MODELADO DE FLUIDIZADO REACTOR DE LECHO DE POLIMERIZACIN DE ETILENO.

ABSTRACTOSe propone un modelo pseudo-homogneo para describir el comportamiento de reactor de lecho fluidizado de produccin de polietileno lineal de baja densidad (LLDPE). El modelo cintico empleado en este estudio se basa en las ecuaciones de momento. La concentracin media de partculas en el lecho se estima a partir del modelo hidrodinmico estructura de dos fases dinmicas. Se adopt un modelo de tanques en serie para describir el patrn de flujo en el reactor. Los modelos hidrodinmicos y cinticos se integran al modelo de reactor para hacer un modelo integral reactor de produccin de LLDPE de fase gaseosa. Se ha demostrado que los resultados de este modelo fi t los datos reales en trminos de flujo de masa fundida ndice del polietileno producido, de manera satisfactoria. El modelo propuesto es capaz de predecir el rendimiento del reactor, as como de polmeros propiedades fsico-qumicas.

IntroduccinReactores de lecho fluidizado han encontrado amplias aplicaciones en muchos procesos qumicos que implican reacciones gas-slido y de fase gas-slido catalizada. La produccin de polietileno lineal de baja densidad (LLDPE) a travs heterogneos catalizadores de Ziegler-Natta es un ejemplo de tales aplicaciones industriales de camas fluidizado. Debido a la operacin a bajas presiones y temperaturas, no hay necesidad de solventes y mejor eliminacin de calor, en comparacin con los otros procesos de produccin de polietileno, la polimerizacin en fase gaseosa de etileno en lecho fluidizado es ahora ampliamente utilizados a escala industrial [1]. Modelado de la produccin de LLDPE en reactores de lecho fluidizado fl ha recibido recientemente una atencin considerable. Varios esfuerzos de investigacin se han llevado a cabo en el modelado de los reactores de lecho fluidizado fl para los modelos de produccin de LLDPE y de crecimiento de las partculas en el reactor [2-6]. Estos intentos han conducido a una comprensin ms realista del comportamiento del reactor, as como las propiedades del polmero producido en el reactor. Ray [7] considera una jerarqua de modelado como microescala, mesoescala y macroescala, basado en las caractersticas de los sistemas de reactores de polimerizacin. En tal enfoque, la masa total y el equilibrio de energa y de eliminacin de calor del reactor se considera en el nivel de macroescala. Crecimiento de las partculas, la masa intrapartculas y entre partculas y el balance de energa se producen a nivel de mesoescala, mientras que la cintica de la polimerizacin corresponde al nivel de microescala. Por lo tanto, con el fin de modelar un reactor de este tipo, fenmenos tales como las caractersticas fl ow complejo de gas y slidos, cintica de la polimerizacin heterognea, y varios de calor y los mecanismos de transferencia de masa tienen que ser incorporados de una manera realista [2].Los reactores de lecho fluidizado se modelaron como reactores de una sola, de dos o tres fases. En el caso de la produccin de LLDPE en fluidizado reactores de lecho, modelos como el reactor de tanque agitado continuo monofsica (CSTR) [4], en dos fases [2], y el enchufe trifsico heterognea flujo del reactor (PFR) para todas las fases [6] ha sido usado. Wu y Baeyens [8] introdujeron un ndice de mezcla, que van desde 0 a 1, para cuantificar el grado de mezcla en reactores de lecho fluidizado. Para un reactor tpico de polimerizacin de etileno, el ndice de mezcla se estima en alrededor de 0,4 a 0,5, que podra ser interpretado como una mezcla pobre [6]. Esto indica que el reactor de lecho fluidizado de la produccin de LLDPE no se comporta ya sea como un CSTR o un PFR pero su hidrodinmica est situado entre estos dos casos ideales. Por lo tanto, un modelo de tanques en serie puede ser utilizado para un reactor de este tipo no ideal que se comporta entre PFR y CSTR [9].Para partculas de polmero jvenes contienen catalizadores altamente activos, calor y resistencias de transferencia de masa puede llegar a ser significativa, dando lugar a mltiples estados estacionarios y partculas sobrecalentamiento [4]. La actividad de catalizador de Ziegler-Natta est relacionada con su composicin y el mtodo de preparacin. Por lo tanto, a diferencia de la mayor parte de la corriente catalizada reaccin qumica, la actividad del catalizador en el proceso de polimerizacin, y en consecuencia la velocidad de reaccin global, sera diferente de un modo operativo a otro. En caso de baja a moderada actividad del catalizador, de transferencia de calor y de difusin de resistencias no juegan un papel importante en el nivel de partculas en los reactores de polietileno en fase gaseosa. En el caso lmite, donde sea burbujas son las tasas de transferencia de masa pequea o interfase y energa son altos y el catalizador est en baja para la actividad moderada, temperatura y concentracin intrapartcula gradientes son insignificantes [10]. En este caso, la produccin de LLDPE fluidizado reactores de lecho podran ser modeladas como un CSTR propuesto por McAuley et al. [4]. Sin embargo, como se discuti anteriormente, tales reactor puede no ser considerado como un solo CSTR. En el presente trabajo se emplea un modelo de tanques en serie para modelar el reactor de lecho fluidizado de la produccin de LLDPE con el fin de obtener una mejor comprensin del funcionamiento del reactor.MODELADO DE REACTORUna simplificacin ed diagrama de flujo del proceso de produccin de LLDPE de fase gaseosa se muestra en la figura. 1. En este reactor, reactivos (monmeros e hidrgeno) y gas inerte (por ejemplo, nitrgeno) se introducen en el fondo del reactor a travs de un distribuidor. El distribuidor mantiene la fluidizacion y suministra los reactivos para el crecimiento de partculas de polmero. El catalizador se carga continuamente en el lecho y el producto polmero se retira del reactor a una velocidad tal que la altura del lecho se mantiene constante. Gases sin reaccionar junto con partculas finas de salida desde la parte superior de la cama a travs de una zona de desprendimiento curvada en la parte superior del reactor. La sedimentacin de partculas slidas se facilita en esta seccin. El gas entra entonces en un cicln para separar las partculas restantes y se combina con la corriente de alimentacin fresca despus de la eliminacin de calor en el intercambiador de calor y luego se recicla a la base del reactor.Con el fin de modelar la produccin de LLDPE de fase gaseosa fluidizado reactor de lecho y desarrollar el patrn de flujo no ideal requerido, la cama est dividida en varias CSTR en serie, como se muestra en la Fig. 2. Los supuestos hechos en el presente trabajo para el modelado de un reactor de este tipo son los siguientes:1. Materiales en el reactor de flujo como una fase pseudo-homognea y propiedades hidrodinmicas medias de fases existentes (de burbujas y emulsin) se utiliza para describir las caractersticas hidrodinmicas de la cama. 2. La fase de emulsin no permanece en condicin mnima fluidizacin ms all de la velocidad mnima fluidizacin de gas y las burbujas puede contener partculas slidas. Bajo tales condiciones la estructura dinmica de flujo de dos fases, propuesto por Cui et al. [11], se emplea para estimar la hidrodinmica de cama. Otros investigadores [2,4,6] han empleado modelo simple de dos fases, que considera la emulsin a estar en la condicin de fluidizacin mnima y existencia de las burbujas libres de partculas en el lecho fluidizado. Sin embargo, los dos-fase dinmica estructura de flujo empleadas en este estudio proporciona una comprensin ms realista de los fenmenos encontrados en la cama.3. Hay resistencias de masa y de transferencia de calor insignificantes entre las partculas de polmero slido y gas emulsin (menor a la actividad del catalizador moderado). Adems, se desprecian las resistencias de masa y de transferencia de energa entre las fases de burbujas y emulsin. Por lo tanto, un modelo de una sola fase pseudo-homognea podra aplicarse.4. El reactor est en funcionamiento isotrmico.5. radiales gradientes de concentracin en el reactor son insignificantes.6. elutriacin de slidos se descuida en la parte superior de la cama.7. El catalizador se alimenta continuamente a la cama.8. tamao medio de partcula se supone constante en el modelado.

Los balances de materia para todos los CSTR en serie, como se muestra en la figura. 2, se podra obtener fcilmente [9]. Para el reactor i, este equilibrio material es:

Con el fin de resolver el modelo (Ec. (1)), se debe especificar la concentracin de entrada de cada ingrediente (monmeros e hidrgeno). Estas concentraciones son conocidos en la entrada del reactor:

En la ecuacin. (1), la porosidad media de la cama, g, y la velocidad de reaccin global de cada especie, RAi, son dos cantidades importantes. Cada una de estas cantidades tiene que ser determinada usando un modelo hidrodinmico y cintico adecuado.2.1. HidrodinmicaHasta ahora, la mayora de los trabajos de investigacin reportados en la literatura han empleado los conceptos de dos fases simples para el modelado de polimerizacin de etileno en fase gaseosa (por ejemplo, [4,6]). El modelo hidrodinmico de dos fases sencilla asume la existencia de burbujas libres de partculas en el lecho fluidizado, mientras que la emulsin se mantiene en condiciones mnimas de fluidizacin. Sin embargo, la porosidad de la fase de emulsin puede diferir mucho de que en la fluidizacin mnima y tambin las burbujas pueden contener diferentes partes de slidos [11]. Sobre la base de este concepto, Cui et al. [11] propuso la estructura de dos fases dinmico para los hidrodinmica de lecho fluidizado. Por lo tanto, la asuncin de la condicin mnima de fluidizacin para la fase de emulsin en el reactor de polietileno (modelo simple de dos fases) no es realista. La diferencia entre el simple de dos fases (burbujas libres de partculas + emulsin a fluidificacin mnima) y el de dos fases dinmicas (concentracin de partculas en emulsin y las burbujas vara con la velocidad del gas) han sido investigados por Mostou fi et al. [12]. Aunque el sistema de reaccin en su trabajo difiere de la que en el presente trabajo, se ha demostrado que suponiendo que la estructura de dos fases simple de los lechos fluidizado resultara en menores de predecir el rendimiento del reactor. Llegaron a la conclusin de que tal una sobre simplificacin de la estructura de flujo de gas y slidos en los reactores de lecho fluidizado puede ser muy engaosa en la prediccin del rendimiento de dichos reactores [12]. Aunque el sistema de reaccin en su trabajo difiere de la que en el presente trabajo, se ha demostrado que suponiendo que la estructura de dos fases simple de los lechos fluidizado resultara en menores de predecir el rendimiento del reactor. Como resultado, la estructura del flujo de dos fases dinmica de camas de fluidizado, propuesto por Cui et al. [11], se ha utilizado como base para una mejor estimacin de la porosidad cama media. Este modelo es aplicable tanto burbujeo y los regmenes turbulentos de fluidizacin. Desde polietileno producido en el reactor es de partcula B Geldart, las constantes de Cui et al. [11] correlacin fueron elegidos en consecuencia. Las correlaciones necesarias para evaluar la porosidad promedio de cama dinmico modelo de estructura de flujo de dos fases se resumen en la Tabla 1.