintos parámetros de entrada,  tales como Nmax, M0, el número de ejecuciones e iteraciones, el tamaño de paso  de cálculo y los valores de tolerancia, sin obtener mejoras significativas. Dado  que  no  se  encuentra  un  patrón  que  permita  encontrar  una  solución  a  los  problemas acontecidos, se toma la decisión de estudiar sistemas de una mayor  simplicidad. Por ello, a continuación se muestran los análisis llevados a cabo  en condiciones isotermas. 

Simulaciones en condiciones isotermas 

El  reactor  se  considera  isotermo  en  toda  su  longitud  con  el  fin  de  simplificar el sistema y facilitar los cálculos llevados a cabo por el programa.  De  esta  forma  se  pretende  encontrar  los  problemas  que  están  causando  el  fallo del software y poder simular finalmente el reactor teniendo en cuenta los  perfiles de temperatura.  

MOPS es capaz de procesar la mayoría de los datos de entrada de los casos  definidos  en  condiciones  isotermas  y  en  estas  condiciones  se  obtienen,  en  general, resultados razonables a partir del modelado.  

A continuación, se analizan algunos ejemplos de los resultados obtenidos  en  aquellos  casos  en  los  que  el  modelo  genera  resultados  con  el  fin  de  identificar  los  problemas  existentes.  Con  el  fin  de  interpretar  los  resultados  obtenidos  a  partir  de  la  simulación,  se  seleccionan  cuatro  variables  directamente relacionadas con la formación de PAH y partículas de hollín: 

 La  concentración  de  acetileno  se  escoge  como  una  variable  relacionada  con  la  fase  gas  y  con  los  procesos  de  formación  de  hollín.  

 La  concentración  de  pireno  (A4)  se  selecciona  como  una  variable  relacionada con la fase gas, directamente implicada en la formación  de hollín y que además, juega un papel fundamental en la fase gas y  en las reacciones de crecimiento de PAH.    El número de densidad de partícula (M0).   La fracción volumétrica de hollín (Fv).  Como un ejemplo de los resultados obtenidos, a continuación se presentan  los  datos  procedentes  de  la  simulación  de  la  pirólisis  de  30000  ppm  de  acetileno y 20000 ppm de etanol a 1275 K (Figura 4.16):  0 5 10 15 20 25 15000 20000 25000 30000 35000 a) Tiempo (s) [C2 H2 ] (pp m ) 0 5 10 15 20 25 0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 Tiempo (s) [ A4 ]  (pp m )   0 5 10 15 20 25 0,0 1,0x10‐7 2,0x10‐7 3,0x10‐7 4,0x10‐7 5,0x10‐7 c) F v Tiempo (s) 0 5 10 15 20 25 0 1x1010 2x1010 3x1010 4x1010 d) M0  (cm ­3 ) Tiempo (s)   Figura 4.16. Resultados obtenidos en la simulación (MOPS) de la pirólisis de mezclas de  30000 ppm de acetileno y 20000 ppm de etanol a 1275 K para las variables a) Concentración  de C2H2, b) Concentración de pireno (A4), c) Fracción volumétrica del hollín (Fv) y d) número 

de densidad de partícula (M0). 

En  la  Figura  4.16  se  puede  observar  cómo  el  acetileno  (Figura  4.16a)  reacciona alrededor del 30%. La evolución de la concentración de pireno (A4)  (Figura  4.16b)  se  corresponde  con  la  formación  inicial  de  pireno  y  su