Reactor de columna de burbujas

Biorreactor de algas

Representación de un reactor de columna de burbujas.

Un reactor de columna de burbujas es un reactor químico que pertenece a la clase general de reactores multifásicos, que consta de tres categorías principales: reactor de lecho percolador (lecho fijo o empaquetado), reactor de lecho fluidizado y reactor de columna de burbujas. ^[1] Un reactor de columna de burbujas es un dispositivo muy simple que consiste en un recipiente vertical lleno de agua con un distribuidor de gas en la entrada. Debido a la facilidad de diseño y operación, que no involucran partes móviles, son ampliamente utilizados en las industrias química , bioquímica, petroquímica y farmacéutica para generar y controlar reacciones químicas gas-líquido . ^[2]

A pesar de la sencilla disposición de las columnas, la hidrodinámica de las columnas de burbujas es muy compleja debido a las interacciones entre las fases líquida y gaseosa. ^[3] En los últimos años, la dinámica de fluidos computacional (CFD) se ha convertido en una herramienta muy popular para diseñar y optimizar reactores de columna de burbujas.

Tecnología y aplicaciones

En su configuración más simple, una columna de burbujeo consiste en una columna cilíndrica dispuesta verticalmente llena de líquido. El caudal de gas se introduce en el fondo de la columna a través de un distribuidor de gas. ^[1] El gas se suministra en forma de burbujas a una fase líquida o a una suspensión líquido-sólido. En este caso, el tamaño de las partículas sólidas (normalmente un catalizador ) oscila entre 5 y 100 µm. A estos reactores trifásicos los denominamos columnas de burbujas en suspensión . ^[4]

El caudal de líquido puede alimentarse en paralelo o en contracorriente a las burbujas ascendentes, o puede ser cero. En el último caso, la columna funciona en condiciones discontinuas. ^[1]

Las columnas de burbujas ofrecen un número significativo de ventajas: excelente transferencia de calor y masa entre las fases, bajos costos de operación y mantenimiento debido a la ausencia de partes móviles, los sólidos se pueden manipular sin problemas de erosión o obstrucción, se pueden llevar a cabo reacciones lentas debido a el alto tiempo de residencia del líquido (este es el caso de las reacciones gas-líquido con un número de Hatta Ha < 0,3), un control razonable de la temperatura cuando se producen reacciones fuertemente exotérmicas . ^{[5] [6]} Sin embargo, la retromezcla de la fase líquida (resultado de la recirculación impulsada por la flotabilidad ) es una limitación para las columnas de burbujas: una retromezcla excesiva puede limitar la eficiencia de conversión. El reactor puede estar equipado con partes internas, deflectores o placas de tamiz para superar el problema de retromezcla con una modificación inevitable en la dinámica del fluido. ^[7]

Las columnas de burbujas se utilizan ampliamente en muchas aplicaciones industriales. Son de considerable interés en procesos químicos que involucran reacciones como oxidación , cloración , alquilación , polimerización e hidrogenación , así como en la producción de combustibles sintéticos mediante un proceso de conversión de gas ( proceso Fischer-Tropsch ) en procesos bioquímicos como la fermentación y los procesos biológicos. tratamiento de aguas residuales. ^[2]

Conceptos hidrodinámicos

Debido a la creciente importancia de los reactores de columna de burbujas en la mayoría de sectores industriales, el estudio de su hidrodinámica ha adquirido gran relevancia en los últimos años. El diseño de columnas de burbujas depende de la cuantificación de tres fenómenos principales: (1) características de mezcla, (2) propiedades de transferencia de masa y calor, (3) cinética química en el caso de sistemas de reactivos. ^[2]

Como consecuencia, el diseño y operación correctos dependen del conocimiento preciso de los fenómenos de dinámica de fluidos en diferentes escalas: (1) escala molecular, (2) escala de burbuja, (3) escala de reactor y (4) escala industrial. Las propiedades de la dinámica de fluidos en las columnas de burbujas dependen de la interacción entre las fases gaseosa y líquida, que están relacionadas con el régimen de flujo predominante. ^[8]

La descripción de la hidrodinámica de las columnas de burbujas requirió la definición de algunos parámetros. Las velocidades superficiales del gas y del líquido se definen como la relación entre el caudal volumétrico del gas y del líquido, respectivamente, dividido por el área de la sección transversal de la columna. ^[9] Aunque el concepto de velocidad superficial se basa en una suposición de flujo unidimensional simple, puede usarse para caracterizar y determinar la hidrodinámica en columnas de burbujas, ya que un aumento en su valor puede determinar una transición del régimen de flujo. ^[10]

Con respecto a las propiedades del flujo global, un aspecto fundamental que es útil para describir el proceso de diseño de la columna de burbujas es la retención global de gas. Se define como la relación entre el volumen ocupado por la fase gaseosa y la suma del volumen ocupado por las fases gaseosa y líquida: ^[3]

${\displaystyle \varepsilon _{G}={\frac {V_{G}}{V_{G}+V_{L}}}}$

Dónde:

• ${\displaystyle V_{G}}$es el volumen ocupado por la fase gaseosa.
• ${\displaystyle V_{L}}$es el volumen ocupado por la fase líquida.

La retención de gas proporciona información sobre el tiempo medio de residencia de las burbujas dentro de la columna. Combinado con las dimensiones de la burbuja (una propiedad fundamental del flujo local), determina el área interfacial para la tasa de transferencia de calor y masa entre las fases. ^[3]

Regímenes de flujo en columnas de burbujas.

En los reactores multifásicos, el régimen de flujo proporciona información sobre el comportamiento de la fase gaseosa y su interacción con la fase líquida continua. El régimen de flujo puede variar significativamente dependiendo de varios factores, incluidos los caudales de gas y líquido, los aspectos geométricos de la columna (diámetro de la columna, altura de la columna, tipo de rociador, diámetro de los orificios del rociador y, eventualmente, el tamaño de las partículas sólidas) y propiedades físicas. de las fases. ^[11]

En el caso más general, se pueden encontrar cuatro regímenes de flujo en los reactores de columna de burbujas: (1) régimen de flujo homogéneo o burbujeante, (2) régimen de flujo slug, (3) régimen de flujo heterogéneo o de agitación y (4) régimen de flujo anular. ^[12]

Regímenes de flujo en una tubería vertical. (a) Régimen de flujo burbujeante-homogéneo; (b) régimen de flujo lento; (c) Régimen de flujo heterogéneo de rotación; (d) régimen de flujo anular.

El régimen de flujo homogéneo tiene lugar a una velocidad superficial del gas muy baja y se puede dividir en regímenes de flujo homogéneos monodispersos y polidispersos. El primero se caracteriza por una distribución del tamaño de las burbujas monodispersas, el segundo por una distribución polidispersa, según el cambio de signo de la fuerza de sustentación . Las burbujas pequeñas con un coeficiente de sustentación positivo se mueven hacia la pared de la columna y las burbujas grandes con un coeficiente de sustentación negativo se mueven hacia el centro de la columna. ^[13] El régimen de flujo heterogéneo se produce a una velocidad de gas muy alta y representa un patrón de flujo caótico e inestable, con alta recirculación de líquido y mezcla vigorosa. Se experimenta una amplia gama de tamaños de burbujas, y el tamaño promedio de las burbujas está gobernado por fenómenos de coalescencia y ruptura, que determinan las propiedades del flujo, que ya no están influenciadas por las burbujas primarias generadas en el rociador.

Los regímenes de flujo slug y anular se observan generalmente en columnas de burbujas de pequeño diámetro con un diámetro interior inferior a 0,15 m. ^[3] La primera se caracteriza por burbujas gigantes, denominadas burbujas de Taylor, que ocupan toda el área de la sección transversal de la columna. Este último se caracteriza por un núcleo central de gas rodeado por una fina película de líquido. El régimen de flujo anular existe sólo a velocidades de gas muy altas.

Cuando se trata de aplicaciones industriales, normalmente se emplean columnas de burbujas de mayor diámetro, de modo que no se suele observar el régimen de flujo slug debido a las denominadas inestabilidades de Rayleight-Taylor . ^{[14] [15]} La cuantificación de estas inestabilidades a escala del reactor se obtiene comparando el diámetro adimensional de la burbuja, , con un diámetro crítico, : ${\displaystyle D_{H}^{*}}$ ${\displaystyle D_{H,cr}^{*}}$ ${\displaystyle D_{H}^{*}={D_{H} \over {\sqrt {\sigma /g(\rho _{L}-\rho _{G})}}}>D_{H,cr}^{*}=52}$

Mapa de régimen de flujo. (a) Régimen de flujo lento; (b) Régimen de flujo heterogéneo de rotación; c) régimen de flujo de transición; (d) Régimen de flujo burbujeante-homogéneo; (α) Diámetro hidráulico de la columna de burbujas; (β) Velocidad superficial del gas.

Donde es el diámetro hidráulico de la columna de burbujas, es la tensión superficial , es la aceleración debida a la gravedad , es la densidad de la fase líquida y es la densidad de la fase gaseosa . ${\displaystyle D_{H}}$ ${\displaystyle \sigma }$ ${\displaystyle g}$ ${\displaystyle \rho _{L}}$ ${\displaystyle \rho _{G}}$

Por ejemplo, a temperatura y presión ambiente y considerando aire y agua como fluidos de trabajo, una columna de burbujeo se clasifica como de gran diámetro si tiene un diámetro hidráulico superior a 0,15 m. ^[3]

Debido a la muy alta velocidad del gas, el régimen de flujo anular no suele observarse en las columnas de burbujeo industriales. En consecuencia, en una columna de burbujeo a gran escala, es posible que solo tengamos regímenes de flujo burbujeante (u homogéneo) y de agitación (u heterogéneo). Entre estos regímenes de flujo, generalmente se observa una región de transición, en la que el campo de flujo no es tan distinto y tan bien definido como en los regímenes de flujo burbujeante-homogéneo y de agitación-heterogéneo. ^[11]

Los límites entre los regímenes de flujo se pueden observar gráficamente en el mapa de regímenes de flujo.

Modelado numérico

El modelado numérico de reactores de columna de burbujas es una forma de predecir el flujo multifásico para mejorar el diseño del reactor y comprender la dinámica de fluidos del mismo. El reciente aumento del interés en la dinámica de fluidos computacional (CFD) impulsó importantes esfuerzos de investigación para determinar modelos numéricos que puedan obtener predicciones razonablemente precisas con un tiempo computacional limitado, superando así las limitaciones de los métodos empíricos tradicionales.

Cuando se considera un flujo disperso, se han desarrollado dos modelos principales para predecir los fenómenos complejos de la dinámica de fluidos: el modelo Euleriano-Lagrangiano y el modelo Euleriano-Euleriano de Multifluidos. ^[16] El modelo Euleriano-Lagrangiano combina la descripción euleriana de la fase continua con un esquema lagrangiano para rastrear las partículas individuales. La dinámica del fluido circundante (fase continua) se resuelve mediante las ecuaciones rectoras, mientras que las partículas (fase dispersa) se rastrean de forma independiente a través del fluido circundante calculando su trayectoria. ^[17] Se pueden considerar las interacciones entre las fases y su impacto tanto en las fases continuas como en las discretas, pero requiere un mayor esfuerzo computacional. En consecuencia, no se puede utilizar para simular columnas de burbujas a escala industrial. ^[8]

El modelo eulerian-eulerian considera cada fase como continuos interpenetrados. Todas las fases comparten un único campo de presión, mientras que las ecuaciones de continuidad y momento se resuelven para cada fase. El acoplamiento entre las fases se logra considerando términos fuente interfaciales. ^[8]

Ecuaciones gubernamentales

Simulación CFD de un reactor de columna de burbujas.

Considerando un flujo isotérmico sin transferencia de masa, las ecuaciones de Navier-Stokes promedio de Reynolds inestable (URANS) son: ^[8]

${\displaystyle {\frac {\partial }{\partial t}}(\alpha _{k}\rho _{k})+\nabla \cdot (\alpha _{k}\rho _{k}{\vec {u_{k}}})=0}$

${\displaystyle {\frac {\partial }{\partial t}}(\alpha _{k}\rho _{k}{\vec {u_{k}}})+\nabla \cdot (\alpha _{k}\rho _{k}{\vec {u_{k}}}{\vec {u_{k}}})=-\alpha _{k}\nabla P+\nabla \cdot (\alpha _{k}{\bar {\tau _{k}}})+\alpha _{k}\rho _{k}{\vec {g}}+{\vec {M}}_{I,k}}$

Dónde:

• ${\displaystyle \alpha _{k}}$es la fracción de volumen fásico y representa el espacio ocupado por la k -fase.
• ${\displaystyle \rho _{k}}$es densidad de fase. ${\displaystyle k}$
• ${\displaystyle {\vec {u}}_{k}}$es la velocidad de fase. ${\displaystyle k}$
• P es el campo de presión compartido por todas las fases.
• ${\displaystyle {\bar {\tau }}_{k}}$es el tensor de tensión de deformación de fase. ${\displaystyle k}$
• ${\displaystyle g}$es la aceleración debida a la gravedad.
• ${\displaystyle {\vec {M}}_{I,k}}$es el término fuente de impulso.

Fuerzas interfaciales

Para resolver correctamente la ecuación del momento de fase, se debe considerar un conjunto factible de relaciones de cierre que incluya todas las interacciones posibles entre las fases, expresadas como una transferencia de momento por unidad de volumen en la interfaz de fase. Las fuerzas de momento interfacial se agregan como término fuente en la ecuación de momento y se pueden dividir en fuerzas de arrastre y no arrastre. La fuerza de arrastre tiene un papel dominante y puede considerarse como la contribución más importante en los flujos burbujeantes. ^[18] Refleja la resistencia que se opone al movimiento de la burbuja en relación con el fluido circundante. ${\displaystyle k}$

Las fuerzas no de arrastre son las fuerzas de sustentación, dispersión turbulenta, lubricación de paredes y fuerzas de masa virtual: ^[19]

• Fuerza de elevación : fuerza perpendicular al movimiento de la burbuja. Resulta de la presión y la tensión que actúan sobre la superficie de la burbuja. Los estudios experimentales y numéricos muestran que la fuerza de sustentación cambia de signo dependiendo del diámetro de la burbuja. ^[19] Para burbujas pequeñas, la fuerza de elevación actúa en la dirección de disminución de la velocidad del líquido, que es, en el caso del modo por lotes o en paralelo, hacia la pared de la tubería. Por el contrario, cuando se consideran burbujas grandes, la fuerza de sustentación empuja las burbujas hacia el centro de la columna. El cambio de signo de la fuerza de sustentación se produce con un diámetro de burbuja de aproximadamente 5,8 mm. ^[20]
• Dispersión turbulenta: da cuenta de la fluctuación en la velocidad del líquido que afecta la fase dispersa dispersándola. Los remolinos turbulentos redistribuyen las burbujas en dirección lateral desde la región de burbujas de alta concentración a la de baja concentración. La fuerza de dispersión turbulenta modula los picos de pequeñas burbujas cerca de las tuberías de la pared y propaga burbujas grandes. ^[19]
• Lubricación de paredes: fuerza debida a la tensión superficial. Evita que las burbujas toquen las paredes, asegurando una presencia nula de burbujas cerca de las paredes verticales (encontrado experimentalmente). ^[19]

• Fuerza de masa virtual : surge de la aceleración relativa de un objeto en movimiento sumergido con respecto al fluido que lo rodea. Su efecto es significativo cuando la densidad de la fase líquida es mucho mayor que la de la fase gaseosa. ^[19]

Todas las fuerzas interfaciales se pueden agregar al modelo numérico utilizando correlaciones adecuadas derivadas de estudios experimentales.

Modelado de fase dispersa

Dependiendo del régimen bajo investigación, se pueden utilizar diferentes enfoques para modelar la fase gaseosa dispersa. La más sencilla es utilizar una distribución de tamaño de burbuja fija. Esta aproximación es adecuada para simular el régimen de flujo homogéneo, donde las interacciones entre las burbujas son insignificantes. Además, este enfoque requiere el conocimiento del diámetro de las burbujas ya que es un parámetro de entrada para las simulaciones. ^[8]

Sin embargo, en la práctica industrial, normalmente se emplean columnas de burbujeo a gran escala, equipadas con distribuidores de gas caracterizados por grandes aberturas, por lo que comúnmente se observa un régimen de flujo heterogéneo. ^[21] Los fenómenos de coalescencia y ruptura de burbujas son relevantes y no pueden pasarse por alto. En este caso, el modelo CFD se puede combinar con un modelo de equilibrio poblacional (PBM) para tener en cuenta los cambios en el tamaño de las burbujas.

Un modelo de equilibrio poblacional consiste en una ecuación de transporte derivada de la ecuación de transporte estadística de Boltzmann y describe las partículas que entran o salen de un volumen de control a través de varios mecanismos. La ecuación de transporte de densidad del número de burbujas también se conoce como ecuación de equilibrio poblacional (PBE): ^[22]

${\displaystyle {\frac {\partial }{\partial t}}n({\vec {x}},V_{b},t)+{\frac {\partial }{\partial z}}[n({\vec {x}},V_{b},t)u_{b}({\vec {x}})]+{\frac {\partial }{\partial V_{b}}}[n({\vec {x}},V_{b},t){\frac {\partial }{\partial t}}V_{b}({\vec {x}},V_{b})]=S({\vec {x}},V_{b},t)}$

Donde es la función de densidad del número de burbujas y representa la densidad numérica probable de las burbujas en un momento dado , alrededor de una posición , con el volumen de las burbujas entre y , y es la velocidad de las burbujas. El término derecho y lateral de la ecuación de equilibrio poblacional es el término fuente/sumidero debido a la coalescencia, ruptura, cambio de fase, cambio de presión, transferencia de masa y reacciones químicas de las burbujas. ^[8] ${\displaystyle n({\vec {x}},V_{b},t)}$ ${\displaystyle (t)}$ ${\displaystyle {\vec {x}}}$ ${\displaystyle V_{b}}$ ${\displaystyle V_{b}+d(V_{b})}$ ${\displaystyle u_{b}}$

Ver también

• Reactor de lecho goteo
• Reactor de lecho fluidizado
• Flujo multifásico
• Dinámica de fluidos computacional

Referencias

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enlaces externos

• Regímenes de flujo en una tubería vertical en YouTube.