Motivados por la necesidad de entender más y comprender mejor la dinámica de reactores de gasificación de carbón, que son una versión simplificada en el sentido cinético-transporte de los reactores de gasificación de biomasa con dinámica no lineal compleja, en esta tesis se estudia: El problema de modelar de manera eficiente, para propósitos de estimación y control en línea, el reactor de gasificación de carbón con dinámica no lineal compleja, en el entendido de que es un problema no completamente resuelto en la literatura (Amundson y Arri, 1978; Caram y Fuentes, 1982; Yoon, et al., 1978) El problema se trata combinando conceptos, nociones y herramientas de ingeniería de reactores químicos tubulares (Levenspiel y Bischoff, 1964; Hlavacek, 1970) transporte radiativo, cinética basada en modelo de núcleo decreciente (shrinking core) (Levenspiel, 2004; Astarita, 1967), dinámica no lineal, métodos numéricos para solución de ecuaciones algebraicas (EA), ecuaciones diferenciales parciales (EDP’s) y ordinarias (EDO’s) no lineales y modelado eficiente de EDP’s (Badillo, et al., 2019) como extensión del modelo de celdas utilizado en reactores tubulares. La metodología de modelado eficiente se aplicó a dos modelos: (i) de Caram y Fuentes, 1982 (con simplificaciones cinéticas a costo de partición en regiones y sin radiación) y (ii) la contraparte de gasificación de carbón del modelo de gasificación de biomasa (sin simplificaciones cinéticas ni regiones asociadas y con radiación como mecanismo fundamental). Los resultados se compararon con los de gasificación de carbón (Amundson Arri, 1978; Badillo, et al., 2019; Caram y Fuentes, 1982) y de biomasa, encontrando: (i) Con un modelo de diferencias finitas (DF) con 100 etapas se reproduce, explica y formaliza la multiplicidad (3 EE´s estables y 1 EE inestable) reportada por Caram y Fuentes, 1982 para el caso sin radiación (ii) Con la particularización a gasificación de carbón a contracorriente del modelo para biomasa en paralelo con 100 etapas se reproduce cualitativamente la multiplicidad (3 EE’s estables) del modelo de Amundson y Arri, 1978 (perfiles no realísticamente abruptos obtenidos sin y con radiación subestimada) y se mejora la descripción de perfiles con la consideración del fenómeno de radiación en su debida magnitud. Con 200 etapas el reactor sólo se encontraron 2 EE’s estables, sugiriendo proclividad por severo mal condicionamiento numérico a presencia de estados estacionarios espurios (existentes en el sistema discretizado y no EDP´s) de Badillo, et al., 2019. La descripción del estado estacionario de interés es robusta. En las conclusiones de discuten conexiones e implicaciones de los resultados para el estudio de problemas de modelado, estimación y control de reactores tubulares heterogéneos de gasificación de carbón en particular y de biomasa en general.
Relacionamentos
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