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Estudio de la hidrodinámica y condiciones de
operación de un reactor pirolítico de desechos
neumáticos que opera en régimen de lecho fluidizado
V. Parra
Departamento de Ingeniería Química, Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia.
Objetivo General
Establecer las condiciones de operación y detalles claves de diseño que permitan la obtención de un régimen de lecho fluidizado en un reactor cilíndrico de dimensiones dadas para ser usado en reacciones de pirólisis de desechos neumáticos.
Objetivos Específicos
1. Evaluar ocho configuraciones de distribución de gas en un modelo en frío transparente de un reactor de lecho fluidizado, con el fin de identificar cuál de estas permite obtener la mejor dinámica de fluidización de acuerdo a parámetros como la caída de presión, la velocidad mínima y máxima de fluidización y los perfiles de fluidización radial asociados.
2. Recomendar para el reactor que se usará en reacciones de pirólisis, las condiciones de operación que garantizan el lecho fluidizado, el material en el que debe construirse y detalles de instalación, con base en lo observado en el modelo en frío.
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Estudio de la hidrodinámica y condiciones de
operación de un reactor pirolítico de desechos
neumáticos que opera en régimen de lecho fluidizado
V. Parra
Departamento de Ingeniería Química, Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia.
Resumen
La pirólisis de desechos neumáticos ha surgido en el ámbito industrial como una alternativa de disposición de residuos sólidos que permite no solo disminuir el problema de la acumulación de llantas en los rellenos sanitarios sino que a su vez le otorga un valor agregado a los productos obtenidos. A nivel operacional, se han implementado reactores de lecho fijo y lecho fluidizado para reacciones de pirólisis, comprobándose que los reactores de lecho fluidizado presentan una mayor eficiencia en términos del tiempo de residencia de la materia prima involucrada. Este estudio, culmina trabajos anteriores y se enfoca en ultimar detalles de diseño y condiciones de operación para un reactor que se desea operar en régimen de lecho fluidizado para la pirólisis de desechos neumáticos. Para tal fin, se evaluó experimentalmente la hidrodinámica del sistema a partir de 8 configuraciones propuestas para el sistema de distribución de gas, que (a diferencia de estudios anteriores) involucran el efecto del material que debe ser tenido en cuenta en la elaboración de un modelo real que requiere del acondicionamiento a temperaturas que superan los 500°C. Una vez seleccionado el distribuidor de gas óptimo se procedió a la construcción del reactor real, logrando un diseño práctico y eficiente que cumple con múltiples restricciones dadas por el laboratorio en el que se instalará, maximiza la vida útil, y será usado en estudios posteriores para pruebas de pirólisis.
Palabras clave: Pirólisis, desechos neumáticos, reactor de lecho fluidizado, reactor de lecho fijo.
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Nomenclatura
Símbolo Descripción Unidades
𝑈𝑔 Velocidad superficial del gas [m/s]
𝑑𝑝 Diámetro de partícula [m]
𝜀 Porosidad del lecho [ - ]
𝜇 Viscosidad [cP]
𝐷 Diámetro del plato [m]
𝑈𝑚𝑓 Velocidad mínima de fluidización [m/s]
𝑈𝑚𝑎𝑥𝑓 Velocidad máxima de fluidización [m/s]
𝛥𝑃 Caída de presión [mbar]
𝑚𝑏 Masa de partícula [kg]
𝑔 Gravedad [m/s^2]
𝑑ℎ Diámetro del agujero [m]
𝑁 Número de agujeros [ - ]
𝑁𝑑 Densidad de agujero [1/m^2]
𝐿ℎ Espaciamiento (Configuración de agujeros) [ - ]
𝐾 Constante empírica [ - ]
t Espesor del plato [m]
𝜌𝐵 Densidad del lecho [kg/m^3]
𝜌𝑔 Densidad del gas [kg/m^3]
𝐿𝐵 Profundidad del lecho [m]
𝑈ℎ Velocidad del gas a través del plato [m/s] 𝐶𝑑 Coeficiente de descarga del orificio [ - ]
𝑄 Tasa de flujo volumétrico de gas [m^3/s]
𝑇𝑎𝑚𝑏 Temperatura ambiente [°C]
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1.
Introducción
Actualmente, la problemática asociada a la acumulación de residuos sólidos generados por diferentes operaciones de tipo industrial ha ido incrementando significativamente de acuerdo al progresivo crecimiento demográfico que se ha dado en los últimos años y por tanto al eminente desarrollo a nivel económico y tecnológico en el mundo.
Un claro ejemplo de esta problemática se puede identificar en la industria automotriz, dado que requiere de la implementación de neumáticos para posibilitar el transporte vehicular. A nivel mundial, aproximadamente 1000 millones de neumáticos llegan al final de su vida útil y en Colombia la cifra alcanza aproximadamente unos 25 millones [1]. La disposición que se le da a estos residuos abarca desde el uso como combustible para calderas y extracción de acero por incineración, hasta el almacenamiento en rellenos sanitarios. La incineración de estos neumáticos afecta la calidad del aire dada la generación de gases contaminantes como Monóxido de carbono, Xileno, Hollín, Óxidos de nitrógeno, Dióxido de carbono, Óxidos de zinc, Benceno, Fenoles, Dióxido de azufre, Óxidos de plomo, Tolueno, entre otros [2]. Y el almacenamiento de estos favorece la acumulación de aguas lluvias, la cual trae consigo problemas asociados a la propagación de enfermedades por mosquitos que encuentran un ambiente propicio de desarrollo en esta zona [3].
Dado que estos residuos sólidos presentan un problema fundamental asociado a su disposición final, se han realizado numerosos estudios que pretenden disponer de estos residuos adecuadamente con el fin de reducir la contaminación ambiental y actuar en pro de la salud pública. Estos estudios se han fundamentado principalmente en el proceso de pirólisis que permite descomponer compuestos orgánicos en ausencia de oxígeno u otros agentes gasificantes por calentamiento a altas temperaturas, con el fin de transformarlos de forma irreversible en residuos gaseosos, líquidos y carbonosos [4].
Las ventajas de obtener estos productos, están asociadas en primera instancia a la facilidad de su manipulación dado que estos en comparación con una llanta en su estado original representan un menor peso molecular [5] y en segunda instancia a la disposición que se les puede dar debido a que pueden ser útiles para la elaboración de productos de mayor valor agregado como el carbón activado que se obtiene a partir de los residuos carbonosos, diésel a partir del aceite pirolítico y energía para la operación del proceso de pirólisis gracias a la reutilización del Piro-Gas [6].
La pirólisis de desechos neumáticos es una realidad hoy en día [7], sin embargo se ha buscado una mejora del proceso para incrementar el porcentaje de conversión, la eficiencia energética y el tiempo de operación del mismo. Esto, variando factores como tipo de catalizador, cantidad de catalizador, diseño del reactor, condiciones de operación en términos de temperatura y presión, combinación de otras materias primas con los desechos neumáticos, entre otros.
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En cuanto al diseño del reactor, los estudios se han enfatizado en reactores de lecho fijo y reactores de lecho fluidizado con el fin de evaluar la influencia que presenta uno u otro modo de operación en lo que respecta al rendimiento del proceso y la calidad del producto obtenido. Las condiciones de operación para ambos reactores resultan ser similares (600ºC aproximadamente en atmósfera inerte), sin embargo según literatura se tiene una mejor expectativa respecto a la eficiencia del funcionamiento de un reactor de lecho fluidizado en comparación con un reactor de lecho fijo en cuanto al tiempo de residencia del caucho de llanta en el proceso y el craqueo de los productos de la pirólisis de acuerdo a la velocidad de calentamiento y el tiempo de residencia del gas [8] [9].
En este orden de ideas, el presente proyecto busca estudiar la hidrodinámica y condiciones de operación de un reactor pirolítico que opera en régimen de lecho fluidizado, partiendo de la mejor configuración de un sistema de distribución de gas. Esto es fundamental para la elaboración del modelo real que será utilizado en estudios posteriores para llegar a corroborar la eficiencia de un reactor de lecho fluidizado en comparación con un reactor de lecho fijo en reacciones de pirólisis de desechos neumáticos.
A continuación se presenta una introducción sustancial al tema de la fluidización y sus conceptos básicos asociados dado que es de sumo interés comprender este fenómeno para llegar a interpretar con criterio los resultados obtenidos en las pruebas hidrodinámicas del sistema. E igualmente, se hace una breve introducción al tema de pirólisis.
1.1 Introducción a la fluidización
La fluidización es un proceso en el cual se ocasiona que los sólidos se comporten como un fluido por efecto de la velocidad de una corriente de un gas o un líquido ascendente. Es uno de los métodos más utilizados en la industria en operaciones físicas como transporte, absorción, mezclado de polvo fino, entre otros y operaciones químicas como reacciones de gases en catalizadores sólidos y reacciones de sólidos con gases [10].
Se han considerado seis diferentes regímenes de fluidización para lechos fluidizados gas-sólido: Lecho fijo, fluidización con burbujeo, fluidización suave, fluidización turbulenta, fluidización rápida y transporte neumático [11]. A continuación se muestra gráficamente el comportamiento de burbujeo asociado a cada régimen:
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Figura 1. Regímenes de fluidización en lecho fluidizado gas-sólido [11]
Estos regímenes varían estrictamente de acuerdo al tipo de partículas involucradas dado que no todas ellas pueden ser fluidizadas. Por lo cual, para llegar a predecir este comportamiento en un sistema de fluidización, es necesaria la clasificación de las partículas Geldart que tiene en cuenta parámetros como la densidad y tamaño de partícula. (Véase anexo 1para profundizar en el tema).
1.1.1 Reactores de lecho fluidizado
Existen diferentes tipos y geometrías de reactores de lecho fluidizado, pero en su mayoría tienen en común las siguientes secciones: Un plénum, Un distribuidor, Una región del lecho y Una región libre. El plénum corresponde al lugar en donde ingresa el gas al reactor, permitiendo que la presión del mismo se reparta de igual manera en la sección transversal. A continuación se encuentra el distribuidor que permite generar un perfil uniforme del gas en la base del lecho. Luego se encuentra la región del lecho en donde se ubican las partículas sólidas. Y finalmente se ubica la región libre, la cual contiene partículas que se liberan por la fluidización del lecho. A continuación se muestra un esquema del reactor:
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Figura 2. Secciones de un reactor de lecho fluidizado [11].
Los lechos fluidizados empleados como reactores químicos presentan ventajas asociadas a una alta tasa de transferencia de masa y calor, bajas caídas de presión y una temperatura uniforme de distribución. Esto en gran parte gracias a la extensa área de contacto que presentan las partículas y el fluido en cuestión [12].
1.1.2 Distribuidor de gas
El distribuidor de gas en un reactor de lecho fluidizado, tiene como finalidad inducir a una uniforme y estable fluidización a través de toda la sección transversal del lecho [13]. Este, se conoce usualmente como grid cuando se hace referencia a un plato perforado o a una malla específica que demarca el límite entre el plénum y la región del lecho. Sin embargo, existen más configuraciones geométricas que se ubican en el plénum y que complementan el efecto de distribución del gas en el reactor. A continuación se muestran unos de ellos.
Tabla 1. Configuraciones implementadas para un sistema de distribución de gas [13].
Sección del sistema
de distribución Representación gráfica Sección del sistema
de distribución Representación gráfica
Grid Rejillas con hojas
inclinadas
Terminaciones cónicas perforadas o
sin perforar
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Boquillas Objeto inmerso
Cada una de estas configuraciones presenta sus ventajas y desventajas en lo que respecta al efecto que producen por la caída de presión en el sistema, la dificultad de implementación por costos asociados, generación de burbujas de diferentes características en el sistema, entre otros factores importantes. En este orden de ideas, es necesario el estudio de la combinación de estas secciones para llegar a maximizar la efectividad de fluidización. Más adelante, se enuncian las propuestas para el diseño del distribuidor de gas teniendo como referencia recomendaciones en literatura, facilidad de implementación en términos de costos y manipulación del material, y estudios realizados en la universidad respecto a este tema [14] [15] [16].
1.1.3 Velocidad mínima de fluidización
La velocidad mínima de fluidización de un gas (Umf) corresponde a la velocidad superficial del gas a la cual el lecho apenas comienza a fluidizarse, es decir, cuando las partículas se encuentran en una situación homogénea donde no se toman en cuenta las burbujas [17]. Experimentalmente, se ha comprobado que esta velocidad es dependiente del tamaño y la densidad de las partículas del lecho, de las propiedades del gas fluidizante, y de las condiciones de presión y temperatura en las que se lleva a cabo el proceso [18].
Se suele implementar un método de cálculo propuesto por Ergun, para determinar la velocidad mínima de fluidización teórica. Sin embargo, esta requiere de parámetros como la porosidad mínima de fluidización que usualmente resulta ser un parámetro desconocido [10], al igual que parámetros bastante específicos respecto a las propiedades de las partículas en cuestión como la esfericidad y densidad que usualmente son difíciles de estimar de forma acertada.
De acuerdo a esto, se han propuesto dos métodos experimentales que se utilizan para calcular esta velocidad: el método de pérdida de carga en el lecho y el método de la desviación típica de las fluctuaciones de presión medidas durante la operación.
En este caso, se hará énfasis únicamente en el primer método dado que resulta ser el más convencional y práctico para la determinación de este parámetro.
1.1.4 Cálculo experimental de la velocidad mínima de fluidización a partir de la pérdida de carga en el lecho
Este proceso requiere de la toma de una serie de medidas experimentales de la pérdida de carga también conocida como caída de presión en el lecho para distintos valores de la
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velocidad superficial del gas, en un rango que va desde el régimen de lecho fijo hasta el de lecho fluidizado.
Se establece gráficamente la dependencia entre las dos variables (Ug Vs. ∆𝑃), teniendo como expectativa un comportamiento similar al que se muestra en la figura 3:
Figura 3. Evolución de la caída de presión ∆𝑃 en el lecho con respecto a la velocidad superficial del gas Ug [18].
Finalmente, la velocidad de mínima fluidización corresponde a la intersección entre las rectas de caída de presión en los regímenes de lecho fijo y lecho fluidizado.
1.1.5 Velocidad máxima de fluidización
Para este estudio, se define como velocidad máxima de fluidización (Umaxf) a la velocidad superficial del gas a la cual se denota una liberación de las partículas por el escape de gases en el reactor partiendo del estado en que la materia prima se encuentra en la región del lecho. Es importante tenerla en cuenta en el diseño del equipo ya que en términos de la velocidad de operación, esta velocidad máxima de fluidización sería el límite para ejecutar la dinámica de fluidización correctamente.
1.2 Proceso de pirólisis
La pirólisis es un proceso termoquímico que ocurre en ausencia de oxígeno. Este consta de 3 etapas: 1. Dosificación y alimentación de materia prima, 2. Transformación de la masa orgánica, 3. Obtención y separación de los productos (aceite pirolítico, gases no condensables, residuos carbonosos).
Existen diferentes tipos de pirólisis, que se clasifican de acuerdo a las condiciones de operación y al tiempo de residencia del vapor caliente. A continuación se presenta una de las clasificaciones más convencionales establecida por L. Zhang (2010) [8].
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Tabla 2. Rendimientos típicos de los productos obtenidos por diferentes tipos de pirólisis [8] [19]
Tipo de pirólisis
Temperatura de operación aproximada
(°C)
Tiempo de residencia del gas (s)
Líquido Sólido Gas
Rápida 500 1 75% 12% 13%
Intermedia 500 10-20 50% 20% 30%
Lenta
(carbonización) 400 Horas -días 30% 35% 35%
Gasificación 800 Tiempos
prolongados 5% 10% 85%
La prueba a realizar en este estudio podría aproximarse a una pirólisis rápida o intermedia de acuerdo el tiempo de operación, tiempo de residencia del gas y gasto energético correspondiente.
1.2.1. Materia prima
Para el proceso de pirólisis, se utiliza biomasa como materia prima. Esta, se define como cualquier materia orgánica que hizo o hace parte de un organismo vivo, la cual, es fuente de energía renovable [8]. Se compone principalmente por celulosa, hemicelulosa y lignina que presentan diferentes cinéticas de reacción. Desde el punto de vista del aprovechamiento energético de la biomasa residual, los desechos neumáticos se clasifican como biomasa residual [8].
En general, un factor fundamental que afecta la eficiencia y naturaleza del proceso de pirólisis corresponde al contenido de humedad del material de alimentación, que debe ser alrededor de 10%. Para contenidos de humedad más altos, se producen altos niveles de agua y a niveles más bajos existe el riesgo de que el proceso sólo genere polvo en lugar de aceite [20]. De acuerdo a esto, para flujos de residuos con un contenido alto de humedad, tales como lodos y desechos de procesamiento de carne, es necesario que sean sometidos a un proceso previo de secado para que se puedan someter a la reacción.
El tamaño de partícula de las materias primas también es un factor esencial que afecta el proceso. La mayoría de las tecnologías de pirólisis sólo pueden procesar pequeñas partículas hasta un máximo de 2 mm teniendo en cuenta la necesidad de transferencia de calor rápida a través de la partícula [20].
2. Metodología
Para llegar a construir el reactor pirolítico de lecho fluidizado, se plantea la metodología de trabajo que consta básicamente de 7 pasos. Estos son: 1. Presentación del modelo en frío. 2. Propuesta del distribuidor de gas. 3. Planteamiento de un diseño factorial para la
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evaluación hidrodinámica de las configuraciones del sistema de distribución de gas, 4. Diseño del plato perforado teórico y experimental, 5. Selección de materia prima, 6. Procedimiento experimental para las pruebas hidrodinámicas. 7. Estudio de materiales para la elaboración del reactor.
2.1 Presentación del modelo en frío
Para el desarrollo de las pruebas hidrodinámicas, se retomó el modelo en frío elaborado en estudios anteriores [14].
Figura 4. Modelo en frío del reactor de lecho fluidizado (Véase anexo 3 para identificar su dimensionamiento).
Para su diseño, se tuvo en cuenta una relación diámetro: longitud de 5:1 recomendado en la literatura [11], y adicionalmente, se tuvo en cuenta la restricción de altura establecida de acuerdo al sistema de pirólisis que se encuentra en el laboratorio de mecánica ML 041 de la Universidad de los Andes (Bogotá, Colombia), el cual tiene como operación de acondicionamiento de temperatura una mufla marca Thermo Scientific modelo número: F30420C-60-80 que tiene una altura interna de 36 cm. De acuerdo a esto, se estableció que la altura máxima del reactor sería de 30 cm [14].
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Figura 5. Equipo de pirólisis disponible en la universidad [14]
2.2 Propuesta del distribuidor de gas
Para este estudio, se plantea una configuración que se compone de un grid, una geometría del plénum, un objeto inmerso, una boquilla interna y una malla. A continuación se presenta una breve introducción a cada uno de estos para llegar a plantear el diseño experimental.
2.2.1Grid:
Se selecciona un plato perforado con dos arreglos diferentes (arreglo cuadrado y arreglo circular), para el cual se realizará un diseño con base en un heurístico que contempla tanto las dimensiones del reactor en cuestión, como las propiedades de la materia prima que se utiliza en el mismo. El material utilizado para la elaboración de las pruebas hidrodinámicas será acrílico; sin embargo, este se elaborará para el modelo real en el mismo material que se seleccione para el cuerpo del reactor. Se considera que esto no afectará significativamente la dinámica de la fluidización ya que lo fundamental es el efecto generado por el paso del flujo a través de las perforaciones del plato.
Figura 6. Plato perforado. (a) Arreglo circular (b) Arreglo cuadrado
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2.2.2 Geometría del plénum
Teniendo en cuenta que el plénum ya presenta una geometría cilíndrica, solo se implementa un cono que será ubicado al interior del plénum. El material utilizado para su manufactura será polietileno ya que se reutiliza la parte superior de una botella de agua convencional; sin embargo, este se elaborará para el modelo real en el mismo material que se seleccione para el cuerpo del reactor. Al igual que para el caso del grid, se considera que esto no afectará significativamente la dinámica de la fluidización ya que lo importante es identificar el efecto generado por la limitación del espacio del plénum en el distribuidor.
Figura 7. Geometría del plénum. (a) Cilíndrica (b) Cónica.
2.2.3 Objeto inmerso
Se seleccionan esferas de dos diámetros diferentes (1cm y 0,5cm) teniendo como fundamento estudios realizados anteriormente [14] [15] y recomendaciones expuestas en literatura [13]. Estas, se elaboran en cerámica ya que es un material liviano que permite mitigar altas caídas de presión en el reactor y al mismo tiempo presentan una resistencia térmica que supera los 500ºC [21].
Figura 8. Esferas. (a) Diámetro de 1cm (b) Diámetro de 0,5cm.
(a) (b)
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2.2.4 Boquilla interna
Se plantea una nueva propuesta en el ámbito de estudios de fluidización que corresponde a un dispositivo llamado “Latón de escape regulativo”. Este consta de un cuerpo elaborado con un metal poroso que para el modelo en frío será incorporado en Bronce, y para el modelo real se cambiaría por uno en acero inoxidable [22].
Figura 9. Latón de escape regulativo [23]. Figura 10. Vista del latón al interior del plénum.
En la industria, este elemento se comercializa con una funcionalidad especial para reducir el ruido de un equipo neumático, teniendo en cuenta el equilibrio que debe existir con la presión inversa aceptable en el sistema [24]. Sin embargo, dado que presenta un principio similar al de un distribuidor de gas en lo que respecta a la dispersión del mismo por efecto de una considerable reducción de la presión inicial al involucrar más espacios por los cuales puede pasar el flujo de gas, se consideró como una buena e innovadora alternativa en el diseño.
2.2.5 Malla
Se decide incorporar este elemento que se ubicará tanto en la parte inferior del grid como en el fondo del plénum, con el fin de impedir el paso de las partículas de desechos neumáticos hacia el distribuidor de gas e igualmente impedir el taponamiento de la conexión para la inyección del gas en la parte inferior del plénum. El material que será utilizado para su implementación será acero inoxidable 304, dado que presenta una resistencia térmica que supera los 500ºC en aire seco [25]. Sin embargo, por precaución y calidad del experimento, esta deberá ser cambiada al implementarse en el modelo real cada 2 o 3 pruebas de pirólisis ya que pueden presentarse cambios en su estructura por dilatación del material. Finalmente, cabe aclarar que esta no se establecerá como un factor adicional en el diseño factorial, dado que hará parte de todos los experimentos.
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Figura 11. Malla para el distribuidor de gas
2.3 Diseño factorial
Para llevar a cabo el estudio de la hidrodinámica del reactor de lecho fluidizado, se plantean dos diseños factoriales en los cuales difiere la inclusión del latón de escape regulativo, teniendo en cuenta los efectos significativos generados sobre la caída de presión en el sistema (véase la sección 3 de resultados) y el procedimiento experimental.
A partir de estos, se llegará a determinar la mejor configuración que presente en lo posible la menor caída de presión, la menor velocidad mínima y máxima de fluidización y el mejor perfil de fluidización radial que otorgue por ende las mejores características hidrodinámicas del sistema y contribuya igualmente a la economía de operación del sistema con un requerimiento bajo de flujo de nitrógeno. En seguida se expone el planteamiento de cada uno de estos.
2.3.1 Diseño factorial 𝟐𝟒
Para este diseño factorial, se tienen 4 factores asociados al diseño del reactor que afectan la fluidización con dos niveles asociados, teniendo como variable de respuesta la caída de presión en el sistema. A continuación se muestran los factores propuestos con su respectivo nivel para este estudio:
Tabla 3. Factores y sus respectivos niveles involucrados en el diseño factorial 24.
Nivel
Factores Alto (+) Bajo (-)
Geometría del plénum(A)
Terminación
cilíndrica Terminación cónica
Grid (B) Plato perforado de arreglo cuadrado
Plato perforado de arreglo circular
Objeto inmerso (C) Esferas grandes (d= 1cm)
Esferas pequeñas (d=0,5cm)
16
Boquilla interna (D) Sin latón de escape regulativo
Con latón de escape regulativo
E igualmente se muestran las combinaciones a realizar de los factores mencionados.
Tabla 4. Experimentos planteados de acuerdo a la combinación de factores propuestos para la evaluación hidrodinámica del reactor de lecho fluidizado.
Experimento Geometría del plénum (A)
Grid (B) Objeto inmerso (C)
Boquilla interna (D)
1 -1 -1 -1 -1
2 1 -1 -1 -1
3 -1 1 -1 -1
4 1 1 -1 -1
5 -1 -1 1 -1
6 1 -1 1 -1
7 -1 1 1 -1
8 1 1 1 -1
9 -1 -1 -1 1
10 1 -1 -1 1
11 -1 1 -1 1
12 1 1 -1 1
13 -1 -1 1 1
14 1 -1 1 1
15 -1 1 1 1
16 1 1 1 1
Dado que se propone realizar una réplica para este diseño factorial, se realiza un total de 32 experimentos.
2.3.2 Diseño factorial 𝟐𝟑
Para este diseño factorial, se realiza el mismo planteamiento enunciado en el literal anterior en términos de las variables de respuesta y la descripción sobre la mejor configuración del distribuidor, a diferencia de que en este caso solo se tienen 3 factores que excluyen el latón de escape regulativo. A continuación se muestran los factores propuestos con su respectivo nivel para este estudio:
Tabla 5. Factores y sus respectivos niveles involucrados en el diseño factorial 23
Nivel
Factores Alto (+) Bajo (-)
Geométrica del
17
Grid (B) Plato perforado de arreglo cuadrado
Plato perforado de arreglo circular
Objeto inmerso (C)
Esferas grandes (d= 1cm)
Esferas pequeñas (d=0,5cm)
E igualmente se muestran las combinaciones a realizar de los factores mencionados:
Tabla 6. Experimentos planteados de acuerdo a la combinación de factores propuestos para la evaluación hidrodinámica del reactor de lecho fluidizado.
Experimento Geometría del
plénum (A)
Grid (B) Objeto inmerso (C )
1 1 1 1
2 -1 -1 -1
3 -1 1 1
4 1 -1 -1
5 1 1 -1
6 -1 -1 1
7 1 -1 1
8 -1 1 -1
En este caso, incluyendo la réplica se realizan un total de 16 experimentos.
2.4 Diseño plato perforado
Para llevar a cabo el diseño de esta sección del distribuidor de gas, es necesario tener en cuenta el fundamento teórico (Véase Anexo 2).
Se tienen en cuenta entonces parámetros asociados a las propiedades del fluido y el lecho en cuestión, además de parámetros asociados a la geometría del plato. A continuación se muestran en las tablas 7 y 8.
Tabla 7. Parámetros del sistema involucrados en el diseño del plato perforado
Parámetro Valor Unidades
Velocidad superficial del gas (Ug) 0,350 [14] m/s
Densidad del lecho (ρb) 24* kg/m3
Densidad del gas (ρg) 1,25 [26] kg/m3
Profundidad del lecho (𝐿𝐵) 0,080 [14] m
*Parámetro estimado por aproximación de acuerdo a la densidad real de partícula reportada para desechos neumáticos de 0,25mm de diámetro [14]
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Tabla 8. Parámetros asociados a la geometría del plato perforado
Parámetro Valor Unidades
Diámetro (D) 0,0500 [14] m
Espesor (t) 0,0035** m
Tamaño del agujero (dh) 0,0020** m
**Parámetros estimados teniendo en cuenta la disponibilidad y manipulación del material involucrado en la construcción del plato perforado.
Realizando los cálculos pertinentes para un espaciamiento de arreglo cuadrado, se tiene un valor para el número de agujeros (N) igual a 94, y un espaciamiento entre agujeros
(𝐿ℎ)igual a 4 mm.
En lo que respecta al plato perforado con arreglo circular, se tomó en cuenta el mismo análisis realizado para el plato perforado de arreglo cuadrado y se realizó una distribución que tuviera un número equiparable de perforaciones, que en este caso fueron 97. El espaciamiento entre agujeros varía de acuerdo al arreglo de los radios, sin embargo, el diseño se realizó de tal manera que el espaciamiento máximo fuera igualmente de 4mm.
2.5 Selección de materia prima
Los desechos neumáticos fueron proveídos por el laboratorio de mecánica ML 041 de la Universidad de los Andes (Bogotá, Colombia), como material donado por estudios anteriores de procesos de pirólisis.
Se realizó un análisis granular implementando una torre de tamices Pinzuar y una tamizadora modelo PS-35/serie 1168 de los desechos neumáticos. Para ello, se seleccionaron los tamices 8, 14, 20, 40, 60 y 80 y se tamizó una cantidad de 462 g.
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A continuación se muestran los pesos de las muestras obtenidos para cada tamiz.
Tabla 9. Análisis granular para los desechos neumáticos
Tamices Diámetro de partícula (mm)
Peso de muestra obtenida(g)
8 2,36 27,8
14 1,40 135
20 0,950 99,7
40 0,425 118
60 0,250 57,8
80 0,180 22,6
Finalmente, solo se recolectan las muestras del tamiz 40 dado que el diámetro de partícula 0,425mm resulta ser el más adecuado para la dinámica de fluidización de acuerdo a estudios realizados [14] [20], e igualmente teniendo en cuenta que es un tamaño justo para impedir el paso de partículas hacia el distribuidor.
2.6 Procedimiento experimental (pruebas hidrodinámicas)
Para llevar a cabo el estudio de la hidrodinámica del reactor de lecho fluidizado, es necesario tener en cuenta lo estipulado en la sección 1.1.4 Cálculo experimental de la velocidad mínima de fluidización a partir de la pérdida de carga en el lecho y en la sección 2.3 Diseño factorial.
2.6.1 Medición de caída de presión y determinación de la velocidad mínima de fluidización
Para esta etapa del procedimiento experimental, se realiza la medición de la caída de presión en dos puntos ubicados en la sección próxima al distribuidor de gas (alturas 8cm y 16cm aproximadamente) utilizando un manómetro de presión diferencial Extech HD755, para un rango de velocidad superficial del gas que abarque el comportamiento de lecho fijo hasta el comportamiento de lecho fluidizado. En cuanto se evidencie la transición de estos dos regímenes, se registra la velocidad mínima de fluidización y para una velocidad de 5 m/s superior a esta se procede a registrar de forma gráfica los perfiles de dispersión de las partículas a nivel radial desde una perspectiva transversal y longitudinal.
Para los experimentos del diseño factorial 24, se utiliza un anemómetro Enviro-Meter™ Serie 4332CC, para el cual, la medición de este parámetro implica la desconexión de la manguera del reactor. Mientras que para los experimentos del diseño factorial 23, se realiza un cambio en la experimentación al implementar un flujómetro Dwyer Serie RMA-8-SSV.
20
Esto, partiendo de las siguientes condiciones de operación que posibilitan la menor caída de presión en el sistema.
Tabla 10. Condiciones de operación para la ejecución de las pruebas hidrodinámicas.
Parámetro Valor Unidades
Alimentación de materia prima 50 [14] ml
Altura del lecho ~8[14] cm
Tamaño de partícula 0,425 mm
Presión de operación Patm bar
Temperatura de operación Tamb °C
2.6.2 Medición velocidad máxima de fluidización
Para este ensayo, las perforaciones dispuestas en el diseño para medir la caída de presión se taponan y se activa el flujo de aire hasta evidenciar una liberación de las partículas por el escape de gases justo bajo la válvula que permite el ingreso de la materia prima al reactor. En este caso, se toma el dato del flujo y se realiza un registro en video para notificar la dinámica de fluidización en su punto máximo.
2.6.3 Medición velocidad de operación
Esta última prueba, se realiza únicamente para la mejor configuración del distribuidor de gas. Se efectúa en el rango determinado por la velocidad mínima y máxima de fluidización obtenida para el experimento, teniendo las mismas condiciones del montaje estipuladas en el literal anterior. Sin embargo, en este caso se ubica la materia prima en
Figura 13. Montaje para las pruebas hidrodinámicas 24
Figura 14. Montaje para las pruebas hidrodinámicas 23
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la parte superior del reactor para llegar a simular el descenso de la misma en una prueba del proceso de pirólisis.
Figura 15. Montaje para la determinación de la velocidad de operación.
El criterio de selección de esta velocidad se establece teniendo en cuenta la liberación de partículas por el escape de gases y el hecho de que las partículas deben ingresar al reactor para entrar inmediatamente en la dinámica de fluidización.
2.7. Selección de material para la elaboración del reactor
En estudios anteriores, se ha implementado con éxito un reactor de lecho fijo elaborado en acero inoxidable para la ejecución de reacciones de pirólisis. Los resultados obtenidos fueron satisfactorios, dado que este material no presentó deterioros significativos sobre su estructura para la operación a temperaturas entre los 500 y 700°C. No obstante, con el paso del tiempo se presentó un deterioro del material justo en la superficie del equipo, identificado como corrosión [27].
De acuerdo a esto, se procede a seleccionar una aleación de acero inoxidable que presente una mayor resistencia a este fenómeno, al igual que a la oxidación a temperaturas elevadas. A partir de la clasificación de este tipo de material, según literatura es recomendable trabajar con aceros inoxidables austeníticos (serie 300) [28].
En lo que respecta a la estabilidad estructural, se recomienda utilizar un acero inoxidable de grado 304 debido a que este es inmune a la formación de la fase sigma, en comparación con grados que presentan altos contenidos de cromo como el 310, molibdeno en el caso de los grados 316 y 317 o con altos contenidos de silicio como el grado 314. La fase sigma se genera por exposiciones prolongadas a temperaturas en un rango de 590 -870°C y presenta un efecto negativo sobra la fragilidad del material, ocasionando en el peor de los casos una ruptura del mismo [25].
22
Igualmente en términos de la resistencia térmica y oxidativa, el acero inoxidable de grado 304 maneja una temperatura máxima de servicio para operaciones de forma intermitente de 870°C y para operaciones de forma continua de 925°C [25]. Estas condiciones aplican para un ambiente en aire seco, sin embargo, en atmósfera inerte se esperaría un comportamiento similar.
3. Resultados y discusión
Para el estudio de las configuraciones del distribuidor de gas, se realizó un análisis detallado únicamente a partir de los resultados obtenidos para el diseño factorial 23. Se desestimaron las réplicas realizadas para el diseño 24 , porque la metodología experimental utilizada en este caso contribuyó con un error significativo en la toma de datos. Esto se debe a que, al conectar y desconectar la manguera del reactor para medir la velocidad superficial del gas, la caída de presión en el sistema presentaba variaciones relevantes (véase anexo 4).
Sin embargo, con estos experimentos fue posible concluir que el latón de escape regulativo otorga una caída de presión bastante alta, a pesar de que presenta una fluidización adecuada a nivel radial y axial. Por lo tanto, se replantea el diseño experimental por un diseño 23, en el cual se excluye el latón y se implementa una metodología experimental más adecuada que permite mantener constantes las condiciones de operación.
Los resultados que se muestran a continuación, permitirán determinar la mejor configuración del distribuidor de gas teniendo en cuenta un proceso de preselección que se realiza con los parámetros correspondientes a la caída de presión, y a la velocidad mínima y máxima de fluidización. Finalmente, la selección definitiva se realizará en base a los perfiles de fluidización radial que dan un mejor indicio sobre la dinámica de fluidización en el sistema.
3.1 Gráficas Caída de presión Vs. Velocidad superficial del gas
Para cada uno de los experimentos, se muestra una gráfica que relaciona la caída de presión próxima al distribuidor de gas contra la velocidad superficial del gas. Estas presentan unas barras de error asociadas a las réplicas que permiten verificar la reproducibilidad y veracidad del conjunto de datos tomados.
23 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
0 5 10
C aí d a d e p re si ó n ( mb ar )
Velocidad superficial del gas m/s
Experimento 1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
0 5 10
C aí d a d e p re si ó n ( mb ar )
Velocidad superficial del gas m/s
Experimento 2 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
0 5 10
C aí d a d e p re si ó n ( mb ar )
Velocidad superficial del gas m/s
Experimento 3 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
0 5 10
C aí d a d e p re si ó n ( mb ar )
Velocidad superficial del gas (m/s)
Experimento 4 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
0 5 10
C aí d a d e p re si ó n ( mb ar )
Velocidad superficial del gas (m/s)
Experimento 5 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
0 5 10
C aí d a d e p re si ó n ( mb ar )
Velocidad superficial del gas (m/s)
Experimento 6 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
0 5 10
C aí d a d e p re si ó n ( mb ar )
Velocidad superficial del gas (m/s)
Experimento 7 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
0 5 10
C aí d a d e p re si ó n ( mb ar )
Velocidad superficial del gas (m/s)
Experimento 8
Figura 16. Pruebas hidrodinámicas realizadas para evaluar la caída de presión y determinar la velocidad mínima de fluidización. Experimentos 1-8 planteados de acuerdo al diseño factorial presentado en las tablas 5 y 6.
24
Como se puede ver en la figura 16, es posible analizar que para la totalidad de los experimentos se presenta un comportamiento similar al representado en la literatura (véase figura 3). Se identifica entonces que la caída de presión próxima al distribuidor asciende a medida que aumenta la velocidad superficial del gas hasta un valor máximo, y luego desciende aproximadamente a 2/3 de dicho valor, en el que se mantiene constante. Esto se debe a que en el régimen de lecho fijo, al aumentar la velocidad superficial del gas, la presión requerida para perturbar las partículas aumenta, hasta que se presenta la transición hacia el régimen turbulento. En éste, algunas partículas vencen las fuerzas de cohesión, al igual que la fuerza de gravedad, y logran suspenderse en el la región libre del reactor tomando el comportamiento de un fluido.
Por otro lado, se identifica que existe ruido en los experimentos, el cual podría deberse a la desestabilización aleatoria del lecho. Esto quiere decir que, a pesar de que el reactor se posicione de forma vertical, la superficie del lecho desde una vista longitudinal no conserva un ángulo de 180º a medida que se le inyecta el flujo. Esto ocurre principalmente a partir de la transición de régimen laminar a régimen turbulento, por lo cual, durante el experimento es necesario reacomodar las partículas para cada toma de datos de la caída de presión.
3.2 Superficies de respuesta y gráficas de contorno
A partir de los resultados obtenidos para la caída de presión, siendo esta la variable de respuesta en el diseño factorial, se realizaron las siguientes gráficas de superficie junto con sus respectivas gráficas de contorno, con el fin de abstraer apropiadamente la información sobre la interacción entre los niveles de dos factores determinados. En estos términos, dado que son 3 factores, se efectúan las 3 combinaciones posibles.
Figura 17. Interacción entre factores de acuerdo a la caída de presión: Geometría del plénum Vs Grid. (a) Superficie de respuesta (b) Gráfica de contorno.
Grid
Ge
om
et
ría
P
lé
nu
m
1,0 0,5 0,0 -0,5 -1,0 1,0
0,5
0,0
-0,5
-1,0
> – – – – < 0,40 0,40 0,45 0,45 0,50 0,50 0,55 0,55 0,60 0,60 DeltaP
25
Figura 18. Interacción entre factores de acuerdo a la caída de presión: Geometría del plénum Vs Objeto inmerso. (a) Superficie de respuesta (b) Gráfica de contorno.
Figura 19. Interacción entre factores de acuerdo a la caída de presión: Grid Vs Objeto inmerso. (a) Superficie de respuesta (b) Gráfica de contorno.
De acuerdo a estas figuras, se busca identificar la combinación de niveles que proporcione la caída de presión más baja dado que se espera que la configuración del distribuidor de gas genere la menor resistencia posible para fluidizar el lecho. En este orden de ideas, en la figura 17 se observa que el nivel alto de la geometría del plénum, junto con el nivel bajo del grid presentaron la menor caída de presión, es decir, el cilindro junto con el plato perforado de arreglo circular. Ahora, en la figura 18 los niveles altos de la geometría del plénum y del objeto inmerso, es decir, el cilindro y las esferas grandes otorgaron la menor caída de presión en el sistema. Y finalmente, en la figura 19 se identifica que los niveles altos del grid y el Objeto inmerso, es decir, el plato perforado de arreglo cuadrado y las esferas grandes, fueron los que mostraron la menor caída de presión.
Se analiza entonces, que solo en términos de este parámetro, la configuración del distribuidor de gas opcionada sería la del cilindro, junto con el plato perforado de arreglo cuadrado o circular y las esferas grandes (experimentos 1 y 7 respectivamente). Sin embargo, no se descartan las combinaciones que otorguen una caída de presión en un rango de 0,4 a 0,5, con tal de seleccionar la configuración que presente las mejores características en términos de la dinámica de fluidización.
Objeto inmerso G eo m et ría P lé nu m 1,0 0,5 0,0 -0,5 -1,0 1,0 0,5 0,0 -0,5 -1,0 > – – – – < 0,40 0,40 0,45 0,45 0,50 0,50 0,55 0,55 0,60 0,60 DeltaP Objeto inmerso G rid 1,0 0,5 0,0 -0,5 -1,0 1,0 0,5 0,0 -0,5 -1,0 > – – – – < 0,40 0,40 0,45 0,45 0,50 0,50 0,55 0,55 0,60 0,60 DeltaP
(a) (b)
26
3.3 Velocidad mínima y máxima de fluidización
A partir de los resultados expuestos en la figura 16, es posible determinar la velocidad mínima de fluidización teniendo en cuenta la intersección que se forma al prolongar la línea asociada al régimen laminar y la línea asociada al régimen turbulento (véase figura 3). Por otra parte, se muestra la velocidad máxima de fluidización determinada experimentalmente.
Tabla 11. Valores obtenidos para las velocidades Umf y Umaxf
Experimento Velocidad mínima de fluidización (m/s)
Velocidad máxima de fluidización (m/s)
1 5,50 15,3
2 6,65 15,7
3 5,50 17,7
4 6,65 20,4
5 7,30 20,4
6 9,55 20,4
7 7,30 20,4
8 9,55 18,2
Estos valores, permiten identificar qué experimentos presentan la velocidad mínima y máxima de fluidización más baja con el fin de seleccionar la configuración del distribuidor de gas que requiera un menor flujo de nitrógeno para la operación del proceso de pirólisis en el modelo real. De acuerdo a esto, se contemplan los experimentos que presenten un rango de 5,5-6,65 m/s para la velocidad mínima de fluidización y un rango de 15,325-17,7 m/s para la velocidad máxima de fluidización.
En estos términos, las configuraciones posibles para su selección serían los experimentos 1, 2 y 3. En donde el experimento 1 corresponde a la configuración cilindro, plato perforado de arreglo cuadrado y esferas grandes, para el cual se presenta la velocidad mínima y máxima de fluidización más baja. El experimento 2, corresponde a la configuración cono, plato perforado de arreglo circular y esferas pequeñas, para el cual entre estos 3 experimentos presenta un valor medio de la velocidad mínima y máxima de fluidización. Y finalmente, el experimento 3 corresponde a la configuración cono, plato perforado de arreglo cuadrado y esferas grandes, para el cual, entre estos 3 experimentos presenta el mayor valor de la velocidad mínima y máxima de fluidización.
3.4 Perfil de fluidización radial
Finalmente, para llegar a determinar la mejor configuración del distribuidor de gas, es necesario identificar cuál de los experimentos contemplados de acuerdo a los parámetros de caída de presión y velocidad mínima y máxima de fluidización cumplen con el perfil más homogéneo en lo que respecta a la fluidización a nivel radial.
27
Tabla 12. Perfiles de fluidización de las partículas a nivel radial en el reactor Experimentos 1-8 planteados de acuerdo al diseño factorial presentado en las tablas 5 y 6.
Exp. Perfil Transversal Perfil longitudinal Exp. Perfil Transversal Perfil longitudinal
1 5
2 6
3 7
4 8
Notas:
I. Los perfiles transversal y longitudinal, se registraron una vez se presentó la transición de régimen laminar a régimen turbulento (5 m/s por encima de la velocidad mínima de fluidización).
II. Las regiones sombreadas en el perfil transversal, representan las secciones en las cuales se evidencia la mayor fluidización de las partículas del lecho.
III. Las flechas denotadas en el perfil longitudinal, representan las trayectorias que toman las partículas.
IV. Las líneas punteadas en el perfil longitudinal, representan la forma que toma la superficie del lecho.
Reuniendo los experimentos seleccionados anteriormente (experimentos 1, 2, 3 y 7), de los cuales el experimento 1 sería el más opcionado dado que tanto por el parámetro de caída de presión como por los parámetros de velocidad mínima y máxima de fluidización cumple con los valores más bajos, se procede a verificar su efectividad de fluidización.
Como se puede observar en la tabla 12, los perfiles de fluidización del experimento 1 muestran que la fluidización se da únicamente en una región de aproximadamente 1/3 del área transversal, la cual, se posiciona de forma descentralizada. Para el experimento 2 se puede evidenciar que el perfil de fluidización transversal presenta un área superior a 2/3, la cual, además de ser tan amplia se posiciona de manera concéntrica respecto a las paredes del reactor. Para el experimento 3, el área de mayor fluidización en el perfil
28
transversal corresponde aproximadamente a 1/3, y se posiciona en dos secciones distintas adyacentes a las paredes del reactor. Y finalmente para el experimento 7, se muestra que la mayor fluidización se da en un rango de 1/3 a 2/3 del área transversal aproximadamente, y se posiciona en 4 regiones distintas más cercanas al centro.
En este orden de ideas, la configuración del distribuidor de gas más apropiada al otorgarle una mayor prioridad a la dinámica de fluidización a nivel radial, corresponde al experimento 2 (cono, plato perforado de arreglo circular y esferas pequeñas).
A pesar de que esta configuración presente una caída de presión alta por efecto del cono y las esferas pequeñas principalmente, como se puede evidenciar en las figuras 17-19, se le atribuye un mayor peso al efecto positivo generado por el direccionamiento homogéneo del flujo desde la región de distribución del gas hacia la región libre del reactor. A nivel operacional, esta configuración representa una mayor eficiencia a pesar de que el flujo de nitrógeno requerido sea un poco mayor al requerido si se utilizara otro tipo de configuración. No obstante, este flujo de nitrógeno tampoco representa un valor alarmante en términos económicos dado que el valor agregado de los productos obtenidos por el proceso de pirólisis podría igualmente superar los costos operacionales en cuanto el proceso se instale a gran escala.
3.5 Velocidad de operación
Para la configuración del distribuidor de gas seleccionada (experimento 2), se realizaron observaciones de la caída de materia prima para tres velocidades superficiales del gas establecidas en el rango de la velocidad mínima y máxima de fluidización determinadas (6,65 -17,7m/s que corresponde a un flujo de 45 pies3/h – 85 pies3/h) véase anexo 5 para corroborar con la curva de calibración realizada.
29
Figura 21. Vista del escape de gases 25 segundos después del descenso de materia prima.
De acuerdo a la figura 21, se puede identificar que al operar con un flujo de 45 ft/h, el cual se encuentra asociado a la velocidad mínima de fluidización, se alcanza a presentar una pequeña pérdida de materia prima por el escape de gases. A medida que aumenta el flujo de gas, el cual se aproxima a la velocidad máxima de fluidización, se evidencia que la pérdida de materia incrementa significativamente (hasta 1/20 aproximadamente de la cantidad inicial).
Por otro lado, en lo que respecta a la facilidad en el descenso de la materia dado que el flujo contrarresta la fuerza de gravedad, para flujos superiores a 60 ft3/h la apertura de la válvula es insuficiente para lograr el ingreso de la materia al reactor. Por lo cual, es necesario ejercer una fuerza externa sobre el sistema. Sin embargo, aún aplicando esta fuerza para el flujo correspondiente a 85 ft3/h, el cual se encuentra asociado a la velocidad máxima de fluidización, el flujo contrarresta totalmente cualquier tipo de fuerza e impide por ende el descenso de la materia prima.
Ahora, teniendo en cuenta que para la ejecución de esta primera fase del proceso de pirólisis se requiere la menor proporción de partículas liberadas por el escape de gases y que el ingreso de estas al reactor conlleve a un efecto inmediato de la dinámica de fluidización, se recomienda operar con un flujo en un rango de 50 – 55 ft3/h.
Si la acción de control del flujo resulta ser rápida durante la operación, se recomienda aumentar el flujo mencionado a un valor de 75 ft3/h una vez la materia prima descienda totalmente al sistema, para lograr un mayor efecto de fluidización de las partículas.
3.6 Modelo real del reactor
La construcción del modelo real se realizó teniendo en cuenta las dimensiones de la mufla marca Thermo Scientific modelo número: F30420C-60-80 al igual que las dimensiones del sistema de alimentación de materia prima que se ubica en la parte superior de la mufla.
Estado inicial de referencia 45 ft3
30
Figura 22. Sistema de pirólisis para la instalación del modelo real de lecho fluidizado.
Dado que su instalación requiere de la ubicación de la región del lecho del reactor al interior de la mufla, y el cuello del reactor en la parte exterior para que pueda ser conectado con el sistema de alimentación de materia prima, se elaboró como un conjunto de dos piezas como se muestra en la figura 23. La parte principal en donde ocurre la pirólisis, está constituida por un acondicionamiento de rosca macho tanto en la parte inferior como en la parte superior. Mientras que la segunda pieza, presenta únicamente un acondicionamiento de rosca hembra en la parte inferior.
Figura 23. Modelo real del reactor pirolítico de lecho fluidizado. (a) Modelo compacto del reactor (b) Piezas del cuerpo del reactor. (Véase anexo 6 para identificar su dimensionamiento).
31
Igualmente, para facilidad de limpieza luego de ejecutar la prueba de pirólisis, el distribuidor de gas se elabora en dos piezas. Una que corresponde al grid seleccionado (plato perforado de arreglo circular), el cual, presenta un acondicionamiento por ambos lados de rosca hembra para que pueda ser ajustado tanto al cuerpo del reactor como la pieza ubicada en la parte inferior. Y otra que corresponde a la geometría del plénum seleccionado (cono), el cual presenta un acondicionamiento en la parte superior de rosca macho.
Figura 24. Piezas del distribuidor de gas. (a) Grid (b) Plénum (c) Modelo compacto del distribuidor.
Para la
Para la instalación de este reactor, se requiere retirar reactor de lecho fijo ubicado en la mufla. Las conexiones tanto de la pieza de alimentación de materia prima, como la conexión para la inyección del flujo de nitrógeno, deberán adecuarse asegurando la condición de hermeticidad del sistema, por lo cual se debe realizar una verificación de fugas con aire antes de iniciar una prueba de pirólisis. Para tal fin, se sugiere reforzar las uniones de las conexiones con cinta de grafito reforzada con fibras iconel, o también llamada cinta HITEM dado que puede resistir altas condiciones de operación hasta de 3000ºC y 200 bares en atmosferas reductoras [29].
Figura 25. Vista al interior de la mufla en donde se ubicará el reactor.
32
Adicional a lo anterior, se sugiere la elaboración de una base para el reactor de tal manera que se pueda ubicar verticalmente en la mufla, dado que la pieza inferior que corresponde a la geometría del plénum presenta una terminación cónica. Esto es importante debido a que el perfil de fluidización radial mostrado en este estudio, solo se puede generar nuevamente si la superficie del lecho desde una vista longitudinal forma un ángulo de 180°.
Y finalmente, se requiere de un sistema de refrigeración en la pieza que conecta el cuerpo del reactor con el sistema de alimentación en la parte superior externa de la mufla, con la finalidad de evitar que los desechos neumáticos reaccionen antes de poder ingresar a la región del lecho en donde se da la reacción. Una vez realizado este trabajo, es posible proceder con la ejecución de la prueba de pirólisis.
4. Conclusiones
La configuración del distribuidor de gas más apropiada para proporcionar las mejores características de la dinámica de fluidización de desechos neumáticos fue la combinación de un cono, un plato perforado de arreglo circular y unas esferas de cerámica de 0,5 cm de diámetro.
El latón de escape regulativo propuesto, proporciona igualmente excelentes características de la dinámica de fluidización, sin embargo, presenta una caída de presión más elevada con respecto a las demás configuraciones estudiadas, que incurre directamente en costos elevados para la implementación de nitrógeno en una prueba de pirólisis.
La condición de hermeticidad del sistema es clave para que ocurra el fenómeno de fluidización. Esto, dado que las fugas en el sistema generan un cambio en la trayectoria del gas que presentará una tendencia a escapar del equipo sin fluidizar las partículas del lecho.
Es inevitable la liberación de partículas por el escape de gas en el momento de la alimentación de la materia prima al reactor. No obstante, la cantidad de partículas que se liberan no representa una cantidad significativa si se trabaja con la velocidad de operación inicial estipulada en este estudio.
Para llevar a cabo una prueba de pirólisis más efectiva, se requiere de una acción inmediata del controlador de flujo para que al ingresar la materia prima al reactor con un valor bajo del flujo, este pueda aumentar al instante para llegar a trabajar a la velocidad de operación que permite proporcionar una ganancia de altura mayor de las partículas del lecho.
5. Trabajo a futuro
Se requiere de la instalación del reactor en el equipo de pirólisis para llegar a realizar el estudio de la comparación del sistema fluidizado con el sistema de lecho fijo en términos de la efectividad de conversión de biomasa y costos operacionales asociados. Por otra parte, se espera realizar una mejora de la transferencia de calor hacia el reactor, implementando un sistema de acondicionamiento de temperatura que implique la
33
reducción de la distancia entre las paredes del reactor y las paredes del sistema enunciado.
Finalmente, el estudio del proceso de pirólisis podría realizarse con otro tipo de biomasa, lo cual implica nuevamente la estimación de las condiciones de operación en términos del flujo de nitrógeno, el tamaño de partícula y la temperatura a utilizar en el proceso.
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