Modelado de reactores de lecho fijo de baja relación de aspecto asistido por Fluidodinámica Computacional (CFD)

Abstract

Los reactores de lecho fijo son el tipo de reactor más utilizado en la industria de procesos, principalmente como reactores catalíticos, con catalizadores sólidos granulares convencionales. Cuando el reactor requiere transferencia de calor simultánea al proceso de reacción, es frecuente utilizar reactores multitubulares con baja relación de aspecto (N=Dt /Dp), siendo 5 ≤ N ≤ 10 un rango típico de valores de N en unidades industriales. Los reactores multitubulares permiten cumplir, simultáneamente, con condiciones operativas de baja pérdida de carga y apropiadas velocidades de transferencia de calor al fluido de intercambio térmico. En esta tesis doctoral, se estudia el modelado y simulación de este tipo de unidades, mediante la formulación de un modelo heterogéneo de dos zonas (2R2D) que enfatiza el rol de la capa de partículas adyacente a la pared de tubo y su interacción con el resto del lecho, a nivel de la componente convectiva del fluido. El modelo formulado involucra diferentes parámetros térmicos y fluidodinámicos que se determinan mediante la utilización de la fluidodinámica computacional (CFD) como herramienta de experimentación virtual. En el desarrollo de la tesis se proponen correlaciones, obtenidas a partir del análisis de los campos de variables generados por CFD, para la predicción de los parámetros: h_wf, h_f, λ_(ef,c) y G_1⁄G_c. Se discute la conveniencia de utilización del modelo 2R2D frente al modelo clásico bidimensional pseudohomogéneo (S2D), en función de la relación de aspecto. Asimismo, se estudia la influencia de la geometría (recinto de paredes planas o tubo cilíndrico) y del arreglo de partículas (regular o aleatorio), mediante los correspondientes esquemas estructurales que conforman el lecho y la celda de cálculo. Se utiliza el caso de la síntesis de amoníaco para la construcción de un estudio comparativo del comportamiento del modelo 2R2D frente al modelo S2D y finalmente se formulan recomendaciones y perspectivas para la consideración del comportamiento del sólido.