Tiempo de ciclo 117

Una de las variables más importantes en la operación de un sistema de in- versión de flujo corresponde al tiempo de ciclo utilizado. Como fuera discutido anteriormente, debe ser lo suficientemente pequeño para que el frente de onda

no penetre en el reactor al punto tal que la reacción se “apague”. No obstante,

si se utilizan tiempos de ciclo muy pequeños, en el caso del sistema conven- cional, se disminuirá la vida útil de las válvulas en forma proporcional y aumentará la contribución de la emisión de los VOCs alojados en la región de entrada al equipo al invertir el sentido de circulación.

Para este caso, se consideraron tiempos de ciclo en el rango comprendido entre 10 y 360 segundos y se evaluó la respuesta de ambos sistemas de inver- sión, el esquema convencional y el rotativo.

La respuesta del esquema convencional se muestra en la Figura 5.3, donde puede observarse un comportamiento térmico bien diferenciado según la frac- ción de inerte en el lecho. Para bajos valores de dicho parámetro (i.e.,

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en un amplio rango de t_ciclo. Por otro lado, a medida que se incrementa la frac- ción de inerte la temperatura máxima en el lecho aumenta y se vuelve más sensible al cambio en el tiempo del ciclo. Para elevados valores de f_I (i.e., 75%), la misma se vuelve significativamente sensible. Esto se halla en concor- dancia con resultados de otros autores, por ejemplo Matros y col. (1993).

Figura 5.3: efecto del tiempo de duración del ciclo en el sistema convencional.

El cambio en la sensibilidad de la temperatura máxima con el tiempo de ci- clo, entre bajos y altos f_I (Figura 5.3), se puede comprender razonando en primera instancia en términos del RCC, el cual se corresponde con un tiempo de ciclo muy pequeño en el sistema de inversión de flujo. Como fuera discutido previamente, si en dicho sistema la fracción de inerte es nula (o pequeña), se formará una amplia meseta en donde la temperatura se mantendrá aproxima- damente constante e igual a la máxima. Si ahora se piensa en una situación en la que t_ciclo sea mayor, se deberá considerar el movimiento del frente de on- da que se genera en la región de precalentamiento y se mueve en el sentido de avance de la corriente. Como la longitud efectiva de precalentamiento quedará determinada por la temperatura de ignición de los VOCs, es esperable que el aumento de t_ciclo solo modifique la longitud de la meseta, sin cambiar aprecia- blemente el valor de

T

5.5, en donde se muestran los perfiles de temperatura en ambas fases y de fracciones molares en la fase gaseosa para diferentes tiempos. Adicionalmente,

Figura 5.4: perfiles de temperatura y fracción molar en el sistema de inversión de flujo con- vencional sin inerte, para el css. Sentido de flujo: de izquierda a derecha (tciclo 100 s).

Figura 5.5: perfiles de temperatura y fracción molar en el sistema de inversión de flujo con- vencional sin inerte, para el css. Sentido de flujo: de izquierda a derecha (tciclo 200 s).

en la Figura 5.6 se condensan en un único gráfico, los perfiles de temperatura de la fase sólida y la fracción molar de acetato de etilo, a fin de visualizar con mayor facilidad el movimiento del frente de onda.

Figura 5.6: perfiles de temperatura en la fase sólida y de acetato de etilo en la fase gaseosa para diferentes tiempos. Sentido de flujo: de izquierda a derecha (tciclo 200 s).

Por otro lado, a medida que la fracción de inerte aumenta, la temperatura máxima resulta más sensible al tiempo de ciclo empleado, debido a que la lon- gitud de precalentamiento (promedio) variará casi proporcionalmente con t_ciclo. Esto se puede visualizar más fácilmente si se comparan situaciones con tiem- pos de ciclos bien diferenciados para f_I  75% (ver Figuras 5.7 y 5.8). Si el tiempo de ciclo es pequeño (Figura 5.7), la longitud efectiva de la zona de pre- calentamiento corresponderá a la totalidad de la longitud inerte en el extremo donde la corriente está ingresando. Esto se debe a que, cuanto más pequeño sea t_ciclo, la temperatura de la fase sólida varía muy poco en todo el ciclo, acer- cándose al valor predicho mediante el RCC. Por el contrario, si el tiempo de ciclo es elevado (Figura 5.8), la totalidad del inerte será utilizado como zona de precalentamiento solo al inicio de cada semiciclo, mientras que el desplaza- miento de la onda fría con el simultáneo enfriamiento del sólido en el extremo donde ingresa la corriente, reducirá la longitud efectiva de precalentamiento.

En cuanto a la cantidad de VOCs emitida, el comportamiento frente a la va- riación en el tiempo de duración del ciclo (Figura 5.3, derecha) responde a dos factores. En primer lugar, a bajos tiempos de inversión (ver Figuras 5.4 o 5.7) la onda no penetra en la región central del lecho, la cual se mantiene a una

Figura 5.7: perfiles de temperatura y fracción molar en el sistema de inversión de flujo convencional con un 75% de región inerte, para el css (las líneas punteadas verticales indi- can los límites inerte-catalizador). Sentido de flujo: de izquierda a derecha (tciclo 100 s).

Figura 5.8: perfiles de temperatura y fracción molar en el sistema de inversión de flujo convencional con un 75% de región inerte, para el css (las líneas punteadas verticales indi- can los límites inerte-catalizador). Sentido de flujo: de izquierda a derecha (tciclo 200 s).

temperatura elevada formándose la “meseta” típica de los sistemas de inver- sión de flujo (Matros y Bunimovich, 1996) y los VOCs que alcanzan dicha región son convertidos prácticamente por completo. Sin embargo, la emisión de los VOCs alojados en los extremos comienza a ser predominante cuando se opera en el sistema convencional. En segundo lugar, a altos tiempos de ciclo la onda penetra significativamente en el lecho (ver Figuras 5.5 o 5.8), aumentan- do rápidamente la emisión de VOCs, principalmente como consecuencia de la disminución del nivel térmico del lecho.

Para finalizar, en la Figura 5.9 se muestran los resultados del mismo estu- dio, realizado para el sistema de inversión de flujo rotativo (siendo la fracción de la sección transversal utilizada para la limpieza, f_L  2%).

Figura 5.9: efecto del tiempo de duración del ciclo en el sistema rotativo (fL  2%).

En primer lugar, se puede observar que el comportamiento térmico del sis- tema convencional y del rotativo es prácticamente equivalente (comparar con la Figura 5.3), con la excepción de que en el último, la temperatura máxima es ligeramente inferior y se modifica muy levemente el valor de tiempo de ciclo para el cual el sistema se extingue. Esto se debe a que la velocidad másica es ligeramente superior en el sistema rotativo que en el convencional, debido a que una fracción de la sección total en el primero es utilizada para la limpieza de los canales. La principal diferencia se da en la emisión de VOCs, pudiendo apreciarse que el uso del sistema rotativo evita la expulsión del volumen de gas conteniendo VOCs (alojado en la región fría y/o inerte) al invertir el senti-

do de circulación, tal como fuera mencionado en el Capítulo 3. De esta mane- ra, se logran niveles de emisión prácticamente nulos para fracciones de inerte menores o iguales al 50% y tiempos de ciclos tan pequeños como 10 segundos (en términos de la velocidad de rotación, 6 rpm).

Teniendo en cuenta entonces que la única diferencia significativa del uso del sistema rotativo se observa en la emisión de VOCs a bajos tiempos de ciclo (emisión prácticamente nula), en el resto del presente capítulo solo se estudia- rá el efecto de las variables seleccionadas anteriormente en el esquema convencional.

Por último, cabe destacar que el uso de tiempos de ciclos bajos quedará re- servado exclusivamente para el sistema de inversión de flujo rotativo. En el Capítulo 7 se dará una discusión más detallada del rango de operación espe- rable de cada esquema.

5.2.1 Comparación de los perfiles para t

 10 s con los

perfiles del RCC

En el Capítulo 3 se enunció la similitud entre el RCC y la operación del reactor de inversión de flujo a bajos tiempos de ciclos. A fin de corroborar esto, en la Figura 5.10 se muestran los perfiles de temperatura en cada fase y de fracción molar de cada componente, para ambos sistemas (para el RCC se omiten los perfiles en la sección inferior). Se puede apreciar claramente la gran similitud entre ambos sistemas, tal como indican Nieken y col. (1995). No obs- tante, cabe aclarar que si el tiempo de ciclo se disminuye aún más, de forma tal que el tiempo del semiciclo sea sustancialmente menor que el tiempo de re- sidencia de la corriente gaseosa, el sistema ya no alcanzará un css encendido debido a que la misma no dispone del tiempo necesario para pasar a través del reactor (Vanden Bussche y col., 1993). De todas maneras, entendiendo que es- to carece de importancia práctica, se asumirá en general la equivalencia entre el sistema de inversión de flujo a tciclo 0 y el RCC.

Figura 5.10: comparación entre los perfiles de temperatura y fracción molar según el RCC y el modelo completo. Sentido de flujo: de izquierda a derecha (tciclo 10 s).