Optimización de un reactor de etapas adiabáticas en serie con refrigeración intermedia.

Abstract

En este estudio se aborda la problemática que presenta el diseño de un reactor que acoge una reacción catalítica con una naturaleza fuertemente exotérmica. Entre las diferentes opciones de tipo de reactor, en el presente trabajo se estudia el diseño óptimo de un reactor con etapas adiabáticas en serie con refrigeración intermedia. Seguidamente de la revisión de las bases teóricas de diseño, se plantea la modelización de los dos elementos claves del reactor: la etapa adiabática de reacción y el intercambiador requerido para enfriar la corriente de salida de cada etapa. Posteriormente se aborda el problema de optimización del reactor, que pasa desde la elaboración de la función objetivo a minimizar/maximizar hasta la identificación de las variables independientes de optimización existentes en el problema. Una vez establecido el marco teórico, se afronta el diseño óptimo de un reactor de etapas adiabáticas en serie para un caso concreto: la síntesis de SNG a partir de CO2 y H2. Este diseño se realiza con ayuda del software Engineering Ecuation Solver (EES) que dispone de una utilidad de optimización n-dimensional con la posiblidad de elegir entre varios métodos de optimización. Por esta razón, se ha elaborado un código de programa en el lenguaje EES que implementa los modelos de etapa adiabática y de intercambiadores de calor.

This study includes the problems presented by the design of a reactor where there is a catalytic reaction with a strongly exothermic nature. Among the different reactor type options, in the present work the optimal design of a reactor with adiabatic stages in series with intermediate cooling is studied. Following the review of the theoretical design bases, the modeling of the two key elements of the reactor is proposed: the adiabatic reaction stage and the exchanger required to cool the output current of each stage. Subsequently, the reactor optimization problem is addressed, which goes from the elaboration of the objective function to minimize / maximize until the identification of the independent optimization variables existing in the problem. Once the theoretical framework is established, the optimal design of a series adiabatic stage reactor is addressed for a specific case: the synthesis of SNG from CO2 and H2. This design is carried out with the help of the Engineering Ecuation Solver (EES) software, which has a n-dimensional optimization utility with the possibility of choosing between several optimization methods. For this reason, a program code has been developed in the EES language that implements the adiabatic stage and heat exchanger models.