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| C | V. XXVII | N. 34 | - | 2022 | | ISSN (): - | ISSN ( ): - |
variedad de problemas en el diseño,
construcción, operación y análisis de
plantas químicas (así como muchos
otros procesos industriales) pueden ser
resueltos por optimización (Edgar et al.,
2001) (Martínez, V. et al. 2000).
El modelo resultante consiste
típicamente de un sistema de ecuaciones
acopladas y no lineales, cuya solución
puede ser directa para un equipo simple,
o bastante complicada para un proceso
completo; este último hecho ha dado
origen al desarrollo de simuladores de
proceso por computadora, los cuales
esencialmente de encargan de resolver
las ecuaciones que modelan el sistema
en estado estable mediante alguna
técnica numérica, acoplada en ocasiones
a una estrategia de descomposición del
sistema original de ecuaciones. (Jiménez
Gutiérrez, 2003)
El modelado matemático para el
reactor tubular de lecho jo está basado
en la teoría de Froment & Bischo (1979)
y Fogler (2001) donde se fundamentan los
principios del balance de masa y energía
del proceso. además, los fenómenos de
transporte dentro del sólido solo se tienen
en cuenta dentro del modelo de reactor, si
se puede obtener una solución analítica del
modelo de partícula (normalmente, solo
en condiciones isotérmicas para el sólido
y reacciones de primer orden) (Levenspiel
O., 1999; Fogler H; 2001 y 2008).
El modelo cinético para la reacción
de oxidación de dióxido de azufre fue
obtenido de Froment & Bischo (1979,
p. 494), García (1992) y de Pernett
(2016) junto con sus constantes cinéticas
las cuales están función de la temperatura.
Ecuación de tostación del mineral
sulfurado
La expresión de la velocidad de
reacción está dada por:
Donde
Se utilizaron las ecuaciones
variacionales de balance de materia y
energía en condiciones no isotérmicas,
las cuales fueron adaptadas al reactor
catalítico de lecho jo y los softwares
Excel, Polymath, Matlab, así como el
Minitab
Donde:
Las condiciones iniciales y de frontera
para el sistema son:
Esta técnica es una de las principales
herramientas cuantitativas en la toma de
decisiones industriales. Una amplia
variedad de problemas en el diseño,
construcción, operación y análisis de
plantas químicas (así como muchos
otros procesos industriales) pueden ser
resueltos por optimización (Edgar et al.,
2001) (Martínez, V. et al. 2000).
El modelo resultante consiste
típicamente de un sistema de ecuaciones
acopladas y no lineales, cuya solución
puede ser directa para un equipo simple,
o bastante complicada para un proceso
completo; este último hecho ha dado
origen al desarrollo de simuladores de
proceso por computadora, los cuales
esencialmente de encargan de resolver
las ecuaciones que modelan el sistema
en estado estable mediante alguna
técnica numérica, acoplada en ocasiones
a una estrategia de descomposición del
sistema original de ecuaciones.
(Jiménez Gutiérrez, 2003)
El modelado matemático para el reactor
tubular de lecho fijo está basado en la
teoría de Froment & Bischoff (1979) y
Fogler (2001) donde se fundamentan los
principios del balance de masa y energía
del proceso. además, los fenómenos de
transporte dentro del sólido solo se
tienen en cuenta dentro del modelo de
reactor, si se puede obtener una
solución analítica del modelo de
partícula (normalmente, solo en
condiciones isotérmicas para el sólido y
reacciones de primer orden) (Levenspiel
O., 1999; Fogler H; 2001 y 2008).
El modelo cinético para la reacción de
oxidación de dióxido de azufre fue
obtenido de Froment & Bischoff (1979,
p. 494), García (1992) y de Pernett
(2016) junto con sus constantes
cinéticas las cuales están función de la
temperatura.
Ecuación de tostación del mineral
sulfurado
2( ) 2( ) 2 3( ) 2( )
4 11 2 8
sg s g
FeS O Fe O SO+→ +
(1)
2() 2() 3()
22
gg g
SO O SO+→
La expresión de la velocidad de
reacción está dada por:
( )
3
12 3
0.5
22
22 33
1
22.414 1
SO
O SO
SO O p
A
SO SO
P
KP P
PP K
r
KP KP
−
=
++
( )
1
exp 12.160 5473 /KT= −
( )
2
exp 9.953 8619 /KT=−+
( )
3
exp 71.745 52596 /KT=−+
( )
exp 11300 / 10.68
p
KT= −
Se utilizaron las ecuaciones
variacionales de balance de materia y
energía en condiciones no isotérmicas,
las cuales fueron adaptadas al reactor
catalítico de lecho fijo y los softwares
Excel, Polymath, Matlab, así como el
Minitab
2
( ,)
2
0
1
b
P
AXT
Mr SA
d
X XX
r
z Pe r r r U C
ρ
ε
∂ ∂∂
= ++
∂ ∂∂
2
( ,)
2
()
1
br
P
AXT
Hr f fS
H
d
T TT
r
z Pe r r r cp U
ρ
ρ
−∆
∂ ∂∂
= ++
∂ ∂∂
Las condiciones iniciales y de frontera
para el sistema son:
0, 0, 0
XT
rz
rr
∂∂
= = = ∀
∂∂
( )
, 0,
er
X Th
rR T Tw z
r rk
∂∂
= = =−−∀
∂∂
0, 0, z X T Tent r= = = ∀
En la Tabla 1 se muestra la
nomenclatura utilizada para el
modelado matemático
Tabla 1
Nomenclatura del modelado
Coeficiente de difusión efectiva radial, m
2
/s
Velocidad superficial de la fase gaseosa, m/s
Velocidad de reacción del componente A
Conductividad efectiva radial, W/m
2
.°C
Velocidad másica de flujo, kg/m
2
s
Concentración del componente A, kmol/m
3
Temperatura de la pared, °C
Densidad del lecho del catalizador kg/m
3
Densidad del fluido kg/m
3
Porosidad de la particula
Conversión variable del reactivo limitante
Diámetro de la partícula del catalizador, m
Entalpia de reacción J/mol
Número de Peclet de masa radial, USdp/Der
Número de Peclet de calor radial, dp.G.Cpg/Ker
Calor especifico de la mezcla a presión constante, kJ/kg °C
Coeficiente de transmisión de calor en la pared del lecho, kJ/m
3
s°C
2() 2() 3()
22
gg g
SO O SO+→
La expresión de la velocidad de
reacción está dada por:
( )
3
12 3
0.5
22
1
22.414 1
SO
O SO
SO O p
A
SO SO
P
KP P
PP K
r
KP KP
−
=
++
( )
1
exp 12.160 5473 /KT= −
( )
2
exp 9.953 8619 /KT=−+
( )
3
exp 71.745 52596 /KT=−+
( )
exp 11300 / 10.68
p
KT= −
Se utilizaron las ecuaciones
variacionales de balance de materia y
energía en condiciones no isotérmicas,
las cuales fueron adaptadas al reactor
catalítico de lecho fijo y los softwares
Excel, Polymath, Matlab, así como el
Minitab
2
( ,)
2
0
1
b
P
AXT
Mr SA
d
X XX
r
z Pe r r r U C
ρ
ε
∂ ∂∂
= ++
∂ ∂∂
2
( ,)
2
()
1
br
P
AXT
Hr f fS
H
d
T TT
r
z Pe r r r cp U
ρ
ρ
−∆
∂ ∂∂
= ++
∂ ∂∂
Las condiciones iniciales y de frontera
para el sistema son:
0, 0, 0
XT
rz
rr
∂∂
= = = ∀
∂∂
( )
, 0,
er
X Th
rR T Tw z
r rk
∂∂
= = =−−∀
∂∂
0, 0, z X T Tent r= = = ∀
En la Tabla 1 se muestra la
nomenclatura utilizada para el
modelado matemático
Tabla 1
Nomenclatura del modelado
Coeficiente de difusión efectiva radial, m
2
/s
Velocidad superficial de la fase gaseosa, m/s
Velocidad de reacción del componente A
Conductividad efectiva radial, W/m
2
.°C
Velocidad másica de flujo, kg/m
2
s
Concentración del componente A, kmol/m
3
Temperatura de la pared, °C
Densidad del lecho del catalizador kg/m
3
Densidad del fluido kg/m
3
Porosidad de la particula
Conversión variable del reactivo limitante
Diámetro de la partícula del catalizador, m
Entalpia de reacción J/mol
Número de Peclet de masa radial, USdp/Der
Número de Peclet de calor radial, dp.G.Cpg/Ker
Calor especifico de la mezcla a presión constante, kJ/kg °C
Coeficiente de transmisión de calor en la pared del lecho, kJ/m
3
s°C
(2)
2() 2() 3()
22
gg g
SO O SO+→
La expresión de la velocidad de
reacción está dada por:
( )
3
12 3
0.5
22
22 33
1
22.414 1
SO
O SO
SO O p
A
SO SO
P
KP P
PP K
r
KP KP
−
=
++
( )
1
exp 12.160 5473 /KT= −
( )
2
exp 9.953 8619 /KT=−+
( )
3
exp 71.745 52596 /KT=−+
( )
exp 11300 / 10.68
p
KT= −
Se utilizaron las ecuaciones
variacionales de balance de materia y
energía en condiciones no isotérmicas,
las cuales fueron adaptadas al reactor
catalítico de lecho fijo y los softwares
Excel, Polymath, Matlab, así como el
Minitab
2
( ,)
2
0
1
b
P
AXT
Mr SA
d
X XX
r
z Pe r r r U C
ρ
ε
∂ ∂∂
= ++
∂ ∂∂
2
( ,)
2
()
1
br
P
AXT
Hr f fS
H
d
T TT
r
z Pe r r r cp U
ρ
ρ
−∆
∂ ∂∂
= ++
∂ ∂∂
Las condiciones iniciales y de frontera
para el sistema son:
0, 0, 0
XT
rz
rr
∂∂
= = = ∀
∂∂
( )
, 0,
er
X Th
rR T Tw z
r rk
∂∂
= = =−−∀
∂∂
0, 0, z X T Tent r= = = ∀
En la Tabla 1 se muestra la
nomenclatura utilizada para el
modelado matemático
Tabla 1
Nomenclatura del modelado
Coeficiente de difusión efectiva radial, m
2
/s
Velocidad superficial de la fase gaseosa, m/s
Velocidad de reacción del componente A
Conductividad efectiva radial, W/m
2
.°C
Velocidad másica de flujo, kg/m
2
s
Concentración del componente A, kmol/m
3
Temperatura de la pared, °C
Densidad del lecho del catalizador kg/m
3
Densidad del fluido kg/m
3
Porosidad de la particula
Conversión variable del reactivo limitante
Diámetro de la partícula del catalizador, m
Entalpia de reacción J/mol
Número de Peclet de masa radial, USdp/Der
Número de Peclet de calor radial, dp.G.Cpg/Ker
Calor especifico de la mezcla a presión constante, kJ/kg °C
Coeficiente de transmisión de calor en la pared del lecho, kJ/m
3
s°C
(3)
2() 2() 3()
22
gg g
SO O SO+→
La expresión de la velocidad de
reacción está dada por:
( )
3
12 3
0.5
22
22 33
1
22.414 1
SO
O SO
SO O p
A
SO SO
P
KP P
PP K
r
KP KP
−
=
++
( )
1
exp 12.160 5473 /KT= −
( )
2
exp 9.953 8619 /KT=−+
( )
3
exp 71.745 52596 /KT=−+
( )
exp 11300 / 10.68
p
KT= −
Se utilizaron las ecuaciones
variacionales de balance de materia y
energía en condiciones no isotérmicas,
las cuales fueron adaptadas al reactor
catalítico de lecho fijo y los softwares
Excel, Polymath, Matlab, así como el
Minitab
2
( ,)
2
0
1
b
P
AXT
Mr SA
d
X XX
r
z Pe r r r U C
ρ
ε
∂ ∂∂
= ++
∂ ∂∂
2
( ,)
2
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1
br
P
AXT
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H
d
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r
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ρ
ρ
−∆
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= ++
∂ ∂∂
S
f
ρ
=
S
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P
D
e =
f
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P
e
k
=
Las condiciones iniciales y de frontera
para el sistema son:
0, 0, 0
XT
rz
rr
∂∂
= = = ∀
∂∂
( )
, 0,
er
X Th
rR T Tw z
r rk
∂∂
= = =−−∀
∂∂
0, 0, z X T Tent r= = = ∀
En la Tabla 1 se muestra la
nomenclatura utilizada para el
modelado matemático
Tabla 1
Nomenclatura del modelado
Coeficiente de difusión efectiva radial, m
2
/s
Velocidad superficial de la fase gaseosa, m/s
Velocidad de reacción del componente A
Conductividad efectiva radial, W/m
2
.°C
Velocidad másica de flujo, kg/m
2
s
Concentración del componente A, kmol/m
3
Temperatura de la pared, °C
Densidad del lecho del catalizador kg/m
3
Densidad del fluido kg/m
3
Porosidad de la particula
Conversión variable del reactivo limitante
Diámetro de la partícula del catalizador, m
Entalpia de reacción J/mol
Número de Peclet de masa radial, USdp/Der
Número de Peclet de calor radial, dp.G.Cpg/Ker
Calor especifico de la mezcla a presión constante, kJ/kg °C
Coeficiente de transmisión de calor en la pared del lecho, kJ/m
3
s°C
2() 2() 3()
22
gg g
SO O SO+→
La expresión de la velocidad de
reacción está dada por:
( )
3
12 3
0.5
22
22 33
1
22.414 1
SO
O SO
SO O p
A
SO SO
P
KP P
PP K
r
KP KP
−
=
++
( )
1
exp 12.160 5473 /KT= −
( )
2
exp 9.953 8619 /KT=−+
( )
3
exp 71.745 52596 /KT=−+
( )
exp 11300 / 10.68
p
KT= −
Se utilizaron las ecuaciones
variacionales de balance de materia y
energía en condiciones no isotérmicas,
las cuales fueron adaptadas al reactor
catalítico de lecho fijo y los softwares
Excel, Polymath, Matlab, así como el
Minitab
2
2
0
1
b
P
AXT
Mr SA
d
X XX
r
z Pe r r r U C
ρ
ε
∂ ∂∂
= ++
∂ ∂∂
2
( ,)
2
()
1
br
P
AXT
Hr f fS
H
d
T TT
r
z Pe r r r cp U
ρ
ρ
−∆
∂ ∂∂
= ++
∂ ∂∂
Las condiciones iniciales y de frontera
para el sistema son:
0, 0, 0
XT
rz
rr
∂∂
= = = ∀
∂∂
( )
, 0,
er
X Th
rR T Tw z
r rk
∂∂
= = =−−∀
∂∂
0, 0, z X T Tent r= = = ∀
En la Tabla 1 se muestra la
nomenclatura utilizada para el
modelado matemático
Tabla 1
Nomenclatura del modelado
Coeficiente de difusión efectiva radial, m
2
/s
Velocidad superficial de la fase gaseosa, m/s
Velocidad de reacción del componente A
Conductividad efectiva radial, W/m
2
.°C
Velocidad másica de flujo, kg/m
2
s
Concentración del componente A, kmol/m
3
Temperatura de la pared, °C
Densidad del lecho del catalizador kg/m
3
Densidad del fluido kg/m
3
Porosidad de la particula
Conversión variable del reactivo limitante
Diámetro de la partícula del catalizador, m
Entalpia de reacción J/mol
Número de Peclet de masa radial, USdp/Der
Número de Peclet de calor radial, dp.G.Cpg/Ker
Calor especifico de la mezcla a presión constante, kJ/kg °C
Coeficiente de transmisión de calor en la pared del lecho, kJ/m
3
s°C
2() 2() 3()
22
gg g
SO O SO+→
La expresión de la velocidad de
reacción está dada por:
( )
3
12 3
0.5
22
22 33
1
22.414 1
SO
O SO
SO O p
A
SO SO
P
KP P
PP K
r
KP KP
−
=
++
( )
1
exp 12.160 5473 /KT= −
( )
2
exp 9.953 8619 /KT=−+
( )
3
exp 71.745 52596 /KT=−+
( )
exp 11300 / 10.68
p
KT= −
Se utilizaron las ecuaciones
variacionales de balance de materia y
energía en condiciones no isotérmicas,
las cuales fueron adaptadas al reactor
catalítico de lecho fijo y los softwares
Excel, Polymath, Matlab, así como el
Minitab
2
( ,)
2
0
1
b
P
AXT
Mr SA
d
X XX
r
z Pe r r r U C
ρ
ε
∂ ∂∂
= ++
∂ ∂∂
2
2
()
1
br
P
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H
d
T TT
r
z Pe r r r cp U
ρ
ρ
−∆
∂ ∂∂
= ++
∂ ∂∂
Las condiciones iniciales y de frontera
para el sistema son:
0, 0, 0
XT
rz
rr
∂∂
= = = ∀
∂∂
( )
, 0,
er
X Th
rR T Tw z
r rk
∂∂
= = =−−∀
∂∂
0, 0, z X T Tent r= = = ∀
En la Tabla 1 se muestra la
nomenclatura utilizada para el
modelado matemático
Tabla 1
Nomenclatura del modelado
Coeficiente de difusión efectiva radial, m
2
/s
Velocidad superficial de la fase gaseosa, m/s
Velocidad de reacción del componente A
Conductividad efectiva radial, W/m
2
.°C
Velocidad másica de flujo, kg/m
2
s
Concentración del componente A, kmol/m
3
Temperatura de la pared, °C
Densidad del lecho del catalizador kg/m
3
Densidad del fluido kg/m
3
Porosidad de la particula
Conversión variable del reactivo limitante
Diámetro de la partícula del catalizador, m
Entalpia de reacción J/mol
Número de Peclet de masa radial, USdp/Der
Número de Peclet de calor radial, dp.G.Cpg/Ker
Calor especifico de la mezcla a presión constante, kJ/kg °C
Coeficiente de transmisión de calor en la pared del lecho, kJ/m
3
s°C
(4)
(5)
2() 2() 3()
22
gg g
SO O SO+→
La expresión de la velocidad de
reacción está dada por:
( )
3
12 3
0.5
22
22 33
1
22.414 1
SO
O SO
SO O p
A
SO SO
P
KP P
PP K
r
KP KP
−
=
++
( )
1
exp 12.160 5473 /KT= −
( )
2
exp 9.953 8619 /KT=−+
( )
3
exp 71.745 52596 /KT=−+
( )
exp 11300 / 10.68
p
KT= −
Se utilizaron las ecuaciones
variacionales de balance de materia y
energía en condiciones no isotérmicas,
las cuales fueron adaptadas al reactor
catalítico de lecho fijo y los softwares
Excel, Polymath, Matlab, así como el
Minitab
2
( ,)
2
0
1
b
P
AXT
Mr SA
d
X XX
r
z Pe r r r U C
ρ
ε
∂ ∂∂
= ++
∂ ∂∂
2
( ,)
2
()
1
br
P
AXT
Hr f fS
H
d
T TT
r
z Pe r r r cp U
ρ
ρ
−∆
∂ ∂∂
= ++
∂ ∂∂
Las condiciones iniciales y de frontera
para el sistema son:
0, 0, 0
XT
rz
rr
∂∂
= = = ∀
∂∂
( )
, 0,
er
X Th
rR T Tw z
r rk
∂∂
= = =−−∀
∂∂
0, 0, z X T Tent r= = = ∀
En la Tabla 1 se muestra la
nomenclatura utilizada para el
modelado matemático
Tabla 1
Nomenclatura del modelado
Coeficiente de difusión efectiva radial, m
2
/s
Velocidad superficial de la fase gaseosa, m/s
Velocidad de reacción del componente A
Conductividad efectiva radial, W/m
2
.°C
Velocidad másica de flujo, kg/m
2
s
Concentración del componente A, kmol/m
3
Temperatura de la pared, °C
Densidad del lecho del catalizador kg/m
3
Densidad del fluido kg/m
3
Porosidad de la particula
Conversión variable del reactivo limitante
Diámetro de la partícula del catalizador, m
Entalpia de reacción J/mol
Número de Peclet de masa radial, USdp/Der
Número de Peclet de calor radial, dp.G.Cpg/Ker
Calor especifico de la mezcla a presión constante, kJ/kg °C
Coeficiente de transmisión de calor en la pared del lecho, kJ/m
3
s°C
O