Traducción de literatura inglesa de ingeniería química
¡Espero que mis 3,5 horas de arduo trabajo no sean en vano!
Título: Tomografía computarizada y estudio de rastreo de partículas de elevador líquido-sólido
Autores: Shantanu Roy, Jinwen Chen, Sailesh B. Kumar, M. H. Al-Dahhan, * y M. P. Dudukovic [ *indica autor correspondiente].
Unidad: Laboratorio de Ingeniería de Reacción Química, Departamento de Ingeniería Química, Universidad Estatal de Washington, St. Louis, Missouri (63130)
Resumen: Los lechos fluidizados circulantes líquido-sólido se utilizan en diversos Procesos industriales Es un dispositivo de reacción potencialmente valioso, como el refinado de petróleo y la síntesis de productos químicos finos, petroquímicos y 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 muestra que la tecnología de rastreo de partículas radiactivas asistida por computadora (CARPT) se puede utilizar para construir modelos de tasa de flujo de sólidos en tubos ascendentes y contraflujo de sólidos bajo tasas de flujo de fluidos de prueba. La tomografía computarizada (CT) de rayos \beta mostró que la concentración de sólidos era ligeramente mayor en el medio de la columna de fraccionamiento. Esto contrasta con el escenario en un reactor ascendente de gas y sólidos, donde la concentración de sólidos es mayor en la pared de la columna.
Prólogo
El lecho fluidizado circulante líquido-sólido se ha promocionado rápidamente como un dispositivo de reacción alternativo en diversos procesos industriales, como la química fina, la síntesis de productos petroquímicos y el refinado de petróleo (Liang et al. , 1995). El proceso se lleva a cabo en un reactor en presencia de reactivos en fase líquida (típicamente hidrocarburos a alta presión y baja temperatura) (Thomas, 1970) y un catalizador en fase sólida rápidamente desactivado (Corma y Martínez, 1993). La reacción básica se completa en una columna ascendente vertical con una alta relación de caudal líquido/sólido (en la columna ascendente, el sólido se convierte en un estado licuado que puede ser transportado por el líquido). El catalizador desactivado se regenera en un proceso separado mediante el acoplamiento de sólidos circulantes y reacciones básicas en un circuito interno continuo. El diseño y montaje de tales sistemas líquido-sólido de flujo continuo requiere el conocimiento de los modelos de flujo en cada fase, así como la partición de las fracciones de fase. El propósito de este trabajo es estudiar experimentalmente el caudal y la distribución del contenido de la fase sólida en el tubo ascendente de un modelo de flujo de sistema líquido-sólido circulante a nivel de laboratorio.
Experimento
El dibujo del equipo del lecho fluidizado circulante líquido-sólido a nivel 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 impulsa el flujo de perlas de vidrio con un diámetro de 2,5 mm y regresa al sistema a través del émbolo y el inyector. El flujo de sólidos en el tubo ascendente se mantiene controlando el flujo de líquido mediante un eyector (con el caudal de sólidos precalibrado en función del caudal de agua). Todas las relaciones de caudal sólido/líquido se pueden ajustar mediante la placa de distribución en la parte inferior de la columna. La bomba en el circuito interno 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 columna de destilación de gas y el puerto de inyección. Los experimentos se realizaron en dispositivos CARPT y CT desarrollados en el Laboratorio de Ingeniería de Reacción Química, Departamento de Ingeniería Química, Universidad Estatal de Washington, St. Louis, Missouri (Devanathan, 1991; Kumar, 1994). Puede ser necesario 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, tienen la capacidad de medir con precisión los caudales y concentraciones de sólidos. El equipo actual permite instalar el elevador en la plataforma operativa CARPT-CT para este estudio. Mucho antes del estudio de la hidrodinámica en fase sólida, los analizadores de distribución del tiempo de residencia en fase líquida se aplicaban en la fase líquida. Después de una inyección de pulso rápido de solución de cloruro de potasio, se mide la conducción de la fase líquida en una posición determinada. Los resultados de este estudio se informaron en otra parte (Roy et al., 1996) y encontramos que la fase líquida en realidad exhibe un potencial de flujo concentrado con pequeños efectos de dispersión. La varianza bidimensional de la curva E de las partículas trazadoras líquidas 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 un vaso con una El tamaño y la densidad de las partículas son similares a los que se van a mezclar. Las microperlas se combinan en esferas huecas de aluminio para preparar partículas trazadoras. Utilizando el exquisito procedimiento de calibración CARPT (Yang et al., 1992), se colocaron partículas en aproximadamente 200-300 posiciones conocidas en la sección de reacción de prueba y se obtuvo el mapa de calibración de la relación distancia-densidad de cada detector. Una vez completada la calibración, se establece y mantiene el caudal supercrítico requerido del líquido, y se 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 largo período de tiempo (8 horas), la posición de la partícula trazadora (expresada como el número de fotones adquiridos por el detector) se informa en función del tiempo. Posteriormente, la composición promedio del fluido y la composición fluctuante del fluido, el coeficiente de viscosidad y la energía cinética de las partículas sólidas se pueden calcular descartando y procesando los datos brutos y aproximados (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, Departamento de Ingeniería Química, Universidad Estatal de Washington, St. Louis, Missouri, utiliza geometría de línea de abanico para determinar la atenuación de la radiación de los rayos \beta después de su paso. un objeto dado en una contrahuella. Luego se utiliza un instrumento de medición de atenuación tosco para reconstruir la distribución de fracción promediada en el tiempo de cada fase en la sección media. La fuente radiactiva se colocó en 100 mCi de isótopo Cs-137 y se utilizó una matriz angular de 11 detectores de yoduro de sodio (máximo) para las pruebas de atenuación. Para reconstruir la imagen adquirida en el proyector se utiliza el algoritmo de maximización de expectativas (Lange y Carson, 1984) basado en el principio de máxima verosimilitud. Los detalles de los aspectos de software y hardware de los escáneres CREL han sido discutidos por Kumar et al. (1995) y Kumar y Dudukovic (1997). El tubo ascendente líquido-sólido probado en este estudio se escaneó en cuatro posiciones axiales a lo largo 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 que opera a un caudal de líquido supercrítico de 20 cm/s. Todos los experimentos utilizaron perlas de vidrio con un diámetro de 2,5 mm y el caudal de agua del inyector fue de 25 gal/min. La velocidad del agua en el fondo del tubo ascendente se mantuvo en 33 gal/min para lograr una velocidad promedio del líquido supercrítico de 20 cm/s en la columna.
La Figura 2 es la distribución radial del contenido de sólidos (concentración de sólidos) promediada logarítmicamente y en el tiempo medida en 4 posiciones axiales a un caudal de líquido supercrítico de 20 cm/s. Observamos que la serie de contenido sólido no cambia significativamente con el aumento de la posición radial (la variación máxima es 4), pero disminuye ligeramente con el cambio de la posición axial (la variación máxima es 4). En comparación con la pared de la columna, el contenido de sólidos en cualquier posición axial dada es ligeramente mayor que en el centro 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 menor.
La Figura 3 muestra el campo de velocidad de flujo sólido estimado en el experimento CARPT. La Figura 3a es un diagrama vectorial de velocidad del flujo, que muestra claramente que desde una perspectiva promediada en el tiempo, la fase sólida tiene un circuito de circulación interna: el sólido sube en el centro de la columna y cae sobre la pared de la columna. La Figura 3b muestra que el componente axial promediado en el tiempo de la velocidad del flujo sólido en cuatro posiciones en el medio de la columna tiene los mismos resultados cuantitativos. Es necesario señalar que la velocidad del flujo de sólidos aguas abajo en la pared de la columna es menor en magnitud que la del fluido aguas arriba, y la masa sólida total 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 orden.
Esta altura se ubica justo encima del distribuidor y eyector de la columna (Figura 1) y forma parte de la zona de mezcla, que claramente tiene un contenido de sólidos menor que la altura de 78 cm. Esto también lo confirman los resultados experimentales de CARPT: la Figura 3a muestra claramente que la dirección del vector de velocidad del flujo sólido está orientada aleatoriamente a esta altura, mientras que aparece un bucle de circulación claro en las posiciones más altas de la columna. Por lo tanto, el fluido a una altura de 33 cm en la columna queda por considerar y presenta un comportamiento claramente diferente al del resto de la columna. Utilizando un enfoque novedoso, la distribución del tiempo de residuos sólidos (RTD) en el tubo ascendente se puede calcular indirectamente a partir de los datos CARPT. Dado que las partículas trazadoras se consideran componentes de dispersión típicos que pueden circular repetidamente hacia el tubo ascendente, la distribución del tiempo que pasan cada vez que pasan a través del tubo ascendente es su valor RTD. El "tiempo residual" obtenido de estas recopilaciones de datos ininterrumpidas se representa como un histograma en la Figura 4. Proponiendo una hipótesis arbitraria, esto da el valor RTD de la fase sólida. Finalmente, en la Figura 5, la velocidad de flujo axial promedio del sólido a lo largo del eje se muestra en función de la velocidad de flujo supercrítico del líquido. Experimentos en diferentes condiciones muestran que la velocidad del flujo en la línea central de la columna y en la pared de la columna (aguas abajo) aumenta en su conjunto. Por supuesto, esto también puede deberse al aumento en el módulo de fase sólida causado por el mayor módulo de fase líquida que pasa a través de la misma sección, lo que resulta en un aumento en el caudal promedio de sólidos. Basados exclusivamente en estos experimentos, los resultados parecen indicar que el caudal de la fase sólida tiene una tendencia a acercarse a un "valor de saturación" a medida que aumenta el caudal supercrítico del líquido. Sin embargo, estos resultados aún esperan más experimentos en el futuro para una verificación sólida.
Conclusión
Hasta el día de hoy, el diseño de lecho fluidizado y elevador permanece estancado en el nivel de las reglas generales. Los fenómenos reales en tales sistemas son mucho más complejos que los resultados obtenidos por los algoritmos de aproximación heurística que sirven como base de los procedimientos de diseño. Por lo tanto, los usuarios y diseñadores de elevadores líquido-sólidos pueden obtener una gran inspiración a partir de los conocimientos básicos de la hidrodinámica en dichos sistemas. El estudio actual es sólo un pequeño paso hacia los aspectos cuantitativos de este tipo de experimento. En CREL (el laboratorio del autor), se está trabajando en diversas condiciones operativas y configuraciones de elevadores utilizando diferentes tamaños de partículas. En el futuro también está prevista la investigación de fenómenos estacionarios en tales sistemas. Los datos se procesarán adicionalmente para calcular la energía cinética de la fase sólida, la tensión cortante del flujo viscoso y el coeficiente de dispersión del flujo viscoso. El objetivo general de este esfuerzo de investigación es comprender algunas de las variables clave que influyen en el rendimiento del elevador líquido-sólido y, por lo tanto, investigar las leyes de escala más fundamentales. Esperamos que nuestros datos experimentales sirvan como punto de referencia para el modelado dinámico por computadora de flujos ascendentes líquido-sólidos.
El título del gráfico se traduce de la siguiente manera:
Figura 1. Dibujo del equipo del tubo ascendente líquido-sólido
Figura 2. Diferentes condiciones por debajo de 20 cm/ s caudal supercrítico de líquido Distribución del contenido sólido (concentración) en posición axial
Figura 3. Campo de velocidad de flujo sólido bajo un caudal supercrítico de líquido de 20 cm/s: (a) Diagrama vectorial de velocidad de flujo (b; ) Diagrama de velocidad de flujo promedio axial.
Agradecimientos (omitidos)
Referencias (omitidas)