Descripción de la hidrodinámica en un reactor de lecho empacado mediante un modelo aproximado y su efecto en la transferencia de calor en ausencia y en presencia de reacción - Aparicio Mauricio, Gustavo (Universidad Autónoma Metropolitana, 2018)
La incorporación de la hidrodinámica en el modelo de un reactor de lecho empacado con enfriamiento en la pared es esencial para describir el comportamiento de reacciones de oxidación altamente exotérmicas. La ecuación de Navier Stokes acoplado a los términos de Darcy y Forchheimer es el modelo hidrodinámico convencional utilizado para predecir los perfiles de velocidad en este tipo de reactores, sin embargo, este modelo presenta algunas inconsistencias de carácter fenomenológico y numérico al ser empleado en el modelo del reactor. Por lo tanto, la investigación descrita en esta tesis se centró en el desarrollo y validación de un modelo aproximado para describir la hidrodinámica en un reactor industrial de lecho empacado con baja relación de dt/dp empleado para llevar a cabo la deshidrogenación oxidativa de etano a etileno, utilizando un oxido mixto multimetalico (MoVTeNbO) como catalizador. En este modelo aproximado, los perfiles de velocidad se describieron en dos regiones del lecho empacado; la región central y la región cercana a la pared. Las interacciones entre el sólido y el fluido fueron los fenómenos dominantes considerados en la región central descritos mediante los términos de Darcy y Forchheimer, mientras tanto, en la región cercana a la pared se utilizó la ecuación de Navier Stokes empleando una viscosidad efectiva para tomar en cuenta los fenómenos de turbulencia generados en esta región. Los perfiles de velocidad evaluados con el modelo hidrodinámico aproximado fueron similares a los obtenidos con el modelo hidrodinámico convencional para lechos empacados con diferentes relaciones de dt/dp (3, 5 y 6) y diferentes condiciones de flujo. Además, el modelo hidrodinámico aproximado fue validado con observaciones experimentales de velocidad, resultando en una apropiada predicción de los perfiles de velocidad. Para la obtención de estos resultados, fue necesario la estimación de algunos parámetros, los términos viscoso e inercial de la ecuación de Darcy y Forchheimer (α y β) en ambos modelos hidrodinámicos y la viscosidad turbulenta (μt) para el modelo aproximado. En cuanto al transporte de calor en un lecho empacado en ausencia de reacción con una relación de dt/dp=3, ambos modelos hidrodinámicos fueron considerados para incluir el efecto de la hidrodinámica en la estimación de los parámetros de transporte de calor (keffz, keffr y hw) bajo el concepto de no isotropía y así describir observaciones experimentales de temperatura en la dirección axial y radial para dos condiciones de flujo diferentes. Los resultados muestran una mínima diferencia entre los parámetros estimados con ambos modelos aproximados y los perfiles de temperatura obtenidos, sin embargo la diferencia radica en los tiempos de cómputo utilizados en las simulaciones, donde es notable la reducción del tiempo con el modelo hidrodinámico aproximado. Finalmente, la información obtenida con ambos modelos hidrodinámicos y los parámetros de transporte de calor fueron transferidos a un modelo pseudo heterogéneo para simular el comportamiento de un reactor de lecho empacado con enfriamiento en la pared a escala industrial para llevar la deshidrogenación oxidativa de etano a etileno utilizando un catalizador novedoso de óxido mixto multimetalico (MoVTeNbO). Los resultados de la simulación indican que la temperatura del baño de enfriamiento y el régimen de flujo tienen un efecto importante en el rendimiento del reactor, específicamente se presenta un aumento en la conversión del etano a una temperatura de 480 °C y un número de Reynolds de partícula de 1400, sin embargo, a estas condiciones el incremento de la temperatura en el interior del reactor es considerable, generando la aparición de un punto caliente que puede causar daño en la estructura del catalizador y provocar una disminución considerable en la selectividad hacia etileno. Cabe señalar, que este estudio en uno de los primeros en considerar el efecto de la hidrodinámica en la reacción de deshidrogenación oxidativa de etano en un lecho empacado a nivel industrial.