Simulación de dinámica de fluidos CFD como herramienta de diseño en

Ingeniería QuímicaM.I. Roberto Carlos Reyes FonsecaInvestigación y Desarrollo Tecnológico

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M.C. Fernando Varela FuentesInvestigación y Desarrollo Tecnológico

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¿Por qué usar CFD en Ingeniería Química?• Los simuladores de proceso, resuelven de manera global los balances de masa y

energía. Poseen modelos termodinámicos adecuados para predecir las propiedadesfísicas de los componentes. Los modelos de reacción se basan en el concepto demezcla perfecta.

• CFD resuelve de manera local los balances de momentum, masa y energia. Permiteevaluar patrones de flujo, distribución de tiempos de residencia, consumos depotencia, concentración de los reactantes…con lo que se disminuye laincertidumbre entre el modelo y la realidad. Menor sobrediseño.

• El acoplamiento FSI permite obtener diseños adecuados de los internos;bafles,placas deflectoras, impulsores, anillos distribuidores de reactivos…

• Se requiere diseñar un reactor para degradar el 99.99% de uncontaminante A en un efluente de 4.47e-4 m3/h. La corriente de entradase alimenta con una concentración de 1000 mol/m3 a una temperaturade 300K.

𝐴 𝑘𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠 𝑖𝑛𝑜𝑐𝑢𝑜𝑠

Salida

EntradaC0=1000mol/m3V0=5e^-4 m3/hT0=300K

EJEMPLO:

Identificación del problema

𝑘 = 𝐴 ∗ exp(−𝐸

𝑅𝑔𝑇)

A=1e10 s^-1E=72 kJ/mol

Calor de reacciónH=100 kJ/mol

T= 𝑇0 −∆𝐻𝑟𝑙𝐶𝑟𝑙0𝑓𝑟𝑙

𝜌𝐶𝑝

𝜏 =𝑉𝑟𝜗0=𝐶𝑟𝑙0 𝑓𝑟𝑙−𝑟𝑟𝑙

𝑉𝑟 = 0.36𝑚3, 𝑇 = 324 𝐾…𝑀𝑜𝑑𝑒𝑙𝑜 𝑀𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 𝑃𝑒𝑟𝑓𝑒𝑐𝑡𝑎

• Vr=0.36m3. Malla en ICEM con elementos no estructurados.600 000-800000 elementos.La geometría se dividió en dos dominios:Stationary/Rotaring[1]

• Tres casos con un solo impulsor: Turbina, Ruhston, Phase Jet• Dos casos con doble impulsor: Turbina-Turbina, Turbina-Turbina

invertida

Pre-procesamientoGeometríaMalla

Turbina 45°(4PBT)

Phase Jet (Ekato) Rushton (FBT)

Entrada

Retiro

[1]Vivek Ranade,CFM for CRE, Academic Press, London, 2002

• donde:– 𝐷𝑖=Coeficiente de difusión [m2/s]– 𝑅𝑖 = 𝑅𝑖(T)=Velocidad de reacción [mol /m3*s]– 𝑐𝑖 = Concentracion molar [mol /m3]– 𝜌= 𝜌(T)=Densidad– 𝐶𝑝 = 𝐶𝑝(T)=Capacidad calorífica a – presión constante [J/Kg*K]– 𝑘=𝑘(𝑇)=Conductividad térmica [W/m*K]– 𝑄=Fuente de energía [W/m3]– w=Velocidad angular=20 rad/s

Pre-procesamientoTransporte de Masa y Energia

𝑄 = 𝑅𝑖𝐻𝑖 ,𝐻𝑖=100 kJ/mol

𝑅𝑖= 𝑘 𝑐𝑖 , 𝑘 = 𝐴 ∗ exp−𝐸

𝑅𝑔𝑇

A=1e10 s^-1E=72 kJ/mol𝛻 ∙ −𝐷𝑖𝛻𝑐𝑖 + 𝒖 ∙ 𝛻𝑐𝑖 = 𝑅𝑖

𝛻 ∙ −𝑘𝛻𝑻 + 𝜌𝐶𝑝 𝒖 ∙ 𝛻 𝑻 = 𝑄

𝒖 = 𝒖(𝒙, 𝒚, 𝒛)

𝒖 = 𝒖 𝒙, 𝒚, 𝒛𝑘=𝑘(T)𝐶𝑝= 𝐶𝑝(T)

𝜌= 𝜌(T)

𝒄𝒊

𝑻

Post-procesamientoContornos de Concentración y líneas de corriente

El Phase Jet y Turbina-Turbina muestra mayor volumen con baja concentración del material “A”

El caso Turbina-Turbina invertida muestra líneas de corriente con recorridos largos, que se interpretan como buena agitación, sin embargo al analizar el contorno de concentración se observa que algo del reactivo se canaliza por la pared. Esto disminuye su desempeño.

Phase JetTurbinaTurbina-Turbina

Turbina-Turbina invertidaRushton

• Cada una de las propuestas muestra diferencias de Temperatura menores a 1K.

Post-procesamientoPerfiles Axiales. Promedios en área sección transversal.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

20 30 40 50 60

Altu

ra re

acto

r, [m

]

Concentración, [mol/m3]

Turbina

Rushton

Phase Jet

Turbina-Turbina

Turbina-Turbinainvertida

Retiro0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

322.5 322.7 322.9 323.1 323.3 323.5

Altu

ra re

acto

r, [m

]

Temperatura, [K]

Turbina

Rushton

Phase Jet

Turbina-Turbina

Turbina-Turbinainvertida

Retiro

• El caso Turbina-Turbina presenta la concentración mas baja en el fondo, seguido del Phase Jet.

• El caso Turbina-Turbina invertida presenta el comportamiento mas cercano a mezcla perfecta, sin embargo la canalización del reactivo por la pared afecta su conversión. En un trabajo futuro se puede reubicar la alimentación para evitar la canalización.

• El caso Turbina-Turbina presenta la conversión mas alta, seguido del Phase Jet yRushton. Sin embargo el Rushton presenta el mayor consumo de potencia.

• Las opciones mas atractivas son Turbina-Turbina y Phase Jet. Las turbinas sonimpulsores estándar de fácil fabricación pero tiene costo de operación mas altoque el Phase Jet. Por otro lado, el Phase Jet es un impulsor patentado por Ekato conuna inversión mayor que las turbinas.

Post-procesamientoConversión

Turbina Rushton PhaseJetTurbina-Turbina

Turbina-Turbina inv

Torque, Nm 6.7 20 7.4 10.2 12.1Potencia, W 140 418 155 214 253

Retiro[0.68 m]

Conversión 95.20% 94.40% 94.60% 96.30% 95.40%CA, mol/m3 48 56 54 37 46

Fondo [0 m]

Conversión 95.80% 97.40% 97.00% 97.50% 95.70%CA, mol/m3 42 26 30 25 43

• El modelo de mezcla perfecta es un buen modelo para iniciar el diseño de reactor.Sin embargo no es posible determinar adecuadamente los puntos de alimentación/retiro de producto. Requiere de un factor de sobrediseño.

• El método de CFD permite evaluar el punto mas adecuado para retirar producto.Así como decidir que tipo de internos que favorecen el contacto de las especiesquímicas, estimar inversión inicial y costos de operación.

• Para el ejemplo desarrollado, el impulsor Phase Jet y el arreglo Turbina-Turbinaresultan una opción muy atractiva para alcanzar la conversión mas alta.

• Se recomienda ubicar el retiro de producto en el fondo del reactor.

• Incrementar el volumen de reacción permitiría incrementar la conversión de 95.7al valor objetivo de 99.99, pero con un menor sobrediseño que con las heurísticastípicas de Ingenieria.

Conclusión

M.I. Roberto Carlos Reyes FonsecaInvestigación y Desarrollo Tecnológico

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M.C. Fernando Varela FuentesInvestigación y Desarrollo Tecnológico

Planta PTA Cosoleacaque

e-mail: fvarela@petrotemex.com