Method of Test Thermodynamic Consistency

Anlisis CFD del comportamiento cintico de un reactor de lecho escurrido de HDS en dos diferentes escalas de magnitud

Mario E. Cordero1, 2*, Reyna Natividad2, Luis G. Zrate1, Jose A. Hernandez-Servin3, Oscar F. Ramos1, Sebastian Uribe Lpez1(1) Universidad Popular Autnoma del Estado de Puebla, C.P. 72410, Puebla, Mxico (2) Centro Conjunto de Investigacin en Qumica Sustentable UAEM-UNAM, C.P. 50200, Toluca, Mxico(3) Divisin de Computacin, Facultad de Ingeniera, Universidad Autnoma del Estado de Mxico, C.P. 50200, Toluca, MxicoE-mail: marioedgar.cordero@upaep.mx

Resumen

Las mejoras en el diseo de los reactores de lecho escurrido (TBR por sus siglas en ingls) es una tarea compleja que implica mejor entendimiento y conocimiento de la fsica de dichos sistemas; requiere tanto informacin experimental como de desarrollos tericos. Las tcnicas de dinmica computacional de fluidos (CFD) han cobrado gran importancia en el entendimiento de los TBRs. En este trabajo se construy un modelo geomtrico de lecho de reactor constituido por 14 capas de pellets y donde los parmetros tales como tamao de catalizador y fraccin hueca del lecho se seleccionaron de acuerdo a trabajos reportados en literatura. La hidrodinmica de dos fases fluidas interactuado con el lecho cataltico slido se acopl con el transporte de matera y energa, tanto en la regin fluida como en la slida del lecho cataltico, para un proceso de HDS en donde la reaccin sigue una expresin del tipo LHHW y fue analizado el efecto de la microestructura cataltica a nivel pellet y sobre el comportamiento global del TBR, en este ltimo caso, dicho efecto fue considerado a travs de los coeficientes efectivos de difusin y conduccin. Se encontr un efecto moderado de la representacin de la microestructuras de los catalizadores sobre el comportamiento cintico del reactor.

CFD analysis of TBR HDS reactor kinetic behavior in two different magnitude scales

Abstract

The improvement of Trickle Bed Reactors (TBR) design is a complex task which implies better understanding and knowledge of the system physics; those who need both experimental data and theoretical founding. In the actuality the Computational Fluid Dynamics (CFD) has gotten great value on the understanding TBR. In this work was constructed a geometrical model reactor whit 14 pellet layers which parameters like the catalysis size of the void fraction were taken from already literature reported works. The hydrodynamics of both, gas and liquid phases interacting with the solid phase of the packed bed, were coupled with the material and energy transport in both, the fluid domain and the solid, for a HDS process, which follows the LHHW reaction type expression and also It was analyzed the microstructure catalyst effect at pellet level and at global TBR level, and where de micro-structure effect were incorporated inside ofe diffusion and conduction coefficients values. A moderated effect in the reactor kinetic behavior was found among the different pellets microstructures.

Keywords: TBR, HDS, CFD, Pellet shape,Infrared Thermography, Fire Safety, Combustion, Flame Projection Area

Introduccin

El diseo y optimizacin de los reactores de lecho empacado demanda de la evaluacin fiable de parmetros tales como el holdup, cada de presin y eficiencia de mojado. Las aproximaciones ms tempranas encontradas en la literatura corresponden a trabajos experimentales, sin embargo, debido a la naturaleza multi-escala y multi-variable y altamente acoplada de estos sistemas, las correlaciones empricas o semi-empricas para la prediccin de los parmetros hidrodinmicos no son capaces de explicar la naturaleza fsica de los sistemas en estudio. En los esfuerzos por mejorar el entendimiento del comportamiento de los TBRs, las tcnicas de CFD han emergido como una alternativa.

Existen diversos trabajos en donde se han analizado diversos aspectos del flujo de fluido sobre lechos catalticos, como por ejemplo, el anlisis de la mal distribucin del flujo [3], estudios de la transferencia de calor en modelos con relacin bajos [4] y de manera destacada se pueden mencionar los estudios de la hidrodinmica de Quintana-Ferreira y colaboradores [5]. A pesar lo mencionado con anterioridad, la informacin sobre el efecto del transporte de materia y de energa con generacin debido a la reaccin qumica ha sido abordado de manera marginal; ms an la exploracin del efecto del valor coeficiente de difusividad efectiva y de la microestructura de la matriz porosa sobre el comportamiento cintico del TBR

Este trabajo contribuye al estudio del efecto del modelo de intercambio de momento inter-fase la hidrodinmica del TBR de tres fases en condiciones reactivas; para ello se consideraron los modelos de intercambio de momento entre fases de Gidaspow, Attou, Wen-Yu y Schiller-Naummann [6-9]; y el estudio del efecto del modelo elegido para representar la geometra de la microestructura del catalizador para la evaluacin del coeficiente de difusividad efectiva sobre el comportamiento cintico de un TBR, en busca de realizar un anlisis multi-escalas. Dentro del modelo implementado se consider un proceso de HDS de Gasleo ligero que sigue una cintica del tipo de LHHW.

METODOLOGA

Se implement un modelo hidrodinmico con un enfoque Euleriano de dos fases fluidas consideradas como inter-penetrantes en donde el balance de cantidad de momento para la fase est dado:

donde para las fases lquida y gas respectivamente. En la expresin previa es el trmino de fuerzas de interaccin entre fases, y que est en trminos de la denominada velocidad de deslizamiento:

En la expresin anterior, es el coeficiente de intercambio de momento, para el cual se han utilizado los modelos de interaccin de Gidaspow, Attou, Wen-Yu y Schiller-Naummann mostrados en la Tabla 1. El modelo en CFD incorpor transporte convectivo y molecular de materia y energa en el dominio fluido, es decir, en los intersticios del lecho cataltico.

Tabla 1. Modelos de intercambio de momento entre fases

Gidaspow

Attou

Wen-Yu

Schiller-Naummann

Donde es la fraccin hueca del catalizador, el dimetro del pellet, y son la densidad y la viscosidad de la fase respectivamente y es el dimetro de burbuja.

Por otra parte, se contempla el transporte difusivo con reaccin y transporte conductivo con generacin de energa en el dominio de los pellets catalticos y transporte difusivo-convectivo de materia y conductivo-convectivo de energa en el dominio intersticial .

En las expresiones anteriores y son las temperatura y concentracin promedio en el pellet cataltico, y son las temperatura y concentracin locales en el dominio intersticial, el calor de reaccin, es la velocidad de reaccin y and son los coeficientes de difusividad y conductividad efectivos. Por otra parte, el modelo cintico es tomado de Botchwey [10] y tiene la forma

Donde los parmetros cinticos estn dados en la Tabla 2

Tabla 2. Parmetros cinticos

Algunas propiedades termo-fsicas y condiciones de operacin son mostradas en la Tabla 3.

Tabla 3. Propiedades termo-fsicas y condiciones de operacin

En cuanto a la evaluacin del coeficiente de difusividad efectiva se consideraron se tomaron los resultados de un trabajo previo de este grupo de investigacin [11]; la tabla 4 muestra los valores utilizados, as como los modelos implicados en la caracterizacin de la microestructura de la matriz porosa del catalizador.

Tabla 4. Casos de estudio implementados para la evaluacin del coeficiente efectivo de conductividad trmica.

Celda unitaria representativa (RUC)Compontes del coeficiente de difusividad

Celda unitaria representativa (RUC)Compontes del coeficiente de difusividad

Cuadrangular centrada (CC)

RUC CA

RUC RA

Modelo realstico

Maxwell [13]

Wakao [14]

Weisber [15]

Por otra parte, fueron implementados varios casos de estudio, combinando los diferentes modelos de interaccin presentados en la Tabla 1, los cuales se muestran en la Tabla 5.

Tabla 5. Casos de estudio con diferentes modelos de interaccin

Model

Sin interaccinSin interaccinSin interaccin

AttoudAttoudAttoud

AttoudAttoudGidasppow

Schiller-NaumannAttoudAttoud

RESULTADOS Y DISCUSINLas ecuaciones de los balances de continuidad, de momento, junto con los modelos de interaccin de momento entre fases, siguiendo los casos de estudio mostrados en la Tabla 5, junto con las ecuaciones de transporte convectivo-difusivo de materia y energa en el dominio intersticial y las ecuaciones de transporte difusivo con generacin de materia y energa en el dominio slido de los pellet catalticos que conforman el lecho, donde la expresin cintica es del tipo de LHHW y tpica para un proceso de HDS; se resuelven simultneamente mediante el software comercial COMSOL Multyphysics.La Figura 1, muestra el campo de concentracin de la especie sulfurada en partes ppm en el dominio slido del lecho cataltico, usando diferente modelo geomtrico para evaluar los coeficientes de difusin efectiva.

Figura 1. Campo de concentracin de la especie sulfurada en el dominio pellet con diferentes modelos geomtricos para representar la micro estructura de la matriz porosa del pellet

Figura 1a. Usando el modelo del modelo de Realstico para la evaluacin de DeffFigura 1b. Usando el modelo del modelo de RUC CA para la evaluacin de DeffFigura 1c. Usando el modelo del modelo de RUC CC para la evaluacin de DeffFigura 1d. Usando el modelo del modelo de RUC RA para la evaluacin de Deff

Figura 1e. Usando el modelo de Maxwell para la evaluacin de DeffFigura 1f. Usando el modelo de Weisber para la evaluacin de DeffFigura 1g. Usando el modelo de Wakao para la evaluacin de Deff

Figura 2a. Efecto del modelo de interaccin sobre la Cada de Presin.Figura 2a. Efecto de sobre la concentracin de la especie sulfurada

La Figura 2 muestra el efecto de usar diversos modelos de intercambio de momento entre las fases lquida/gas/slida sobre la cada de presin usando diferentes modelos y el campo de concentracin a lo largo del eje axial del reactor, en el plano z-x en el centro del reactor, con con diferentes valores de

CONCLUSIONESExiste un efecto importante del modelo geomtrico utilizado para representar la microestructura de la matriz porosa sobre el valor del coeficiente de difusividad efectiva (diferencias de hasta %) y un efecto moderado sobre el comportamiento cintico, encontrndose diferencias de hasta %. En cuanto al modelo de interaccin entre fases, tambin se encontr que existe un efecto importante y para el caso estudiado se encontr que el modelo con ms cercana a resultados previamente publicados [Ref] es el modelo de %%%. Es preciso un anlisis ms exhaustivo para hacer conjeturas concluyentes, sin embargo, nuestro trabajo muestra que la seleccin entre los diferentes modelos de intercambio de momento entre las diferentes fases no debe tomarse a la ligera.

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16. A. Atta, S. Roy and K.D.P. Nigam, Prediction of pressure drop and liquid holdup in trickle bed reactor using relative permeability concept in CFD, Chemical Engineering Science. 62 p. 5870 5879, 2007.17. S.A. Logtenberg, M. Nijemeisland, A.G. Dixon, Computational fluid dynamics simulations of fluid flow and heat transfer at the wallparticle contact points in a fixed-bed reactor, Chemical Engineering Science, Volume 54, Issues 1314, July 1999, Pages 2433-2439.18. R. J. G. Lopes, Ph D. Dissertation, Department of Chemical Engineering, Faculty of Sciences and Technology, University of Coimbra (2009).19. S. Mitra. Computational Fluid Dynamics modeling of Trickle Bed Reactor: Hydrodynamics, Reactor Internals, Catalyst Bed, VDM Verlag Dr. Mller GmbH & Co. KG, USA, 2011.