Sistema de inversión de flujo 15

El sistema de inversión de flujo consiste en la operación de un lecho, gene- ralmente catalítico adiabático, en el cual se invierte el sentido de la corriente a tratar en forma periódica, alimentando la misma sin precalentamiento. De esta manera, el equipo es forzado a operar bajo condiciones transientes, con ciclos que se repiten periódicamente (css), explotando los beneficios del intercambio de energía regenerativo. En la Figura 2.2 se muestra un diagrama de este es- quema, para un lecho catalítico con material inerte en los extremos, en donde la inversión se realiza mediante una válvula (esquema de inversión de flujo convencional).

Figura 2.2: esquema de un reactor catalítico de inversión de flujo convencional y perfiles típicos de temperatura y concentración al final de dos semiciclos consecutivos en el estado estacionario cícli- co.

Si bien la mayor parte de los estudios están orientados a la operación de in- versión de flujo en reactores catalíticos, estos sistemas pueden concebirse también para la incineración térmica. De hecho, es muy usual encontrar inci- neradores térmicos regenerativos comerciales que, a diferencia de los descritos en la Sección 2.1.1, funcionan con inversión de flujo en su totalidad y no solo en los lechos de intercambio. Estos equipos (conocidos también como reacto- res térmicos de inversión de flujo) se diseñan formando una “U” invertida, en donde las dos ramas verticales poseen los lechos de intercambio y la zona su- perior contiene el quemador y la cámara de combustión (Thermal Oxidizers, s.f.). No obstante, la descripción siguiente se centrará en los reactores de in- versión de flujo catalíticos.

La primera referencia a estos esquemas data del año 1938 (Cottrell, 1938), pero a pesar de ello, este concepto no fue desarrollado hasta los años 80 (Matros, 1989; Boreskov y Matros, 1983) cuando se comenzó a estudiar para alcanzar la autotermia en sistemas reaccionantes en general, con muy limita- da liberación de energía por reacción química. Sus principios de funcionamiento y sus aplicaciones siguen estudiándose activamente en la ac- tualidad, principalmente en el tratamiento de VOCs (e.g., Chen y col., 2011; Marín y col., 2010), habiéndose posicionado fuertemente como una alternativa para este fin.

A los fines de visualizar conceptualmente la operación, se puede pensar qué ocurre si, habiendo precalentado el sistema hasta un nivel térmico para el cual la velocidad de reacción fuese apreciable, se comienza a alimentar la co- rriente a tratar a la temperatura en que se dispone la misma. En esta situación, habrá una pequeña región del lecho donde la corriente elevará su temperatura prácticamente sin reaccionar (enfriando el lecho), hasta alcanzar la temperatura de ignición, donde reaccionará liberando energía que será transferida al sólido. De esta manera, se formará un frente de onda frio que comenzará a moverse en el sentido de avance de la corriente gaseosa pero a una velocidad significativamente menor (Matros, 1989). Si se mantuviera el sentido de alimentación de la corriente, dicho frente de onda alcanzaría el otro

extremo del reactor, habiendo enfriado todo el sistema y por ende “apagando”

el mismo. En la práctica, el sentido de circulación se invierte antes de que la onda térmica alcance a enfriar una parte significativa de la región catalítica, iniciando así un nuevo semiciclo. En el mismo, se repetirá la secuencia descri-

ta anteriormente y la zona que fue enfriada previamente será calentada por la corriente de gas que ha reaccionado. Al cabo de algunos ciclos, se habrá for-

mado un perfil de temperatura tipo “campana” que se moverá a lo largo del

sistema en uno u otro sentido, conforme se invierte el sentido de circulación de la corriente. De esta manera, se logra mantener la región catalíticamente activa a un nivel térmico elevado. Para visualizar mejor lo anterior, en la Figu- ra 2.2 también se muestra un gráfico cualitativo de los perfiles de temperatura y concentración (fracción molar), al final de dos semiciclos consecutivos en el css.

En principio, el sistema no requiere la participación de ninguna operación adicional, por lo que evita la instalación de intercambiadores de calor y/o el uso de combustible adicional (con excepción del calentamiento inicial del lecho durante la puesta en marcha de la operación), porque el propio material catalí- tico participa del intercambio de energía en forma regenerativa. Esto último, generaría, en principio, que los lechos catalíticos sean más voluminosos que en otras opciones (como la incineración catalítica o un sistema combinado de concentración e incineración). Sin embargo, durante una elevada fracción del ciclo, ambas zonas extremas del lecho permanecen a una temperatura menor a la necesaria para que la reacción se lleve a cabo a velocidades apreciables. Por esta razón, los extremos del lecho se rellenan de material inerte, menos costoso que el catalizador. Esto permite aliviar el mayor requerimiento en vo- lumen de catalizador, más aún si se tiene presente que en otros sistemas se deben instalar equipos adicionales (intercambiadores, entre otros). Sin embar- go, se debe poner especial atención en la elección del material inerte, no solo por sus propiedades térmicas, sino porque debe evitar la adsorción de los VOCs, aspecto enfatizado por Zagoruiko (2008).

Una variante al esquema de inversión mediante válvulas, mostrado en la Fi- gura 2.2, consiste en montar el reactor sobre un rotor, dividiendo la corriente a tratar en dos subcorrientes, alimentando cada una de ellas sobre la mitad de la sección del rotor y en sentido opuesto. De esta manera, se logra la inversión de flujo por la propia rotación del sistema y se elimina el uso de válvulas (Kolios y col., 2000). La principal diferencia entre estas alternativas radica en el tiempo de inversión mínimo admisible, limitado por la vida útil de la válvula en la primera (Bunimovich y Sapoundjiev, 2013; Barresi y col., 2007) y por la velocidad de rotación máxima en la segunda.

Por último, es interesante reconocer la existencia de una gran similitud en- tre este tipo de operación y la incineración (térmica o catalítica) regenerativa, tal como fue descrita en la Sección 2.1.1; sin embargo, existe una diferencia que se debe señalar. En estos casos, si bien los lechos utilizados para el inter- cambio de energía operan con inversión de flujo, en la operación del reactor o del conjunto quemador-cámara de combustión, el sentido de alimentación de la corriente a tratar no se invierte. Cabe destacar que el uso de intercambiado- res rotativos en lugar de lechos en paralelo, incorpora una segunda diferencia: la temperatura de alimentación al conjunto quemador-cámara de combustión o al reactor catalítico, resulta constante una vez alcanzado el css, con lo cual

dichas regiones operan bajo un estado estacionario “puro”.