patrocinadoSimulación en ingeniería de procesos Cómo comprender los reactores de lecho fijo mediante la simulación

En los reactores de lecho fijo se dan cita el flujo, el transporte de calor, el transporte de masa y la reacción. ¿Qué ocurre en el interior del lecho, donde las mediciones solo proporcionan información limitada? ¿Y cómo se pueden identificar, a pesar de todo, las zonas críticas?

Lo que ocurre en el interior de un reactor de lecho fijo es determinante para la calidad del producto, el rendimiento y la seguridad operativa, pero a menudo permanece oculto desde el punto de vista experimental. Realizar mediciones en el interior de los reactores o de los lechos, en la superficie de los catalizadores o en los poros de partículas individuales resulta difícil o incluso imposible. Esta dificultad se hace especialmente patente en los reactores de lecho fijo, ya que las magnitudes relevantes, como la pérdida de presión, la temperatura o las concentraciones, solo pueden medirse de forma media en la entrada y la salida. Por el contrario, los procesos exactos que tienen lugar en el interior no pueden medirse directamente. Sin embargo, sería muy útil disponer de información sobre la uniformidad del flujo o sobre los picos de temperatura que puedan producirse. Asimismo, saber si los reactantes se transforman por completo o si se forman zonas en las que las reacciones transcurren más lentamente supone una gran ventaja para el diseño y el funcionamiento de los reactores de lecho fijo. Cualquier información sobre la influencia del tamaño de las partículas, la porosidad, la conducción térmica o la cinética de reacción resulta valiosa para el resultado global.

La simulación complementa la medición

La simulación ofrece dos grandes ventajas frente al experimento: una visión ilimitada y un control total. De este modo, se pueden analizar todas las variables y magnitudes de estado en cualquier punto de un reactor y en cualquier momento. En lugar de limitarse a comparar las magnitudes de entrada y salida, se pueden examinar las distribuciones locales de velocidad, presión, temperatura o concentración en todo el modelo. De este modo, se puede identificar dónde surgen zonas críticas, qué parámetros influyen de manera especialmente significativa en el proceso y si los efectos observados se deben realmente a la causa supuesta. Por otra parte, todos los parámetros pueden modificarse de forma aislada para evaluar sus efectos en el sistema en su conjunto. La simulación constituye, por tanto, un valioso complemento del experimento: una vez que las mediciones han proporcionado puntos de referencia reales y datos sobre los materiales, los modelos de simulación pueden explicar las relaciones subyacentes y ayudar a planificar los siguientes ensayos.

Más que un problema de flujo

En un reactor de lecho fijo tienen lugar simultáneamente diversos procesos físicos y químicos. El fluido circula a través de los intersticios, se transportan sustancias, se libera o se disipa calor y se producen reacciones en las superficies del catalizador. Además, la escala desempeña un papel fundamental. Mientras que a nivel de la planta lo que interesa es la distribución por todo el reactor, a nivel de las partículas es la difusión en los poros o en los gránulos lo que determina la eficacia real con la que se aprovecha una superficie. Por ello, para obtener modelos realistas de reactores de lecho fijo es necesario recurrir a la multifísica. Esto permite considerar conjuntamente el flujo, el transporte de calor, el transporte de sustancias y la cinética de reacción. Esto es imprescindible cuando los efectos se influyen mutuamente. Un ejemplo de ello es una reacción exotérmica que genera aumentos locales de temperatura, los cuales, a su vez, modifican la velocidad de reacción y las propiedades de las sustancias.

Los modelos de simulación se utilizan con frecuencia para tomar determinadas decisiones pendientes. Las cuestiones típicas que deben aclararse en este contexto se refieren, por ejemplo, a los ajustes en la geometría del reactor, el tamaño ideal de las partículas, la sensibilidad del proceso ante cambios en las condiciones de entrada o la mejora de la disipación del calor. Además, mediante estudios de parámetros se pueden determinar las ventanas de funcionamiento adecuadas e identificar las zonas con un mayor riesgo de efectos secundarios indeseados.

Del modelo para expertos a una aplicación para todos

Otro paso consiste en poner las simulaciones y sus resultados a disposición de más personas de la empresa. El flujo de trabajo clásico de simulación prevé que el equipo de simulación cree modelos y luego trabaje con ellos, actuando prácticamente como un proveedor de servicios interno para el departamento de desarrollo. Sin embargo, resulta mucho más eficiente que sean los propios desarrolladores quienes puedan trabajar con los modelos. Para cuestiones recurrentes relacionadas con el diseño o las variantes, se pueden crear aplicaciones de simulación simplificadas basadas en modelos validados. Los usuarios modifican entonces parámetros definidos, como el caudal, la temperatura o los datos geométricos y de materiales, y obtienen a partir de ello los resultados calculados para su caso concreto. En ese momento, los expertos en simulación ya están trabajando en las siguientes tareas y modelos. Es importante que los modelos subyacentes estén bien estructurados desde el punto de vista técnico, que estén validados y que sus límites estén claramente definidos.

Comprender mejor los procesos

En la industria de procesos, las instalaciones, los productos y los requisitos normativos son cada vez más complejos. Al mismo tiempo, aumenta la presión para acortar los plazos de desarrollo y utilizar los recursos de forma más eficiente. La simulación multifísica ofrece aquí un enfoque para identificar y gestionar relaciones complejas.

Comsol Multiphysics ayuda a los ingenieros a representar estos procesos acoplados en un modelo único que incluye todos los fenómenos y efectos relevantes. De este modo, se crea una herramienta versátil que ayuda a comprender mejor los mecanismos relevantes del proceso en reactores de lecho fijo, medios porosos y otras aplicaciones de ingeniería de procesos.