Modelamiento y simulación de un reactor industrial de película descendente para la producción de surfactantes aniónicos

Abstract

La capacidad de la industria de los surfactantes alrededor del mundo supera las 20 millones de toneladas/año (que representan más de 24.000 millones de dólares/año). De hecho, en el mundo existen instaladas y funcionando alrededor de 1000 plantas de sulfonación. La tecnología más utilizada emplea los llamados reactores de película descendente: una estructura tipo intercambiador de coraza y tubos posicionada de manera vertical, en donde por las paredes internas de los tubos fluye la película de líquido orgánico que se quiere sulfonar (v.g., tridecilbeceno); por el interior, fluye el agente sulfonador (SO3 diluido en un gas inerte) y por el exterior de los tubos, en la coraza, fluye el fluido de enfriamiento. La fenomenología del proceso de sulfonación es bastante compleja, caracterizada por: Alta velocidad de reacción; alta exotermicidad (380 kJ/kg de SO3 convertido) y grandes cambios en las condiciones hidrodinámicas. En asocio con una empresa local, se vislumbró la utilidad de contar con una herramienta informática versátil que permitiese analizar las condiciones de operación del reactor de película descendente de sus instalaciones, así como su respuesta diferentes eventualidades dentro del proceso. Así, en este trabajo de tesis se estudian el modelamiento, la simulación y la operación de un reactor industrial de película descendente, tomando como caso la sulfonación de tridecilbenceno. En el primer Capítulo se compila información general sobre el proceso de sulfonación, el mercado y el impacto que tienen los surfactantes en la industria, así como también la descripción del proceso de sulfonación bajo estudio; adicionalmente, se delimitan los objetivos y alcances de la tesis. Posteriormente, en el Capítulo 2 se realiza un análisis de los modelos matemáticos propuestos en la literatura para este tipo de sistemas. Esto conduce al planteamiento de un nuevo modelo el cual incluye condiciones más coherentes con la fenomenología del sistema. Como resultado, se obtiene un modelo más preciso que los otros, pero computacionalmente más exigente. Para solucionar el modelo, se utilizó el método de las líneas con malla adaptativa; esto con el fin de tener en cuenta la variación en el espesor de la película líquida a lo largo del reactor. Luego, en el Capítulo 3, se realiza un estudio del comportamiento dinámico del reactor, analizando tanto la estabilidad del punto de operación normal del reactor, determinado en el Capítulo 2, como también el comportamiento del reactor en los procesos de arranque y apagado, además de perturbaciones eventuales en el proceso. Finalmente, en el Capítulo 4 se presentan las conclusiones y perspectivas de la Tesis. La herramienta computacional fue desarrollada en MatLab® y puede ser utilizada para diferentes tipos de reactantes, de condiciones de proceso y configuraciones de reactores de película descendente. Esta es un instrumento útil para el análisis y optimización de procesos de sulfonación

Abstract : The global surfactants industry has an installed capacity of ca. 20 million metric tons per year (which represent more than 24000 millions of dollars annum). In fact, about 1000 sulfonation plants are currently installed and working around the world. The most used technology in this industry is the so called falling film reactors: a shell and tube heat exchanger type structure, vertically positioned; in which, on the inner walls inside the tubes, flows the organic liquid to be sulfonated (e. g. tridecylbenzene), and the sulfonation agent (SO3 diluted in an inert gas) in the annular section of the tubes and outside of them, in the shell, the cooling service fluid passes through dissipating the heat produced by the reaction. The sulfonation process’ phenomenology is complex; it is characterized by: high reaction rate; high exothermicity (380 kJ/kg of converted SO3); and noticeable changes in the hydrodynamic conditions. In a partnership with a local company, the utility of developing a computational tool for analyzing the operational conditions of their falling film reactor was foreseen. It could be useful to analyze it performance as well as the response to eventual disturbances inside the process. Therefore, this work is focused on the modeling, simulation and operation of an industrial falling film reactor, taking as case study the sulfonation of tridecylbenzene. In the first chapter, a general review of surfactants is shown; the production process, the market and their impact upon the general industrial fields are also presented. Besides, a description of the falling film reactor and its main operational characteristics, when it comes to sulfonation processes, are explained; finally, the objectives and goals of this thesis are described. In chapter 2, the most common mathematical models of falling film reactors are analyzed. Then, a new model is proposed. It includes new conditions that make it more realistic of the system’s phenomena. As a result, a more accurate model was obtained; nevertheless, more demanding in computer processing terms. The method of lines with adaptive mesh is used to solve the model. It allows considering the liquid’s film thickness variation along the reactor. Then, in chapter 3, a study of the reactor’s dynamic behavior is presented. The steady state of the regular operational point (chapter 2) is analyzed. Moreover, the reactor’s ‘turn on’ and ‘turn off’ processes are studied; also, regular disturbances are simulated in order to analyze the reactor’s response. Finally, the conclusions and perspectives of this thesis are described in chapter 4. The computational tool was developed in MatLab®, and can be used for different types of reactants, process conditions and different arrangements of falling film reactors. This tool is an useful one for analysis and optimization of sulfonation processes