Escalado de reactores de gasificación en lecho fluidizado

Escalado de reactores de gasificación en lecho fluidizado

Robert José Macías Naranjo

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Minas, Departamento de Procesos y Energía

Medellín, Colombia

2015

Escalado de reactores de gasificación en lecho fluidizado

Robert José Macías Naranjo

Tesis presentada como requisito parcial para optar al título de:

Magister en Ingeniería Química

Director:

Ph.D. Farid Chejne Janna

Línea de Investigación:

Modelamiento y simulación de procesos

Grupo de Investigación:

Termodinámica Aplicada y Energías Alternativas - TAYEA

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Minas, Departamento de Procesos y Energía

Medellín, Colombia

2015

A mi madre por todo su apoyo

Agradecimientos

Al profesor Farid Chejne Janna por compartir su sabiduría en la dirección de esta tesis y

por todos sus consejos en la búsqueda de ser un profesional más humano.

A mis amigos Jorge Montoya, Adriana Blanco y Javier Ordoñez por la ayuda académica y

personal en el proceso de formación.

A Jeikn Ayure, Edgar Ariza, Juan Restrepo, Andrés Gámez y Álvaro Sosa por encontrar

siempre con ellos un motivo para reír.

Al grupo de Termodinámica Aplicada y Energías Alternativas por toda la colaboración y al

grupo de trabajo del Laboratorio de Ciencias de la Energía.

Al Instituto Colombiano de Ciencia y Tecnología (COLCIENCIAS) por el apoyo económico en una parte de este proceso de formación.

Resumen y Abstract IX

Resumen

En este trabajo se desarrolló una metodología de escalado de reactores de gasificación

en lecho fluidizado burbujeante a partir de un modelo matemático que predice la

velocidad terminal y el tiempo de residencia de partículas de carbón en el interior del

reactor, con base en los balances de energía en una partícula. La solución del modelo

genera resultados relacionados con el tiempo de residencia, la conversión y el perfil de

temperatura en el interior de las partículas, datos de gran interés que sirven como

parámetros para el algoritmo de escalado. Se encontró que el tiempo de residencia

ligado a la cinética de consumo es fundamental a la hora de escalar reactores de

gasificación en lecho fluidizado burbujeante, esto se verificó comparando las

simulaciones del modelo de velocidad terminal con los resultados experimentales

encontrando una buena aproximación dando como resultado final variables de diseño

como conversión de las partículas y diámetro del reactor.

Palabras clave: escalado, lecho fluidizado, tiempo de residencia, carbón, modelo

matemático, energía

Resumen y Abstract XI

Abstract

In this work is presented a methodology of scaling for bubbling fluidized bed reactors

gasification from a mathematical model that predicts the terminal velocity and residence

time of carbon particles inside of the reactor based on energy balance developed for one

particle. The solution of the model throws results: residence time, the conversion and the

temperature profile inside the particles, this interesting data serve as parameters for

scaling algorithm. It was found that the residence time linked to kinetics of consumption is

essential for scaling gasification reactors in bubbling fluidized bed, this was verified by

comparing the simulations of the terminal velocity model with experimental results, found

it a good approximation of the design variables as conversion particles and reactor

diameter.

Keywords: scale, fluidized bed, residence time, coal, mathematical model, energy

Contenido XIII

Contenido

1.Marco teórico .............................................................................................................. 23 1.1.Generalidades el proceso de gasificación ............................................................. 23 1.2.Etapas de gasificación .......................................................................................... 24

1.2.1.Secado/volatilización ....................................................................................... 24 1.2.2.Pirólisis ............................................................................................................ 25 1.2.3.Gasificación ..................................................................................................... 25

1.3.Agentes gasificantes ............................................................................................. 25 1.4.Tipos de gasificadores .......................................................................................... 26

1.4.1.Gasificador de lecho fijo .................................................................................. 26 1.4.2.Gasificador de lecho fluidizado ........................................................................ 28 1.4.3.Gasificador de flujo de arrastre ........................................................................ 31

1.5.Estado del arte ...................................................................................................... 32

2.Diseño conceptual para el desarrollo de la metodología de escalado de reactores de gasificación en lecho fluidizado. ............................................................................. 39

2.1.Diseños de metodologías de escalado previos de sistemas de gasificación ......... 40 2.2.Árbol de objetivos ................................................................................................. 41 2.3.Descripción del método de selección para la ruta de escalado ............................. 43 2.4.Diseño conceptual y evaluación de alternativas .................................................... 43

3.Modelo matemático .................................................................................................... 47 3.1.Modelo cinético de partícula simplificado .............................................................. 47 3.2.Balance de energía en la partícula. ....................................................................... 50 3.3.Representación de la fase emulsión del lecho y burbujas ..................................... 51 3.4.Hidrodinámica del lecho ........................................................................................ 52 3.5.Velocidad terminal de partículas ........................................................................... 52 3.6.Fracción de la fase burbuja y velocidad del gas en la emulsión ............................ 53 3.7.Ecuaciones y cálculos auxiliares. .......................................................................... 53

3.7.1.Partícula de carbón ......................................................................................... 53 3.7.2.Propiedades del gas ........................................................................................ 54 3.7.3.Coeficientes de transferencia .......................................................................... 55

3.8.Delimitación de la metodología de escalado ......................................................... 55 3.8.1.Tamaño de partícula ........................................................................................ 56 3.8.2.Velocidad del gas y U/Umf .............................................................................. 56 3.8.3.Régimen de fluidización. ................................................................................. 57 3.8.4.Diámetro del reactor ........................................................................................ 58

3.9.Metodología de escalado ...................................................................................... 60

4.Resultados .................................................................................................................. 63 4.1.Perfiles de calentamiento de partículas de carbón. ............................................... 63

XIV Escalado de reactores de gasificación en lecho fluidizado

4.2.Tiempo de residencia de una partícula .................................................................. 65 4.3.Conversión de partículas ....................................................................................... 67 4.4.Caso de estudio y validación del modelo ............................................................... 70

4.4.1.Descripción del equipo. ....................................................................................70 4.4.2.Condiciones experimentales ............................................................................71 4.4.3.Validación ........................................................................................................73

4.5.Escalado del caso de estudio. ............................................................................... 76

5. Conclusiones y recomendaciones ........................................................................79

Contenido XV

Lista de figuras Figura 1.1: Gasificador de lecho fijo de flujo ascendente[21] .......................................... 27

Figura 1.2: Gasificador de lecho fijo de flujo descendente o invertido [22] ...................... 28

Figura 1.3: Gasificador de lecho fluidizado burbujeante [22] .......................................... 29

Figura 1.4: Gasificador de lecho fluidizado circulante [21] .............................................. 30

Figura 1.5 : Gasificador de flujo de arrastre. ................................................................... 31

Figura 2.1 Variaciones geométricas del gasificador [50]. ................................................ 40

Figura 2.2 :Correlación de escalado para diferentes diámetros de gasificadores.[15] .... 41

Figura 2.3: Árbol de objetivos por nivel de complejidad. ................................................. 42

Figura 2.4 Modelo de caja negra para escalado de gasificadores .................................. 43

Figura 3.1: Representación de las fases de un lecho fluidizado burbujeante. Adaptado de

[60]. ................................................................................................................................ 51

Figura 3.2: Perfil de consumo de una partícula de carbón. Adaptado de [60]. ................ 54

Figura 3.3: Diagrama de Grace para distintos regímenes de fluidización. Adaptado de

[72]. ................................................................................................................................ 57

Figura 3.4: Escalado de diferentes diámetros de reactor. Adaptado de [60]. .................. 58

Figura 3.5: Efecto del diámetro y el tamaño del lecho sobre el tiempo de residencia de

burbujas. Adaptado de [60]............................................................................................. 59

Figura 3.6 Algoritmo de escalado. .................................................................................. 60

Figura 4.1 : Perfil de calentamiento para partículas de carbón 1 mm, 2 mm y 3 mm de

diámetro respectivamente. ............................................................................................. 64

Figura 4.2: Tiempo de residencia para partículas de 1 mm, 2 mm y 3 mm de diámetro

respectivamente, con velocidad del gas de 1,6 m/s. ....................................................... 65

Figura 4.3 : Conversión para partículas de 1mm, 2mm y 3 mm, a una velocidad del gas

de 1,6 m/s ...................................................................................................................... 67

Figura 4.4: Conversión de partículas para diferentes velocidades y diámetros de

partícula. ........................................................................................................................ 69

Figura 4.5: Tiempo de residencia para diferentes velocidades y tamaños de partícula... 69

Figura 4.6. Perfil de temperatura experimental y muestreo de char. ............................... 72

Figura 4.7 . Conversión de carbón para diferentes muestras en el estado estacionario. 73

Figura 4.8 . Secuencia de cálculo de la altura del lecho. ................................................ 74

Figura 4.9 . Tiempo de residencia de las partículas de carbón ....................................... 74

Figura 4.10 Conversión experimental de carbón ............................................................ 75

Figura 4.11. Carta de escalado para el caso de estudio. ................................................ 77

Figura 4.12 Scale up y scale down del caso de estudio.................................................. 78

XVI Escalado de reactores de gasificación en lecho fluidizado

Lista de tablas ............................................................................................................................. Pág. Tabla 1-1. Usos de los gases producto de la gasificación [20] ........................................ 26

Tabla 2-1: Evaluación cuantitativa de cada metodología de escalado. ............................ 45

Tabla 3-1. Principales reacciones de gasificación. Unidades: kmol, m3, K, kcal, s. ......... 50

Tabla 3-2. Límites de operación del modelo de velocidad terminal para la metodología de

escalado ......................................................................................................................... 60

Tabla 4-1 : Análisis del carbón utilizado. ......................................................................... 71

Tabla 4-2. Resumen de las condiciones experimentales. ................................................ 71

Tabla 4-3. Datos característicos del lecho fluidizado. ...................................................... 76

Contenido 17

Lista de Símbolos y abreviaturas

Símbolos con letras latinas Símbolo Término Unidad SI A Área m2 A Factor pre-exponencial 1 C Carbono 1 Cp Capacidad calorífica J/K D Diámetro m

EA Energía de activación ��

��

ER Relación aire combustible 1 Fr Número de Froude 1

g Aceleración de la gravedad �

��

H Hidrógeno 1 H Entalpía J h Coeficiente de transferencia de calor J/s.m2.K K Constante cinética K Conductividad térmica W/k.m L Longitud m N Nitrógeno 1 Nu Número de Nusselt 1 O Oxígeno 1 P Presión kPa Pr Número de Prandlt 1 �� Caudal de burbujas S Azufre 1 T Temperatura K SB Relación combustible vapor 1 t tiempo s r Radio M Re Número de Reynolds 1 x Fracción molar 1 V Volumen m3

U Velocidad �

�

wi Fracción en masa del componente i 1 W Peso molecular 1

18 Escalado de reactores de gasificación en lecho fluidizado

Símbolos con letras griegas Símbolo Término Unidad SI

α, β Coeficientes estequiométricos 1

ω Distribución molar 1

1

Emisividad 1

Constante de Stefan-Boltzman 5.67 e-8 W/(m2 K4)

µ Viscosidad Pa.s

Densidad Kg/m3

Fracción de burbujas

Subíndices Subíndice Término b Burbuja g Gas l Líquido mf Minima fluidización p Partícula r Reactor s Sólido t terminal

Superíndices Superíndice Término n Exponente, potencia

19

Introducción La contaminación, deterioro del medio ambiente y la fluctuación del precio de los

combustibles tradicionales como el petróleo sumado al crecimiento industrial [1], hacen

que el interés por las energías alternativas sea cada vez mayor [2]–[4]. Esto se convierte

en un reto que representa utilizar los recursos de manera racional y más sostenible.

En este sentido el aprovechamiento de las reservas de carbón probadas en Colombia

[4]–[6] y el aprovechamiento de residuos agroindustriales, hacen que sea atractiva la

producción de energía tanto eléctrica como térmica [7] [8] mediante la gasificación de

carbón y o biomasa en lecho fluidizado [9]. Adicionalmente, la biomasa es un recurso

renovable que contribuye a la disminución de gases contaminantes y que posee un

balance neutro de CO2 [10].

El carbón es una roca sedimentaria producto de la descomposición de materia orgánica,

principalmente vegetación, que se formó bajo condiciones extremas de presión y

temperatura, dependiendo el tipo varia su composición. Contiene hidrógeno, carbono,

azufre, oxígeno, nitrógeno y pequeñas cantidades de minerales [11]. Ha sido utilizado

desde la antigüedad hasta nuestros días puesto que su composición lo hace un

combustible versátil, fácil de manejar y transportar, desde uso doméstico hasta el

industrial donde hace algunas décadas viene suministrado cerca del 27 % de la energía

primaria mundial [12].

El uso del carbón está relacionado principalmente con la generación de energía eléctrica

y térmica (cerca del 30% de la generación mundial se realiza a partir de carbón), pero

también con la producción de coque para la industria metalúrgica, industria petroquímica

y como materia prima para la producción de diversos materiales. Sin embargo el uso de

carbón ha contribuido a las emisiones de gases como CO2 con consecuencias

desfavorables para la el medio ambiente dando ello lugar al desarrollo de nuevas

tecnologías como la gasificación para producción de energía eléctrica y térmica mediante

procesos más limpios, como también la generación de gas de síntesis para productos


químicos. La gasificación es una tecnología atractiva que ha tomado fuerza en las últimas

décadas y que se postula para suplir parcialmente el petróleo ya que sus derivados son

similares y posee buenos rendimientos [13].

La gasificación es un proceso de transformación termoquímico para producir gases

combustibles compuestos principalmente por monóxido de carbono e hidrógeno, con

valor calorífico disponible para ser utilizado en motores, calderas y otros procesos (gas

de síntesis). Este gas es producido a partir del material carbonoso presente en la

biomasa y/o carbón [7]. La gasificación de carbón se lleva a cabo a temperaturas

aproximadas de 800 a 1200 °C dependiendo de las características de la materia prima a

gasificar. El rendimiento esta principalmente delimitado por las condiciones de operación,

el tipo de gasificador, tamaño de partícula y la tasa de calentamiento, sin embargo, este

pueden oscilar entre el 75% al 85 %.

En el proceso de gasificación, el reactor se clasifica dependiendo del lecho utilizado, los

más destacados son de lecho fijo, lecho fluidizado y flujo de arrastre. Dentro de estas

tecnologías se destaca la de lecho fluidizado por tener mejor patrón de distribución de las

partículas facilitando los fenómenos de transferencia de masa, distribución uniforme de

temperatura en el lecho, mejora en los coeficientes de transferencia de calor, permiten

obtener rendimientos aceptables con carbones de baja calidad.

Los gasificadores de lecho fluidizado han sido ampliamente explorados y desarrollados

en las últimas décadas, incluso se ha escalado este proceso mediante criterios de

similitud hidrodinámica y parámetros geométricos [14], implementando complejas

ecuaciones con el fin de reducir errores en la operación que pueden significar grandes

pérdidas a nivel industrial. Sin embargo, es un método que ha sido cuestionado por

diferentes autores [15], [16] debido a que son características puntuales para cada uno y

la magnitud en que estas reglas son utilizadas en la industria es fruto de años de

desarrollo, experimentaciones y ajustes al proceso, aun así, presentando errores, lo que

no es del todo convincente [17]. Adicionalmente, se han descuidado los fenómenos de

trasferencia de masa y calor que ocurren entorno al lecho fluidizado, en particular para la

gasificación donde la transferencia de masa que se da en las burbujas depende en gran

medida de la escala [15][18].

En consecuencia, se realizó una tesis de maestría con el objetivo general de desarrollar

una metodología de escalado para reactores de lecho fluidizado burbujeante con base en

Introducción 21

el modelo de velocidad terminal de las partículas y distribución de tiempos de residencia.

Para esto se plantearon diferentes objeticos específicos.

Correlacionar el tiempo de residencia, parámetros geométricos del reactor,

fenómenos de transferencia y la velocidad terminal de las partículas dentro del

lecho.

Realizar pruebas experimentales de gasificación en lecho fluidizado para

determinar la evolución de los cambios de tamaño de partícula, tiempo de

residencia de sólidos y composición de gases.

Validar la metodología desarrollada con base en reactores de diferentes tamaños,

desde la escala de laboratorio a la industrial.

En el primer capítulo se presentan las generalidades del proceso de gasificación y

fluidización, como se relacionan estas dos tecnologías así como también una revisión del

estado del arte con los avances más significativos del escalado de reactores en lecho

fluidizado, de la gasificación de carbón y de los modelos de velocidad terminal.

Posteriormente, se presentan las ecuaciones que caracterizan la hidrodinámica del lecho

fluidizado. En los capítulos siguientes se describe el modelo de velocidad terminal y la

distribución del tiempo de residencia de las partículas, resultado de la campaña

experimental, así como las conclusiones y recomendaciones para futuros trabajos.

23

1. Marco teórico

En este capítulo se describen las generalidades del proceso de gasificación en lecho

fluidizado, tipos de gasificadores, las características y variables que definen las

condiciones de operación, rendimiento del reactor y estado del arte de los trabajos

realizados en escalado de reactores de gasificación en lecho fluidizado.

1.1. Generalidades el proceso de gasificación

La gasificación es un proceso para convertir combustibles sólidos o líquidos (carbón,

biomasa, coque o incluso residuos de crudo pesado) en gases susceptibles de ser

aprovechados en motores o en la industria petroquímica. La gasificación se lleva a cabo

en ambientes pobres de oxígeno, es decir, con una cantidad por debajo de la

estequiométrica para la combustión y en algunos casos con vapor de agua. El proceso

de gasificación puede realizarse de forma autotérmica, de tal manera que la temperatura

del gasificador se mantiene estable a medida que ocurren las diferentes reacciones en su

interior donde aquellas que son endotérmicas, reciben la energía liberada de las

reacciones exotérmicas[19].

Dentro de los principales productos de la gasificación se destacan el hidrógeno,

monóxido de carbono y metano como los gases que aportan poder calorífico y que

pueden ser empleados para generar energía. Estos se obtienen mediante las reacciones

que tienen lugar dentro del reactor, en las ecuaciones 1.1 a 1.4 se presentan las

principales especies:

Reacción del gas con vapor de agua


�(�) + ��(�) = ��(�) + ��(�) − 131,38��

�� (1.1)

Reacción Boudouard

�� (�) + �(�) = �� (�) − ��,��

�� (�.2)

Shift

��(�) + ��(�) = ��(�) + ��(�) − 41,98��

�� (1.3)

Metanación

�(�) + 2��(�)= �� (�) + 74,90

��

�� (1.4)

Una de las principales ventajas que brinda la gasificación sobre la combustión es el

volumen de gas generado siendo este menor en el proceso de gasificación lo que implica

un equipo más pequeño para su aprovechamiento y una reducción en los costos

globales. También puede ser combinada en un sistema energético de gasificación

generador lo que es más económico que un sistema de calderas, condensadores y

motores a vapor, ofreciendo soluciones puntuales en zonas remotas[19].

1.2. Etapas de gasificación

Existen tres etapas fundamentales en el proceso de gasificación las cuales son: secado,

pirólisis y gasificación (Oxidación + Reducción)[19].

1.2.1. Secado/volatilización

En esta etapa el combustible que se alimenta en el gasificador es sometido a un aumento

de temperatura, en el cual ocurre una evaporación física de la humedad contenida en el

combustible, liberando agua hasta alrededor de los 200°C. En la medida que se va

Introducción 25

aumentando la temperatura, se van desvolatilizando los compuestos de bajo peso

molecular.

1.2.2. Pirólisis

Es la primera etapa de degradación del combustible, cuando se somete a un ambiente en

ausencia de oxígeno, la estructura molecular del combustible (biomasa o carbón) se

descompone generando gases de síntesis, char (residuo sólido carbonoso) y compuestos

orgánicos condensables (alquitranes o tares).

Esta etapa es influenciada por el tamaño de partícula del lecho y su naturaleza, las

condiciones de operación (temperatura, presión, tiempo de calentamiento, tiempo de

residencia). Se da entre 150 a 700 °C

1.2.3. Gasificación

En esta etapa se dan las reacciones endotérmicas y las reacciones exotérmicas

producidas por la combustión del material orgánico, incluyendo las reacciones de

oxidación y las reacciones de reducción para producir las mezclas de gases de interés,

compuestas principalmente por monóxido de carbono e hidrógeno. Se da entre 800 a

1100°C

1.3. Agentes gasificantes

Los agentes gasificantes comúnmente utilizados en el proceso de gasificación son las

mezclas de vapor y oxígeno o vapor y aire; además se puede usar el hidrógeno a

presión; cuando se utiliza hidrogeno se conoce como hidrogasificación, el gas obtenido

de este proceso posee un alto poder calorífico. Dependiendo de los agentes gasificantes

utilizados y la presión a la que se opera, los gases obtenidos poseen diversos usos y

diferente poder calorífico, como se ilustra en la tabla 1-1.


Tabla 1-1. Tipos de agentes gasificantes y usos de los gases producto de la gasificación [20]

Agente gasificante Tipo de gas Componentes Usos Aire + vapor

A baja presión Gas de bajo poder

calorífico H2, CO, CO2, N2 Combustible

industrial Aire + vapor

A alta presión Gas de mediano poder calorífico

H2, CO, CO2, N2, CH4

Generación de potencia

O2+vapor A baja presión

Gas de síntesis poder calorífico

medio

H2, CO, CO2 Síntesis de gasolina, reducción

de minerales O2+vapor

A alta presión Gas de poder

calorífico medio H2, CO, CO2, CH4 Generación de

potencia, sustituto del gas natural

1.4. Tipos de gasificadores

En el proceso de gasificación, el reactor se clasifica dependiendo del lecho utilizado, los

más destacados son de lecho fijo, lecho fluidizado y de flujo de arrastre.

1.4.1. Gasificador de lecho fijo

Este tipo de gasificador se divide en gasificadores de lecho fijo de flujo ascendente y

gasificadores de lecho fijo de flujo descendente o invertido[21].

Gasificadores de lecho fijo de flujo ascendente o de flujo directo (“Updraft”)

Este tipo es el más antiguo y simple de gasificador, la alimentación del agente gasificante

se encuentra en la parte inferior del equipo y los gases producidos se liberan por la parte

de arriba. En la parte inferior del reactor se encuentra la zona de oxidación en donde

ocurren las reacciones de combustión, un poco más arriba se encuentra la región donde

se realizan las reacciones de reducción. En la parte superior del equipo se encuentra la

alimentación del combustible y la región de secado y pirólisis debido a los efectos de

transferencia de calor tanto por convección forzada como radiación, los alquitranes y los

productos generados a través del procesos son arrastrados por la corriente de gas,

Introducción 27

mientras que las cenizas son retenidas en la parte inferior del gasificador como se

muestra en la Figura 1.1 [21][22].

Algunas de las ventajas de este tipo de gasificador son:

Su facilidad de uso

poco material inquemado.

El gas presenta temperaturas bajas a la salida.

Una alta eficiencia del proceso

Costos de inversión relativamente bajos.

Figura 1.1: Gasificador de lecho fijo de flujo ascendente[21]

Secado (400°C)

Pirólisis (600°C)

Reducción (950 °C)

Oxidación (1300 °C)

Cenizas

Agente gasificante

Gas

Combustible

No obstante a las ventajas que posee esta tecnología, se tiene la gran desventaja de

generar altas concentración de alquitranes en el gas.

Gasificadores de lecho fijo de flujo descendente o invertido (“Downdraft”)

En estos reactores el agente gasificante se ingresa sobre la región de oxidación, el gas

producido se evacua por la parte inferior del equipo, el combustible es alimentado por la

parte superior. Tanto el combustible, como los gases producidos se desplazan en la

misma dirección evitando la conducción de alquitrán con la corriente de gas (ver Figura

1.2). Los alquitranes, así como los productos generados en el proceso pasan a través de

la zona donde se encuentra el lecho incandescente de carbón, transformándose en


gases permanentes como dióxido de carbono, monóxido de carbono, metano e

hidrógeno[21][22].

Algunas de las ventajas son:

Se puede adquirir un gas libre de alquitrán adecuado para usarse en motores de

combustión interna

Posee menor contenido de componentes orgánicos en el líquido condensado

Figura 1.2: Gasificador de lecho fijo de flujo descendente o invertido [22]

Secado (400°C)

Pirólisis (600°C)

Reducción (950 °C)

Oxidación

Cenizas

Agente gasificante

Gas

Combustible

Parrilla

Desventajas:

Produce mayor cantidad de cenizas comparado con el lecho de flujo ascendente

Debido al bajo intercambio interno de calor debido a las reacciones auto térmicas

y a que produce un gas de bajo poder calorífico, presenta una baja eficiencia al

compararse con otros tipos de gasificadores como el de flujo ascendente.

1.4.2. Gasificador de lecho fluidizado

Entre los más relevantes se encuentran de lecho fluidizado burbujeante, lecho fluidizado

circulante[7].

Introducción 29

Gasificadores de lecho fluidizado burbujeante

Las partículas sólidas se mantienen mezcladas en suspensión y en una especie de

emulsión debido al efecto de fluidización. En este, se llevan a cabo los diferentes

procesos de secado, pirolisis, entre otros, directamente en el lecho, es decir, las

partículas son sometidas a estos procesos en cualquier punto del mismo, saliendo

finalmente las cenizas por el gas emergente y el resto de cenizas se acumulan en el

fondo del lecho. Ver figura 1-3

Este tipo de lecho se caracteriza por la alta velocidad de reacción y excelente mezcla de

materia prima, haciendo que los perfiles de temperatura y conversión sean uniformes

permitiendo controlar más fácilmente las condiciones de operación del proceso[21][22].

Ventajas:

Altas velocidades de reacción

Los niveles de alquitranes son bajos en los gases producidos

La temperatura es relativamente uniforme en la longitud del reactor

Son posibles altas conversiones con bajo contenido de alquitranes

Mayor tolerancia a la distribución de tamaño de partícula

Figura 1.3: Gasificador de lecho fluidizado burbujeante [22]

Lecho Fluidizado

Freeboard

Gas

Ciclón

Cenizas

Cenizas

Agente gasificante

Combustible


Como desventaja se tiene que en los lechos fluidizados burbujeantes, el tamaño de

burbuja debe ser moderado, para que partículas grandes no sean arrastradas por el gas

y pasen a través del lecho sin reaccionar.

Gasificadores de lecho fluidizado circulante

El lecho se encuentra en condiciones de fluidización rápida, los sólidos son arrastrados y

recirculados (ver figura 1-4). En estas condiciones el contacto de gas-sólido, la

uniformidad en la temperatura y conversión es mayor que en otros regímenes de

fluidización, como el burbujeante. Adicionalmente, La tendencia de las partículas para

aglomerarse es mucho menor; sin embargo, la complejidad del equipo aumenta

produciendo un mayor desgaste debido a las altas velocidades de los sólidos dentro del

reactor[21][22].

Algunas ventajas son[23]:

El equipo es adecuado para reacciones rápidas.

Mayores velocidades de reacción.

Baja producción de alquitranes en el gas de salida.

Buen contacto gas-sólido.

Figura 1.4: Gasificador de lecho fluidizado circulante [21]

LechoFluidizado

Gas

Ciclón

Cenizas

CenizasAgente gasificante

Combustible

Inconvenientes:

Introducción 31

Los tamaños de partículas determinan la velocidad de transporte.

La transferencia de calor es menos eficiente en comparación con el lecho

fluidizado burbujeante.

Posee un importante arrastre de sólidos.

No aptos para empleo de biomasa.

1.4.3. Gasificador de flujo de arrastre

En la figura 1-5 se presenta un esquema de gasificadores de arrastre, en el que sólido

finamente pulverizado se introduce en el reactor donde una corriente gaseosa lo arrastra,

produciéndose la gasificación casi instantánea, la temperatura en la reacción es alta,

evitando de este modo impurezas en el gas[21][22].

Figura 1.5 : Gasificador de flujo de arrastre.

Cenizas

Agente gasificante Combustible

Gas

Este tipo de reactor al trabajar a altas temperaturas requiere mayor cantidad de oxígeno,

la presencia de alquitranes es despreciable y son gasificadores versátiles y pueden

aceptar casi cualquier tipo de combustible.


1.5. Estado del arte

La tecnología del lecho fluidizado es comúnmente utilizada a nivel industrial y comercial y

se clasifica en dos grandes líneas de uso [7], [24], [25] y [26]:

Para uso físico como transporte neumático, calefacción, absorción, mezclas,

pulido de superficies metálicas mediante fluidización de arena, etc.

Para uso químico para reacciones de catalizadores solidos con los gases del

fluido, reacciones solido gas, generación de energía etc.

Todos estos procesos concuerdan desde el punto de vista hidrodinámico y las

condiciones de operación requeridas para el funcionamiento de acuerdo con los

requerimientos del gasificador, esta tecnología presentan grandes ventajas como buena

distribución de las partículas debido al régimen de operación, lo que facilita los

fenómenos de transferencia[27]–[29].

El proceso de fluidización ha sido bastante explorado y desarrollado en las últimas

décadas, incluso se ha escalado este proceso mediante criterios de similitud

hidrodinámicos y geométricos[14]. Sin embargo, la metodología ha sido cuestionada por

diferentes autores[15] y [16], debido a que son características puntuales válidas para

cada caso y su aplicabilidad a nivel industrial se da como fruto de años de desarrollo,

experimentaciones y ajustes al proceso[17]. Adicionalmente, en dicha metodología, no se

incluyen los fenómenos de trasferencia de masa y calor que ocurren en torno al lecho

fluidizado, en particular para la gasificación donde la transferencia de masa que se da en

las burbujas depende en gran medida de la escala[15][18].

Partiendo de esto, el escalado de reactores de gasificación en lecho fluidizado debe

enmarcarse en la integración de los parámetros hidrodinámicos y de transferencia de

masa, de tal manera que funcionen como un engranaje que permita implementar una

metodología de escalado mediante ajustes de parámetros de operación del lecho y el

gasificador.

Introducción 33

Para verificar las dificultades de la utilización de los resultados de laboratorio escalados a

proceso industriales, se procedió a la realización de una revisión de la información

técnica disponible sobre metodologías y experiencia de escalado de los procesos de

gasificación, resaltándose trabajos como el desarrollado por Knowlton and Karri (2005)

quienes estudiaron el escalado de gasificadores de lecho fluidizado mediante el uso de

técnicas empíricas y modelos matemáticos que relacionan ciertos grupos

adimensionales. Ellos encontraron que empleando partículas Geldart tipo A los lechos

fluidizados turbulentos operan a velocidades de gas más altas mejorando la transferencia

de masa obteniendo un mayor rendimiento, pero su planteamiento es poco práctico,

debido a lo empírico del mismo, pues solo podrá aplicarse a procesos particulares de los

cuales se tenga un conocimiento profundo o muchas horas de experimentación, este

modelo a su vez podría complementarse teniendo en cuenta los patrones hidrodinámicos

que garanticen un buen lecho y la relaciones geométricas que permitan un correcto

escalado.

Otro trabajo importante es el realizado por Kunii and Levenspiel (1997) quienes

analizaron el problema básico del “scale up” y el “scale dawn” que radica en la escasa

similitud de los patrones fluido dinámicos al cambiar de escala debido a los patrones de

formación de burbuja que se presentan por los tamaños de partícula, encontrando que es

más complejo el proceso de escalar partículas Geldart tipo B (100 a 1000 µm) que

partículas Geldart tipo A (30 y 100 µm) y enfatizaron en la fluidodinámica como

herramienta principal para poder lograr un lecho estable con tamaños de burbuja

similares entre escala.

En ese mismo orden de ideas en propuestas como la de Rüdisüli, Schildhauer et al.

(2012) se recomendó ser más enfáticos e ir más allá de las relaciones adimensionales y

patrones fluidodinámicos planteando una estrecha interacción entre la hidrodinámica, los

fenómenos de transferencia de masa y fenómenos cinéticos; logrando mantener

constantes los parámetros de operación del reactor dentro de una escala, pero este

método no es recomendable pues no tiene un buen control sobre la altura del lecho al

pasar de una escala a otra.

Un trabajo con base más fenomenológica es el realizado por Bo Leckner et. al. 2011 [30]

quienes trabajaron en un modelo de dos fases, en el que el que el flujo principal es el


medio gaseoso y las partículas como medio de interconexión en interacción entre las

fases, acoplaron el modelo mediante ecuaciones constitutivas y adimensionales para

lechos fluidizados. Concluyeron que se puede realizar un buen escalado teniendo en

cuenta las ecuaciones fundamentales de la fluidodinámica teniendo esencial cuidado en

el tamaño, forma y densidad correcta de las partículas que conforman el lecho.

Ya desde la importancia del escalado de procesos se encontró trabajos como el Anaya-

Durand et al. (2008)[31], quienes investigaron y presentaron el escalamiento como una

herramienta fundamental para la ingeniería química, destacando un método de escalado

que permite reducir al máximo errores de diseño, haciendo uso de reglas de similitud a

partir de diseños a escala de laboratorio o escala piloto. Esta estrategia se aleja de la

parte funcional del proceso y desconecta los patrones de flujo fluidodinámicos

importantes para los reactores de co-gasificación con las reacciones química que toman

lugar en el proceso. Así mismo en trabajos como el de M.A. van der Hoef et. Al

(2006)[32] se realiza una revisión a fondo del escalado de lechos fluidizados partiendo de

su definición e integrando los modelos numéricos de flujo para gas y sólido, realizando

aportes en la velocidad de partícula y los modelos de distribución y cinética de las

partículas, presentando una nueva correlación de fuerza de arrastre para sistemas

homogéneos mejorando los parámetros de flujo del lecho.

En el estudio presentado por Maurer, S et. Al (2014)[33], se investigaron los parámetros

de escalado para reactores de lecho fluidizado y catalíticos, principalmente donde se han

documentado las falencias de los modelos, encontrando que el diámetro del reactor y el

tamaño de partícula para el catalizador tiene un papel fundamental tanto en la fluidización

como en la selectividad de las reacciones. Proponen dar un enfoque diferente al

escalado basándose en los lechos fluidizados burbujeantes mejorando la selectividad, la

transferencia de masa y estabilidad en la altura del lecho.

Trabajos como el de J. Matsen[34] enfatizaron el escalado en los factores que afectan

directamente la fluidización del lecho en el reactor, realizando un barrido previo de las

incertidumbres y manejando factores como velocidad mínima de fluidización y tipos de

lecho. Encontraron mediante derivaciones y experimentos que dos lechos fluidos de

diferente tamaño tienen semejanza hidrodinámica en caso de ser operados bajo

Introducción 35

condiciones similares como numero de Reynolds, geometría, relaciones solido gas y

conservando el mismo patrón de Interacción de las burbujas en el lecho.

Glicksman[35] realizó grandes avances en cuanto a la investigación sobre escalado de

lechos fluidizados, contemplando el problema crítico que representa mantener los

rendimientos a diferentes escalas, además planteó la posibilidad de emplear modelos a

escalas pequeñas para optimizar plantas comerciales. Desde el punto de vista

geométrico evaluó la incidencia del diámetro sobre la hidrodinámica y cómo influyen

todos estos parámetros sobre las condiciones térmicas, químicas, el tiempo de residencia

y la mezcla y distribución de los gases.

Dentro de las reglas de semejanza hidrodinámica se destaca el trabajo realizado por

Horio et al.[36] Quienes abordaron el escalado de los lechos fluidizados basados en las

ecuaciones que rigen la formación y el desarrollo de las burbujas dentro del lecho. Este

método sugirió una línea de investigación enfocada hacia los fenómenos de transferencia

de masa y reacciones químicas que se dan en las burbujas aprovechando la fase sólido

gas. Demostraron teóricamente que la similitud entre escalas para formación de burbujas

está dada en función de la velocidad mínima de fluidización. J. Zhang et al.[37]

Realizaron estudios con el fin de verificar experimentalmente la adaptabilidad de las

leyes de escalado propuestas por Horio y Gliksman para los lechos fluidizados. Las

pruebas fueron hechas con diferentes relaciones de tamaño entre lechos y diferentes

tamaños y tipos de partícula (carbón, arena, plexiglás), esto con el fin de analizar los

parámetros de fluidización y evaluar la segregación. Demostraron que la ley de escala se

cumple para casos específicos y para partículas Geldart tipo B si se siguen las leyes de

escalado, aun así el comportamiento de la segregación de las partículas en lechos

fluidizados diferentes no son similares, indicando que la velocidad del gas y la altura del

lecho tienen influencia en el comportamiento de mezclado y segregación de partículas

dentro del reactor, también relacionaron que el aumento de la velocidad del gas puede

dificultar que la partícula se mezcle luego de que se logre una buena fluidización.

Tomeczek, Kudzia et al. [38] explora la geometría en detalle modificando relaciones de

diámetro, altura del rebose, y tamaño del reactor, plantea tres configuraciones diferentes

con el fin de variar los tiempos de residencia para diferentes tamaños de partícula (0.5 -1

y 1-1.5). Concluyeron que la variación de los parámetros geométricos afecta


principalmente el tiempo de residencia de las partículas en el lecho, también encontraron

que el poder calorífico del gas es mayor cuando se tienen partículas del rango más

grande (1-1.5). 4 MJ/m3.

Hernández et. al [39] analizaron el efecto del tamaño de partícula y tiempo de residencia

en la gasificación de biomasa con el fin de evaluar el rendimiento y la calidad del gas

producido. Concluyeron que una reducción en el tamaño de partículas conlleva a una

mejora significativa en los parámetros de gasificación, se presenta una alta conversión

del combustible para partículas no mayores a 1 mm de diámetro. Para el tiempo de

residencia encontraron diferencias significativas en el comportamiento termoquímico de

los combustibles especialmente en hidrógeno y monóxido debido al efecto catalítico que

tienen las cenizas del carbón.

Trabajos basados en simulaciones CFD, realizados por Van Ommen et al [40] se

compararon lechos fluidizados a diferentes tamaños con diámetros de 15 y 30 cm

utilizando grupos adimensionales y tres reglas de escalado que van desde el modelo

simple, el conjunto completo y grupo adimensional de presión. En la comparación de los

modelos encontraron que el tamaño de burbuja para una altura mínima del lecho no

presenta variaciones significativas para ninguno de los tres casos. Además recurrieron a

métodos estadísticos para encontrar una relación de escalado concluyendo que el

modelo adimensional de presión da los mejores resultados concentrando datos más

confiables a la hora de escalar.

En estudios más recientes T. Knowlton [41] trabajó el escalado de lechos fluidizados

burbujeantes y lechos fluidizados circulantes enfocándose en los problemas más

comunes del escalado a nivel industrial planteando una metodología conjunta entre el

diseño de los reactores y la masificación de la producción. Concluyendo que existe un

adelanto significativo en los procesos de escalado de lecho fluidizado pero que se debe

tener esencial cuidado a la hora de llevar la escala piloto a escala industrial sobre todo si

se trabajan lechos fluidizados con sólidos Geldart tipo B debido a las dificultades que

presenta el tamaño de partícula y el régimen slugging, así mismo planteó una solución

práctica este régimen con la instalación de deflectores pero no identifica como se ven

afectados los demás parámetros como por ejemplo la mezcla y la caída de presión del

lecho.

Introducción 37

Werther [42] indagó sobre el modelado de reactores de lecho fluidizado y estableció

parámetros de escalado no sólo basados en la geometría y la altura del lecho, sino que

implemento un modelo matemático que contempla el distribuidor de gas, la distribución

de partículas y el efecto que tienen los deflectores, sin embargo no dispone de elementos

experimentales que mejoren el modelo debido al arduo trabajo que se requiere, Sin

embargo, plante que las simulaciones de modelos se pueden usar para reducir el número

de experimentos y para limitar los riesgos del proceso de ampliación.

En estudios más complejos como el realizado por Glicksman, Hyre y Woloshun[43], se

evidencia la necesidad de presentar leyes de escalado simplificadas incluyan el número

de Froude basado en altura de la columna, la relación del sólido con la densidad del gas,

la relación de velocidad superficial a velocidad mínima de fluidización, proporciones

geométricas del lecho, la esfericidad de las partículas y la distribución de tamaño. Es así

como propusieron que los coeficientes de arrastre pueden ser expresados mediante la

ecuación de Ergún de tal manera que se identifiquen los parámetros de velocidad

terminal y su relación con la velocidad mínima de fluidización como también las fuerzas

viscosas que mantienen a las partículas dentro del lecho.

Nicastro [44] realizó experimentos en un combustor de lecho fluidizado para validar las

leyes de escalado simplificadas de Glicksman. Estos experimentos fueron comprados

con un lecho fluidizado frio operando bajo las mismas condiciones de tal manera que se

midieron las fluctuaciones de presión para los dos lechos y así asegurar que las

características de formación de burbujas sean similares, sin embargo las leyes no

predicen muy bien el comportamiento puesto que no se tienen en cuenta la influencia de

las fuerzas entre partículas sobre el fenómeno de fluidización que a su vez es

determinante sobre los parámetros de mezclado del lecho y homogeneidad en los

fenómenos de trasferencia de masa y calor.

Papadikis et al.[45] desarrollaron un modelo CFD que relaciona el agente fluidizante y las

partículas del lecho. Este modelo se caracteriza por la predicción del movimiento de las

partículas y la influencia de los parámetros geométricos en el comportamiento del lecho.

Este modelo a pesar de ser empleado a pirolisis rápida contempla el modelo cinético


semi global que considera las ecuaciones de transporte y tiene en cuenta el tiempo de

residencia de los gases y las partículas lo que puede ser modelado a otros procesos

como el de gasificación ya que predice los rendimientos del proceso. En esa misma línea

se han destacado otros trabajos como el de [46] que permite estudiar la influencia del

proceso a medida que las partículas cambian de tamaño a lo largo del lecho y en el

proceso de transferencia de calor[47].

Debido al amplio número de estudios y teorías propuestas para escalado de reactores de

gasificación, es necesario identificar una única línea a seguir que proponga metodologías

de escalado no tan complejas pero que integren los procesos físicos y químicos que

traducen en un buen escalado y mantengan aproximadamente constantes las

condiciones de operación y producción de los gasificadores de una escala a otra

39

2. Diseño conceptual para el desarrollo de la metodología de escalado de reactores de gasificación en lecho fluidizado.

El aprovechamiento de los recursos disponibles en Colombia como el carbón sumado al

bajo costo [48], son motivos suficientes para buscar un proceso de producción de energía

térmica y/o eléctrica a escalas industriales y de funcionamiento continuo que permita la

reducción en los costos de producción. El escalado de procesos es una de las tareas

más complejas e importantes tanto, para masificar la producción de una planta, como

para diseñar los equipos que participan en ella. Muchas de estas simulaciones se llevan

a cabo a escala piloto y de laboratorio con el fin de confirmar las correlaciones existentes

entre las diferentes variables que controlan y le dan estabilidad a los equipos y por ende

al proceso de producción [49].

Colombia cuenta con ventajas importantes respecto a otras regiones del mundo puesto

que posee grandes reservas de carbón distribuidos en la mayoría de las regiones, su

bajo costo y disponibilidad hacen que sea una excelente opción energética. Las reservas

de carbón en Colombia son de aproximadamente 6684 millones de toneladas

concentrándose gran parte en la zona norte y centro del país (plan de desarrollo del

subsector carbón 1999-2010).

Generalmente el escalado se lleva a cabo mediante tres rutas: semejanza geométrica,

correlaciones empíricas obtenidas de la literatura o de datos experimentales y el uso de

modelos matemáticos que permiten predecir el comportamiento de las variables [31],

[49]. Así mismo estas metodologías tienen como objetivo anticipar los posibles efectos,


ya sean positivos o negativos, y modificar los parámetros necesarios para lograr una

correcta operación y evitar pérdidas económicas.

2.1. Diseños de metodologías de escalado previos de sistemas de gasificación

Dado que el escalado es una práctica con alto grado de incertidumbre, debido a las

múltiples variables que acompañan el proceso. Por lo tanto, se hace complejo establecer

una metodología de escalado universal que acople todos los aspectos fundamentales y

rutas de escalado. Sin embargo, autores como Tomeczek abren una puerta para

establecer rutas alternativas de escalado basados en diferentes diseños de reactores

(ver Figura 2.1) que dan cuenta de una metodología a seguir según los requerimientos

que van desde la altura del rebose, tiempo de residencia y calidad del gas obtenido [50].

Figura 2.1 Variaciones geométricas del gasificador [50].

D3

D2

1.3D1

D

Variante 3

2.0 m 1.5

m

D3

1.3D1

D

Variante 2

D2

1.5 m

D3

D1

D

Variante 1

Otros autores como Matsen et al. [51] establecen una metodología de escalado

basándose en las características del lecho (ver Figura 2.2), considerando el patrón de

formación de burbujas, la porosidad del lecho y los fenómenos difusivos como punto de

Diseño conceptual para el desarrollo de la metodología de escalado de

reactores de gasificación en lecho fluidizado

41

partida para escalar reactores de gasificación de lecho fluidizado pero para gasificadores

pequeños.

Figura 2.2 :Correlación de escalado para diferentes diámetros de gasificadores.[15]

gD.35

U.Umf

UB

U.Umf1

ρ

ρmf

Hm

f

Hm

ax

ρ

ρm

f

Otros autores como T. Knowlton van más allá y se atreven a formular una serie de pasos

para escalar reactores de gasificación partiendo de un banco de datos que permita tener

un modelo cinético del proceso para posteriormente incluirlo en un modelo matemático

que contemple la hidrodinámica. Luego construir una planta piloto o un modelo frio a gran

escala para posteriormente, mediante experimentación, poder escalar el sistema a nivel

industrial [41].

2.2. Árbol de objetivos

Puesto que surgen diversas alternativas e investigaciones sobre el escalado de reactores

de gasificación, es necesario plantear objetivos que permitan identificar posibles rutas.

Por esta razón se desarrolló un esquema donde se identifica el proceso global de

escalado como el objetivo principal. En la Figura 2.3 se presenta el árbol de objetivos


teniendo en cuenta el orden jerárquico y el nivel de complejidad, siendo 1 el más

complejo y 4 el más básico.

o J1: escalado de reactores de gasificación de lecho fluidizado

o J2 estabilidad del gasificador

o J3: masificación de la producción

o J4: mínimo costo de producción

o J5:maximización de utilidades

o J6: aprovechamiento de los recursos

o J7: generación de energía alternativa y con mayores beneficios

Figura 2.3: Árbol de objetivos por nivel de complejidad.

J1

J2

J3 J4

J5J6 J7

Dominio de objetivos

Niv

el d

e c

om

ple

jidad

1

2

3

4

En la figura 2-3 se observar la interacción que se presenta entre el campo de dominio de

los objetivos y el nivel de complejidad que se desea llegar en el proceso de escalamiento.

Siendo J1 el objetivo primordial y los puntos J6 a J7 como elementos de llegada teniendo

en cuenta lo que significa el proceso de reproducción de la tecnología a pequeña y gran

escala. Aun así, teniendo en cuenta el objetivo de este trabajo, se centró la atención en

los puntos J1, J2 y J3 los cuales corresponden al desarrollo de la metodología de

escalado.



43

2.3. Descripción del método de selección para la ruta de escalado

Para la implementación del diseño conceptual que permita establecer una metodología

de escalado se realizó una adaptación entre el esquema planteado por Nigel-Cross y el

modelo de diseño lineal, partiendo de la identificación de la necesidad de escalar los

reactores de gasificación de lecho fluidizado para la masificación y producción de energía

[52].

2.4. Diseño conceptual y evaluación de alternativas

En el modelo de caja negra que se presenta en la Figura 2.4 se observan los parámetros

y lineamientos aceptados por la mayoría de los investigadores para la etapa de escalado

de reactores de gasificación, así mismo tal modelo permite identificar rutas a seguir

descartándolas o acoplándolas según sea necesario para el tipo de proceso, en este

caso se analizaron las alternativas más desarrolladas y documentadas en la literatura

como hidrodinámica del sistema, cinética, geometría del gasificador, simulaciones

basadas en correlaciones y se descartaron alternativas de escalado que profundizan

demasiado en un solo patrón como análisis exhaustivo de presión en el lecho, y teoría

del caos aplicada al movimiento de partículas y burbujas presentes en el lecho fluidizado.

Figura 2.4 Modelo de caja negra para escalado de gasificadores


El análisis de la metodología se realizó con base en la revisión del estado del arte para el

escalado de reactores de gasificación de lecho fluidizado. Teniendo en cuenta los

siguientes aspectos:

Hidrodinámica: el escalado de gasificadores basados en la hidrodinámica establece

correlaciones de régimen de flujo y ecuaciones adimensionales enfocadas a la

conservación del lecho fluidizado. La distribución del tamaño y numero de burbujas

están ligadas a la velocidad mínima de fluidización y al número de Reynolds. Esta

alternativa debe ser considerada con cuidado, puesto que requiere relaciones

correctas entre forma, tamaño de partícula y densidad del lecho para mantener

estables las condiciones de fluidización de una escala a otra.

Cinética: las transformaciones químicas están representadas por las cinéticas de las

reacciones que ocurren dentro del reactor, es por esto que una metodología de

escalado basada en ella debería ser capaz de cuantificar la influencia de los

fenómenos y establecer una interacción entre las variables que controlan el proceso

como temperatura, presión, concentraciones, tiempo de reacción, tamaño de

partícula y el funcionamiento del equipo. Aunque en la literatura se están

consignados gran cantidad de modelos cinéticos para cada proceso esta metodología

requiere estudios muy complejos y un análisis más profundo para identificar el

comportamiento del sistema ante cada perturbación.

Geometría: La geometría juega un papel muy importante en el proceso de escalado,

la mayoría de los procesos industriales se basan en patrones de medición simples

que permiten llevar un proceso de escala piloto a producción industrial con simples

cálculos geométricos. En el caso de los gasificadores estas medidas están

representadas en las relaciones diámetro- altura del reactor o diámetro altura del

rebose lo cual permite manipular en cierta medida el tiempo de residencia importante

para las reacciones de gasificación pero se debe tener en cuenta los factores

hidrodinámicos que van ligados.

Simulaciones: el uso de herramientas computacionales y ecuaciones que describen

el funcionamiento de los gasificadores es una herramienta que ha tomado



45

importancia puesto que permite predecir el comportamiento de las variables durante

el tiempo de operación, pero presenta cierto margen de error en canto a la realidad el

proceso incluso debido a la misma complejidad del modelo matemático. Esta

metodología solo brinda una idea del comportamiento entre escalas, y debe estar

relacionada con las metodologías anteriores puesto que requiere una gran cantidad

de información y datos muchas veces empíricos para tener una proximidad en el

modelo.

Con base en el análisis anterior se construyó una base teórica para analizar en cuál de

las alternativas se puede elaborar una hipótesis que permita realizar estudios

preliminares. Para ello se elaboró una matriz con valores cuantitativos justificados para

cada ruta de escalado (5 =mayor, 1= menor) ponderando los valores de cada

característica e indicando cual alternativa es factible para lograr un correcto escalado con

base en las consideraciones preliminares.

Tabla 2-1: Evaluación cuantitativa de cada metodología de escalado.

Parámetro Peso Metodología Geometría Hidrodinámica Cinética simulaciones

Calif. Pond. Calif. Pond. Calif Pond. Calif. Pond. Número De Variables

20% 4 0.8 4 0.8 5 1 4 0.8

Estabilidad 25% 3 0.75 4 0.75 4 1 5 1.25 Costo 20% 3 0.6 4 0.6 4 0.8 2 0.4

Tiempo 20% 3 0.6 4 0.8 3 0.6 5 1 Complejidad 15% 4 0.6 4 0.6 5 0.75 3 0.45

Total 100% 3.35 4 4.15 3.9

De acuerdo con la evaluación cuantitativa realizada en la tabla 2-2 y al análisis previo de

las posibles metodologías de escalado se encaminó el diseño conceptual desde el punto

de vista hidrodinámico y cinético debido a la similitud y estrecha relación que existe entre

los patrones flujo, consumo de las partículas, tiempo de residencia y fenómenos de

transferencia de masa, puesto que la medición del tiempo de residencia y la densidad del

lecho son variables fundamentales para el correcto escalado de los reactores de

gasificación integrando los fenómenos físicos y químicos que determinan la geometría

reactor, las condiciones de operación y estabilidad del gasificador.

47

3. Modelo matemático

El modelo matemático para determinar el tiempo de residencia de las partículas dentro

del lecho se presenta en esta sección. Para la elaboración se tomó como base el

propuesto por A. Blanco [53] para pirólisis de una partícula de biomasa y se modificó

para partículas carbón teniendo en cuenta los modelos cinéticos presentados por Maffei

et al. [54]–[56]. El modelo consta de una parte hidrodinámica, una de desvolatilización del

carbón, un sub código que modela la cinética de reacción y un código global que integra

todos los sistemas en función de la velocidad terminal de la partícula determinada por la

pérdida de masa.

Para el desarrollo del modelo se tienen en cuenta las siguientes suposiciones:

Se tienen en cuenta sólo los cambios que ocurren en dirección axial.

Es un modelo de dos fases donde se contempla la fase de burbujas y la de

emulsión conformada por gases y partículas.

Los fenómenos de trasferencia de masa y calor ocurren en las dos partes, es

decir, tanto en las partículas y el gas de la emulsión, como en las burbujas y la

emulsión. No se contempla la transferencia burbuja-partícula.

Se empleó el mecanismo de reacción de las partículas donde se considera la

formación de las especies como CO, H2, CO2, H2O, C2H4, H2S y alquitranes.

3.1. Modelo cinético de partícula simplificado

El estudio adelantado por Maffei de un solo paso y validado experimentalmente muestra

que es posible derivar un modelo general, mediante el cual se puede describir la pirolisis


del carbón en una simple ecuación (ver ecuación 3.1 y 3.2). Este modelo está enfocado a

procesos que se llevan a cabo a altas temperaturas y a altas velocidades de

calentamiento como es el caso de la gasificación de carbón en lecho fluidizado[55].

��Ó� → �� (3.1)

� = ��

�� (3.2)

De acuerdo con los datos experimentales tomados de trece carbones con diferentes

composiciones que van des de lignito hasta antracita, lograron establecer una correlación

entre el factor pre-exponencial y el contenido de carbono, de igual manera para la

energía de activación. Con base en esto Maffei et al., lograron establecer los parámetros

que modelan la cinética en torno al contenido de carbono en el carbón como se muestra

en las ecuaciones 3.3 y 3.4. [57].

� = 10(��.��.��∗�% ) [��] (3.3)

� = 5.67�10�� %

�.�� + 55653 ��

�� (3.4)

La expresión general de formación de especies con los coeficientes estequiométricos

está representada en la ecuación 3.5. Para la formación del residuo carbonoso sólo se

tiene en cuenta la composición elemental del carbón.

�� → ∝ �� +∝ �� +∝ �� +∝ �� +∝ � �� +∝ ��

�� +∝ ��

+∝ � �� +∝ �� (3.5)

Los coeficientes estequiométricos para cada especie son obtenidos mediante la ecuación

3.6.

∝ �� ,��,�� … .= (100 − �% − �% ) ∗ �� ó��

� ��ó��

�

�

�� ,��,� �� … (3.6)

Donde � ��ó�� es la distribución de los carbones de referencia y � ��ó��

corresponde al

peso molecular de los carbones de referencia. El peso molecular, los coeficientes

estequiometricos del tar, la fracción mol de tar, la composición elemental están dadas por

las ecuaciones 3.7 a 3.10.

Modelo matemático 49

� �� = �% ��12 + �% �� + �% ��16 ��

�� (3.7)

�% �� = ∑ �� (3.8)

�% �� = ∑ �� (3.9)

�% �� = ∑ �� (3.10)

Donde la facción mol �� es calculada mediante la ecuación 3.11

�� =∑

� ��ó� �� ó� �

�� ,�

∑ ∑� ��ó�� ó� �

�� ,�

��

�= 1,2,3 (3.11)

El coeficiente estequiométrico para el tar es calculado a partir de los resultados

anteriores mediante la ecuación 3.12

∝ ��=(��% ��% )

� ��∗ ∑ � ��

�� ∑

� ��ó� �

� ��ó� �

�� ,� (3.12)

Para el calcular la distribución del contenido de azufre y nitrógeno en el char, Maffei et al.

Plantea las ecuaciones 3.13 a 3.18, donde se evidencia que las especies son

dependientes del tipo de carbón.

�� = 7.3 − 0.175 ∗ �% + 1.12�10�� ∗ �%� (3.13)

�� = − 6.56 + 0.177 ∗ �% − 1.13�10�� ∗ �%� (3.14)

�� = 2.48 − 5.49�10�� ∗ �% + 3.45�10�� ∗ �%� (3.15)

�� = 1 − �� − �� (3.16)

�� = − 1.20 + 3.48�10�� ∗ �% − 2.182�10�� ∗ �%� (3.17)

�� = 1 − �� − �� (3.18)

De igual forma son calculados los coeficientes estequiométricos para las especies HCN y

H2S mediantes las ecuaciones 3.19 y 3.20.

∝ �� =(�% ∗�� )

�� (3.19)


∝ � ��=(�% ∗�� )

�� (3.20)

Las cinéticas de gasificación, las reacciones de oxidación, la velocidad de reacciones

heterogéneas de conversión de carbón son importantes para el diseño de gasificadores

puesto que uno de los pasos determinantes son las reacciones que se dan con el

material carbonoso residual[58]. En la Tabla 3-1 se presentan las reacciones elementales

y parámetros cinéticos utilizados en el modelo[59].

Tabla 3-1. Principales reacciones de gasificación. Unidades: kmol, m3, K, kcal, s.

Reacciones Expresión cinética

CHAR + O2 → CO2 5.7x109 e(-38200/RT)[O2]0.78

CHAR+0.5 O2 → CO 5.7x1011 e(-55000/RT)[O2]0.78

CHAR + H2O → CO + H2 7.9x109 e(-52000/RT)[H2O]0.7

3.2. Balance de energía en la partícula.

Para el balance de energía se considera el calentamiento de la partícula desde la

superficie hacia el centro. La transferencia de calor dentro de la partícula se da por

conducción[53]. El perfil radial de temperatura es calculado mediante la ecuación 3.21.

��,��

��=

�

��

��

��,��

�� ,��

��∆� ��

��,�� (3.21)

Los fenómenos de transferencia de calor en la superficie de la partícula están

representados por convección con el gas que fluidiza el lecho y los efectos de radiación

de la pared del reactor. Estos efectos están considerados mediante las ecuaciones 3.22 y

3.23.

��

��

�� = ∈� ��

� − �� + ℎ�� − �� (3.22)

Donde la condición de frontera de la partícula en el centro está expresada por la

ecuación 3.23

��

��= 0 (3.23)


3.3. Representación de la fase emulsión del lecho y burbujas

En los lechos fluidizados burbujeantes están presentes varias fases constituidas por

sólidos, gas y burbujas como se muestra en la Figura 3.1. Entre ellas se dan los

diferentes procesos de transferencia de calor y masa características en ese tipo de

reactor.

Figura 3.1: Representación de las fases de un lecho fluidizado burbujeante. Adaptado de [60].

El esquema para una sola partícula muestra como intervienen las diferentes fases en el

proceso de gasificación del char mediante las reacciones heterogéneas que ocurre en la

superficie interna y externa. Generalmente este proceso está limitado a las condiciones

de operación que favorecen una serie de variables como presión, temperatura, tipo de

agente fluidizante y velocidad del gas.


3.4. Hidrodinámica del lecho

Para encontrar el Reynolds de mínima fluidización se utilizó la ecuación planteada por

Weng and Yu y empleada en el modelo de Chejne et al. para gasificación de carbón en

lecho fluidizado[25](ver ecuaciones 3.24 a 3.25):

�� = �� +

��(��)

��

�.�

− �� (3.24)

Donde �� = 25.25 y �� = 0.0651 determinados experimentalmente, asi mismo para el

cálculo de la velocidad mínima de fluidización se utilizó la ecuación planteada por Leva

(1959).

U�� = 9.23��Dp�.� ��

��

�.��

��

��

�.��

(3.25)

3.5. Velocidad terminal de partículas

En los lechos fluidizados el régimen de flujo presenta variaciones de acuerdo a la

naturaleza de las partículas, densidad, tamaño y geometría de las mismas, como también

de las propiedades del agente fluidizante. Así mismo, la velocidad mínima de fluidización

y la velocidad terminal son esenciales para el diseño de reactores de gasificación en

lecho fluidizado puesto que son determinantes para el tiempo de residencia y

rendimientos del equipo[61]. En este caso se parte principalmente de la velocidad

terminal de las partículas mediante un modelo que integra la cinética de consumo de

carbón, la pérdida de masa y las propiedades del gas. Para el caso de la velocidad

terminal de partículas aplicado al lecho fluidizado se recurre a la ley de Stokes mediante

la ecuación 3.26

�� =��

�(��)

�� (3.26)


3.6. Fracción de la fase burbuja y velocidad del gas en la emulsión

De acuerdo con la teoría de las dos fases, cuando el gas utilizado supera el límite de

mínima fluidización se considera en exceso y este se transporta a lo largo del lecho en

forma de burbujas. Así la velocidad de burbuja a través de una sección transversal de

lecho está dada por la ecuación 3.27

�� = �(�� − ��) (3.27)

Sin embargo autores como Kunii & Levenspiel [62] y Cui et al [63] desarrollaron las

expresiones matemáticas (ecuaciones 3.28 a 3.30) para el cálculo de la fracción y

velocidad de burbujas las cuales se usaron en este trabajo .

� = 0.534�1 − ��

�.�� (3.28)

�� = �� − �� + 0.711(��)�.� (3.29)

�� =��

�� (3.30)

3.7. Ecuaciones y cálculos auxiliares.

En esta sección se detallan las ecuaciones auxiliares, constates y sub modelos que

permiten estimar propiedades de los gases, números adimensionales y coeficientes de

transferencia que van integrados al modelo global de tiempo de residencia.

3.7.1. Partícula de carbón

El modelo de consumo de las partículas de carbón está basado en el planteado por A.

Blanco [53] en el cuál las propiedades se calculan en función de la fracción másica de

carbón y char en cada instante de tiempo, a medida que la partícula se gasifica se van

formando corazas de material carbonizado como se muestra en la Figura 3.2.


Figura 3.2: Perfil de consumo de una partícula de carbón. Adaptado de [60].

De

nsi

da

d d

e

carb

ón

0

Co

nce

ntr

ació

n d

e ga

s

reac

tan

te

ρc

CR

rp rbrn

Capa de ceniza

Las corazas del material que reaccionó se aglomeran en forma de capas de ceniza,

manteniendo la geometría de la partícula aproximadamente constante. Sin embargo la

partícula disminuye considerablemente su densidad.

El cálculo de la capacidad calorífica y conductividad térmica de las partículas se realizó

en función de la fracción másica y de las propiedades de las especies según las

ecuaciones 3.31 y 3.2.[53]

�� = �� + |�� − ��| ∗ �� (3.31)

�� = �� + |�� − ��| ∗ �� (3.32)

3.7.2. Propiedades del gas

Para el cálculo de las propiedades del gas en el modelo se consideraron los efectos de la

temperatura, número de Reynolds y densidad del gas mediante la ecuación de gases

ideales (ver ecuaciones 3.33 a 3.35).

Re� =��

� (3.33)


μ = μ�(��

��

�.� ��

��) (3.34)

P ∗ W = ρ�RT� (3.35)

3.7.3. Coeficientes de transferencia

Los fenómenos de transferencia de masa y energía en lecho fluidizado son mucho más

marcados que en otro tipo de lecho. Estos fenómenos ocurren principalmente entre las

burbujas, la emulsión y las partículas sólidas. De acuerdo con las suposiciones

planteadas en éste capítulo, la transferencia entre partículas y burbujas no es

considerada[64].

Transferencia de energía entre el gas de la emulsión y las partículas

Debido a la importancia de los coeficientes de transferencia en los lechos fluidizados,

muchos investigadores han estudiado y desarrollado correlaciones para calcular el

coeficiente de transferencia de una partícula y de todo el lecho. En este modelo se aplicó

la ecuación 3.36 para partículas esféricas.

ℎ�� =��∗��

�� (3.36)

Donde los números de números de Prandtl, Nusselt, y Reynolds se calcularon mediante

las ecuaciones 3.37 a 3.39

�� = 2 + 0.6 ∗ ��

�

� ∗ ��

� (3.37)

�� =��

�� (3.38)

�� =��

� (3.39)

3.8. Delimitación de la metodología de escalado

El modelo de velocidad terminal de partículas permite establecer tiempos de residencia

de acuerdo con el tamaño de las mismas y a la velocidad de operación del reactor; sin


embargo, debido a la característica del lecho fluidizado es necesario delimitar el uso de la

metodología de escalado a un rango específico de tamaño de partículas, régimen de

fluidización, diámetro del reactor y relación de velocidad mínima de fluidización

U/Umf. Así mismo se tienen en cuenta los parámetros más influyentes que determinan la

transferencia de calor en el lecho como lo son las propiedades de la corriente gaseosa

(Aire) y las propiedades de la fase sólida (carbón)[28].

3.8.1. Tamaño de partícula

La gasificación de carbón ha sido ampliamente explorada para diversos tamaños de

partícula ,sin embargo, para lechos fluidizados algunos autores[19][61][62] limitan el

rango de 0,5 mm hasta 6 mm, aun así el emplear partículas pequeñas por debajo de la

clasificación Geldart tipo B (1 mm) generan problemas de fluidización debido a la

cohesión y tamaños por encima de 2 mm requieren esfuerzos adicionales en cuanto la

fluidización, puesto que su tamaño dificulta este proceso y los efectos entre partícula ya

no son despreciables [67]. Estudios experimentales [25], [68]–[70] demuestran que el

comportamiento hidrodinámico del lecho es adecuado cuando se utilizan tamaños de 1

mm a 2 mm para la gasificación de carbón, por lo tanto el estudio de la metodología de

escalado se centrará en este rango de partículas.

3.8.2. Velocidad del gas y U/Umf

Uno de los parámetros determinantes para el correcto funcionamiento de los reactores de

gasificación en lecho fluidizado es la velocidad del gas y la relación de velocidad mínima

de fluidización (U/Umf) puesto que de forma directa influye sobre el tiempo de residencia

y los rendimientos del reactor. De acuerdo con lo estipulado por Basu, los lechos

fluidizados burbujeantes operan en un rango de velocidades que van desde 1 m/s a 1,5

m/s, este rango se puede adaptar al modelo de velocidad terminal teniendo en cuenta el

tamaño de partícula y el grado de conversión requerido. Para partículas de 2 mm se

estableció como parámetro de operación de 1,2 m/s a 2 m/s o lo que corresponde a una

relación de 2,5 a 4 veces la velocidad mínima de fluidización.


3.8.3. Régimen de fluidización.

Los reactores de gasificación en lecho fluidizado burbujeante sobresalen respecto a los

demás puesto que tienen un mayor tiempo de residencia de partículas [19], [71] y debido

a las características hidrodinámicas, un mejor mezclado y distribución frente a los demás

gasificadores, siendo ésta homogénea en todo el lecho. Definidos previamente los

parámetros de operación de velocidad el gas y tamaño de partícula se establece el

régimen de operación con base en el diagrama de Grace como se muestra en la Figura

3.3 con ayuda de las ecuaciones adimensionales 3.40 a 3.42.

��∗ = (��,��)�/� = ��

��

�� /�

(3.40)

�∗ = � ��

�

��

�/�

=��

(��,��)�/� (3.41)

�� =��∗��∗��

� (3.42)

Figura 3.3: Diagrama de Grace para distintos regímenes de fluidización. Adaptado de [72].


En la zona correspondiente a lechos fluidizados burbujeantes se ubicaron los límites de

trabajo de la metodología de escalado, correspondientes a partículas de 2 mm y

velocidad máxima del gas de 2 m/s y velocidad mínima de 1.2 m/s.

3.8.4. Diámetro del reactor

Cuando se trata de escalar un lecho fluidizado es importante determinar el tamaño del

cual se desea partir, puesto que el ampliar un reactor de escala banco o de laboratorio

(D1) a un tamaño más grande (D2) representa una tarea compleja debido a que los

efectos de pared presentes en el primer reactor (D1) tienden a desaparecer conforme

aumenta el diámetro. Por lo tanto, la hidrodinámica, la selectividad relacionada con tipos

de material, rendimientos y otros son dependientes del diámetro del reactor. Sin embargo

al escalar reactores desde la escala piloto (D2) a uno industrial (D3) los efectos de pared

pasan a un segundo plano; aunque no deja de ser un proceso arduo el escalado, puesto

que los parámetros hidrodinámicos se relacionan con los cinéticos dependiendo del

modelo de reacción o velocidad del gas[60][73] y deben tenerse en cuenta. En la Figura

3.4 se presenta gráficamente el proceso de escalado de reactores en lecho fluidizado

Figura 3.4: Escalado de diferentes diámetros de reactor. Adaptado de [60].


Debido al régimen de fluidización es importante conservar el patrón de formación de

burbujas característico del tipo de gasificador. En este sentido Matsen et. Al., Glicksman

y Knowlton realizaron estudios sobre la influencia del diámetro del reactor sobre la

hidrodinámica del lecho encontrando que a diámetros más grandes los efectos de pared

son despreciables lo que facilita el escalado de reactores en lecho fluidizado como se

muestra en la Figura 3.4, mientras que a diámetros por debajo de 0,3 m los efectos son

marcados sobre todo en la formación de burbujas puesto que disminuyen la velocidad

dentro por la expansión del lecho, ocasionando que las burbujas se aglomeren antes de

llegar al freeboard generando una “cámara de aire” dentro del lecho o lo que se conoce

como slugging.[14], [35], [51], [60], [74], [75] (ver Figura 3.5)

Figura 3.5: Efecto del diámetro y el tamaño del lecho sobre el tiempo de residencia de burbujas. Adaptado de [60].

Diámetro del lecho (m)

0.2 0.4 0.6 0.8 100

0.5

1.0

1.5

2.0

Tie

mpo

de resi

denci

a d

e b

urbuja

s (s

)

2.5

0.8 0.5 0.3 0.15 0.05

Altura (m)

Tiempo de residencia no es función del diámetro

Existe una zona de transición entre 0,3 y 0,4 m de diámetro donde no es clara la

participación de los efectos que tiene diversos parámetros como efectos de pared y altura

del lecho sobre el tiempo de residencia de burbujas; sin embargo, en el límite donde el

diámetro es superior a 0,45 metros estos carecen de importancia, es decir no son función

del diámetro. De acuerdo con lo anterior se planteó delimitar la metodología de escalado

a un rango donde se conjugan los factores tanto hidrodinámicos como cinéticos y

demarcarlos mediante rangos de operación teóricos y experimentales. En la Tabla 3-2 se

muestra en resumen las condiciones de ejecución del modelo y los límites de operación.


Tabla 3-2. Límites de operación del modelo de velocidad terminal para la metodología de escalado

Parámetro Valor Velocidad 1,2 – 2 [M/S] U/Umf 2,5 – 4 Diámetro De Partícula 1 – 2 [Mm] Diámetro Del Reactor 0,45 A 2,2 [M] Régimen Fluidizado Burbujeante

3.9. Metodología de escalado

De acuerdo con lo desarrollado en el diseño conceptual para el escalado de reactores de

gasificación en lecho fluidizado se planteó una metodología basada en la cinética y la

hidrodinámica del proceso cuyas entradas son el tiempo de residencia obtenido del

modelo cinético de velocidad terminal y el flujo másico requerido para el nuevo reactor.

Se tuvieron en cuenta las restricciones que exige la tecnología y los parámetros

hidrodinámicos que permiten mantener el régimen de fluidización de una escala a otra.

En la Figura 3.6 se presenta el diagrama de flujo que se propone para el cálculo de

parámetros que permiten el escalado de reactores.

Figura 3.6 Algoritmo de escalado.

Flujo de carbón (Kg/h)

Análisis CHN

Dp (m)

Aire estequiométrico

ER

Corrección T

Cálcula Área

Supone Diámetro

Faire (m3/h)

Cálcula Ug(2)

(Ug (2) - Ug(1))^2 ≤ tol

Fin DiámetroSI

NO

Modelo de velocidad terminal

Ug(1) tr Conversión

Cálculo h lecho


Con el modelo se establecen los parámetros necesarios para obtener un tiempo de

residencia de tal manera que se logre la conversión de carbón deseada, luego, con base

en el flujo de aire necesario para llevar a cabo las reacciones de gasificación se supone

un diámetro de reactor entre 0,3 y 2,2 m. posteriormente se itera el cálculo de la

velocidad en función del diámetro hasta que la diferencia entre la velocidad encontrada

con el modelo (Ug (1)) y la calculada (Ug(2)) sea menor o igual que la tolerancia

establecida.

63

4. Resultados

Los resultados representativos del modelo de velocidad terminal son presentados en este

capítulo para diferentes tamaños de partículas, la conversión de carbón y los perfiles de

temperatura para cada uno de los casos, se estableció un punto de trabajo intermedio a

una velocidad de 1,6 m/s . Posteriormente se presenta un caso de estudio experimental

para un reactor de gasificación en lecho fluidizado a nivel industrial seguido de la

metodología final de escalado.

4.1. Perfiles de calentamiento de partículas de carbón.

Existe una estrecha relación entre la tasa de calentamiento de las partículas y los

rendimientos asociados al proceso de gasificación puesto que el valor del poder calorífico

y la conversión del carbón dependen de la estabilidad en la temperatura, el tiempo

residencia y la transferencia de energía en el lecho[50]. De esta manera se analiza la

tasa de calentamiento de partículas de carbón para diferentes tamaños.

En el modelo se plantea una temperatura de gasificación de 900°C, sin embargo, a pesar

de que la temperatura final de la partícula es la misma para diferentes tamaños, esta

varia radialmente calentándose más rápido en la superficie por los efectos de trasferencia

entre el gas que en el interior de la partícula por medio de la conducción como se

muestra en la

Figura 4.1.


Figura 4.1 : Perfil de calentamiento para partículas de carbón 1 mm, 2 mm y 3 mm de

diámetro respectivamente.

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

1200

Tiempo [min]

Te

mp

era

tura

de

la p

art

ícu

la[K

]

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

Tiempo [min]

Tem

pera

tura

de la p

art

ícu

la[K

]

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

1200

Tiempo [min]

Te

mp

era

tura

de

la p

art

ícu

la[K

]

Resultados 65

El tiempo que tardan las partículas de carbón en alcanzar la temperatura de gasificación

es de 2,4 segundos para partículas de 1 mm, 18 segundos para partículas de 2 mm y 48

segundos para partículas de 3 mm de diámetro. A pesar de la baja conductividad térmica

del carbón las altas temperaturas en el lecho propician una alta velocidad de

calentamiento para partículas de 1 y 2 mm, sin embargo para partículas de más de 3 mm

la velocidad de calentamiento decae considerablemente lo cual genera problemas de

inestabilidad y fluctuaciones en la temperatura del lecho.

4.2. Tiempo de residencia de una partícula

El tiempo de residencia depende de la velocidad del gas y la tasa de conversión, es

decir, a medida que las partículas reaccionan la densidad disminuye y de igual manera

su velocidad terminal. Cuando la velocidad del gas es superior a la velocidad terminal la

partícula es expulsada del lecho. De acuerdo con esto, en la figura 4.2 se muestra el

tiempo de residencia para partículas de 1 mm, 2 mm y 3 mm para una misma velocidad

del gas con el fin de analizar la variación del tiempo de residencia con el diámetro de la

partícula, la pérdida de masa y la velocidad terminal para cada tamaño.

Figura 4.2: Tiempo de residencia para partículas de 1 mm, 2 mm y 3 mm de diámetro

respectivamente, con velocidad del gas de 1,6 m/s.

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Tiempo [min]

Velo

cidad [

m/s

]

Velocidad terminal

Velocidad del gas


Se encontró que el tiempo de residencia aumenta con el diámetro de partícula, como era

de esperarse, el tiempo de residencia fue de 20 minutos, 35 minutos y 53 minutos para

tamaños de 1,2 y 3 mm respectivamente.

Así mismo la velocidad terminal inicial para cada partícula coincide con lo estipulado por

Basu [76] donde se encontró que partículas de 3 mm de diámetro requieren una

velocidad del gas de 35 m/s para ser expulsadas del lecho frio y tamaños de 1 mm una

velocidad de 10 m/s. En los tres casos las partículas presentan una pérdida de masa

instantánea debido al proceso de desvolatilización del carbón, luego va decayendo hasta

volverse casi asintótico puesto que la reacción del material carbonoso se ha dado casi en

su totalidad.

0 5 10 15 20 25 30 35 400

5

10

15

20

25

Tiempo [min]

Velo

cid

ad [

m/s

]

Velocidad terminal

Velocidad del gas

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 550

5

10

15

20

25

30

35

Tiempo [min]

Velo

cid

ad

[m

/s]

Velocidad terminal

Velocidad del gas

Resultados 67

4.3. Conversión de partículas

Con base en el tiempo de residencia encontrado y con ayuda de las simulaciones se

determinó la conversión de cada tamaño de partícula. En la Figura 4.3 se presenta el

perfil de consumo para cada uno de los casos anteriores, es decir, para 1,2 y 3 mm de

diámetro.

Figura 4.3 : Conversión para partículas de 1mm, 2mm y 3 mm, a una velocidad del gas

de 1,6 m/s

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Tiempo [min]

Convers

ión

0 5 10 15 20 25 30 350

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Tiempo [min]

Convers

ión


En el caso de partículas más pequeñas de 1 mm, se observa el efecto que tiene la

velocidad del gas sobre tiempo de residencia en el lecho (20 minutos) y la conversión del

carbón (72%), puesto que es menor al tiempo de residencia para partículas de 3 mm

donde la velocidad del gas es baja en relación a su peso.

No obstante para tamaños más grandes de 3 mm, el tiempo de residencia fue de 53

minutos lo que corresponde a una conversión del 82% aproximadamente, mientras que

para partículas de 2 mm de diámetro se logra el 80% en 20 minutos menos

aproximadamente. Esto quiere decir que existe un rango de operabilidad donde se deben

optimizar las variables tiempo de residencia contra conversión de acuerdo a los

requerimientos del proceso.

En la A pesar de que las partículas de menor tamaño (1 mm) tienen un menor tiempo de

residencia, su conversión está entre el 60% y 78%, un rango inferior al que se predijo con

partículas de mayor diámetro. Esto debido a que el proceso de desvolatilización de la

partícula ocurre de manera instantánea; sin embargo, el tiempo de residencia no supera

los 20 minutos dentro del lecho, lo cual implica que la gasificación del material carbonoso

(char) no ocurre en su totalidad para este caso [60][50].

Figura 4.5 y Figura 4.4 se simuló el tiempo de residencia y conversión para cada tamaño

de partícula pero esta vez a diferentes velocidades, partiendo de 1,6 m/s puesto que a

valores de Ug más bajos la conversión es aproximadamente constante (83%) y se

traduce en diámetros de reactor más grandes.

0 10 20 30 40 50 600

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

Tiempo [min]

Convers

ión

Resultados 69

Figura 4.4: Conversión de partículas para diferentes velocidades y diámetros de partícula.

A pesar de que las partículas de menor tamaño (1 mm) tienen un menor tiempo de

residencia, su conversión está entre el 60% y 78%, un rango inferior al que se predijo con

partículas de mayor diámetro. Esto debido a que el proceso de desvolatilización de la

partícula ocurre de manera instantánea; sin embargo, el tiempo de residencia no supera

los 20 minutos dentro del lecho, lo cual implica que la gasificación del material carbonoso

(char) no ocurre en su totalidad para este caso [60][50].

Figura 4.5: Tiempo de residencia para diferentes velocidades y tamaños de partícula.

0,55

0,6

0,65

0,7

0,75

0,8

0,85

1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2

Co

nve

rsió

n

Velocidad del gas (Ug) m/s

dp = 1 mm dp = 2 mm dp = 3 mm

0

10

20

30

40

50

60

1,5 1,7 1,9 2,1

Tie

mp

o d

e r

esid

en

cia

Velocidad del gas (Ug) m/s

dp = 1 mm dp = 2 mm


Las partículas de 2 y 3 mm tiene un comportamiento similar en cuanto la conversión, aun

así los tiempos de residencia varían significativamente entre ellos, para lograr una

conversión del 82% se necesitan 50 minutos aproximadamente dentro del lecho y para

partículas de 2 mm se alcanza la misma conversión en 35 minutos. Esto sugiere que bajo

las condiciones establecidas en la metodología de escalado el punto de operación puede

reducirse a tamaños de partícula de 2 mm, velocidad del gas de 1,5 a 1,7 y tener

conversiones del 78 al 80%. Los cálculos obtenidos mediante el modelo están

enmarcados dentro de los límites planteados por la literatura.

4.4. Caso de estudio y validación del modelo

En esta sección se describe como caso de estudio el proceso de gasificación de carbón

implementado en una industria ladrillera. Con ayuda del modelo de velocidad terminal se

calculó el tiempo de residencia de las partículas y mediante los parámetros de operación

se determinaron las características de lecho como porosidad y altura.

4.4.1. Descripción del equipo.

Las consideraciones de diseño del equipo están pensadas para utilizar el gas de síntesis

producto de la gasificación de carbón para la cocción de ladrillos. El reactor cuenta con

una placa distribuidora que a su vez posee un banco de tuyeres por donde ingresa el

agente gasificante al lecho. Cuenta con un diámetro interno de 1,4 m en la zona inferior y

1.7 m en la expansión. Tiene 2 m de altura en la zona del lecho y 4 m de alto en la zona

del freeboard. El reactor está diseñado para operar a una capacidad máxima de 700 kg/h

con un tamaño de partícula promedio de carbón de 2 mm. En la parte inferior tiene un

sistema de extracción de cenizas y sistema de alimentación de agua que al ingresar al

reactor se vaporiza por la alta temperatura, funcionando como agente gasificante.

El equipo opera en régimen de lecho fluidizado burbujeante y a presión atmosférica.

Posee un cuadro de control mediante el cual se monitorean y modifican las variables

físicas y termodinámicas del proceso. Un tornillo dosificador permite ajustar la

alimentación de carbón en un rango de 1 a 700 kg/h, así como un sistema de suministro

de aire capaz de suministrar 3800 m3/h

Resultados 71

4.4.2. Condiciones experimentales

La campaña experimental del equipo de gasificación se planteó a partir de los

experimentos a escala de laboratorio para establecer los parámetros necesarios como

relación de aire combustible, temperaturas de operación y velocidad mínima de

fluidización. El carbón empleado para las pruebas de gasificación es procedente del

municipio de Amagá, Cuenca del Sinifaná, de tipo subbituminoso A (SUBBA). En la Tabla

4-1 se presenta en análisis completo de la materia prima.

Tabla 4-1 : Análisis del carbón utilizado. Propiedades Subba

PC, (MJ/Kg) 24.3

C, (% w/w) 60.16

H, (% w/w) 4.43

N, (% w/w) 1.60

S, (% w/w) 0.57

O, (% w/w) 24.53

Humedad, (% w/w) 10.94

Cenizas, (% w/w) 8.73

Volátiles, (% w/w) 38.02

Carbono fijo, (% w/w) 42.31

En la Tabla 4-2 se presentan los parámetros de operación del gasificador para una

prueba representativa de las 8 realizadas, esto con el fin calcular y analizar la

importancia del tiempo de residencia del carbón y establecer las características del lecho.

Tabla 4-2. Resumen de las condiciones experimentales.

Ítem valor Temperatura global, °C 850-900

Flujo de aire, m3/h 800 Flujo de carbón, kg/h 300

ER (relación aire-combustible) 0.3 SB (relación combustible-vapor) 0.2

Tiempo de operación (h) 8


El gasificador arranca con reacciones de combustión para vencer la inercia térmica y

alcanzar las temperaturas adecuadas, posteriormente se manipula la relación de aire

combustible hasta llegar a un punto estable luego de 5 horas de calentamiento. La

estabilidad en la temperatura es necesaria para descomponer los compuestos más

pesados y favorecer las reacciones de gasificación. Este proceso se muestra en la Figura

4.6.

Recurriendo a la composición elemental del carbón utilizado y las relaciones de

gasificación empleadas (ER y SB), se estableció el flujo total de agente gasificante. Estos

parámetros son fundamentales para la operación del gasificador. La velocidad del gas

fue de 1.34 m/s operando a una relación U/Umf de 2.5. Así mismo se midieron las

temperaturas durante todo el proceso (ver Figura 4.6) y la caída de presión del lecho en

el punto de estado estacionario, fluctuando alrededor de 2250 Pa.

Figura 4.6. Perfil de temperatura experimental y muestreo de char.

En la Figura 4.6 se representan con un círculo rojo los puntos donde se tomaron las

muestras de char para calcular la conversión de carbón. Se encontró que el promedio de

la conversión en el estado estacionario es de 76% con un porcentaje de error del 2,5 %

calculado mediante la prueba t de Student. En la Figura 4.7 se presenta la conversión

para cada muestra.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

8:24 10:48 13:12 15:36 18:00 20:24

Tem

pera

tura

del l

ech

o, °C

Tiempo

T1_Bed

T2_Bed

Resultados 73

Figura 4.7 . Conversión de carbón para diferentes muestras en el estado estacionario.

El comportamiento de la conversión coincide con las temperaturas respectivas a cada

muestreo, puesto que el mayor grado de transformación del combustible se obtuvo

cuando la temperatura era de 800 °C. Debido a la calidad del carbón y el recurso

disponible para convertirse se encontró que el rango de conversiones está dentro de los

límites de una buena gasificación, confirmado por el poder calorífico superior del gas de

síntesis asociado a la prueba experimental el cual fue de 4.96 MJ/Nm3.

4.4.3. Validación

Para la validación del modelo se plantea una estrategia de cálculo basada en la

porosidad de lecho, es decir, encontrar el valor experimental mediante la iteración de dos

ecuaciones (ver ecuación 4.1 y 4.2) que relaciona la longitud, la porosidad y la caída de

presión del lecho. Posteriormente mediante el modelo de velocidad terminal se calcula el

tiempo de residencia de las partículas y la altura del lecho comparando la diferencia entre

los tres métodos como se muestra en la Figura 4.8.

�� =��

(��)�� (4.1)

�� =��

�� (��)��

��(��)��.��

��

��

(4.2)

0,50

0,55

0,60

0,65

0,70

0,75

0,80

0 1 2 3 4

Co

nvers

ión

Muestra


Figura 4.8 . Secuencia de cálculo de la altura del lecho.

Parámetros

Supone ε

Altura de lecho h (2)

Altura de lecho h (1)

ε

SI

NO

Modelo de velocidad terminal

Ecuación 3

Ecuación 1

Ecuación 2

(h(1) - h(2))^2 ≤ tol

Fin

Tiempo de residencia (τ)

Longitud expermental

Longitud teórica

% Error

Cálculo h(3)

El tiempo de residencia fue calculado con ayuda del modelo de velocidad terminal,

producto final de este trabajo, mediante los parámetro de operación del reactor de lecho

fluidizado cuyas entradas principales son dp y Ug. En la Figura 4.9 se muestra el

comportamiento de las velocidades (Ug y Ut).

Figura 4.9 . Tiempo de residencia de las partículas de carbón

10

1.6110

1.6410

1.6710

1.710

1.7310

1.76

1.35

1.4

1.45

1.5

1.55

1.6

Tiempo [min]

Ve

loci

da

d [m

/s]

Velocidad terminal

Velocidad del gas

Resultados 75

El tiempo que demoran las partículas en el lecho se encontró mediante la intersección de

la velocidad del gas y la velocidad terminal donde las fuerzas que actúan sobre la

partícula son superiores a su peso obligándolas a salir del lecho. Este tiempo

corresponde a 55,8 minutos para una velocidad del gas de 1,34 m/s. La conversión

asociada al tiempo de residencia teórico está representada por la Figura 4.10, donde la

conversión alcanzó el 82% aproximadamente.

Figura 4.10 Conversión experimental de carbón

0 10 20 30 40 500

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

Tiempo [min]

Co

nve

rsió

n

El porcentaje de error de la conversión experimental respecto al modelo de velocidad

terminal fue del 7.5%, esto debido a que no se tienen en cuenta algunas interacciones

entre fases dentro del lecho y a la diferencia en las temperaturas de gasificación de la

fase experimental donde fluctuaron entre 750 °C y 850 °C mientras que en el modelo se

estableció una temperatura de operación de 900 °C.

Con ayuda de la ecuación 4.3 que relaciona el tiempo de residencia, flujo másico y área

del reactor se obtuvo la longitud teórica

�3 =� ∗ �̇

(1 − �) ∗ � ∗ ��

(4.3)

Luego de seguir la secuencia de cálculo o algoritmo propuesto se obtienen las diferentes

alturas del lecho fluidizado, cabe destacar que el área presente en la ecuación 4.3

incluye una de las variables de diseño como lo es el diámetro del reactor. En la Tabla 4-3

se resumen los datos de la iteración para calcular la altura del lecho


Tabla 4-3. Datos característicos del lecho fluidizado.

Porosidad experimental 0,587 [-] Porosidad de mínima

fluidización 0,457 [-]

L1 (ecuación 4.1) 0,695 [m] L2 (ecuación 4.2) 0,695 [m] L3 (ecuación 4.3) 0,620 [m]

Tiempo de residencia 55.8 [minutos] Caída de presión 2250 [Pa]

De acuerdo con los datos del lecho presentados en la tabla Tabla 4-3 el porcentaje de

error entre la altura calculada con el modelo y la calculada a partir de la caída de presión

experimental fue de 11%, es decir, una diferencia de 7,5 cm. Esto permite validar el

modelo de velocidad terminal y tiempo de residencia a pesar de los márgenes de error

que surgen debido a la complejidad de la cinética de las reacciones y a la magnitud de

los flujos másicos que se manejaron en la parte experimental. Los resultados predicen de

manera acertada el comportamiento de la conversión de las partículas de carbón y el

tiempo de residencia para reactores de gasificación en lecho fluidizado.

4.5. Escalado del caso de estudio.

Se modeló el caso de estudio mediante la metodología de escalado propuesta en

capítulos anteriores para de diferentes capacidades con el fin de realizar un “scale up” y

“scale down” a partir de los datos experimentales.

La conversión de carbón para el caso de estudio, calculada a partir del modelo de

velocidad terminal, fue del 82% para un tiempo de residencia de 55,8 minutos. Sin

embargo, para escalar se propuso utilizar una velocidad ligeramente superior a la del

caso experimental debido a que se logra una conversión del 80% en un tiempo de 35

minutos cuando la velocidad es de 1,57 m/s. Esto se debe al comportamiento asintótico

de la conversión.

Con el fin de tener un punto de comparación entre rangos de operación no sólo se

trabajó a 1,5 m/s, también se modelaron los límites de la metodología definida

anteriormente, es decir, a velocidades de 1,2 m/s y 2 m/s. En la Figura 4.11 se muestran

Resultados 77

los rangos de operación partiendo de la variable flujo y encontrando la variable de diseño

del nuevo reactor (Diámetro).

Figura 4.11. Carta de escalado para el caso de estudio.

Se encontró que para escalar el caso de estudio no se sigue un comportamiento lineal

puesto que para duplicar la capacidad a 1400 kg/h se necesita aumentar el diámetro de

1,4 m a 1,9 m operando en condiciones de lecho fluidizado burbujeante a una velocidad

de 1,57 m/s para garantizar una conversión del 80% para partículas de 2 mm de

diámetro.

La carta de escalado ofrece un abanico de posibilidades donde se pueden tener

reactores de diámetro más pequeño operando a velocidades más altas y a conversiones

que oscilan entre el 72 y 75 % con tiempos de residencia que oscilan entre 23 a 26

minutos. O reactores con diámetros más grandes cuando se trabaja a baja velocidad

dando como resultado mayor tiempo de residencia y conversiones cercanas al 83,5 %.

Sin embargo existe un punto de inflexión en cuanto a la conversión puesto que para los

tres casos se logra un rango aceptable dentro del proceso de gasificación pero en el caso

de bajas velocidades es muy alto el tiempo de residencia y el aumento en la conversión

es despreciable. En la Figura 4.12 se presenta la variable de diseño (diámetro) para el

caso de estudio tanto para scale up cómo scale down.

0,00,20,40,60,81,01,21,41,61,82,02,2

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Diá

me

tro

[m

]

Flujo [kg/h]

Ug = 1,57 m/s Ug = 2 m/s Ug = 1,2 m/s


Figura 4.12 Scale up y scale down del caso de estudio

700 Kg /h

300 Kg /h

1400 Kg /h

D =1.4 m

D =0.9 m

D =1.9 m

Dp = 2 mmX= 80%

Ug = 1,57

Partiendo del parámetro deseado de conversión del 80% y de las simulaciones

encontradas con el modelo de velocidad terminal se diseñaron 2 reactores, uno de 300

kg/h y uno de 1400 kg/h, encontrando que los nuevos diámetros son 0,9 m y 1,9 m

respectivamente. Para diámetros de reactor superiores a 2 m las condiciones

hidrodinámicas no son adecuadas para el lecho fluidizado burbujeante puesto que es

poco probable que se dé una mezcla homogénea, característica de este tipo de lecho.

Por el contrario se recomienda utilizar una batería de gasificadores u otro tipo de

gasificador como el de flujo circulante.

79

5. Conclusiones y recomendaciones

Se desarrolló una metodología de escalado que permite definir los principales parámetro

de diseño como el diametro de un reactor para llevar a cabo la gasificación en lecho

fluidizado burbujeante. El método de escalado consta de un modelo matemático de corte

fenomenológico basado en las ecuaciones de balance de masa y energía y con base en

correlaciones emprícas para todo lo relacionado con la fluidodinámica, se trata de una

metodología que conjuga la fluidodinámica, fen´menos de transferencia de calor y

materia con los proceso químicos.

El modelo matemático permitió simular el tiempo de residencia de partículas de carbón

en lecho fluidizado burbujeante con base en la predicción de la velocidad terminal de las

partículas, para luego encontrar una ruta de escalado que acopla la parte

fenomenológica del proceso con los modelos cinéticos de consumo de carbón. También,

se predijo que la velocidad de calentamiento de las partículas de carbón en lechos

fluidizados burbujeantes es alta para los diferentes tamaños de partícula así como la

desvolatilización del carbón, superiores a 100 ºC/s, lográndose tiempos cortos para estas

estapas in feriore a 10 segundos.

Se pudo concluir que las partículas de 2 mm de diámetro presentan una relación óptima

de conversión-tiempo de residencia bajo las condiciones de velocidad de gas de 1,6 m/s,

logrando un tiempo de residencia de 35 minutos y una conversión cercana al 80%.

Adicionalmente, con la metodología que se propone en este trabajo se llegó a la

conclusión clave en el diseño de estos equipo y es que existe un límite superior para el

diametro del reactor si se queire mantener las condiciones de lechofluidizado

burbujeante.

El límite que se estableció es que reactores no deben ser superiores a 2 m de diametro

para mantener la condición de lecho fluidizado burbujeante. Otras capacidades que


requieran diametros superiores al límite superior, debe se diseñado en condicion de flujo

de arastre.

Experimentalmente se encontró que para el caso de estudio (Diámetro = 1,4 m), el

proceso es más tolerante en aspectos como tamaño de partícula donde se puede

trabajar bajo cualquiera de los tres valores definidos en la metodología. De igual manera

debido a los altos flujos de combustible y aire que maneja el equipo, es mucho más fácil

lograr una estabilidad térmica o estado estacionario del reactor, esto facilita el uso del

modelo para calcular la tasa de conversión y el tiempo de residencia de las partículas.

En la línea de posibles trabajos futuros sobre esta línea de investigación, se recomienda:

investigar más a fondo el modelo cinético para mejorar la predictibilidad sobre el

calentamiento y la pérdida de masa de las partículas de carbón.

Desarrollar modelos cinéticos y fluidodinámicos que faciliten la conexión y la

evaluación del tiempo de residencia para luego hacer el correcto escalado.

También se recomienda investigar la variación del régimen de fluidización en

equipos de más de 2,4 metros de diámetro puesto que son importantes para

lograr una correcta operación del equipo, un buen mezclado del lecho y una

buena conversión de carbón.

81

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Escalado de reactores de gasificación en lecho fluidizado

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