Hidrodinámica en columnas de burbujeo rectangulares Efecto de las fuerzas de no arrastre y el balance poblacional

Transcripción

1 Hidrodinámica en columnas de burbujeo rectangulares Efecto de las fuerzas de no arrastre y el balance poblacional M.I. Roberto Carlos Reyes Fonseca Investigación y Desarrollo Tecnológico Planta PTA Cosoleacaque Tel: (921) rcreyes@petrotemex.com M.C. Jorge Adán Fernández Vargas Investigación y Desarrollo Tecnológico Planta PTA Cosoleacaque Tel: (921) jafernandez@petrotemex.com Carretera Federal Transistmica Km. 29 Predio Buenavista de Torres Rancho Pipinaco Cosoleacaque Ver., 96340, México

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6 LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN Mejora de eficiencia en equipos de ipta Reactores de oxidación de px HERRAMIENTAS Experimentación Sistema agua-aire Modelación Ansys CFX

7 Introducción Los reactores Hpo columnas de burbujeo (BCRs) son equipos donde el gas es distribuido en el fondo del recipiente y asciende en forma de burbujas a través de la fase con>nua. Estos equipos presentan bajos costos de fabricación, construcción sencilla, costos opera>vos mínimos, buen mezclado y alta eficiencia de transferencia de calor y masa por lo que han sido ampliamente uhlizados en la industria química, petroquímica, farmacéuhca, metalúrgica, entre otras.

8 La ingeniería de reacciones químicas ha empleado tres enfoques para BCRs [1] - Reactores perfectamente mezclados y reactores tubulares & Modelos de dispersión axial -1ra gen.- - Modelos de convección-difusión -2da gen.- Utilizan hidrodinámica simplificada y correlaciones para escalamiento. - Desde hace algunos años, se ha promovido el uso de CFD como herramienta de análisis -3ra gen.- Capaz de capturar los fenómenos de flujo de fluidos e incluir la transferencia de calor y masa Aún así, se tiene un conocimiento parcial de la dinámica del flujo gas-líquido [2] y la resolución de múltiples fenómenos puede resultar restrictivo. [1] P. Gupta / 2002 / Churn-turbulent bubble columns - experiments and modeling [2] M. E. Díaz y col. / 2008 / Numerical simulation of the gas liquid flow in a laboratory scale bubble column

9 Metodología SC Y=0.63[m] SC Y=0.08[m] 1m 0.02m*0.01m Se tomaron resultados experimentales y de modelación previamente publicados [3] Para medir la distribución de retención de gas los autores procesaron datos de sensores de conduchvidad (SC) Hpo rejilla en dos alturas. La malla se generó en ICEM con nodos de acuerdo a la configuración propuesta en el trabajo base. 0.1m [3] E. Krepper y col. / 2007 / Experimental and numerical studies of void fraction distribution in rectangular bubble columns

10 La preparación, ejecución y procesamiento de resultados se realizó en Ansys CFX Se presentan 4 casos -para plantear el ultimo caso fue necesario explorar diferentes combinaciones (20)- Se empleo el modelo de turbulencia k-epsilon, ejecución en estado dinámico con un tamaño de paso de 0.01[s] y una duración total de 20[s]. La fracción volumen se promedio en el Hempo para compararla con los datos de referencia. No Arrastre Caso Diametro de burbuja Arrastre Masa Lubricación de Dispersión de Sustentación Virtual pared turbulencia Base 3[mm] Grace ninguno ninguno ninguno ninguno SSIZE 3[mm] Grace Legendre Magnaudet VMC=0.5 Frank Favre MUSIG I Balance poblacional Grace Legendre Magnaudet VMC=0.5 Frank Favre MUSIG II Balance poblacional Grace Legendre Magnaudet VMC=0.5 Antal López de Bertodano

11 Resultados Promedio en t de la distribución de fracción volumen de gas a y=0.08 m. Resultados obtenidos Resultados experimentales y de modelación [3] [3] E. Krepper y col. / 2007 / Experimental and numerical studies of void fraction distribution in rectangular bubble columns

12 Resultados Promedio en t de la distribución de fracción volumen de gas a y=0.63 m. Resultados obtenidos Resultados experimentales y de modelación [3] [3] E. Krepper y col. / 2007 / Experimental and numerical studies of void fraction distribution in rectangular bubble columns

13 Resultados Columna configurada únicamente con modelo de arrastre Jg=10mm/s Columna configurada con modelo de arrastre y no arrastre Jg=10mm/s

14 Resultados SC Y=0.08[m] Comparación cualitahva del comportamiento ondulatorio de la pluma de gas con los resultados de la simulación. Oscilación marcada en la zona del fondo (donde se efectúa la inyección de gas). SC Y=0.08[m] Por encima del sensor de conduchvidad, el gas se encuentra disperso a lo largo de la columna.

15 Conclusiones La implementación del balance poblacional representa un avance en el grado de predicción de los modelos para fluidos mulhfásicos al eliminar el tamaño de burbuja predefinido. UHlizar múlhples grupos de burbujas con diferentes diámetros y mediante una adecuada selección de modelos de fuerzas de no arrastre, se pueden mejorar las eshmaciones de retención de gas. Las fuerzas de no arrastre permiten modelar la naturaleza ondulatoria de la pluma de gas, por lo que son necesarias para predecir la hidrodinámica en el régimen bubbly flow.