Estudio de efectos térmicos en reactores monolíticos para la combustión catalítica de COVs

Abstract

En la presente tesis se estudia el proceso de combustión catalítica de compuestos orgánicos volátiles (COVs) en la descontaminación de corrientes de aire industrial previo a su emisión al ambiente. Esto se realiza utilizando reactores monolíticos integrados energéticamente con un intercambiador de calor y un horno. El intercambiador de calor aprovecha el calor generado en la reacción y, a través de la corriente efluente del reactor, precalienta parcialmente la alimentación que se encuentra a temperatura ambiente. Esta integración energética es fundamental, para disminuir los costos operativos del proceso de fin de línea. Se realiza un estudio teórico del proceso operando en estado no estacionario. El reactor adiabático y el intercambiador de calor (FEHE, Feed-Efluent Heat Exchanger) son representados mediante modelos matemáticos unidimensionales, pseudohomogéneos, a parámetros distribuidos. Por otro lado, el horno se representa por medio de un modelo unidimensional, heterogéneo, a parámetros concentrados. El sistema de descontaminación Reactor/FEHE/Horno a escala piloto se analiza en condiciones de lazo abierto, seguido de un estudio a lazo cerrado en el que se implementa un lazo de control realimentado simple. Se encuentran estados oscilatorios tanto a lazo abierto como bajo ciertas condiciones de lazo cerrado. Se estudian problemas de servomecanismo relacionados con cambios de setpoint de la temperatura de entrada al reactor. Además, se evalúa el aporte de energía en el horno y su impacto en la estabilidad del sistema, así como el comportamiento frente a cambios en la concentración de COV de entrada al sistema. Por último, se discute la influencia del área del intercambiador en la estabilidad del sistema ante perturbaciones. Para el proceso a escala industrial, se realiza un análisis de la dinámica en condiciones de lazo abierto, considerando la influencia de las principales variables, como la fracción de la corriente de alimentación que atraviesa el FEHE y el bypass, así como el aporte energético del horno. Se confirma el fenómeno de multiplicidad de estados estacionarios para el sistema, encontrándose un comportamiento oscilatorio o marginalmente estable en una zona operativa de interés práctico, donde se logra la conversión completa con temperaturas de reacción relativamente bajas. Además, se estudian variables como el tiempo de residencia, la constante de tiempo, el flujo volumétrico de alimentación y la concentración de COVs a tratar. Este análisis resalta la necesidad de implementar estrategias de control avanzadas que logren evitar la saturación del elemento final de control y con ello posibles daños en los equipos debido al comportamiento oscilatorio, además de cumplir con los límites de emisión sugeridos por la legislación ambiental. Por último, se evalúa el desempeño de estrategias de control de diferente nivel de complejidad, aplicadas en el proceso de descontaminación, comparándolas entre sí frente a patrones variables de emisión de COVs. Las nuevas estrategias de control permiten reducir el consumo de combustibles auxiliares en procesos de fin de línea como el estudiado, con el objetivo de disminuir costos operativos y reducir las emisiones de COV al medio ambiente. En conclusión, la presente tesis aborda la disminución de las emisiones estacionarias de COVs mediante el proceso de combustión catalítica llevado a cabo en reactores monolíticos cerámicos, resaltando la importancia de la integración energética y el diseño de estrategias de control eficientes para garantizar una operación estable, cumpliendo las regulaciones ambientales y minimizando el empleo de combustibles fósiles auxiliares.

In this thesis, the catalytic combustion process of volatile organic compounds (VOCs) for the decontamination of industrial air streams prior to their release into the environment is studied. This is achieved using monolithic reactors energetically integrated with a heat exchanger and a furnace. The heat exchanger utilizes the heat generated in the reaction and, through the reactor effluent, partially preheats the feed, which is at ambient temperature. This energy integration is fundamental to reduce the operating costs of the end-of-line process. A theoretical study of the process operating in a non-steady state is conducted. The adiabatic reactor and the heat exchanger (FEHE, Feed-Effluent Heat Exchanger) are represented by one-dimensional, pseudohomogeneous, distributed parameter models. On the other hand, the furnace is represented by a one- dimensional, heterogeneous, lumped parameter model. The pilot-scale decontamination system Reactor/FEHE/Furnace is analyzed under open-loop conditions, followed by a closed-loop study where a simple feedback control loop is implemented. Oscillatory states are found both in open-loop and under certain closed-loop conditions. Servomechanism problems related to setpoint changes in the reactor inlet temperature are studied. Additionally, the energy input in the furnace and its impact on system stability are evaluated, as well as the behavior in response to changes in the inlet VOC concentration to the system. Finally, the influence of the heat exchanger area on system stability under disturbances is discussed. For the industrial-scale process, a dynamic analysis under open-loop conditions is conducted, considering the influence of key variables such as the fraction of the feed stream passing through the FEHE and the bypass, as well as the furnace's energy contribution. The phenomenon of multiple steady states for the system is confirmed, finding oscillatory or marginally stable behavior in a practical operating range for the process, where complete conversion is achieved with relatively low reaction temperatures. Variables such as residence time, time contant, feed volumetric flow, and VOCs concentration to be treated are studied. This analysis highlights the need to implement advanced control strategies to avoid saturation of the final control element and potential equipment damage due to oscillatory behavior, in addition to meeting emission limits suggested by environmental legislation. Finally, the performance of control strategies of varying complexity levels, applied in the decontamination process, is evaluated and compared against variable VOC emission patterns. The new control strategies enable the reduction of auxiliary fuel consumption in end-of-line processes like the one studied, aiming to reduce operating costs and VOC emissions to the environment.In conclusion, this thesis addresses the reduction of stationary VOC emissions through the catalytic combustion process carried out in ceramic monolithic reactors, emphasizing the importance of energy integration and the design of efficient control strategies to ensure stable operation, compliance with environmental regulations, and minimizing the use of auxiliary fossil fuels.