Estudio de los procesos de transferencia de calor en un lecho empacado - Castillo Araiza, Carlos Omar (Universidad Autónoma Metropolitana, 2004)
En los pasados 50 años, se han desarrollado diferentes modelos de reactores tubulares con calentamiento-enfriamiento en la pared, comenzando con el más simple modelo homogéneo de flujo pistón unidimensional a uno de los más complejos, como el heterogéneo en dos dimensiones, o el modelo de flujo pistón considerando la dispersión axial. Los parámetros de transporte de calor en estos modelos agrupan diferentes mecanismos de transporte de calor, los cuales ocurren a diferentes escalas. Dentro de estos modelos el factor controlante para el transporte de calor esta dado principalmente por la no homogénidad del lecho empacado, ya que los parámetros efectivos son valores promediados. También, han sido propuestas diversas correlaciones empíricas para la estimación de los parámetros de transporte, las cuales difieren ampliamente dependiendo del sistema experimental utilizado, geometría, relación de diámetros de partícula a tubo, etc. Con respecto a los modelos empleados en la descripción de los fenómenos de transporte que ocurren en estos sistemas, estos normalmente predicen satisfactoriamente el comportamiento observado de los lechos empacados, lo cual ha hecho pensar que su descripción utilizando estos modelos es adecuada. El estudio de la transferencia de calor en las direcciones radial y axial es de suma importancia en el diseño de reactores catalíticos de lecho empacado. El reactor tubular de lecho fijo es comúnmente usado en reacciones altamente exotérmicas (ej. la oxidación parcial del n-Butano y reacciones de hidrogenación), en las cuales se requieren diámetros de tubo muy pequeños, dados los efectos de transferencia de calor que inciden en estos sistemas. Por otra parte en las plantas industriales, se tiene la necesidad de manejar altas velocidades de flujo lo que provocarían razonables caídas de presión en el lecho, como consecuencia se tiene requiere de catalizadores con un diámetro considerable, para evitar dicho efecto. Mismo que provoca la obtención de bajas relaciones de diámetro de tubo a diámetro de partícula. En este trabajo se presenta un estudio del fenómeno de transferencia de calor, estimando los parámetros efectivos de transporte de calor del lecho empacado a través de números y coeficientes como; el número de Peclet axial, Pez, el coeficiente global de transferencia de calor, Ui, el número de Peclet Radial, Per y el número de Biot en la pared, Biw. La relevancia de este estudio radica en el hecho de que la relación de diámetro de partícula a diámetro de tubo es pequeña (~3.25), encontrándose en la literatura muy pocos trabajos que tratan este caso. Se llevó a cabo una estimación independiente de los parámetros de transferencia de calor en un sistema que tiene características diferentes a los de la mayoría de los estudios publicados a la fecha sobre la transferencia de calor en lechos empacados como son: porosidad, altas temperaturas, relación de diámetro de tubo a diámetro de partícula pequeña, e hidrodinámica en el lecho. Para estimar la conductividad térmica axial en términos del Pez, el sistema empleado es similar al utilizado por Yagui y col. [14], y Hlavacek y col.[16]. En este, la fuente puntual de generación de calor es una lámpara infrarroja (250 W) colocada en el extremo superior del lecho, mientras que el flujo de aire proviene de la parte inferior, teniéndose así que el flujo de calor está en dirección opuesta al flujo del aire, que se alimenta a temperatura ambiente. Los experimentos en estado estacionario fueron registrados aproximadamente después de una hora que el flujo de aire se alimentó al lecho empacado, y se consideraron diversos flujos de alimentación. Con respecto al estudio de transferencia radial de calor para la obtención de los parámetros: Ui, Per y Biw, el equipo experimental usado es similar al empleado por la mayoría de los investigadores[8,10]. El equipo consta de un lecho empacado, que se calienta a través de la pared por un horno que opera con una resistencia eléctrica. Una corriente de aire se alimenta por la parte superior del lecho, variando el flujo de alimentación que cubre el rango de interés para el caso de la oxidación parcial de hidrocarburos, que se llevará a cabo en estudios a posteriori en el sistema experimental empleado. Los resultados experimentales muestran la presencia de importantes gradientes de temperatura en ambas direcciones, axial y radial. Para la estimación de los parámetros se utilizó un método de regresión no lineal (método de Levenberg-Marquardt), aplicado a los modelos que describen el sistema de estudio. Los modelos utilizados describieron adecuadamente el comportamiento del estado estacionario observado del lecho empacado