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Reactores Catalíticos
 
 
 
evaluacion de propiedades estructurales fluido dinamicas y de transporte en lechos fijos

Evaluación de propiedades estructurales, fluido-dinámicas y de transporte en lechos fijos.

(Evaluation of structural, fluid dynamic and transport properties in fixed bed reactors)

 

Responsable: Dr. Guillermo F. Barreto

Co-responsables: Ing. Osvaldo M. Martínez, Dr. Néstor J. Mariani

 

Personal

Ing. Sergio D. Keegan

Ing. Maria José Taulamet

Ing. Roberto F. Pereiras

 

Objetivos Generales

El propósito de esta línea de trabajo es realizar estudios de naturaleza experimental y/o de simulación matemática rigurosa (incluyendo predicción fluido-dinámica) a fin de analizar las propiedades estructurales, fluidodinámicas y de transporte de calor y materia en reactores catalíticos de lecho fijo.

 

a) Modelos geométricos unidimensionales para evaluar la velocidad de reacción efectiva

One-dimensional geometric models for evaluating effective reaction rates

Objetivos específicos:

Desarrollar aproximaciones geométricas con flujo unidimensional que permitan la evaluación precisa de velocidades de reacción efectivas en catalizadores de cualquier forma geométrica (granulares o estructurados), para reacciones únicas o múltiples de cualquier tipo de expresión cinética.

En períodos previos se describió el desarrollo de un nuevo modelo con flujo unidimensional (modelo 1D) introduciendo  parámetros para ajustar los factores de forma de pastillas de catalizadores reales 3D (con transporte en las tres dimensiones espaciales) correspondientes a bajos y altos módulos de Thiele. El modelo seleccionado (Modelo 1D-DV) introduce una difusividad variable, que permite ajustar prácticamente cualquier combinación de los factores de forma de un catalizador real 3D.

Se analizaron los límites de aplicabilidad de los modelos 1D a partir de la forma del catalizador real. A tal efecto se completó el estudio en el caso de expresiones cinéticas de tipo no-lineal con comportamiento anormal (se aceleran con el avance de la reacción y pueden conducir a soluciones múltiples). Se consideraron sistemas con reacciones exotérmicas y pastilla de catalizador no isotérmica y también reacciones con cinéticas de tipo LHHW, con fuertes efectos de inhibición. Se encontró que el modelo 1D de un único parámetro ajustable (modelo de cilindro generalizado, 1D-CG) puede conducir a errores importantes, mientras que el modelo de 3 parámetros previamente desarrollado, modelo 1D-DV, asegura elevada precisión aún en el límite de aparición de estados múltiples.

Por otra parte, se iniciaron experimentos numericos para evaluar el uso de aproximaciones 1D al caso de reacciones múltiples.

 

b) Transferencia de materia y calor en sistemas estruturados de microcanales.

Mass and heat transfer in micro-channel structured system 

Objetivos específicos:

Se persigue como objetivo el desarrollo de correlaciones que permitan estimar  coeficientes de transferencia de calor y masa para sistemas estructurados con microcanales rectilíneos de distinta sección transversal para cualquier tipo de fluido en condiciones de flujo laminar con perfil fluidodinámico y térmico en desarrollo y desarrollado.

 

Los sistemas estructurados con microcanales rectilíneos han sido objeto de numerosos estudios en los últimos tiempos por presentarse como una alternativa para la intensificación de procesos, entendiendo por ésta al desarrollo de sistemas novedosos que conduzcan a significativas mejoras, disminuyendo considerablemente el cociente tamaño del equipo/capacidad de proceso, consumo de energía y producción de deshechos, y que resulten sustentables y económicamente viables. Estos sistemas encuentran aplicación como reactores catalíticos (por ejemplo, monolitos de pared catalítica) cuyo uso más extendido se presenta en aplicaciones en fase gas de tipo medioambiental; por otro lado, pueden emplearse como sistemas de adsorción/desorción, como membranas o micro-filtros. Asimismo, el concepto se aplica en intercambiadores de calor de tipo compacto, comúnmente denominados de placas aletadas. Finalmente, presentan la posibilidad de uso en sistemas multifuncionales, como sistemas combinados reactor/intercambiador de calor o reactores de membrana.

El uso del software comercial Comsol Multiphysics fue empleado para la resolución de las ecuaciones microscópicas de balance de cantidad de movimiento y energía en canales rectilíneos de pequeño diametro (conducente a flujo de tipo laminar) con el objeto de determinar la velocidad de transferencia de calor hacia la pared del canal (o equivalentemente de materia, empleando la similitud entre ambos procesos), tanto para la región de entrada (con coeficientes de transferencia dependientes de la posición axial) como para el caso asintótico que se alcanza suficientemente lejos de la entrada. Fueron empleados diversas condiciones de contorno, principalmente de flujo o temperatura de pared uniformes, un importante conjunto de formas de la sección transversal del sistema, analizándose también el efecto del número de Reynolds, de Prandtl y de Peclet térmico. De esta manera se intenta generar un banco de datos con el objetivo de desarrollar correlaciones que permitan la predicción de la capacidad de transferencia de calor/materia en tales sistemas.

 

c) Caracterización del comportamiento fluido-dinámico y su influencia sobre los efectos térmicos en las cercanías de la pared del tubo en lechos fijos.

Characterization of the fluid dynamic behavior and its influence on thermal effects near the tube wall of fixed beds

Objetivos específicos:

 

Estudiar el comportamiento fluidodinámico de los lechos fijos para caracterizar el efecto de la pared del recipiente sobre la canalización del flujo, la dispersión en sentido transversal y la transferencia de calor, con vistas a la generación de un modelo de dos zonas para simulación de reactores de lecho fijo.

 

En esta actividad interviene la Dra. Mariana Zambón y la Ing. Daniela Asensio de la Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional del Comahue, y el Dr. Germán Mazza, actualmente desempeñándose en esa institución.

Esta línea de trabajo se desarrolla a partir de la potencialidad de la técnica Computación Fluido-Dinámica (CFD ). El software de CFD empleado es el comercalizado por ANSYS.

En base a resultados obtenidos previamente se ha completado el desarrollo de un modelo (Modelo Bidimensional de Dos Regiones) para simular el comportamiento de reactores de lecho fijo con intercambio de calor, incorporando los efectos de las reacciones catalíticas,  las contribuciones al transporte de calor radial a través de las piezas de relleno y a través de la fase fluida, en dos niveles del lecho: la región de la pared y el centro del lecho..

Por otro lado, se avanzó en la realización de nuevas evaluaciones de CFD para el caso de lechos cilíndricos empacados al azar.

 

d) Transferencia de calor en lechos rellenos con flujo bifásico.

Heat transfer in packed beds with biphasic flow

Objetivos específicos:

El objetivo de esta sublínea es obtener correlaciones para predecir la velocidad de transferencia de calor en lechos rellenos con flujo bifásico para distintas formas de pastilla, a partir de la realización de un programa experimental.

 

En una etapa previa se completó la re-instalación de un equipo disponible en el grupo de trabajo para llevar a cabo estudios de transferencia de calor empleando un tubo encamisado de 50 mm de diámetro, se efectuó la puesta a punto del equipamiento e instrumental de medida involucrado y se realizaron estudios con partículas de geometría esférica. En el último año se completó el programa previsto de medidas experimentales de transferencia de calor utilizando rellenos de tipo cilíndrico con distintas formas típicas de sección transversal (circular, multilobular). Se emplearon entre dos y tres longitudes de lecho y un barrido de caudales de fases líquida y gaseosa que cubrió regiones con régimen de baja y alta interacción.

Se comenzó la regresión de los datos experimentales obtenidos, con el objetivo de obtener una correlación para el coeficiente global de transferencia de calor en lechos rellenos con flujo bifásico.

En forma paralela, se realizó una revisión crítica de la bibliografía sobre transferencia de calor en lechos rellenos con flujo bifásico. Se buscó generar una base da datos con información experimental, a efectos de verificar las variables operativas y geométricas estudiadas y su impacto sobre la velocidad de transferencia de calor. Se analizaron críticamente las correlaciones disponibles para los parámetros del modelo bidimensional pseudohomogéneo, conductividad térmica efectiva radial y coeficiente de transferencia de calor en la pared, juzgando la consistencia de las mismas y su capacidad de representar los datos experimentales incorporados a la base mencionada previamente.

 
 
 
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