Modelamiento de un reactor de lecho fluidizado para la copolimerización de etileno - propileno

Modeling of a fluidized bed reactor for the ethylene-propylene copolymerization

En este artículo se presenta el modelo matemático para un reactor de lecho fluidizado, en el cual se desarrolla la copolimerización entre etileno y propileno utilizando catalizadores Ziegler - Natta. El modelo incluye el planteamiento de la cinética de la copolimerización, considerando la existencia de dos tipos de sitios activos: reacciones de transferencia espontánea de actividad y reacciones de desactivación. También se estudia y se simula el crecimiento de una partícula polimérica expuesta a un ambiente (concentración de monómeros y temperatura) que representa las condiciones de la fase emulsiva del reactor de lecho fluidizado. a partir del modelo de crecimiento se plantea el estudio de la distribución de tamaños de partículas en el interior del reactor. El modelo de dos fases de Kunii-Levenspiel sirve de base para el modelamiento y la simulación del reactor de lecho fluidizado, donde se consideraron dos casos extremos para la mezcla del gas en la fase emulsión (perfectamente mezclado y flujo pistón). La solución de los modelos incluye el planteamiento de las ecuaciones de balance de masa (para los monómeros) y de balance de energía, acopladas a los modelos de crecimiento y de distribución de tiempos de residencia.

INTRODUCCIÓN

Hasta hace algunos años la obtención comercial de polímeros y copolímeros  de  olefinas se realizaba exclusivamente mediante reacciones de crecimiento por radicales libres. En la década de los cincuenta, Karl Ziegler y Gíulio Natta utilizaron catalizadores de titanio para la homopolimerización de olefinas. con lo que aparecieron tos polímeros estereoespecíficos, esto es, polímeros lineales en los cuales los enlaces de las unidades básicas tienen una configuración estérica regular. La estereoespecificidad de un polímero está íntimamente relacionada con las propiedades del mismo.

Desde su aparición, hacia 1956, la homopolimerización y copolimerización de olefinas usando catalizadores Ziegler - Natta (CZN) es un tema de gran investigación a escala mundial; nuevos catalizadores, altamente activos y selectivos, se han desarrollado de manera continua, ofreciendo la posibilidad de incrementar la productividad y de tener un control más preciso delas propiedades del homopolímero o del copolímero obtenidos. Por otro lado, continuamente se abren nuevos mercados para polímeros y copolímeros con propiedades físicas, mecánicas y reológicas diferentes a las de las poliolefinas convencionales. Aunque se ha realizado una gran labor investigativa, varios aspectos relacionados con la homopolimerización y copolimerización de olefinas utilizando CZN permanecen aún sin una explicación clara.

Un aspecto importante que trajo el desarrollo de catalizadores utilizando como agente activo TiCI₄, y soportados sobre MgCI₄, (catalizadores de tercera generación) fue la aparición de los procesos de polimerización en fase gaseosa en reactores de lecho fluidizado (RLF), los cuales han ido reemplazando a los viejos reactores de lodos. Los modelos para reactores de lecho fluidizado van desde las consideraciones teóricas más simples hasta modelos altamente elaborados; algunos consideran la existencia de dos fases (burbuja y emulsión) y otros de tres fases (burbuja, nube-estela y emulsión). Dentro de cada uno de estos modelos existen modificaciones y refinamientos en aspectos como tamaño de burbujas (constante o variable), intercambio de materia y energía entre fases, fase(s) en la(s) que se efectúa la reacción química, etcétera.

En el presente estudio se conjugan tres importantes ramas de la ingeniería química, como el diseño de reactores (específicamente reactores de lecho fluidizado), la copolimerización por vía catalítica (específicamente por catalizadores del tipo Ziegler - Natta de tercera generación). todo lo anterior enmarcado dentro del modelamiento y la simulación de procesos. El trabajo comprende el estudio del mecanismo y la cinética de la copolimerización con CZN, el crecimiento de la partícula de copolímero, el planteamiento de dos modelos para simulación del RLF. incluyendo el estudio de la distribución de tiempos de residencia (DTR) y la distribución de tamaños.