Simulaciones del proceso

Para estudiar el proceso sin riesgo de degradación del MFH utilizado, se optó por realizar una serie de mediciones utilizando hidrógeno puro como gas de entrada. Las simulaciones del proceso que se presentan para comparar con estos resultados experi- mentales reproducen esta condición.

En la gura 5.11 se muestran los resultados experimentales y simulados de los pri- meros ciclos de un proceso de puricación, utilizando un ujo de trabajo de 100 sccm. Se observa que los resultados calculados sobreestiman ligeramente el tiempo que insume cada ciclo. Esto se puede deber a una diferencia entre la capacidad nominal utilizada y la del material real, o bien a una diferencia entre las constantes cinéticas. Ambos parámetros fueron determinados en base a las propiedades del material original y pue-

den haberse degradado a lo largo de las mediciones previas. Además la temperatura ambiente durante la medición no mantiene un valor jo y en el intervalo mostrado la temperatura simulada se encuentra desplazada con respecto a la medida. En este caso incorporar la temperatura ambiente medida como entrada para las simulaciones podría corregir esta diferencia para describir resultados experimentales. Sin embargo, el obje- tivo principal de los cálculos es el de explorar situaciones fuera del alcance del equipo construido, para lo cual esta modicación no sería útil. Por lo demás, las simulaciones reproducen satisfactoriamente los resultados medidos.

0 1 8 0 0 0 3 6 0 0 0 5 4 0 0 0 7 2 0 0 0 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 P re s ió n ( k P a ) T i e m p o ( s ) 0 1 8 0 0 0 3 6 0 0 0 5 4 0 0 0 7 2 0 0 0 1 8 2 0 2 2 2 4 2 6 2 8 T e m p e ra tu ra ( ºC ) T i e m p o ( s ) (a) (b)

Figura 5.11:Valores de (a) presión y (b) temperatura en uno de los lechos durante los primeros ciclos de un proceso de puricación operando a un ujo de 100 sccm. Se muestran los resultados experimentales (líneas negras) y simulados (líneas azules).

El ujo utilizado es lo sucientemente bajo para que la reacción se mantenga cerca de su equilibrio termodinámico en todo momento. La reacción se produce de forma casi completa, cubriendo el rango para ξ calculado de 0,02 a 0,96. En estas condiciones cada ciclo completo insume cerca de 7 h y se recupera cerca del 97,5 % del hidrógeno procesado. Este último valor depende básicamente de la relación entre la cantidad de hidrógeno que se encuentra en fase gaseosa y la que se encuentra en fase sólida al nal del ciclo, que a su vez depende de la masa y la capacidad del MFH, del volumen libre y de la presión máxima.

Para ujos de trabajo mayores la reacción se aleja del equilibrio termodinámico y su cinética toma mayor relevancia. En la gura 5.12 se muestran los primeros ciclos de un proceso operando a un ujo de 2000 sccm. En las condiciones de trabajo utilizadas el proceso de desorción se encuentra limitado, mientras que el de absorción se produce de manera casi completa. En consecuencia el material trabaja en la parte alta de su plateau, en el rango 0, 82 ≤ ξ ≤ 0, 95, y el tiempo de cada ciclo completo se reduce a unos 5 min. La fracción de hidrógeno recuperado en este caso es de un 79 %.

Por otro lado, las diferencias entre el comportamiento medido y el simulado son más importantes para el caso de mayor ujo. Estas diferencias se originan en dos aspectos fundamentales. En primer lugar, dado que tanto la termodinámica como la cinética

0 3 0 0 6 0 0 9 0 0 1 2 0 0 1 5 0 0 1 8 0 0 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 P re s ió n ( k P a ) T i e m p o ( s ) 0 3 0 0 6 0 0 9 0 0 1 2 0 0 1 5 0 0 1 8 0 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 5 5 T e m p e ra tu ra ( ºC ) T i e m p o ( s ) (a) (b)

Figura 5.12:Valores de (a) presión y (b) temperatura en uno de los lechos durante los primeros ciclos de un proceso de puricación operando a un ujo de 2000 sccm. Se muestran los resultados experimentales (líneas negras) y simulados (líneas azules).

de la reacción son relevantes, pequeñas inexactitudes en el modelado de la reacción se acumulan y pueden generar diferencias apreciables. Estas deciencias del modelado incluyen tanto las diferencias notadas en la sección 4.4.2 como el comportamiento del material dentro del bucle de histéresis, que no fue estudiado en detalle y se supone similar al comportamiento fuera del mismo.

El segundo aspecto a tener en cuenta tiene que ver con la geometría de los reactores, que no está incorporada al modelo. Para ujos de trabajo bajos, el proceso se produce lentamente y la temperatura del lecho es uniforme, por lo que el modelo de parámetros concentrados resulta apropiado. Para ujos de trabajo más elevados, el calor generado durante la absorción no es disipado de manera uniforme y se genera una distribución de temperatura, en la que se pueden identicar zonas frías y calientes. La presión de equilibrio será menor a la simulada en las zonas frías y mayor en las zonas calientes, por lo que el material en éstas reaccionará en menor medida. El efecto global de este esquema resulta en un sistema con menor capacidad efectiva y menor presión de equi- librio que la simulada, que es consistente con lo que se observa experimentalmente de acuerdo a la forma de las curvas medidas en la gura 5.12(a).

Esta interpretación se puede vericar en la referencia [250], en que se implementa- ron simulaciones en base a dos modelos; uno de parámetros concentrados y otro que incorpora la geometría de los lechos de reacción. Los resultados presentados indican que, para valores de ujo relativamente altos, incorporar la geometría del problema al modelo mejora sensiblemente la descripción de las curvas experimentales, incluso para niveles de detalle bajos. Para valores de ujo menores, por otro lado, ambos modelos producen resultados igualmente satisfactorios.

En cualquier caso, el comportamiento general que se obtiene de las simulaciones se considera satisfactorio y se utilizará para estudiar de manera preliminar el efecto de diferentes condiciones de diseño sobre el desempeño del proceso.