Hidrodinámica en columnas de burbujeo rectangulares

Efecto de las fuerzas de no arrastre y el balance poblacional

Carretera Federal Transistmica Km. 29 Predio Buenavista de Torres

Rancho Pipinaco Cosoleacaque Ver., 96340, México

M.C.JorgeAdánFernándezVargas

Investigación y Desarrollo Tecnológico

Planta PTA Cosoleacaque

Tel: (921) 211-3186 e-mail: jafernandez@petrotemex.com

M.I.RobertoCarlosReyesFonseca

Investigación y Desarrollo Tecnológico

Planta PTA Cosoleacaque

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LÍNEASDEINVESTIGACIÓN•  MejoradeeficienciaenequiposdeiPTA

–  ReactoresdeoxidacióndepX–  …

•  …HERRAMIENTAS•  Experimentación

–  Sistemaagua-aire–  …

•  Modelación–  AnsysCFX–  …

•  …

Introducción

•  Los reactores Hpo columnas de burbujeo(BCRs) son equipos donde el gas esdistribuido en el fondo del recipiente yasciendeenformadeburbujasatravésdelafasecon>nua.

•  Estos equipos presentan bajos costos de

fabricación, construcción sencilla, costosopera>vos mínimos, buen mezclado y altaeficiencia de transferencia de calor ymasapor lo que han sido ampliamente uHlizadosen la industria química, petroquímica,farmacéuHca,metalúrgica,entreotras.

•  LaingenieríadereaccionesquímicashaempleadotresenfoquesparaBCRs[1]

Utilizan hidrodinámica simplificada y correlaciones

para escalamiento.

Aún así, se tiene un conocimiento parcial de la dinámica del flujo gas-líquido [2] y la resolución de múltiples fenómenos puede resultar restrictivo.

-  Reactores perfectamente mezclados y reactores tubulares & Modelos de dispersión axial -1ra gen.-

-  Modelos de convección-difusión -2da gen.-

-  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

[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

Metodología•  Setomaronresultadosexperimentales

y de modelación previamentepublicados[3]

–  Paramedir la distribución de retención degas los autores procesaron datos desensores de conducHvidad (SC) Hpo rejillaendosalturas.

•  LamallasegeneróenICEMcon16000nodos de acuerdo a la configuraciónpropuestaeneltrabajobase.

0.1m

1m

0.02m*0.01m

SC Y=0.63[m]

SC Y=0.08[m]

[3] E. Krepper y col. / 2007 / Experimental and numerical studies of void fraction distribution in rectangular bubble columns

•  Lapreparación,ejecuciónyprocesamientoderesultadosserealizóenAnsysCFX14.5.

•  Sepresentan4casos

•  Seempleoelmodelodeturbulenciak-epsilon,ejecuciónenestadodinámicoconuntamañodepasode0.01[s]yunaduracióntotalde20[s].

•  LafracciónvolumensepromedioenelHempoparacompararlaconlosdatosdereferencia.

Caso Diametrodeburbuja ArrastreNoArrastre

SustentaciónMasaVirtual

Lubricacióndepared

Dispersióndeturbulencia

Base 3[mm] Grace ninguno ninguno ninguno ninguno

SSIZE 3[mm] GraceLegendreMagnaudet VMC=0.5 Frank Favre

MUSIGI Balancepoblacional GraceLegendreMagnaudet VMC=0.5 Frank Favre

MUSIGII Balancepoblacional GraceLegendreMagnaudet VMC=0.5 Antal LópezdeBertodano

-para plantear el ultimo caso fue necesario explorar diferentes combinaciones (20)-

ResultadosPromedioen𝑡deladistribucióndefracción

volumendegasa𝑦=0.08 𝑚.

[3] E. Krepper y col. / 2007 / Experimental and numerical studies of void fraction distribution in rectangular bubble columns

Resultados obtenidos Resultados experimentales y de modelación [3]

ResultadosPromedioen𝑡deladistribucióndefracción

volumendegasa𝑦=0.63 𝑚.

[3] E. Krepper y col. / 2007 / Experimental and numerical studies of void fraction distribution in rectangular bubble columns

Resultados obtenidos Resultados experimentales y de modelación [3]

Resultados

Columna configurada únicamente con modelo de arrastre

Jg=10mm/s

Columna configurada con modelo de arrastre y no arrastre

Jg=10mm/s

ResultadosComparación cualitaHva delcomportamiento ondulatorio dela pluma de gas con losresultadosdelasimulación.Oscilaciónmarcadaenlazonadelfondo (donde se efectúa lainyeccióndegas).Por encima del sensor dec ondu cHv i d ad , e l g a s s eencuentradispersoa lo largodelacolumna.

SC Y=0.08[m]

SC Y=0.08[m]

Conclusiones•  La implementación delbalance poblacional representa un avance en el

gradodeprediccióndelosmodelosparafluidosmulHfásicosaleliminareltamañodeburbujapredefinido.

•  UHlizar múlHples grupos de burbujas con diferentes diámetros ymedianteunaadecuadaseleccióndemodelosdefuerzasdenoarrastre,sepuedenmejorarlasesHmacionesderetencióndegas.

•  Lasfuerzasdenoarrastrepermitenmodelarlanaturalezaondulatoriadelaplumadegas,porloquesonnecesariasparapredecirlahidrodinámicaenelrégimenbubblyflow.