Patrones de Flujo en Reactores Químicos: Desarrollo de Modelos Matemáticos y Numéricos Basados en CFD

Abstract

En el mundo real muchas veces el comportamiento de los reactores químicos es muy diferente del que describen los modelos ideales. Las desviaciones del comportamiento ideal pueden originarse por la formación de canalizaciones, recirculación o por formación de zonas estancadas. El conocimiento del comportamiento de los reactores reales permite ajustar los modelos ideales de manera que puedan describir más realísticamente los procesos químicos. Los problemas del flujo no ideal están íntimamente relacionados con el cambio de escala; la decisión de si ha de ensayarse o no en planta piloto depende del control que se tenga sobre las variables más importantes del proceso. A menudo, el factor no controlable en el cambio de escala es la magnitud de la no idealidad del flujo; con frecuencia este factor difiere ampliamente entre las unidades grandes y las pequeñas; por consiguiente, el desconocimiento de este factor puede conducir a grandes errores en el diseño. Para predecir las conversiones y la distribución de productos en los reactores reales resulta necesario un modelo de patrones de flujo. Una forma de evaluar cuánto tiempo permanece cada una de las moléculas en el recipiente es determinar la Distribución de Tiempos de Residencia (DTR) mediante un método de investigación ampliamente difundido: el método experimental estímulo-respuesta. La DTR muestra las condiciones hidrodinámicas que ocurren en los reactores. En base esos resultados se establecen hipótesis que permitan reproducir el comportamiento del reactor químico a través de modelos matemáticos y/o numéricos. Un nuevo y reciente enfoque a este problema es el uso de la dinámica de fluidos computacional (CFD) que permite modelar los patrones de flujo de fluidos contribuyendo a mejorar la comprensión del sistema y a optimizar el diseño. El objetivo de este trabajo es caracterizar la hidrodinámica y desarrollar un modelo matemático y/o numérico (CFD) de un reactor utilizado para la obtención de biodiesel, perteneciente a la Planta Piloto de Reacción de la Facultad de Ingeniería (UNCPBA). Se estudia experimentalmente el comportamiento del flujo del reactor mediante la técnica de estímulo-respuesta, utilizando una solución patrón salina coloreada con conductividad eléctrica conocida, evaluándose la respuesta a señales conocidas, bajo diferentes condiciones de operación. Los resultados son evaluados estadísticamente para lograr la caracterización del reactor desde el punto de vista hidráulico a través de modelos matemáticos (combinación de reactores ideales de tanque agitado continuo en serie, de dispersión de flujo) y de modelos numéricos (método de los elementos finitos, CFD), evaluando su aproximación al comportamiento real del reactor para la validación del modelo.