instalaciones e instrumentaciÓn -...

Capítulo 2 Instalaciones e instrumentación

CAPÍTULO 2

INSTALACIONES E INSTRUMENTACIÓN 1. Introducción

En este proyecto se va a estudiar un catalizador a base de paladio soportado con óxido de

zirconia para la combustión de metano, estructurado en un reactor de tipo anular y en un reactor de

lecho fijo.

Los datos de actividad se pretenden obtener haciendo pruebas con el reactor de tipo anular

mediante la utilización de una planta a escala de laboratorio que se describe detalladamente en este

capítulo. El reactor de lecho fijo se va a utilizar para corroborar los resultados obtenidos en el

reactor anular. Las instalaciones donde se encuentran estos reactores se describen a continuación.

2. Representación y descripción de la planta del reactor anular

En la figura 2.1 se muestra un esquema de la planta que se ha utilizado para realizar el

estudio del catalizador antes mencionado. Se pueden diferenciar varias partes en él:

1. Sección de alimentación

2. Sección de muestreo

3. Sección de reacción

4. Sección de análisis

46


Figura 2.1: Planta a escala de laboratorio utilizada para la combustión catalítica

47


2.1 Sección de alimentación

La alimentación a la planta se realiza mediante bombonas situadas en rampa y conectadas a

las líneas de la planta mediante reductores que laminan el flujo saliente de las bombonas.

La apertura o el cierre de los flujos de alimentación se realizan mediante válvulas de

interceptación V1, V2, V3, V4. Estas válvulas también posibilitan la entrada de los flujos a las

diversas líneas. En cada línea el flujo se encuentra con un controlador de caudal. Estos

controladores de caudal, FC1, FC2, FC3, FC4 tienen diversas capacidades nominales de regulación

de caudal (tabla 1.2) y alimentan la cantidad deseada de reagente previa taratura.

REGULADORES

ELECTRÓNICOS DE

CAUDAL

CAPACIDAD NOMINAL

(Ncc/min)

FC1 0-100

FC2 0-100

FC3 0-50

FC4 0-1000

Tabla 1.2: Capacidad nominal de los controladores de caudal

Aguas arriba y abajo de los controladores de caudal están colocados indicadores de presión.

Los primeros indican la presión de la línea de alimentación mientras que los segundos indican la

pérdida de carga producida por los caudalímetros al paso del flujo.

A continuación de cada controlador de flujo (Flow Controler) se ha puesto una válvula de no

retorno, para evitar problemas en los controladores si hay una inversión en la dirección del flujo.

Los filtros puestos aguas arriba de los controladores de flujo tienen la misión de evitar la entrada a

los mismos de posible suciedad que venga con los gases, ya que éstos podrían atascarlos.

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Una vez que los flujos se encuentran y se mezclan entre ellos pueden seguir tres caminos

distintos:

• Pueden entrar en el reactor

• Pueden dirigirse primero al saturador para continuar después hacia el reactor.

• Pueden dirigirse directamente al cromatógrafo (by-pass)

2.2 Sección de saturación

Si quereremos que la alimentación al reactor contenga un tanto por cierto de agua, la

hacemos pasar por un saturador siguiendo la siguiente configuración

Figura 2.2: Sección de saturación de la planta

Si abrimos las valvulas V1b, , S1 y S2 y cerramos la V8, podemos hacer pasar la corriente

proveniente del brook 1 por el saturador, de modo que se cargue de agua. Si queremos que toda la

alimentación se satura con agua, necesitamos tenr abiertas las válvulas V8, V1b, S1 y S2, mientras

que la valvula V9 permanecerá cerrada. La válvula 1A estará abierta, para hacer dirigir la corriente

de alimentación hacia el reactor o directamente hacia el cromatógrafo.

49


El saturador esta dotado de un termómetro para medir la temperatura a la que se encuentra el

agua, de modo que sabiendo este dato se pueda calcular mediante la Ley de Antoine, la cantidad de

agua que absorbe la alimentación.

La resistencia se encuentra a una temperatura de 115°C recubierta por una capa de lana de

vidrio que actua como aislante.

2.3 Sección de reacción

Los gases provenientes de los caudalímetros se unen y se mezclan en una única corriente

que puede ser enviada como alimentación al reactor o directamente a los instrumentos de análisis.

Corriente de alimentación

H

Tubo de alúmina

Est

poder hace

por último

cerrando p

ha cogido

que aguas

pérdidas d

La

recubierto

Reactor

RESISTENCIA 1

2A

1A 3A

ORNO

PI

Figura 2.3: Sección de reacción de la planta

a configuración permite poder analizar un flujo sin que haya entrado en el reactor. Para

r ésto, se necesita cerrar la válvula 2A simultanemente a la apertura de la válvula 1A y

cerrar la válvula 3A. También se puede comprobar si existen pérdidas en el reactor

rimeramente la válvula 3A y, después de que el manómetro (PI) nos indique que la línea

presión, cerrando la válvula 2A. Se debe recordar también abrir la válvula 1A para evitar

arribas del reactor se mantega a presión. El manómetro sirve también para medir las

e cargas que se producen en el reactor.

resistencia térmica se encuentra a una temperatura de 115 °C y todo el conducto esta

con lana de alúmina que actua como asilante.

50


2.4 Sección de muestreo

El esquema de la sección de muestreo se puede ver en la figura 2.3.

Gas directo al flusímetro

y luego al VENT

Gas proveniente del reactor

2

IN muestreo

IN reactor

Figura 2.4: esqu

VC

GC1,

Los gases de salida del reactor,

enviados a un horno que se encuentra s

se divide en dos, y una parte es mandad

válvulas que se encuentran en el horno,

al cromatógrafo para analizarlos. La otr

analizar la presencia del hidrógeno (uti

no ha sido utilizada.

Las válvulas de muestreo son vá

cuando se está muestreando y otra cuan

análisis. La figura 2.4 muestra un esque

GC
Porción de gas
1

VC 1

Al GC utilizado

He

GC

1A

VC 2

He o Ar

Al GC por H2

ema de la sección de muestreo donde:

1 y VC2: válvulas de muestreo

GC2 y 1A: válvulas reguladoras

o los gases de alimentación si se realiza un by-pass, son

iempre a una temperatura de 110°C. En el horno, la corriente

a a las válvulas de muestreo, y otra parte al FID. De las dos

solo utilizamos una, que es la que permite enviar los gases

a válvula lleva los gases a otro cromatógrafo que puede

liza como “carrier” el argón), pero que en el presente trabajo

lvulas de seis vías que pueden estar en dos posiciones, una

do se están mandando los gases al cromatógrafo para el

ma de este tipo de válvulas.

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Figura 2.5: esquema de funcionamiento de una válvula de muestreo

a) posición de análisis

b) posición de muestreo

Durante la fase de análisis, el gas que se debe mandar al cromatógrafo entra en la válvula, a

continuación se desvía hacia la columna de muestreo y luego vuelve a entrar en la válvula para

dirigirse a la salida. El gas de transporte una vez que ha entrado en la válvula se dirige directamente

a la columna del cromatógrafo.

Moviendo la válvula hacia la posición de muestreo, el gas de transporte va hacia la columna

de muestreo, donde recoge los gases a analizar, siempre pasando por la válvula hasta llegar al

cromatógrafo. Al mismo tiempo, el gas proveniente del reactor o de la alimentación, según se haga

o no un by-pass, se dirige directamente hacia la salida.

Antes de ser descargado en una campana, los gases pasan a través de un flusímetro de bola

que permite conocer el caudal. Sabiendo la temperatura a la que se encuentra el flusímetro, el

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tiempo que tarda en recorrer la bola un determinado volumen, se puede calcular el caudal con la

siguiente fórmula:

(sec)1*

)15.273)((15.273*60*)(min)/(

tCTccVNccQ

+°=

2.5 Sección de análisis

La sección de análisis de la planta (figura 2.6) está compuesto por dos instrumentos principales:

• El cromatógrafo

• El FID, que no se ha utilizado

aire H2

FID electrómetro

H2O

PC

Del muestreador

vent

Fig

GC

vent

Columna porapak

Columna setacci

TCD

TCD

He

ura 2.6: Esquema de la sección de análisis

53


2.5.1 Análisis cromatográfico

Para el análisis de los gases de alimentación y salida del reactor se ha utilizado un

gascromatógrafo Hewlett Packard serie 6890. Este instrumento está dotado de dos columnas

empacadas que funcionan en paralelo y cada una está rellena de un material distinto:

• una contiene PORAPLOT Q y es capaz de separar aire ( nitrogeno y oxígeno

conjuntamente), metano, anhídrido carbónico y agua.

• La otra está rellena de tamices moleculares de 5Å (HP-PLOT MOLECULAR SIERVE)

y consigue dividir oxígeno, nitrógeno, monóxido de carbono y metano.

El gas “carrier” que fluye en el interior de la columna es helio y su presión es de 25Kpa en la

columna Porapak y de 48Kpa para la de tamices.

Para poder separar los componentes de los gases en el cromatógrafo, es necesario plantear

los perfiles térmicos del horno. En la figura 2.7 se muestras las rampas de temperaturas que

utilizamos en las pruebas realizadas con el metano.

Rampa de temperatura para las pruebas con CH4

8090

100110120130140150160170

0 5 6 8 14 18

duracion del analisis (min)

tem

pera

tura

del

hor

no (°

C)

Figura 2.7: rampas de temperatura a utilizar en el análisis con el cromatógrafo

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Los distintos componentes son reconocidos mediante dos detectores de conductividad

térmica (TCD) operando a una temperatura de 250ºC y situados cada uno a la salida de las dos

columnas. Los detectores están conectados a una tarjeta de adquisición de datos de un ordenador y

la registración de los cromatogramas se realiza mediante el programa HP CHEMISTATION.

Los tiempos de retención de las sustancias que nos interesan, referidos a las condiciones

operativas apenas descritas, se muestran en la siguiente tabla (tabla 2.2).

Porapak QS® Tamices Moleculares

O2 - 4.7 min

N2 - 6.2 min

aire 3.8 min -

CH4 5.5 min 10.2 min

CO2 8.1 min -

CO - 12.5 min

H2O 17.1 min - Tabla 2.2: Tiempos de retención de las sustancias utilizadas para las pruebas de combustión

catalíticas.

El análisis cuantitavo de las sustancias se ha realizado mediante una hoja de cálculo. Este

programa permitar saber la concentración de los distintos componentes del flujo gaseoso a partir del

área determinada por el cromatógrafo y conocidos los factores de respuestas de la sustancia

individual. Los factores de respuestas se han determinado analizando una corriente de gas que

contiene todos los componentes de interés en concentraciones conocidas. Dando un valor de factor

igual a uno para el aire en la columna porapak y para el nitrógeno en la columna de tamices

moleculares y utilizando las siguientes fórmulas podemos conocer los valores de los factores de

respuesta:

""""

ariaxariaA

iAix

iF ⋅= para la columna porapak

2

2

NxNA

iAix

iF ⋅= para la columna de tamices

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Los valores obtenidos se muestran en la siguiente tabla (Tabla 2.3):

Porapak QS® Tamices moleculares

O2 - 0.9791

N2 - 1.0

aire 1.0 -

CH4 1.1328 1.2122

CO - 0.9809

CO2 0.7829 -

H2O 1.8166 -

Tabla 2.3: factores de respuesta utilizados para los análisis cuantitativos de las distintas

sustancias utilizadas en el ámbito de este proyecto

2.6 Reactor

En la elaboración de este proyecto se ha utilizado un reactor anular (Fig 2.7).Está

constituido por un tubo cerámico de α-Al2O3 con un diametro de 6 mm y unos 20 mm de largo.Está

situado en el interior de un reactor de cuarzo (con diámetro de unos 7 mm) de modo que los dos

sean coaxiales. Se forma, en consecuencia, una zona llamada “cámara anular” entre la pared del

reactor y la superficie externa del tubo cerámico a través de la cual fluye el gas.

El catalizador se encuentra depositado sobre la superficie externa del tubo de alúmina, a un

centímetro del borde inferior, de manera que el catalizador se encuentre en la zona isoterma del

reactor además de que los gases de entrada puedan alcanzar un mayor calentamiento. El estrato

catlítico es de 1cm de largo y su espesor es de 10µm.

Una termocopia está situada en el interior del tubo cerámico para poder medir el perfil de

temperatura a lo largo del estrato catalítico, hipotizando que en la sección transversal del tubo

cerámico la temperatura se encuentra en equilibrio.

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El uso de un reactor anular para las pruebas de combustión catalítica está justificado por las ventajas

que presentan este tipo de reactores:

• Es posible operar con velocidades espaciales elevadas, siendo las pérdidas de cargas

despreciables.

• Se consigue mantener una conversión parcial a elevadas temperaturas

• Se pueden controlar los fenoménos de limitación difusiva

• El reactor catalítico anular presenta una cierta analogía con los catalizadores monolíticos

con estructura de nido de abejas utilizadas en la práctica industrial. En los dos casos el

catalizador se obtiene por una deposición de un estrato activo sobre un soporte realizado

con métodos tipo “washcoating”.

El reactor se ha proyectado de tal forma que se pueda aprovechar toda su potencialidad. Su

geometría es regular y estructurada por lo que se puede modelizar matematicamente con facilidad.

En biblografía se encuentra desarrollado un modelo matemático para el reactor anular con

revestimiento catalítico a base de PdO/ γ-Al2O3.

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Catalizador PdO sobre ZrO2

Reactor de cuarzo

Tubo de Al2O3

Termocopia

GAS

IN

GAS OUT

Cámara anular 0.30 mm

Figura 2.8: Reactor anular

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3. Representación y descripción de la planta del reactor de lecho fijo

La planta a escala de laboratorio en las que se van a realizar las pruebas está compuesta por

tres secciones:

- una sección de alimentación

- una sección de reacción

- una sección de análisis

Se encuentran conectadas a la planta tres centralitas que regulan los controladores de la

instrumentación utilizada:

-dos centralitas conectadas a los controladores de caudal, que regulan el flujo que mediante

la imposición de una fracción de apertura;

- una centralita conectada al horno, que programa las rampas de temperatura imponiendo un

set point al controlador de la termocopia introducida en el lecho catalítico.

Un cuadro eléctrico se encuentra unido a través de las termocopias a las resistencias que

calientan las líneas e impone las temperaturas que se desean tener. Las secciones de la planta

calentadas son:

- el evaporador

- la zona de ingreso y salida del reactor

- el espectrómetro de masa

- la zona de ingreso y salida del cromatógrafo

- el horno del cromatógrafo

- zonas de ingreso y salida de las válvulas a pulso

La sección de análisis se encuentra unida a un ordenador para la recogida y la reelaboración

de las señales.

59


Figura 2.9: Esquema de la planta a escala de laboratorio

60


3.1 Sección de alimentación La sección de alimentación tiene el objetivo de alimentar los reactivos desde las bombonas

hasta el reactor. Las tres bombonas de almacenamiento, cuya composición se encuentra reportada

en la tabla 2.9, están dotadas de un reductor para regular la presión de salida y de un manómetro

que indica la presión interna.

Bombona CH4Bombona O2 Bombona He

CH4 1.55% in He O2 20.42% in He

100% He

Tabla 2.4: Composición de las bombonas utilizadas

Los gases reactivos se alimentan al reactor a través de cuatro líneas, realizadas con tubos de

acero inoxidable con un diámetro interno de ⅛ de pulgada, conectadas entre ellas. Durante las

pruebas se han utilizado simplemente las tres primeras líneas; la cuarta línea, por la que se alimenta

argón, no se ha utilizado: su utilización solo se requiere en los casos en los que sea necesario diluir

la corriente de salida del reactor.

Una quinta línea permite la alimentación de vapor de agua; del depósito (T en la figura 2.9)

es posible obtener la cantidad de agua impuesta por el controlador que debe llegar al evaporador (E

en figura 2.9), cuya temperatura se controla desde el cuadro eléctrico. A través de la válvula V16 la

corriente gaseosa seca llega a al evaporador y se carga con una cantidad de agua que depende de la

temperatura impuesta. Esta línea no se ha utilizado.

En el caso de las pruebas con agua se ha utilizado un saturador (S en figura 2.9); en este caso

la corriente de helio se ha llevado al saturador cerrando la válvula V9 y abriendo las válvulas V11,

V15 y V17. La corriente de helio se ha hecho borbotear en el agua destilada, con la consiguiente

saturación de una cantidad de agua que se ha calculado mediante la ley de Antoine y Dalton:

))/(exp(22 CTBAPvPy OHOH +−==

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Las válvulas V1, V2 y V3 son las válvulas on/off que permiten la llegada de los flujos a los

controladores de caudal. Aguas arriba de los mismos, están colocados manómetros (PI-PI5 en la

figura 2.Y) que indican la presión, generalmente cercana a los 3 bares de los que sale de las

bombonas.

Los caudalímetros son Brooks 5850E (Br en la figura 2.9) y tienen el rol de regular el flujo,

en base a los valores impuestos por la centralita, y de reducir las presiones de 3 a 1bar. Cada

controlador tiene una placa donde se muestra el intervalo de caudal respecto el cual se ha calibrado

la válvula y el gas con el que se ha realizado dicha operación. En el caso en el que el gas utilizado

sea el mismo que con el que se ha calibrado el caudalímetro, el valor de apertura enviado desde la

centralita corresponderá a un caudal dentro del rango escrito en la placa del caudalímetro; en caso

contrario, se procederá a tarar nuevamente el Brook.

Aguas arriba de cada controlador de flujo y después del manómetro, se encuentra un filtro

(F en la figura 2.9) que tiene el rol de retener eventuales impurezas; aguas abajo nos encontramos

con una válvula de no retorno (VRN) y un nuevo manómetro.

Los manómetros que se encuentran aguas debajo de los caudalímetros, miden eventualmente

las pérdidas de cargas debidas a una compactación del reactor; la tara se ha realizado a presión

atmosférica, por lo que en ausencia de pérdida de cargas la presión indicada es de 0 bar.

En el caso de las pruebas TPC dry los gases han seguido el recorrido indicado en rojo en la

figura 2.9, mezclándose solamente después de los controladores de caudal, gracias a la apertura de

las válvulas V9 y V18, de forma que se puedan regular a nuestro gusto los caudales de cada gas. En

las pruebas TPC wet, según el criterio explicado, se ha saturado solamente la corriente de helio y

los gases se han mezclado cerrando la válvula V9 y abriendo la válvula V17. El camino de los gases

hacia el reactor prosigue gracias a la apertura de la válvula V22 y al cierre de la V19, V20, V21.

Las pruebas de CO realizadas se han hecho de la misma forma que los TPC dry, simplemente

cambiando la bombona de alimentación del oxígeno por una de CO.

La válvula V22 y V23 dan acceso al reactor, la válvula V24 permite el by-pass en el reactor.

El manómetro PI11 indica las pérdidas de carga durante el desarrollo de las pruebas, las válvulas

V22 y V26 son utilizadas en las pruebas de retención del reactor por lo que se encuentran

respectivamente antes y después del manómetro.

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3.2 Sección de reacción La sección de reacción se compone de un horno eléctrico y de un reactor de lecho fijo. El

horno es de acero inoxidable, de estructura cilíndrica con una altura de 18 centímetros y un

diámetro de 14 centímetros; en el interior de dicho cilindro, se ha realizado un agujero también

cilíndrico de 2 centímetros de diámetro para introducir el reactor. Alrededor del reactor está situada

una resistencia eléctrica en espiral que calienta al sistema por efecto Joule; la resistencia está

recubierta por un aislante eléctrico para evitar daños en la estructura metálica del horno durante el

calentamiento.

El enfriamiento del horno se lleva a cabo mediante dos líneas de aire que se activan

mediante válvulas on/off: la primera línea se encuentra en el interior del aislante y puede ser

activada incluso a muy altas temperaturas para conseguir un enfriamiento forzado del aparato; la

segunda pasa por el reactor y no puede ser activada a más de 200ºC con el fin de evitar que se

quiebre el cuarzo del reactor por un shock témico.

La lectura de la temperatura en el interior del reactor catalítico se realiza mediante una

termocopia tipo k Chromel-Alumen de 0’5 milímetros, la cual envía una señal de voltaje a la

centralita del horno (Euroterm 812). La acción desarrollada por el controlador es de tipo PID

(proporcional-integral-derivativa) que permite anticipar la entidad del error en el futuro inmediato y

de aplicar una corrección proporcional a la velocidad del cambio del error.

El reactor esta constituido por un tubo cilíndrico de cuarzo con un diámetro interno de 7

milímetros y un espesor de 2 milímetros. El cuerpo central, donde se encuentra el catalizador, tiene

una longitud de 140 milímetros y prosigue con una reducción, de 100 milímetros de longitud y con

un diámetro interno de 1 milímetro. Los gases reactivos entran por un brazo lateral, externo al

horno, y perpendicular al cuerpo cuya longitud es de 20 milímetros y con un diámetro interno de 1/8

de pulgada, igual al del tubo de alimentación de la instalación; superiormente el reactor se

encuentra cerrado por un tapón de plástico dotado de un sello; por tanto, los gases entran

lateralmente y descienden verticalmente por el reactor.

El reactor se prepara introduciendo primeramente, un estrato de lana de cuarzo que funciona

como sostén e impide pérdidas de catalizador por elutriación. A continuación se añaden los polvos

catalíticos y por último se añade un nuevo estrato de lana de vidrio de manera análoga al anterior.

Encima del último estrato de lana de cuarzo, se deposita alúmina en grano (corindón), que tiene 63


como función precalentar y garantizar una distribución uniforme del gas. El polvo de catalizador

utilizado, se ha diluido con cuarzo en una proporción 1:1, con el doble objetivo de:

- prevenir eventuales empaquetamientos, con el consiguiente riesgo de by-pass

- moderar el fenómeno de los hot spots

La termocopia se introduce directamente en el lecho catalítico antes de depositar el

corindón, que tiene la misión de fijarla; la parte sensible es la inferior, y va posicionada en la mitad

del lecho catalítico.

La mala preparación del reactor puede suponer problemas de pérdidas de cargas; dada

también la tendencia de aumentar las pérdidas de carga con el aumento de la temperatura, no es

aceptable trabajar con pérdidas de cargas superiores a 1-1.2 bar en cuanto que no se obtendría una

reproducibilidad de los datos obtenidos.

64


Figura 2.10 : Reactor de lecho fijo

65


3.3 Sección de análisis La sección de análisis está compuesta por un espectrómetro de masa (Balzer QMS 200) y de

un cromatógrafo (Hewlett Packard 6890) que se encuentran conectado con la sección de reacción

mediante una válvula de aguja V26.

El espectrómetro de masa mide la cantidad de los gases que salen del reactor trabajando en

continuo con un intervalo entre cada adquisición de datos de unos seis segundos. Existe un caudal

mínimo necesario para el funcionamiento del espectrómetro, de unos 10 Ncc/min, por debajo del

cual la bomba de vacío no funciona. En el caso de que las velocidades espaciales con las que

realizamos las pruebas sean bajísimas, puede suceder que no se alcance este valor de caudal; por

tanto es necesario aumentarlo, mediante la introducción de un gas inerte proveniente de la línea de

dilución, abriendo la válvula 14. La dilución se requiere también cuando se opera en presencia de

fuertes concentraciones de oxidantes, que podrían arruinar los filamentos de iridio de la cámara de

ionización.

Antes de alcanzar la cámara de ionización, los gases pasan por un conducto donde se

encuentra una válvula de aguja; la bomba diferencial crea un vacío (2.5-3*10-1 mmHg) y el flujo de

entrada se mantiene constante. La presencia de dos orificios de 30 y 50 µm de diámetro

respectivamente, hace que de los 10 Ncc/min introducidos solamente 1-2 Ncc/min alcancen la

cámara de ionización.

La cámara de ionización, así como las restantes partes del espectrómetro, trabaja a vacío (

del orden de 10-8 mmHg) que la sola bomba diferencial no es capaz de generar; por tanto, existen

una bomba rotativa asociada a la cámara de ionización, y una bomba turbo-molecular de

funcionamiento continuo ( que trabaja hasta 10-8 mmHg), asociada al analizador.

EL analizador magnético cuadrupolar tiene la misión de separar los iones en base a su masa:

a cada ión se le asocia una relación masa/carga (m/Q) que, dada una cierta intensidad de campo

magnético, determina la velocidad; por tanto es posible distinguir los iones, espacialmente o

temporalmente, variando la intensidad y la configuración del campo magnético.

La detección de los iones se produce emitiendo una señal de corriente eléctrica con un

amperaje definido por la carga media del compuesto ionizado y de su cantidad. Al aumentar la

66


concentración, habrá un mayor número de cargas que alcanzan el colector iónico por unidad de

tiempo y, en consecuencia, vendrá detectada una corriente de intensidad superior.

Para poder detectar las señales emitidas por el espectrómetro se amplifican, utilizando un

multiplicador electrónico y de electrómetros, amplificandolos posteriormente a una alta impedancia;

la señal es recogida, visualizada y memorizada mediante un ordenador por los programas Measure y

Dispsav. Para activar la monitorización de una especie o de un fragmento de la misma, es necesario

imponer un parámetro correspondiente aproximadamente a su peso molecular; el valor exacto se

obtiene mediante una calibración que permite individualizar el intervalo de máxima sensibilidad en

la señal.

El espectrómetro solamente puede distinguir moléculas que tengan una masa molecular

diversas entre ellas, lo que justifica el hecho de utilizar helio en vez de nitrógeno como inerte; el

nitrógeno resultaría indistinguible del monóxido de carbono.

En la sección de análisis se encuentra también presente un cromatógrafo (GC), que ha

diferencia del espectrómetro de masa no trabaja en continuo. El análisis cromatográfico se requiere

simplemente como verificación puntual de los resultados obtenidos con el espectrómetro de masa;

No se ha utilizado durante nuestras pruebas experimentales.

4. Otra instrumentación utilizada

4.1 Motor Brushless

La deposición del catalizador sobre el tubo cerámico de alúmina se realiza por vía spraying

(pulverización). Esta es la gran novedad que se introduce en relación al uso de este tipo de

catalizador. Hemos preparado una suspensión de catalizador que se pulveriza con una pistola sobre

el tubo cerámico. Este tubo lo hacemos rotar mediante un motor mientras se realiza la pulverización

con la pistola. De este modo el tubo se recubre de catalizador con un espesor constante a lo largo de

su circunferencia. Para ello, tenemos que conseguir:

- velocidad de giro constante

- baja velocidad de giro.

67


El motor elegido para realizar esta operación es un motor de tipo Brushless, cuyas

características se muestran en la siguiente tabla:

Dimensiones

Longitud del cuerpo 118

Anchura max. 63 Altura max. 63

Longitud del árbol 18 Diámetro del árbol 8

Longitud del plato del árbol 15 Altura del plato del árbol 7

Especificaciones técnicas

Relación Velocidad al 10%

de regulación (giros/min)

Velocidad al 100% de

regulación (giros/min)

Pareja Nm

Potencia utilizable

(W)

38.28:1 6 56 5 24

Este tipo de motores [2] funcionan con corriente alterna trifásica y tienen un mejor

rendimiento que los convencionales de corriente continua. No poseen escobillas y la corriente se

alimenta directamente a los tres terminales del bobinado mediante un controlador de velocidad

especial. En los motores Brushless, el estator es el bobinado y el rotor es el que contiene los imanes,

que pueden ser de Neodimio-Cobalto, Somario-Cobalto o de Neodimio-Hierro-Boro ( los más

potentes).

4.2 Viscosímetro

En reología se consideran fluídos todos aquellos materiales homogéneos o heterogéneos que

bajo la acción de un esfuerzo cortante (“shear”) sufren una deformación viscoelástica parcialmente

irreversible. La viscosidad es una medida de la fricción interna del fluido, esto es, de la resistencia a

la deformación.

De la relación entre la viscosidad y una serie de medidas físicas podemos estudiar las

variaciones de otras propiedades como son la densidad, la estabilidad y el contenido de sólidos.

La reología se estudia sobre todo en régimen laminar, donde se hipotiza un fluido constituido por

estratos de espesores infinitésimos paralelos y sobrepuestos deslizandose unos sobre otros.

68


La viscosidad se mide en función del esfuerzo necesario para mantener una diferencia de

velocidad entre dos estratos adyacentes.

Los fluídos reales pueden tener dos tipos de comportamientos:

- Fluidos newtonianos, en los cuales las viscosidad dinámica se mantiene constante

respecto al gradiente de velocidad de deformación (shear rate).

- Fluidos no newtonianos, en los cuales la viscosidad dinámica varía en función del

gradiente de velocidad aplicado, por lo que el esfuerzo cortante es una función no

lineal de la velocidad de deformación.

Las medidas de viscosidad se realizan mediante reómetros, también llamados viscosímetros.

Los reómetros están basados en la medida de la resistencia que opone un líquido a la rotación de un

cuerpo rígido respecto a otro fijo. La resistencia viscosa de la muestra a la rotación forma un

momento torsor en un muelle o barra de torsión, que están unidos a un sensor óptico o

potenciómetrico, que mide el ángulo de torsión producido por el esfuerzo cortante aplicado al

líquido.

Existen diversos tipos de reómetros. Unos miden la viscosidad absoluta, otros miden la

viscosidad relativa. El reómetro utilizado para realizar nuestro análisis de viscosidad es uno de tipo

rotacional, donde la geometría del flujo laminar se ha generado por fricción.

Entre dos platos planos y paralelos se introduce la muestra a analizar. El plato superior gira

y genera un régimen laminar plano y paralelo al plato fijo.

La relación matemática que permite calcular el “shear rate” en un viscosímetro de plato

plano, donde la velocidad de deslizamiento varía en función del radio del plato, es:

)(..

rfh

rhv

=⇒∗Ω

== γγ

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

.γηη

69


Donde: .γ : shear rate

η: viscosidad dinámica

h: Espesor de la muestra de fluído

Ω: torsión aplicada

r: radio del disco

v: velocidad

El reómetro utilizado para efectuar la medida de la viscosidad de nuestra supensión es un

reómetro rotacional SR200 Reometric con una configuración plato-plato (40 mm en acero) y los

análisis se han efectuado aplicando un esfuerzo de intensidad creciente continua a una temperatura

de 20°C.

4.3 Microscopio Electrónico de Barrido (S.E.M)

Los microscopios electrónicos de barrido (SEM) son instrumentos capaces de tomar

imágenes de alta resolución espacial (decenas de Amstrongs) utilizando generalmente la señal

generada por electrones secundarios. (Figua 2.11).

Para realizar el análisis del catalizador que se ha preparado, se ha utilizado un microscopio

electrónico Philips SEM 505.

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Figura 2.11: Sección esquemática de un microscopio de barrido eléctrico

Para poder efectuar el análisis, la muestra a observar, en nuestro caso una lámina recubierta

de catalizador, se deshitrata y se hace conductiva recubriéndola con polvo de oro mediante una

maquinaria adecuada. Se mete en una cámara donde se hace el vacío. Un haz de electrones

primarios, oportunamente focalizados mediante lentes electrónicas, es enviado a la muestra para que

haga un barrido sobre toda su superficie. El haz de electrones, durante la exploración del material,

golpea la superficie generando electrones secundarios. La cantidad y la energía de estos electrones

secundarios dependerá de la morfología y de la naturaleza química de la muestra analizada en ese

punto concreto. La señal generada por los electrones secundarios se recogen en un detector y se

transmite a un sistema de generación de imágenes que lo envía a una pantalla, sobre la cual viene

trazada la imagen de la muestra examinada.

4.4 Prueba de adhesión

El ultrasonido es una vibración mecánica con un rango mayor al audible por el oído humano

(20 KHz en adelante) que se transmite a través de un medio físico y es orientado, registrado y

medido en Hertz con ayuda de un aparato creado para ese fin. Concretamente, la prueba consiste en

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rellenar un becker con eter de petróleo e introducir la lámina dentro del becker. Este becker, a su

vez, se mete dentro de un baño de agua. Se hace pasar a través del baño lleno de agua una onda de

ultrasonido, que va a producir un efecto de vibración sobre la lámina. Después de que la acción de

la onda termina, se mide la pérdida de peso que ha sufrido la lámina. En función de la pérdida de

peso que se produzca, se va a determinar si se tenía una buena o mala adhesión entre los materiales.

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Bibliografía [1] S. Spanu, P. Tonincelli,

“Combustione catalitica di metano su PdO supportato e su esalluminati di lantanio”

Tesi di Laurea, Politecnico di Milano, Anno accademico 1998-1999 [2] Jose Antonio Alonso Alonso

Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), 13 Octubre 2004

[3] E. Dalla Valle,

“Deposizione di strati catalitici a base di γ allumina su supporti strutturati: studio delle

variabili preparative”

Tesi di Laurea, Politecnico di Milano, Anno accademico 2001-2002

[4] S. Spanu, P. Tonincelli,

“Combustione catalitica di metano su PdO supportato e su esalluminati di lantanio”


[5] A.Belingheri, S. Bodini,

“Effetto del trattamento di invecchiamento su catalizzatori a base di Pd supportato per la

combustione catalitica di CH4”


[6] Andrea Polesello,

“Viscosimetri e reometri per reologia dei materiali. Strumentazione per la misura della

viscosità”

Laboratorio 2000, articolo del 2001

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CAPITULO 2

PLANTAS E INSTRUMENTACIÓN UTILIZADA EN LAS

PRUEBAS DE COMBUSTIÓN CATALÍTICA

1. INTRODUCCIÓN _______________________________________________ 46 2. REPRESENTACIÓN Y DESCRIPCIÓN DE LA PLANTA DEL REACTOR ANULAR _________________________________________________________ 46

2.1 Sección de alimentación ______________________________________ 48 2.2 Sección de saturación ________________________________________ 49 2.3 Sección de reacción __________________________________________ 50 2.4 Sección de muestreo _________________________________________ 51 2.5 Sección de análisis___________________________________________ 53

2.5.1 Análisis cromatográfico _________________________________________________ 54 2.6 Reactor _____________________________________________________________ 56

3. REPRESENTACIÓN Y DESCRIPCIÓN DE LA PLANTA DEL REACTOR DE LECHO FIJO __________________________________________________ 59

3.1 Sección de alimentación ______________________________________ 61 3.2 Sección de reacción __________________________________________ 63 3.3 Sección de análisis___________________________________________ 66

4. OTRA INSTRUMENTACIÓN UTILIZADA _________________________ 67

4.1 Motor Brushless ____________________________________________ 67 4.2 Viscosímetro _______________________________________________ 68 4.3 Microscopio Electrónico de Barrido (S.E.M)_____________________ 70 4.4 Prueba de adhesión__________________________________________ 71

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instalaciones e instrumentaciÓn -...

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