Cualquier sistema debe modelarse de modo que sus relaciones de entrada-salida puedan obtenerse incluso antes de que se construya un sistema real, de modo que el diseño pueda optimizarse para la operación. El modelado del sistema de gasificación requiere un estudio de la termodinámica y la cinética de reacción subyacente a este proceso.
2.1 Modelado termodinámico
La termodinámica tiene la característica especial de poder describir un proceso y predecir su resultado casi sin considerar los detalles del sistema en el que ocurre el proceso. Esta característica de la termodinámica es de gran valor para modelar fenómenos y predecir sus resultados incluso antes de emprender el diseño conceptual de un sistema. Una vez que el sistema se instala y se pone en marcha, las leyes termodinámicas ayudan a identificar los puntos óptimos de operación del sistema en los que su rendimiento es el más deseable. Por lo tanto, el análisis termodinámico de un sistema es una herramienta poderosa en la etapa de diseño y operación. Las leyes primarias que rigen el proceso son la ley de conservación de masas, la primera ley de la termodinámica y la segunda ley.
Para comprender la gasificación, es necesario conocer la composición de la materia prima en forma de una fórmula molecular. También es necesario saber el contenido de humedad, materia volátil, ceniza y carbón residual del combustible en condiciones normales de combustión. Por lo tanto, a través de la ley de conservación de la masa se proporcionan algunas ecuaciones básicas que deben satisfacerse siempre.
Por otro lado, la primera ley de la termodinámica establece que todo el proceso de gasificación debe satisfacer las leyes de conservación de energía, al igual que cada fenómeno básico que constituye la gasificación (secado, pirólisis, oxidación, reducción). Dado que la mayoría de estos fenómenos básicos son mecanismos de reacciones químicas extremadamente complejos, la primera ley para estos fenómenos involucraría las entalpías básicas de formación de todas las especies consideradas en las reacciones. Por lo tanto, a menudo, estos fenómenos se modelan mediante un conjunto reducido de reacciones representativas.
La dirección favorecida de una reacción se decide por su espontaneidad, que es el dominio de la segunda ley de la termodinámica. Dada la temperatura, la presión y las especies participantes, esta ley permite determinar el estado final de una reacción en la cual el sistema iría al equilibrio termodinámico, dado el tiempo adecuado para que se establezca dicho equilibrio. Así, la composición de especies en equilibrio daría el producto final de la gasificación en un modelo termodinámico.
En resumen, el modelo termodinámico de un sistema de gasificación necesita como entrada los siguientes ítems:
i) Composición elemental y calores estándar de formación de los componentes de la materia prima.
ii) Datos estándar de entalpía y entropía junto con la dependencia de la temperatura para todas las especies de sustancias involucradas.
Usa las ecuaciones de:
a) Balance elemental de las especies involucradas (C, H, O, N, S) y conservación de masa, incluida la de la ceniza.
51 b) La primera ley de la termodinámica correspondiente a los diversos procesos que tiene en cuenta las entalpías de formación de las corrientes constituyentes y la adición/resta de calor sensible y latente en los diversos procesos.
c) Las condiciones de equilibrio, ya sea en forma de constantes de equilibrio de las reacciones constituyentes en función de la temperatura, o en la forma de funciones de Gibbs de las corrientes constituyentes.
El modelo es capaz de predecir:
1. Composición del gas.
2. Proporciones requeridas de materia prima y agente gasificante.
3. Los efectos de diversas condiciones termodinámicas de funcionamiento, como la presión, la temperatura y la relación de materias primas/agente oxidante, sobre la composición del gas.
4. Eficiencia global del proceso de conversión en diferentes condiciones de operación.
5. Condiciones óptimas de operación, basadas en las predicciones anteriores.
Sin embargo, el tiempo de residencia de las especies que reaccionan en el sistema no es infinitamente largo y las predicciones obtenidas de un modelo termodinámico son generalmente los rendimientos máximos alcanzables del producto deseado de un sistema de reacción, sin tener en cuenta que pueden darse a tiempos muy elevados. Dado que un modelo termodinámico no tiene en cuenta los detalles del sistema de gasificación y el tiempo de residencia de los reactivos en el sistema, las predicciones del modelo termodinámico están restringidas en la aplicación práctica.
2.2 Modelado cinético
Para tener en cuenta el tiempo finito disponible para las reacciones, es necesario un modelo cinético, que considere el progreso de una reacción como ocurre en el reactor, teniendo en cuenta la geometría y el flujo de fluido y, por lo tanto, el tiempo de residencia.
En un gasificador de lecho fijo, como el caso de estudio, los tamaños de partículas son más grandes y, por lo tanto, el tiempo necesario para los fenómenos de difusión de calor y masa son significativos, siendo estos procesos los determinantes para el requisito de tiempo de residencia dentro del gasificador. A medida que las partículas se mueven hacia la zona de reducción, sus tamaños disminuyen debido a que se consumen por las reacciones en superficie. Así, en un sistema de gasificación de lecho fijo, la duración de las zonas de secado, pirólisis, oxidación y reducción reflejan las velocidades a las que se producen estas reacciones. Siendo las reacciones de oxidación, pirólisis y secado las más rápidas y, por ende, la de reducción la más lenta.
Además de la clasificación en termodinámico o cinético, los modelos de gasificación también se establecen en función de la forma en que modelan la variación espacial de los fenómenos en un reactor como se explica a continuación.
2.3 Clasificación de los modelos de gasificación
En función de cómo un modelo de gasificación trata la distribución espacial de los fenómenos en un reactor, se los podría clasificar como modelos de cero dimensiones, unidimensionales o multidimensionales. De hecho, dado que en muchos sistemas de gasificación los fenómenos predominantes en diferentes partes del gasificador pueden ser de secado, pirólisis, oxidación o reducción, también es posible usar un modelo termodinámico o cinético para cada fenómeno en diferentes partes del reactor.
2.3.1 Modelos Cero-Dimensionales
Estos son los modelos más rudimentarios de gasificación. Consideran el gasificador completo como un volumen de control único y aplican la conservación de la masa y la energía y las ecuaciones de equilibrio termodinámico para determinar la composición del producto y la temperatura al final de la gasificación. A menudo, los fenómenos de secado y pirólisis no se modelan y las ecuaciones de oxidación-reducción se resuelven para el equilibrio. Dichos modelos son buenos como una primera estimación de la composición del producto de un gasificador y son adecuados cuando las reacciones son razonablemente rápidas, de modo que el tiempo de residencia es adecuado para asumir el equilibrio. Estos modelos también se conocen como modelos de reacción de gasificación bien agitados.
2.3.2 Modelos unidimensionales
En muchos tipos de sistemas de gasificación, se pueden identificar diferentes regiones geométricas donde predominan distintos fenómenos. Por ejemplo, la región inmediatamente posterior a la entrada del oxidante es la zona de oxidación, donde predominan este tipo de reacciones, tanto que los otros fenómenos que ocurren allí podrían ignorarse o tratarse con menos importancia. En un sistema de gasificación downdraft, la zona superior es la zona de secado; le sigue la pirólisis, la reducción o gasificación y finalmente la oxidación. En tales casos, el reactor podría dividirse en volúmenes de control en la dirección de flujo y cada volumen de control podría modelar los diversos fenómenos utilizando diferentes enfoques dependiendo de la temperatura y la composición de los gases y sólidos en el volumen de control. El flujo de un volumen de control a otro también se modela adecuadamente. Luego, el modelo de gasificador consiste en una secuencia unidimensional de volúmenes de control y se calcula la variación de un volumen de control a otro.
2.3.3 Modelos multidimensionales - Modelos CFD
Estos permiten resolver la variación espacial de las diversas cantidades, como la temperatura, la presión y la composición, y también tienen en cuenta los fenómenos de flujo de los sólidos y gases utilizando las ecuaciones de momento respectivas, además de las otras ecuaciones constitutivas termodinámicas y cinéticas que rigen las gasificaciones. [1]
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