Modelo de tres fases de un reactor de lecho fluidizado para la producción de polietileno

R.A BORTOLOZZI, M.G. CHIOVETTA

Rosario - Santa Fe

Congreso; VII Congreso Argentino de Ingeniería Química - CAIQ 2013; 2013

Asociación Argentina de Ingenieros Químicos

Los polímeros del etileno y del propileno dominan la producción mundial de termoplásticos. Del total de la capacidad instalada, aproximadamente el 50 % corresponde a esquemas con el monómero en fase gaseosa y en ellos la mayoría incluye reactores de lecho fluidizado. Un 90% de esta producción mundial se realiza mediante reacciones con catalizadores heterogéneos, en su mayoría soportados, con sitios activos agrupables  en dos categorías: 1) catalizadores de base Cr y Ziegler-Natta, y 2) catalizadores metalocénicos. Los catalizadores del grupo (1), desarrollados en la década de 1960, hoy dominan el mercado a partir de sucesivas evoluciones. Los catalizadores metalocénicos (grupo 2) representan la avanzada tecnológica y desde la década de 1990 han ido ingresando al mercado de la producción industrial. Permiten calidades y variedades  difíciles de obtener con los catalizadores de la categoría (1). Su actividad es mayor y son capaces de producir polímeros con tacticidad controlada, incluso por tramos dentro de una molécula. Los procesos en fase gaseosa presentan dificultades para controlar la energía liberada durante la polimerización. Esto se vuelve más importante cuando se considera la mayor actividad, y por ende la mayor velocidad de liberación de energía, en los sistemas metalocénicos. Industrialmente, a partir de tecnologías que se encuentran en desarrollo, agregar evaporables por debajo del punto de rocío a la corriente gaseosa mejora la manipulación del calor liberado. Esta novedad ha incentivado el desarrollo de modelos matemáticos para los reactores, que contribuyen a mejorar el análisis de los equipos [1]. En este trabajo se presenta un modelo para reactores de lecho fluidizado con catalizadores metalocénicos que supone tres fases: el gas de las burbujas, el gas intersticial y las partículas sólidas. El gas de burbuja se mueve en flujo pistón, al igual que el gas intersticial. El movimiento es hacia arriba y las velocidades de ascenso son diferentes entre sí, siendo mayor la de la fase burbuja que la del gas intersticial, que es igual a la de mínima fluidización. Las partículas sólidas, fluidizadas por la corriente gaseosa, tienen un comportamiento complejo: el gas que asciende en forma de burbujas produce un arrastre de partículas en la estela que sigue a las burbujas. Cuando estas partículas se desprenden de la estela, o llegan a la parte superior del lecho, tienden a caer hacia el fondo del reactor. Así se establecen dos corrientes de partículas sólidas: una ascendente, debida al efecto de arrastre de las burbujas, y otra descendente, en forma de cascada. Durante todo este trayecto ascendente-descendente las partículas van creciendo debido a la reacción química, que forma polímero en los sitios catalíticos. El sistema de extracción de sólidos, situado en la parte inferior del reactor, retorna al reactor las partículas pequeñas, con un efecto neto de salida de partículas grandes. El modelo divide el lecho en un cierto número de secciones superpuestas, resueltas como sub-sistemas que intercambian materia y energía entre sí. El mecanismo de retro-mezclado que se produce en la fase constituida por las partículas sólidas se cuantifica mediante un factor de ponderación. Cuando este factor es cero, no hay efecto de retro-mezclado y la fase se mueve en flujo pistón. Cuando el factor crece, aumenta progresivamente el mezclado, y la fase se aproximando al esquema de mezcla perfecta. El número de secciones en que se divide el lecho es el mismo para las tres fases consideradas. Las dos corrientes gaseosas ascendentes se modelan sin retro-mezclado, con la sucesión de secciones superpuestas representando el comportamiento de flujo pistón cuando el número de secciones es suficientemente grande. En la fase de partículas sólidas la mezcla en sentido axial produce comportamientos intermedios entre ambos esquemas extremos. En cada una de las tres fases se formulan los balances de materia y energía, y se resuelven por vía numérica. Se presentan dos conjuntos de resultados con los mismos valores asignados a los parámetros básicos: el primer conjunto se obtuvo sin agregado de evaporables mientras que el segundo se realizó con ellos. Las curvas obtenidas difieren en que a los segundos corresponden mayores producciones del polímero,  y en condiciones térmicas más controladas. El modelo demuestra ser representativo del comportamiento del reactor al diferenciar al gas de las burbujas en flujo pistón de la emulsión como un sistema combinado con gas intersticial ascendente y partículas en un movimiento más complejo con trayectorias ascendentes por el arrastre que generan las burbujas. El modelo desarrollado puede ser aplicado al reactor de lecho fluidizado con evaporables, modelando las mejoras en la evacuación del calor generado.