INORGÁNICA (XX CAFQI) DISEÑO DE UN REACTOR … CAFQI 2017.pdf · DISEÑO DE UN REACTOR DE LECHO...
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DISEÑO DE UN REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO BURBUJEANTE PARA GASIFICACIÓN DE COMBUSTIBLES SÓLIDOS NATURALES
La Valle Daniel1; De la Vega Federico1; Cornacchiulo Franco1; Nassini Daniela2,4; Fouga Gastón Galo2,3 y Bohé Ana Ester2,3,5
(1) Instituto Sábato Universidad Nacional de San Martín, Av. Gral. Paz 1499, cp. 1650, San Martín, Buenos Aires, Argentina.
(2) Centro Atómico Bariloche - Comisión Nacional de Energía Atómica. Avenida Bustillo 9500, cp. 8400 San Carlos de Bariloche, Río Negro, Argentina.
(3) Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET), Argentina.
(4) Instituto Balseiro – Universidad Nacional de Cuyo, Avenida Bustillo 9500, cp. 8400 San Carlos de Bariloche, Río Negro, Argentina
(5) Centro Regional Universitario Bariloche - Universidad Nacional del Comahue, Quintral 1250, cp. 8400 San Carlos de Bariloche, Río Negro, Argentina.
Introducción
Combustibles Sólidos Naturales
Conclusiones y Perspectivas
Los carbones y otros materiales naturales que contienen carbono eran, en otro tiempo, empleados esencialmente en la
producción de calor y fuerza por combustión directa, de modo que la energía almacenada en estos recursos naturales
resultaba aprovechada muy ineficientemente. Desde hace algunas décadas se tiende cada vez más a “afinar” nuestros
combustibles brutos en productos tales que permitan un aprovechamiento más económico, bajo la forma de combustibles
líquidos o de sustancias químicas de gran valor. La tecnología de gasificación permite la producción de gas de síntesis a
partir de materias primas carbonosas. Este gas puede utilizarse en reemplazo del gas natural para la generación de
energía o como material de partida en la producción de combustibles líquidos. El proceso de gasificación de carbón
involucra la utilización de calor y un agente gasificante como CO2 o vapor de agua para producir un gas compuesto
principalmente por monóxido de carbono e hidrógeno. En trabajos anteriores [1-2] se investigó la cinética de gasificación
de chars de distintos combustibles sólidos naturales. En este trabajo se presenta el diseño de un reactor de lecho
fluidizado burbujeante (RLFB) para reacciones de gasificación de combustibles sólidos naturales.
El objetivo de este trabajo es el diseño y construcción de un reactor
de lecho fluidizado tipo burbujeante, el cual será empleado para
evaluar las reacciones de gasificación de combustibles sólidos
naturales.
Dos modelos en frio (construidos en acrílico) de distintas
dimensiones para evaluar la dinámica de la fuidización
empleando distintos materiales como lecho.
Un sistema de inyección de muestra (en batch) refrigerado, para
evitar que la muestra pirolice antes de ingresar en el reactor.
Un sistema de enfriamiento de gases de síntesis a la salida del
reactor.
Un separados solido – gas tipo ciclón para separar las partículas
que podrían ser transportadas en suspensión.
CAFQI 2017 XX CONGRESO ARGENTINO DE FISICOQUÍMICA Y QUÍMICA
INORGÁNICA (XX CAFQI)
16 al 19 de mayo de 2017, Villa Carlos Paz, Córdoba, Argentina
Carbones
Antracita Antracítico
Bituminoso
Lignítico
Sub-bituminoso
Semi Antracita
Bajo Volátil
Meta Antracita
Medio Volátil
Alto Volátil
Clase A
Clase B
Clase C
Clase A
Clase B
Asfaltitas Orto Asfaltita
Meta Asfaltita
Combustibles Sólidos
Naturales [3-4] Según %
de Materia
volátil
Según
Poder
Calorífico Hulla
Turba
Cla
sifi
caci
ón
H2O Materia
Volátil
Carbón
Fijo Ceniza + + +
Pirólisis CHAR
Tratamiento Térmico en aire
(105 °C)
Tratamiento Térmico en Ar
(950 °C)
% de Char - % de Cenizas
Tratamiento Térmico en aire
(950 °C)
ASTM
D3173 – 03
ASTM
D3175 – 07
ASTM
D3174 – 04
%CF %MV
≥ 98 ≤ 2
92-98 8-2
86-92 14-8
78-86 22-14
69-78 31-22 Poder
Calorífico
11500-13000
10500-11500
9500-10500
8300-9500
6300-8300
≤ 6300
Reactividad Rango
Determinación
Combustibles sólidos
Carbón
Río Turbio
Asfaltitas de Neuquén
EM (Meta-asfaltita) F4 (Orto-asfaltita)
Humedad (% en peso) 3.5 11.47 0.26
Materia Volátil a (% en peso) 36.4 26.18 58.97
Carbón Fijo a (% en peso) 51.2 68.67 40.57
Ceniza a (% en peso) 12.3 5.13 0.46
Densidad (g·cm3) 1.107 0.679 0.412
CT 59.8 64.3 78.0
NT 2.78 3.27 2.92
ST 0.86 2.36 4.5
Poder Calorífico kJ/kg 25104 24895 39472
Reacciones de Gasificación
Caracterización del Lecho
Producción de
Energía
Materia prima
precursora
Síntesis de
combustibles
2 2 2(2 ) n nnCO n H C H nH O
2 2 1 2(2 ) ( 1)n nnCO n H C H OH n H O
2 2 2 2(2 1) n nnCO n H C H nH O
Alquenos
Alcoholes
Parafinas
Char (s) + H2O(g) → H2(g) + CO(g)
Char (s) + CO2(g) → 2CO(g)
Las tecnologías de gasificación
permiten la producción de gas de
síntesis a partir de materias
primas carbonosas, [5-7]. Char (s) + 2H2(g) → CH4(g)
dsph = diámetro de una
esfera con igual volumen
que la partícula, [8].
def = Diámetro Efectivo.
𝑬𝒔𝒇𝒆𝒓𝒊𝒄𝒊𝒅𝒂𝒅 𝜙𝑆 =𝑆𝑢𝑝. 𝐸𝑠𝑓𝑒𝑟𝑎
𝑆𝑢𝑝. 𝑃𝑎𝑟𝑡í𝑐𝑢𝑙𝑎𝑉𝑜𝑙. 𝐶𝑡𝑒.
𝜙𝑆 = 1 𝑒𝑠𝑓𝑒𝑟𝑎 0 ≤ 𝜙𝑆 ≤ 1 𝐹𝑜𝑟𝑚𝑎𝑠 𝑖𝑟𝑟𝑒𝑔𝑢𝑙𝑎𝑟𝑒𝑠
𝑑𝑒𝑓 = 𝜙𝑆 ∙ 𝑑𝑠𝑝
Luego de una clasificación granulométrica por tamizado se obtiene una fracción pasante #x y una
retenida en #y.
𝑑𝑝 =#𝑥 + #𝑦
2
#x
#y
Determinación del diámetro promedio:
Tamizado.
Microscopía.
Difracción Laser.
100 1000-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
V/V
Tota
l x 1
00
Tamaño de Partículas (m)
100 1000
0
20
40
60
80
100
#100 ASTM
#70 ASTM
Volu
men
Acu
mula
do (
%)
Tamaño de Partículas (m)
#50 ASTM
Superficie específica de las partículas:
𝒂´ =𝑆𝑢𝑝. 𝑃𝑎𝑟𝑡í𝑐𝑢𝑙𝑎
𝑉𝑜𝑙. 𝑃𝑎𝑟𝑡í𝑐𝑢𝑙𝑎=
𝜋 ∙ 𝑑𝑠𝑝2
𝜙𝑠
𝜋 ∙ 𝑑𝑠𝑝3
6
=6
𝜙𝑠 ∙ 𝑑𝑠𝑝
𝒂 =𝑆𝑢𝑝. 𝑑𝑒 𝑡𝑜𝑑𝑎𝑠 𝑙𝑎𝑠 𝑃𝑎𝑟𝑡í𝑐𝑢𝑙𝑎
𝑉𝑜𝑙. 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑙𝑎𝑠 𝑃𝑎𝑟𝑡í𝑐𝑢𝑙𝑎=6 ∙ 1 − 𝜀𝑚𝜙𝑠 ∙ 𝑑𝑠𝑝
Partículas Irregulares, alto ≈ ancho.
𝑑𝑒𝑓 = 𝜙𝑆 ∙ 𝑑𝑠𝑝 ≅ 𝜙𝑆 ∙ 𝑑𝑝
Partículas Irregulares, alto > ancho ≡ 2:1
𝑑𝑒𝑓 = 𝜙𝑆 ∙ 𝑑𝑠𝑝 ≅ 𝑑𝑝
Partículas Irregulares, alto > ancho ≡ 2:1
𝑑𝑒𝑓 = 𝜙𝑆 ∙ 𝑑𝑠𝑝 ≅ 𝜙𝑆2 ∙ 𝑑𝑝
∆𝑃𝑓𝑟
𝐿𝑚∙ 𝑔𝑐 = 150 ∙
1 − 𝜀𝑚2
𝜀𝑚3 ∙
𝜇 ∙ 𝜈0
𝜙𝑠 ∙ 𝑑𝑝2 + 1.75 ∙
1 − 𝜀𝑚𝜀𝑚
3 ∙𝜌𝑔 ∙ 𝜈0
2
𝜙𝑠 ∙ 𝑑𝑝
Lm = Altura del lecho (en CMF).
gc = Factor por la aceleración gravitacional.
μ = Viscosidad del gas.
υ = Velocidad del gas de fluidización.
ρg = Densidad del Gas.
εm = Porosidad.
Caída de presión en función de las características del lecho
Parámetro RLFB1 RLFB2
Int 25,8 mm 44,4 mm
Masa de lecho 38 g 135.15
Altura del lecho 5 cm 5 cm
Altura del lecho (cmf) 8 cm No determinada
Vmf 30 l/min No determinada
∆Pfr No detectable No determinada
d) e)
Densidad aparente: 0.924 g/cm3.
Densidad real: 2.58 g/cm3.
Lecho N° 1: Arena Merck Lecho N° 3: Arena Miramar
Densidad aparente: 1.40 g/cm3.
Densidad real: 3.41 g/cm3.
Lecho N° 2: Arena Cantera
Densidad aparente: 1.578 g/cm3.
Densidad real: 2.608 g/cm3.
Como lecho se testearon tres arenas diferentes; una comercial marca Merck, una procedente de una cantera local y una arena de mar de la ciudad de Miramar. De estas dos últimas se separó una fracción granulométrica pasante #25 (710 μm ASTM) y retenido en #35 (500 μm ASTM). Se caracterizaron tres lechos distintos mediante difracción Laser (DL), Difracción de Rayos x (DRX) y Microscopía Óptica. Fue posible determinar la velocidad de mínima fluidización empleando 38 g de la arena Merck como lecho. Se determinó que la caída de presión entre el lecho y el tubo de conexión de salida de los gases de síntesis empleando un manómetro diferencial marca Magnehelic no es detectable por este método. En base a los resultados de los parámetros de operación ,se diseñó un separador ciclónico de partículas ubicado en la salida de los gases de síntesis para separar las partículas que podrían ser arrastradas por el gas. Fue posible construir un horno eléctrico tipo libro capaz de alcanzar 1000 °C. Como trabajos a futuro se evaluará el comportamiento fluidodinámico inyectando muestras sólidas de combustibles sólidos naturales de diferentes granulometrías.
Referencias 1 2 3 4 5 6 7 8
El plato distribuidor es intercambiable.
Testeo de fluidización