Análisis multiescala de la hidrodinámica y la transferencia de calor, y su efecto en el desempeño de un reactor catalítico de lecho empacado que presenta baja relación dₜ/dₚ - Hernández Aguirre, Alberto (Universidad Autónoma Metropolitana, 2023)
Hasta la fecha, no se ha desarrollado un modelo pseudo-continuo que describa adecuadamente el comportamiento de un reactor de lecho empacado no isotérmico y no adiabático con una baja relación entre el diámetro del tubo y el de la partícula (dt/dp). Los principales desafíos que se enfrentan están relacionados con la caracterización adecuada de la hidrodinámica y la transferencia de calor en el sistema. En particular, existen incertidumbres en la caracterización de los parámetros de transporte efectivos. En este contexto, la presente tesis se centra en el desarrollo de un modelo pseudo-continuo para describir los perfiles de velocidad, concentración y temperatura dentro de un reactor de lecho empacado no isotérmico y no adiabático. Para lograr este objetivo, se propone una metodología que consiste en determinar los parámetros que caracterizan la hidrodinámica y la transferencia de calor, trasladando la información microscópica obtenida a partir de simulaciones de partícula resuelta (PRS, por sus siglas en inglés) a definiciones macroscópicas de estos parámetros de transporte. La ventaja de esta propuesta es que se pueden obtener coeficientes sin la necesidad de realizar un análisis de regresión que requiere observaciones o simulaciones de partícula resuelta, como es comúnmente encontrado en la literatura. En esta investigación se determinaron tres tipos de coeficientes efectivos (o descriptores): descriptor de estructura (fracción vacía), descriptor hidrodinámico (permeabilidad aparente) y descriptores de transferencia de calor (conductividades térmicas efectivas y coeficiente de transferencia de calor interfacial). A continuación, se presentan los principales resultados. Estructura del lecho empacado. El empaque fue generado artificialmente usando simulaciones de cuerpo rígido y comparado con el observado experimentalmente. Los perfiles de fracción vacía calculados en el empaque sintético corresponden con los reportados en la literatura, mostrando distribuciones de espacios vacíos en las direcciones axial, radial y angular que impactaron en la distribución de cantidad de momento, calor y masa en el reactor de lecho empacado. A nivel pseudo-continuo, siguiendo una aproximación de promediado, se determinó el perfil de fracción vacía en la dirección radial, teniendo variaciones desde la pared hasta el centro del reactor. Se identificó la presencia de dos máximos de la fracción vacía, ubicados cerca de la pared y en el contacto entre partículas a una distancia de 1dp de la pared; así como dos mínimos, uno en el centro del reactor, y el otro a 0.5dp desde la pared del reactor Hidrodinámica. Primero, se llevó a cabo un estudio hidrodinámico a nivel de PRS utilizando la estructura generada de manera sintética. Se encontró la necesidad de considerar el flujo compresible para describir adecuadamente las caídas de presión y los perfiles de velocidad en el lecho empacado no isotérmico que presenta baja relación de dt/dp. Segundo, esta información a nivel de PRS se promedio para obtener los perfiles radiales de velocidad, donde se observó la presencia de máximos y mínimos que coinciden con los localizados para la fracción vacía. Asimismo, se determinaron perfiles radiales de la permeabilidad a partir de la información obtenida mediante PRS. Su determinación se basó en el análisis de fuerzas volumétricas y superficiales en el lecho, utilizando una expresión propuesta en términos de gradientes de presión y presiones locales sobre las superficies de las partículas. Los perfiles de permeabilidad aparente mostraron tendencias similares a los obtenidos utilizando correlaciones disponibles en la literatura. No obstante, las correlaciones presentaron desviaciones en la zona cercana a la pared de lecho. Se desarrolló un modelo pseudo-continuo que describe el comportamiento hidrodinámico que se tiene en el lecho a distintos flujos. Se identificó que al transferir los descriptores tanto de estructura como hidrodinámico de las PRS al modelo pseudo-continuo, se consiguió describir las caídas de presión observadas a diferentes flujos en el sistema de estudio a escala industrial. Además el modelo pseudo-continuo describió perfiles de velocidad promedio obtenidos a partir de PRS. Finalmente, se propuso una nueva correlación para describir la permeabilidad aparente en lechos empacados con una relación dt/dp ≈ 3. Transferencia de calor. Durante el estudio de la transferencia de calor en el reactor de lecho empacado se investigó la influencia de la estructura del empaque y la hidrodinámica. Para ello, primero se realizaron simulaciones a nivel de PRS diseñadas para determinar los descriptores de transferencia de calor: las conductividades térmicas efectivas y el coeficiente de transporte interfacial. Los resultados indicaron que existen mecanismos de transporte de calor tanto estáticos como dinámicos que influyen en la magnitud de los descriptores de transferencia de calor. Se encontró que los descriptores dependen de la posición en el lecho, y su magnitud impacta en el perfil de temperatura observado. Estos descriptores presentaron valores similares a los reportados en la literatura, y al transferirse a un modelo pseudo-homogéneo 2D permitieron describir observaciones de temperatura provenientes de un lecho empacado a escala industrial, el cual fue operado a diferentes flujos. Simulación del reactor. Finalmente, la información obtenida a nivel de PRS mediante los descriptores de estructura, hidrodinámica y transferencia de calor fue transferida al modelo pseudo-heterogéneo del reactor de lecho empacado donde tuvo lugar la reacción de deshidrogenación oxidativa de etano (DHO-E) sobre un catalizador a base de vanadio. El modelo permitió simular un único tubo y un reactor multitubular con dimensiones y condiciones de interés industrial para la producción de etileno. El modelo que se desarrolló en esta investigación elucidó la deficiencia en la capacidad de predicción de los los modelos convencionales reportados en la literatura, lo que se asoció con la incertidumbre que se tiene en la determinación de los descriptores estructurales y de transporte. Finalmente el modelo del reactor multitubular se utilizó para realizar la optimización a lazo abierto. Los resultados indican que el flujo másico del fluido en la camisa de enfriamiento del reactor, además de la velocidad y la temperatura de alimentación al reactor, son las variables de operación para las que el desempeño exhibe su mayor sensibilidad. Los resultados elucidan que esta tecnología es prometedora para poderse implementar a nivel industrial en un futuro.; Prior to the present, no pseudo-continuous model has been developed to adequately describe the behavior of a non-isothermal and non-adiabatic packed bed reactor with low tube to particle ratio (dt/dp). The main challenges are related to the proper characterization of the hydrodynamics and heat transfer in the system. In particular, there are uncertainties in the characterization of the effective transport parameters. In this context, this thesis focuses on the development of a pseudo-continuous model to describe the velocity, concentration, and temperature profiles within a non-isothermal and non-adiabatic packed bed reactor. To achieve this goal, the proposed methodology consists of determining the parameters through the characterization of hydrodynamics and heat transfer. This was achieved by transferring micorscopic information obtained from particle resolved simulations (PRS) to macroscopic definitions of these transport parameters. The advantage of this approach is that coefficients were obtained without the need for regression analysis requiring observations or particle resolved simulations, as commonly found in the literature. In this research, three types of effective coefficients (or descriptors) were determined: structure descriptor (void fraction), hydrodynamic descriptor (apparent permeability), and heat transfer descriptors (effective thermal conductivities and interfacial heat transfer coefficient). The main results are presented below Packed bed structure: The packing was artificially generated using rigid body simulations, the resultant arrangement was compared with experimental observations. The void fraction profiles calculated in the synthetic packing are consistent with those reported in the literature, showing distributions of void spaces in the axial, radial, and angular directions that impact the distribution of momentum, heat, and mass in the packed bed reactor. At the pseudo-continuous level, following an averaging approximation, the radial void fraction profile was determined, exhibiting variations from the wall to the center of the reactor. The presence of two maxima of the void fraction, located near to the wall and at the particle-particle contact at a distance of 1dp from the wall, was identified, as well as two minima, one at the center of the reactor and the other at 0.5dp from the reactor wall. Hydrodynamics: Firstly, a PRS-level hydrodynamic study was carried out using the synthetically generated structure. It was found necessary to consider compressible flow to adequately describe the pressure drops and velocity profiles in the non-isothermal packed bed with a low dt/dp ratio. Secondly, this PRS-level information was averaged to obtain the radial velocity profiles, revealing the presence of maxima and minima that coincide with those found for the void fraction. Radial permeability profiles were also determined from the information obtained through PRS. Their determination was based on the analysis of volumetric and surface forces in the bed, using an expression proposed in terms of pressure gradients and local pressures on the particle surfaces. The apparent permeability profiles showed similar trends to those obtained using correlations available in the literature. However, the correlations showed deviations in the section near the bed wall. A pseudo-continuous model was developed to describe the hydrodynamic behavior in the bed at different flow rates by transferring both the structural and hydrodynamic descriptors from PRS to the pseudo-continuous model, successfully describing the observed pressure drops at different flows in the industrial-scale studied system. Additionally, the pseudo-continuous model described the average velocity profiles obtained from PRS. Finally, a new correlation was proposed to describe the apparent permeability in packed beds with a dt/dp ratio of ca. 3. Heat transfer: During the study of heat transfer in the packed bed reactor, the influence of the packing structure and hydrodynamics was investigated. For this purpose, PRS simulations were conducted to determine the heat transfer descriptors: effective thermal conductivities and interfacial transport coefficient. The results indicated the existence of static and dynamic heat transport mechanisms that influence the magnitude of the heat transfer descriptors. It was found that the descriptors depend on the position in the bed, and their magnitude impacts the observed temperature profile. These descriptors showed values similar to those reported in the literature and, when transferred to a 2D pseudo-homogeneous model, allowed the description of temperature observations from an industrial-scale packed bed operated at different flows. Reactor simulation: Finally, the information obtained at the PRS level using the structure, hydrodynamic, and heat transfer descriptors was transferred to the pseudo-heterogeneous model of the packed bed reactor considering the oxidative dehydrogenation of ethane (ODH-E) reaction over a vanadium-based catalyst. The model enabled the simulation of a single tube and a multitubular reactor with dimensions and conditions of industrial interest for ethylene production. The model developed in this research elucidated the unsuitable predictive capability of conventional models reported in the literature, which was associated with the uncertainty in determining the structural and transport descriptors. Finally, the multitubular reactor model was used for open-loop optimization. The results indicate that the mass flow rate of the fluid in the reactor cooling jacket, as well as the feed velocity and temperature to the reactor, are the operating variables to which the performance is most sensitive. The results demonstrate that this technology is promising for future industrial implementation.