Flujo monofásico y bifásico en un reactor de lecho compacto

Los reactores de lecho empaquetado son uno de los tipos de reactores más comunes utilizados en la industria química, debido a sus altas tasas de conversión. Los reactores de lecho empacado suelen ser reactores tubulares llenos de partículas sólidas de catalizador. La reacción se produce en la superficie de la partícula sólida. Por lo tanto, las partículas pequeñas permiten una alta relación superficie-volumen y, por lo tanto, una alta conversión. Idealmente, el fluido fluye a través del reactor en forma de tapón, por lo tanto, estos reactores a veces se denominan reactores de flujo de tapón. Sin embargo, puede producirse una mala distribución del caudal o de la canalización, en la que el caudal ya no mantiene una distribución uniforme en forma de tapón. Esto hace que la caída de presión en el reactor disminuya y afecta la tasa de conversión de la reacción. En este video, discutiremos los conceptos básicos de un reactor de lecho empacado y demostraremos cómo medir la caída de presión y la distribución del flujo monofásico y bifásico en el lecho empacado.

En los sistemas monofásicos de lecho empacado, el fluido puede ser un gas o un líquido. En los reactores bifásicos, tanto el líquido como el gas fluyen sobre las partículas sólidas en lechos de corriente o contracorriente. Tanto en sistemas monofásicos como bifásicos, el reactor puede orientarse horizontal o verticalmente. Esta fase sólida se empaqueta de dos maneras. El empaquetamiento volcado está orientado aleatoriamente, mientras que el empaquetamiento estructurado consta de redes geométricas definidas. Cuanto más homogéneo sea el empaque, menor será la caída de presión a través del lecho. Un reactor de lecho empacado ideal con flujo monofásico se puede describir mediante la ecuación de Ergun, que describe la caída de presión a través del lecho y cómo se relaciona con el tamaño de partícula, la longitud del lecho, el espacio vacío o la porosidad, la velocidad del fluido y la viscosidad. Sin embargo, el rendimiento real del reactor y las desviaciones del ideal deben analizarse experimentalmente a través del método de trazadores. En el método trazador, se inyecta en la columna un colorante trazador, que se supone que se comporta de manera similar a las moléculas reactivas. El tinte se controla a medida que fluye a través de la columna, y su concentración a la salida se mide en función del tiempo. En el flujo de tapón ideal, el trazador debe salir en un instante y la distribución aparece como un pico. Sin embargo, en una columna típica, la función de concentración toma la forma de una distribución gaussiana. Esta función se utiliza para calcular la distribución del tiempo de residencia. Para cuantificar la desviación del flujo de tapón, se calcula como se muestra el tiempo medio de residencia, o la probabilidad de que una molécula salga de la columna en el tiempo T. Para los lechos empacados, el tiempo de residencia está relacionado con el volumen vacío, que es el producto del volumen total del lecho y la porosidad, dividido por el caudal volumétrico, Q. Al describir el flujo bifásico en un lecho empacado, se aplican dos modelos simples. El modelo homogéneo supone que las velocidades gaseosa, líquida y promediada, o bifásica, son iguales. Entonces la densidad bifásica es la velocidad de masa, G, dividida por la velocidad bifásica, UTP. La viscosidad media bifásica se define como se muestra, donde X es la fracción en peso del vapor, y mu L y mu G son las viscosidades de las respectivas fases líquida y gaseosa. En el modelo de flujo estratificado, delta P para cada fase es igual entre sí. Por lo tanto, la ecuación de Ergun para cada fase es igual entre sí. Se debe conocer la caída de presión y ambos caudales, mientras que la porosidad se calcula a partir de la ecuación. Luego, el balance de masa relaciona las velocidades del gas y del líquido con la velocidad bifásica. Ahora que está familiarizado con la prueba trazadora, aprendamos cómo llevar a cabo el experimento.

Antes de comenzar, familiarícese con el aparato, que se opera mediante una interfaz gráfica. El sistema de control se utiliza para regular las válvulas, los flujos y otros parámetros. El lecho número cuatro, que está lleno de perlas de vidrio y arena explosiva, se utiliza para el experimento de flujo monofásico, mientras que el lecho número cinco, lleno de vidrio, se utiliza para el experimento de flujo bifásico. Comience abriendo la válvula de entrada y salida, así como el solenoide de suministro de agua, al lecho número cuatro para determinar el flujo de agua. Usando el controlador de flujo, eleve el flujo de agua gradualmente a través del lecho y controle el flujo usando la presión diferencial. Asegúrese de variar el caudal para cubrir todo el rango del transmisor DP. A continuación, encienda el espectrómetro UV/vis y asegúrese de que se comunique con la consola de control. Usando los estándares del tinte fluorescente, calibre el espectrómetro.

Para la prueba, elija un solo caudal promedio y un tinte fluorescente de 50 PPM en agua desionizada como trazador. Primero, inserte la sonda del espectrómetro en el punto de muestra de la sonda. Luego, usando el sistema de control, cambie el estado de la válvula de inyección de funcionamiento a carga. Inyecte el marcador en la válvula de muestra con la jeringa y vuelva a cambiar el estado de la válvula a funcionamiento. Monitoree la absorbancia del espectrómetro a medida que el trazador pasa por el lecho. Para limpiar la cámara de inyección para el próximo experimento, cambie el estado a carga e inyecte 100 mililitros de agua con una jeringa limpia en la válvula. Cuando la absorbancia vuelva a la línea de base, cambie la válvula a funcionamiento y purgue con agua durante 10 a 15 minutos a alto flujo antes de la próxima inyección del trazador.

Asegúrese de que las válvulas de agua de las camas estén cerradas. Verifique que las válvulas de entrada y salida al lecho número cinco y la válvula de drenaje estén abiertas. Además, asegúrese de que la válvula manual para el aire a las camas esté cerrada. Abra lentamente el regulador de aire para establecer un flujo de aire, luego, abra la válvula manual para que el aire llegue a las camas. A continuación, usando el controlador de flujo de agua, configure el flujo a 700 mililitros por minuto y abra la válvula manual. Usando las válvulas, dirija el flujo de agua y aire al separador de gas/líquido. Confirme que el agua está saliendo para drenar. Para lograr una mejor separación de aire y agua, cierre la válvula al drenaje temporalmente, lo que provocará la acumulación de una carga de líquido en el separador de gas / líquido. Utilice el regulador de presión y el medidor de prueba en seco en la línea de salida de gas para ajustar el flujo de aire. Cierre brevemente la válvula de drenaje y use el medidor de prueba húmedo para leer el flujo de gas. A una sola tasa de flujo de líquido, varíe manualmente el flujo de aire en el regulador para cubrir el rango del transmisor DP y recopile los datos de caída de presión para experimentos de flujo bifásico en el lecho número cinco.

Ahora, examinemos el comportamiento real del flujo. Para el flujo monofásico, obtenga la distribución del tiempo de residencia. Utilice la distribución del tiempo de residencia para calcular el tiempo medio de residencia, la porosidad media y la masa del trazador. Compare la masa del trazador calculada con el valor real. A continuación, utilice la ecuación de Ergun para predecir el delta P para los experimentos de flujo de agua. Compare las caídas de presión calculadas utilizando las porosidades calculadas con el valor medido. Por ejemplo, en esta figura, la porosidad mínima para las esferas de paquete cerrado es de 0,36. Para los lechos tres y cuatro, los valores de porosidad calculados determinados a partir de las distribuciones de tiempo de residencia son bajos, lo que lleva a que los Delta Ps previstos sean más altos que los valores medidos. Esto podría indicar una canalización a lo largo de las paredes de la cama. Para los caudales bifásicos, determine la caída de presión prevista utilizando las teorías de caudal homogéneo y estratificado y compárela con el valor medido. Como se ve en esta tabla, la caída de presión calculada utilizando la teoría de flujo homogéneo, demostró ser mejor que las que utilizan la teoría de flujo estratificado. Las altas caídas de presión medidas sugieren una canalización severa en el lecho horizontal, lo que significa que el líquido estaba confinado a una pequeña porción del área de la sección transversal.

Los reactores de lecho empacado se utilizan ampliamente en muchas áreas de la industria y la investigación. Por ejemplo, los reactores de lecho empacado se utilizan para convertir la biomasa lignocelulósica molida en combustible de hidrocarburos. El primer paso consiste en la pirólisis de la biomasa para producir bioaceite utilizando un reactor de lecho fluidizado. Al igual que un reactor de lecho empacado, un reactor de lecho fluidizado utiliza partículas de catalizador sólido para facilitar una reacción, pero están suspendidas en el fluido, en lugar de empaquetadas en un lecho. El segundo paso del proceso utiliza un reactor de lecho empacado para convertir los bioaceites en combustible. Aquí, las partículas del catalizador son rutenio apoyado en carbono en la primera etapa del reactor, y cobalto molibdeno en alúmina en la segunda etapa. El resultado final es una mezcla de hidrocarburos de gama de combustibles. Los reactores de lecho empacado también se pueden utilizar para la conversión enzimática, como la digestión de una proteína antes del análisis por espectrometría de masas. En este ejemplo, la reacción tiene lugar en partículas de sílice C18, empaquetadas en un reactor microfluídico. Aquí, la proteína que se digiere se une a la partícula, mientras que la enzima fluye a través del reactor en el fluido. El uso de un reactor de lecho empacado para la digestión de proteínas, como el ejemplo que se muestra aquí, puede mejorar el rendimiento y reducir en gran medida el tiempo y los costos de digestión.

Acabas de ver la introducción de Jove al flujo monofásico y bifásico en camas empaquetadas. Ahora debe comprender los conceptos básicos de un reactor de lecho empacado y cómo analizar el flujo mediante una prueba de trazadores. ¡Gracias por mirar!