Traducción de literatura inglesa de química
Título: Cromatografía computacional y estudio de rastreo de partículas en elevadores líquido-sólido
Autores: Shantanu Roy, Jinwen Chen, Sailail Sailail: Shantanu Roy, Jinwen Chen, Sailesh B. Kumar, M. H. Al-Dahhan,* y M. P. Dudukovic [* es el autor correspondiente].
Autor: Laboratorio de Ingeniería de Reacción Química, Departamento de Química, Departamento de Ingeniería Química, Universidad Estatal de Washington, St. Louis, Missouri, 63130
Resumen: Los lechos fluidizados circulantes líquido-sólido son dispositivos de reacción potencialmente valiosos en diversos procesos industriales como el refinado de petróleo, la química fina, la petroquímica y la síntesis de alimentos. En estos procesos, el catalizador sólido rápidamente desactivado necesita regenerarse después de que se completa la reacción básica y reciclarse en los sólidos del tubo ascendente. Este estudio demuestra que la tecnología de rastreo de partículas radiactivas asistida por computadora (CARPT) se puede utilizar para modelar caudales de sólidos en tubos ascendentes y para modelar la recirculación de sólidos en caudales de fluidos de prueba. - Las tomografías computarizadas (TC) radiológicas mostraron concentraciones de sólidos ligeramente más altas en el medio de la columna de fraccionamiento. Esto contrasta con la situación en los reactores ascendentes de gas y sólidos, donde la concentración de sólidos en las paredes de la torre es mayor.
Introducción
Como unidad de reacción alternativa, el lecho fluidizado circulante líquido-sólido se ha vuelto rápidamente popular en diversos procesos industriales, como la química fina, la síntesis petroquímica y la refinación de petróleo (Liang et al. , Año 1995). El proceso se realiza en un reactor en presencia de reactivos en fase líquida (generalmente hidrocarburos a alta presión y baja temperatura) (Thomas, 1970) y un catalizador en fase sólida que se desactiva rápidamente (Corma y Martínez, 1993). La reacción básica se lleva a cabo en una columna vertical con una alta relación de flujo líquido/sólido (el sólido se transforma en estado licuado y puede ser transportado por el líquido). El catalizador desactivado se regenera en un proceso separado que acopla los sólidos circulantes y las reacciones básicas a través de un flujo interno anular continuo. Diseñar y ensamblar tales sistemas líquido-sólido de flujo continuo requiere comprender el modelo de flujo de cada fase, así como la distribución de inclusión de cada fase. El propósito de este trabajo es estudiar experimentalmente la distribución del caudal y la tasa de inclusión de la fase sólida en el tubo ascendente de un modelo de flujo de sistema líquido-sólido circulante a escala de laboratorio.
Experimento
El diagrama del equipo de lecho fluidizado circulante líquido-sólido a escala de laboratorio se muestra en la Figura 1. La contrahuella es una columna de plexiglás de 6 pulgadas de diámetro y 7 pies de alto. El agua del grifo en el tubo ascendente empuja perlas de vidrio de 2,5 mm de diámetro, que regresan al sistema a través de un émbolo y un eyector. El flujo de sólidos en el tubo ascendente se mantiene mediante control de flujo mediante un eyector (el eyector está precalibrado con el caudal de sólidos en función del caudal de agua). La relación de caudal total de sólidos/líquido se puede ajustar mediante una placa de distribución en la parte inferior de la columna. La bomba de agua en el circuito interior y el agua en circulación en el tanque de almacenamiento de agua se utilizan para mantener un flujo de agua constante a alta velocidad en la torre de destilación de gas y la parte de inyección de la torre. Los experimentos se realizaron en un dispositivo CARPT y CT desarrollado en el Laboratorio de Ingeniería de Reacción Química, Departamento de Ingeniería Química, Universidad Estatal de Washington, St. Louis, Missouri (Devanathan, 1991; Kumar, 1994). Es importante señalar que el sistema utilizado en este estudio es denso y tiene baja viscosidad, y solo los métodos de detección de fluidos no sumergidos, como CARPT y CT, pueden medir con precisión los caudales y concentraciones de sólidos. El equipo actual permite el montaje de un elevador en la plataforma operativa CARPT-CT para su uso en este estudio. Mucho antes del estudio de la mecánica de fluidos en fase sólida, los medidores de distribución del tiempo de residencia en fase líquida se utilizaban en la fase líquida. Después de una inyección de pulso rápido de solución de cloruro de potasio, se mide la conductividad de la fase líquida en un lugar específico. Los resultados de este estudio se informaron en otra parte (Roy et al. 1996) y encontramos que la fase líquida en realidad exhibe un flujo de energía potencial concentrado con efectos de dispersión mínimos. La varianza bidimensional de la curva E de la partícula trazadora líquida es siempre inferior a 0,1.
El estudio CARPT de la American Chemical Society (Devanathan, 1991; Yang et al., 1992) introdujo partículas radiactivas de Sc-46 (longitud de onda de emisión 350 íCi, vida media 83 días) en una esfera hueca de aluminio. El tamaño de las partículas y la densidad de las bolas de aluminio coinciden con las perlas de vidrio que se van a mezclar. Utilizando el elaborado procedimiento de calibración CARPT (Yang et al. 1992), se colocaron partículas en aproximadamente 200-300 posiciones conocidas en la sección de reacción de prueba para obtener una curva de calibración de la relación distancia-densidad para cada detector. Una vez completada la calibración, se establece y mantiene el caudal supercrítico deseado del líquido, lo que permite que las partículas sólidas entren libremente en el campo de flujo para simular el movimiento de las partículas de vidrio típicas. Después de un período de tiempo más largo (8 horas), se registra la posición de la partícula trazadora (expresada como el número de fotones captados por el detector) en función del tiempo. Posteriormente, después de redondear y procesar los datos brutos, se pueden calcular las fracciones de fluido promedio y fluctuantes, los coeficientes de viscosidad y las energías cinéticas de las partículas sólidas (Devanathan, 1991; Larachi et al., 1997). Esta es la primera demostración exitosa de la tecnología CARPT en un sistema en el que las partículas trazadoras salen y vuelven a entrar periódicamente en la sección de reacción de una columna de fraccionamiento detectada por un detector.
El escáner CT del Laboratorio de Ingeniería de Reacción Química del Departamento de Ingeniería Química de la Universidad Estatal de Washington en St. Louis, Missouri, utiliza la geometría de líneas sectoriales para determinar la atenuación de la radiación de los rayos \beta a medida que pasan. objetos específicos en un tubo ascendente. Luego se utiliza un instrumento de medición de atenuación gruesa para reconstruir la distribución de inclusión promediada en el tiempo de la fase sobre la sección central. La fuente de luz se colocó en un isótopo Cs-137 de 100 mCi y las pruebas de atenuación se realizaron utilizando una matriz angular de 11 detectores de yoduro de sodio (máximo). Kumar et al. (1995) y Kumar y Dudukovich (1997) analizan los detalles de los aspectos de software y hardware del escáner CREL. El tubo ascendente líquido-sólido de suministro experimental en este estudio se escaneó a lo largo de cuatro posiciones axiales de la columna.
Resultados y discusión
Los experimentos se realizaron en el rango de caudales de líquido supercrítico (12-23 cm/s). Este estudio informa resultados típicos obtenidos en un sistema con un caudal de líquido supercrítico de 20 cm/s. Todos los experimentos utilizaron perlas de vidrio de 2,5 mm de diámetro, el caudal de agua en el inyector fue de 25 gpm y el caudal de agua en el fondo del tubo ascendente se mantuvo en 33 gpm para lograr un caudal supercrítico de líquido promedio en la columna de 20 cm. /Segundo.
La Figura 2 muestra la media logarítmica y el tiempo de las cuatro posiciones axiales medidas a un caudal de líquido supercrítico de 20 cm/s. Observamos que la magnitud del contenido sólido no cambia mucho al aumentar la posición radial (cambio máximo del 4%), pero disminuye ligeramente al aumentar la posición axial (cambio máximo del 4%). El contenido de sólidos en cualquier ubicación axial dada es ligeramente mayor en el centro de la columna en comparación con las paredes de la columna. Este es un resultado interesante ya que se ha informado ampliamente de la tendencia opuesta en los tubos ascendentes de gas sólido (Rhodes y Geldart, 1989; Rhodes, 1990). El gradiente radial de la distribución del contenido de sólidos aquí reportado también es mucho menor.
La Figura 3 representa el campo de velocidad de flujo sólido estimado en el experimento CARPT. La Figura 3a es un gráfico vectorial de la velocidad del flujo, que muestra claramente que, si se considera desde una perspectiva promedio en el tiempo, la fase sólida tiene un circuito de recirculación interna: el sólido sube en el centro de la columna y luego cae a través de la pared de la columna. La Figura 3b muestra los mismos resultados cuantitativos para los componentes axiales promediados en el tiempo de la velocidad del flujo de la fase sólida en cuatro ubicaciones en el medio de la columna. Vale la pena señalar que el caudal de sólidos aguas abajo en la pared de la columna es mucho menor en comparación con el fluido aguas arriba, y la masa total de sólidos aguas abajo sigue siendo satisfactoria (9,6% en este experimento). La gráfica del contenido de sólidos a la altura de 33 cm de la columna está generalmente en buen orden. Esta altura está justo encima del distribuidor y el inyector en la columna (Figura 1) y es parte de la zona de mezcla con un contenido de sólidos significativamente menor que la altura de 78 cm. Esto también lo confirman los resultados del experimento CARPT: la Figura 3a muestra claramente que a esta altura la dirección del vector de velocidad del flujo de sólidos es aleatoria, mientras que se produce un bucle de recirculación claro en la parte superior de la columna.
Por lo tanto, todavía es necesario considerar el fluido a una altura de 33 cm en la columna, donde el fluido se comporta de manera significativamente diferente que el resto de la columna. Mediante un enfoque novedoso, la distribución del tiempo residual (RTD) de los sólidos en el tubo ascendente se puede calcular indirectamente a partir de los datos CARPT. Dado que las partículas trazadoras se consideran componentes típicos del sistema de dispersión que pueden circular repetidamente hacia el tubo ascendente, su distribución del tiempo de residencia en el tubo ascendente para cada paso es su valor RTD. El "tiempo restante" resultante de estas recopilaciones de datos en curso se representa como un histograma en la Figura 4. Bajo suposiciones arbitrarias, este es el valor RTD para la fase sólida. Finalmente, la Figura 5 muestra la velocidad de flujo axial promedio del sólido en la dirección axial en función de la velocidad de flujo supercrítico del líquido. Los experimentos realizados en diferentes condiciones mostraron un aumento general en la velocidad del flujo en la línea media de la columna y en la pared de la columna (aguas abajo). Por supuesto, esto también podría deberse a un aumento en el módulo de fase sólida debido al mayor módulo de fase líquida que pasa a través de la misma sección, lo que resulta en un aumento en el caudal promedio de la fase sólida. Basados exclusivamente en estos experimentos, los resultados parecen indicar que existe una tendencia a que los caudales de la fase sólida se "saturen" a medida que aumentan los caudales supercríticos del líquido. Sin embargo, estos resultados aún deben verificarse mediante más experimentos en el futuro.
Conclusión
Hasta ahora, el diseño de lechos fluidizados y elevadores se ha mantenido en el nivel de las reglas generales. Los fenómenos reales en tales sistemas son mucho más complejos que los resultados derivados de los algoritmos de aproximación heurística que subyacen al procedimiento de diseño. Por lo tanto, los usuarios y diseñadores de elevadores líquido-sólidos pueden obtener una gran inspiración a partir de un conocimiento básico de la mecánica de fluidos de dichos sistemas. El estudio actual es sólo un pequeño paso hacia los aspectos cuantitativos de experimentos similares. En CREL (el laboratorio del autor) se está trabajando en estudios de elevadores utilizando partículas de diferentes tamaños para diversas condiciones y configuraciones de funcionamiento. También están previstos futuros estudios de fenómenos estacionarios en tales sistemas. Los datos se procesarán adicionalmente para calcular la energía cinética de la fase sólida, el esfuerzo cortante del flujo viscoso y el coeficiente de dispersión del flujo viscoso. El objetivo general de este trabajo de investigación es comprender algunas de las variables clave que influyen en la efectividad de los elevadores líquido-sólido y así investigar leyes de amplificación más fundamentales. Esperamos que nuestros datos experimentales sirvan como punto de referencia para el modelado dinámico por computadora de fluidos ascendentes líquido-sólidos.
La traducción del título de la imagen es la siguiente:
Figura 1. Diagrama del equipo ascendente líquido-sólido
Figura 2. Caudal supercrítico de líquido no axial de 20 cm/s Distribución del contenido sólido (concentración) en la dirección de la posición
Figura 3. Campo de velocidad de flujo sólido cuando la velocidad del flujo supercrítico del líquido es 20 cm/s: (a) vector de velocidad de flujo; (b) diagrama de velocidad de flujo promedio axial.
Agradecimientos (omitidos)
Referencias (omitidas)