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UBU
SIMULACIÓN DEL ARRANQUE TRANSITORIO EN UN
REACTOR DE OXIDACIÓN EN AGUA SUPERCRÍTICA.
J.M. Benjumea
a
, J. Sánchez-Oneto
a
, J.R. Portela
a
, F. Jiménez-Espadafor
b
,
E. J. Martínez de la Ossa
a
a
Departamento de Ingeniería Química y Tecnología de Alimentos, Facultad de
Ciencias, Universidad de Cádiz,
11510 Puerto Real (Cádiz).
b
Departamento de Ingeniería Energética, Escuela Superior de Ingenieros, Universidad
de Sevilla,
Camino de los Descubrimientos, S/N, 41092, Sevilla.
josemanuel.benjumea@uca.es
Palabras claves: simulación, estado transitorio, oxidación en agua supercrítica.
1 Introducción
El grupo “Análisis y Diseño de Procesos con Fluidos Supercríticos” de la Universidad de Cádiz
ha diseñado y puesto en marcha una planta piloto de oxidación en agua supercrítica con un
caudal nominal de 25 l/h. El reactor es de tipo tubular, construido con tubería AISI 316 L de ¾”,
un volumen final de 1230 cm
3
y está diseñado para trabajar a 250 bar de presión de operación y
a temperaturas entre 380 y 550ºC [1].
Con objeto de predecir las condiciones que se darán en el
reactor durante el arranque de dicha planta y reducir el gasto energético inicial necesario, se
trabaja en la construcción de un modelo que permita la simulación del periodo transitorio que
transcurre desde que se pone en marcha la reacción hasta que se alcanzan condiciones estables
de temperaturas (régimen permanente o estacionario).
Para la construcción del modelo se ha empleado el EES (Engineering Equation Solver) [2] en
combinación con Matlab (Matrix Laboratory) [3]. El EES es un software que permite resolver
de forma simultánea sistemas de ecuaciones, ecuaciones diferenciales, optimizar etc. Sin
embargo, en este caso ha sido utilizado como base de datos para la obtención de las propiedades
de las sustancias presentes. La programación del modelo se ha hecho en Matlab [3], que es un
software matemático con un lenguaje de programación propio y que permite manipular
matrices, implementar algoritmos, representar datos y funciones, etc.
2 Resultados
Las expresiones matemáticas y las ecuaciones que rigen la dinámica de fluidos durante el
régimen transitorio en las condiciones de operación son muy complejas, lo que supone una gran
dificultad a la hora de desarrollar el modelo objeto de estudio. Por ello, para solventar estos
inconvenientes se han llevado a cabo algunas simplificaciones que nos permitan obtener una
solución satisfactoria cercana a la realidad.
El modelo es unidimensional, por lo que solo contempla la variación de las variables a lo largo
de la longitud del reactor y el tiempo. Puesto que la presión de operación de la planta es
constante e igual a 250 bar se ha despreciado la variación de presión a lo largo del reactor. En el
primer modelo no se tienen en cuenta las pérdidas de calor al exterior, considerando por tanto
un comportamiento adiabático del reactor. Además no se ha incluido la energía cinética en la
ecuación de conservación de la energía pues se ha demostrado que su contribución es
despreciable en este caso.
Las propiedades de la mezcla se han evaluado a partir de las propiedades de los compuestos
puros y la fracción másica de éstos en la mezcla resultante tal y como se muestra en la siguiente
ecuación:
( )
(
)
∑
∑
=
j
jij
i
m
TpBm
TpB &
&,
,
(1)
Dónde la B
i
es la propiedad i de la sustancia j evaluada a presión p y temperatura T y j
m
&
es el
caudal másico de j.
La sustancia utilizada para el arranque de la planta es isopropanol disuelto en agua con una
concentración al 3% que se oxida en condiciones supercríticas.
2.1 Ecuaciones de gobierno
A continuación se muestran las ecuaciones que gobiernan el proceso en régimen transitorio.
Dichas ecuaciones establecen la conservación de masa, Ecuación (1) y la energía, Ecuación (2),
tomando como volumen de control el reactor.
0=
∂
∂
+
∂
∂
x
v
t
ρ
ρ
(2)
i
r
x
vh
t
u−=
∂
∂
+
∂
⋅
∂
ρ
ρ
)(
(3)
dónde ρ es la densidad, u la energía interna, h la entalpía, v la velocidad y r
i
el calor de reacción.
Con el modelo se estudia como varía el perfil de temperaturas del reactor con el tiempo durante
el régimen transitorio hasta que se alcance una temperatura estable. Se estudia el proceso de
arranque desde diferentes condiciones de temperatura y caudal de alimentación para encontrar el
procedimiento con mínimo gasto energético y se comparan con los datos experimentales.
Bibliografía
[1] M. B. García-Jarana, J. Sanchez-Oneto, J.R. Portela, E. Nebot, E. Martínez de la Ossa,
Simulation of supercritical water oxidation with air at pilot plant scale (2010) Int. J. Chem.
Reactor Eng., 8, A58.
[2] Engineering Equation Solver. http://www.fchart.com/ees/ees.shtml
[3] Matlab. http://www.mathworks.es/