Evaluación por CFD del comportamiento hidrodinámico en reactores de lecho fijo con baja relación de aspecto

Abstract

Los reactores de lecho fijo (RLF) constituyen uno de los equipos más utilizados en los procesos químicos. Los lechos de baja relación de aspecto, típicos de aplicaciones de reactores catalíticos con transferencia de calor hacia las paredes, como los utilizados por ejemplo en el proceso de reformado de gas natural, revisten particular interés. Cuando se analizan estos reactores, la caída de presión y el flujo de calor transferido a través del tubo deben ser evaluados rigurosamente. Por esta razón lograr una simulación apropiada, rápida y confiable del comportamiento de estas unidades es un requerimiento permanente. En este trabajo se utiliza la fluidodinámica computacional (CFD) como herramienta de simulación para la obtención de información precisa que permita la evaluación confiable de los principales parámetros de operación de estos lechos fijos. El sistema analizado consiste en un arreglo singular de partículas esféricas con relación de aspecto 3.92 (diámetro del tubo/diámetro de partícula), contenido en un tubo de sección circular. Esta disposición permite, utilizando un arreglo estructurado, representar un lecho con una porosidad similar a la de un arreglo <i>random</i>. Sólo es necesario simular por CFD una fracción de la altura total del lecho, ya que se puede aplicar la condición de contorno frontera periódica a las secciones de entrada y salida de la corriente de gas (ya que se cumple que dichas secciones son geométricamente idénticas). Para alcanzar la condición de periodicidad en el caso analizado se requirieron siete estratos de partículas. Se utilizó la licencia académica del programa ANSYS 13.0, en la modalidad 3D, llevándose a cabo diferentes simulaciones con el objetivo de obtener, para un rango de condiciones de operación comprendido entre Reₚ 100 y 2000, los valores de pérdida de carga. Se presentan y analizan los valores calculados y se los compara con los resultados obtenidos a partir de correlaciones existentes en bibliografía. Adicionalmente, se analiza la concordancia con resultados de trabajos previos obtenidos para geometrías donde, a modo de simplificación, las paredes del cilindro se consideraron planas. De este modo se puede determinar, para el arreglo simulado, la influencia de la geometría del tubo.