ESTUDIOS SOBRE PLATOS PERFORADOS DE UNA COLUMNA DE DESTILACION MEDIANTE CFD. Studies on sieve trays of a distillation column using CFD

Transcripción

1 ESTUDIOS SOBRE PLATOS PERFORADOS DE UNA COLUMNA DE DESTILACION MEDIANTE CFD Studies on sieve trays of a distillation column using CFD Rodríguez-Angeles M.A, Uribe-Ramírez A.R. Depto. de Ingeniería Química, Facultad de Química, Universidad de Guanajuato. Col. Noria Alta s/n, C.P , Guanajuato, Gto., México. Introducción A través del tiempo, se han realizado diferentes estudios a cerca del proceso de la destilación, que van desde los más simples, como los gráficos, hasta los más complejos estudios matemáticos. En la actualidad, autores como Krishna y Taylor, han trabajado para desarrollar estudios de la destilación por medio de las ecuaciones de transporte, utilizando para ello CFD, herramienta que está cobrando cada vez más importancia por sus aplicaciones. El presente trabajo es una parte de un estudio del funcionamiento de platos perforados con CFD, en el cual se muestra la hidrodinámica con el movimiento simultáneo de las dos fases. Abstract Over time, various studies have been made about the process of distillation, ranging from the simplest, such as graphics, even the most complex mathematical studies. At present, authors like Krishna and Taylor have worked to develop studies of distillation by the equations of transport, using CFD tool that is becoming increasingly important for their applications. This work is part of a study on the operation of sieve trays with CFD, which shows the hydrodynamics with the simultaneous movement of the two phases. Metodología Las simulaciones del proceso fueron realizadas con ayuda del paquete Fluent V y las mallas realizadas en Gambit V2.2.30, ambos de Ansys, Inc. Los materiales que se utilizan para las simulaciones son agua y aire. Los pasos seguidos en la elaboración del proyecto son: 1. Elección del modelo de deformación de la interfase y el modelo viscoso. 2. Simulación bidimensional del la hidrodinámica en un plato perforado con movimiento de las fases líquida y gaseosa por separado. 59

2 3. Simulación bidimensional de la hidrodinámica en un plato perforado con movimiento de las fases líquida y gaseosa simultáneo. 4. Simulación bidimensional de una sección de columna que incluya varios platos. 5. Simulación tridimensional de la hidrodinámica en un plato perforado con movimiento de fases simultánea. 6. Estudio de modelos de transferencia de masa aplicables al sistema. Resultados y discusión El sistema de burbujeo para la prueba de los modelos matemáticos consiste de un recipiente largo lleno de líquido con una boquilla por medio de la cual se burbujea gas dentro del sistema. La malla fue creada en Gambit y es cuadrada con un poco más de 10,000 celdas. Un análisis de los métodos para la simulación del movimiento de la interfase, indica que el modelo VOF no es apropiado para el sistema que se estudia. El modelo de mezcla y el modelo Euleriano arrojan resultados muy similares al final de las respectivas simulaciones; sin embargo, al probarlos en un plato perforado, sólo pudo ejecutarse exitosamente el modelo Euleriano. Para las pruebas se utilizó el modelo VOF para simular la interfase y los modelos para los esfuerzos de Reynolds probados son el laminar, el k-ε RNG, y el k-ω SST. Los resultados para la prueba del modelo viscoso se muestran en la Figura 1. Las burbujas con el modelo laminar muestran un movimiento oscilatorio, mientras que con los modelos turbulentos las burbujas presentan una trayectoria recta en el ascenso. Los perfiles de velocidad indican además que, para el modelo laminar, la velocidad del líquido se incrementa en uno de sus lados creando pequeños remolinos que se propagan a lo largo de todo el sistema; por otro 60

3 lado, en los modelos turbulentos (k-ε RNG y k-ω SST) no lo presentan, pues estos remolinos son disipados en el líquido por la reacción de las paredes. La obtención de datos experimentales se realiza en una cámara con agua, en la cual se burbujea aire por medio de una válvula de aguja, como se muestra en la Figura 4. En ella se observa que las burbujas de aire ascienden con tendencia a recorrer una trayectoria recta, lo que elimina la elección del método laminar. Para simular un plato perforado se elabora la geometría y la malla de un plato de 30cm de diámetro y 10cm de altura, con un vertedero de 4cm y una entrada en la bajante de 1cm de altura. Se prueban en esta geometría los modelos seleccionados dentro del plato. Las pruebas se realizan variando el flujo del líquido primero y el flujo del gas después hasta tener un plato funcional. En la Figura 3 se muestra el plato funcionando con el movimiento de las dos fases. Posteriormente se elaboran mallas para sistemas que comprendan 2, 3 y 4 platos, siguiendo el mismo proceso que el de un solo plato. En las simulaciones, se presenta acumulación de presión de la fase gaseosa en algunas regiones de la columna, lo que causa la desestabilización y mal funcionamiento del sistema. Los resultados parciales de este sistema se muestran en la Figura 4. 61

4 El estudio en tres dimensiones se inicia con un estudio para elaborar la malla, probando algunas mallas, tratando de encontrar la que posea menos elementos. La malla en 3-D terminada para un plato se muestra en la Figura 5 y contiene más de 1,700,000 elementos. Se está en espera de resultados. La parte más complicada del proyecto es la simulación del transporte de masa, sobre el cual se está trabajando y se tienen algunos resultados básicos con sistemas simples. Conclusiones Hasta este momento se ha trabajado con la hidrodinámica de la columna de destilación y algunos avances en otros aspectos. Resulta importante conocer perfectamente este fenómeno para poder utilizar estos resultados cuando se estudie el transporte de masa y calor dentro del plato, ya que los tres fenómenos se encuentran íntimamente ligados dentro de la destilación. La estabilización de los sistemas ha resultado ser la parte más complicada de las simulaciones, ya que en el método Euleriano las ecuaciones de transporte se resuelven ligándose entre ellas por medio de la presión. Al trabajar con un gas y cambios de fase, puede resultar muy complicado; sin embargo, poco a poco los sistemas se han podido estabilizar y pronto se tendrán resultados más concretos. Los resultados hasta ahora resultan 62

5 alentadores, sin embargo aún falta una extensa parte de experimentación que nos permita validar los resultados de la hidrodinámica del plato y posteriormente los resultados del transporte de masa. Referencias Chan, H. y Fair, J. R. (1984). Prediction of Points Efficiences on Sieve Trays. 1. Binary Systems. Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev. (23) Holland, Ch.D. (1992). Fundamentos de destilación de mezclas multicomponentes. Limusa. México. Krishna, R., Van Baten, J.M., Ellenberger, J., Higler, A.P. and Taylor, R. (1999). CFD simulations of sieve tray hydrodynamics, Chem. Eng. Research & Design, Trans.I.Chem.E. (77), Krishnamurthy R., Taylor R., (1985) A nonequilibrium stage model of multicompo nent separation processes. Part I: model description and method of solution, AIChE J., (31), Stichlmair, J. G. y Fair, J. R. (1998). Distillation, Principles and practice. Wileyvch. USA. Taylor R., Kooijman H.A., Hung J.S. (1994). A 2nd Generation Nonequilibrium Model for Computer-Simulation of Multicomponent Separation Processes. Comput. Chem. Eng. (18) Taylor, R. y Krishna,R. (1993). Multicomponent mass transfer, John Wiley & sons. USA. Van Baten, J.M., Ellenberger, J. and Krishna, R. (2003). Scale-up strategy for bubble column slurry reactors using CFD simulations, Catalysis Today , Van Baten, J.M. y Krishna, R. (2000). Modelling sieve trays hydraulics using computational fluid dynamics. Chem. Eng. Journal. (77)