Modelado del comportamiento óptico y eficiencia de un reactor tipo CPC para la eliminación de contaminantes del aire usando fotocatálisis solar

CLAUDIO PASSALIA; BRANDI, RODOLFO J.

Santa Fe

Congreso; CAIQ2019 - X CONGRESO ARGENTINO DE INGENIERÍA QUÍMICA; 2019

AAIQ-UNL

La contaminación del aire en ambientes interiores representa un serio riesgo para la salud humana, dados los prolongados tiempos de permanencia de las personas en ambientes confinados. La exposición a gran variedad de compuestos químicos y agentes biológicos puede ser mitigada aplicando Procesos Avanzados de Oxidación (PAO?s). En este trabajo se presenta un estudio de la factibilidad del uso de un reactor para el tratamiento de aire contaminado empleando un tipo particular de PAO, la fotocatálisis heterogénea. El proceso se basa en el uso de un oxido metálico sensible a luz ultravioleta (UV) que puede generar especies de alto poder oxidativo en su superficie, dando lugar a reacciones de degradación de los compuestos adsorbidos. La fotocatálisis heterogénea puede emplear radiación natural o artificial. El uso de radiación solar resulta de gran interés si se pretende aplicar una tecnología sustentable, dado que evita el consumo de energía eléctrica en lámparas UV.El presente trabajo se centra en los aspectos del modelado de un reactor tubular con reflector parabólico, denominado Colector Parabólico Compuesto (CPC). Este diseño permite distribuir la radiación solar sobre un tubo de vidrio borosilicato (volumen útil de aproximadamente dos litros), en cuya pared se encuentra inmovilizado el fotocatalizador, dióxido de Titanio (TiO2) comercial. El reactor es de un paso, opera en continuo en régimen laminar, a presión y temperatura ambiente.Una de las principales variables en este tipo dispositivos es la capacidad de reflejar radiación, en la longitud de onda adecuada, del reflector parabólico. La reflectancia absoluta del material, así como sus componentes especular y difusa, determinan en gran medida el potencial de aprovechamiento del catalizador. En este trabajo se propone emplear placas de aluminio comercial como material reflectante. Este material fue caracterizado por medio de espectrofotometría UV-Vis.Se midieron las reflectancias en su componente difusa y especular en un espectrofotómetro con esfera integradora (Optronic OL50). Además de mediciones de las propiedades ópticas del material comercial, se evaluaron distintos tratamientos superficiales al aluminio. Se estudiaron los efectos de un tratamiento químico por decapado alcalino, un tratamiento mecánico de pulido, y la combinación de ambos. Se obtuvieron distintos perfiles ópticos los cuales fueron incluidos en el modelado del reactor como estudio paramétrico.El modelado de las ecuaciones de transporte se realizó utilizando ANSYS Fluent 17, un paquete de mecánica de fluidos computacional (CFD). Se diseñó la geometría completa del sistema reflector-reactor y el dominio fue discretizado en volúmenes finitos en donde se resuelven en forma iterativa las ecuaciones diferenciales de transporte de cantidad de movimiento, energía y materia a las que se agregó la ecuación de transferencia radiativa (ETR). Se trabajó con suficiente cantidad de elementos para garantizar independencia de grilla en los resultados.El contaminante usado en el modelo es el formaldehído dado que se conocen sus parámetros cinéticos intrínsecos. El campo de radiación se resolvió por el método de la ordenada discreta. Todas las simulaciones se realizaron usando interpolaciones de segundo orden; la convergencia y la estabilidad numérica fue asegurada imponiendo una disminución de los residuos escalados hasta al menos 10-6 para todas las variables. Además se siguieron monitores macroscópicos en distintos puntos del dominio hasta encontrar su estabilidad. El campo de velocidades obtenido fue cotejado con soluciones analíticas con muy buen ajuste. El campo de radiación obtenido en el sistema reactor-reflector es consistente cuali-cuantitativamente con resultados teóricos y de modelado de reactores de similar diseño. Las concentraciones de formaldehído presentan una disminución desde la entrada hasta la salida del reactor con perfiles que presentan los mínimos sobre las paredes del reactor, lo cual es típico de la reacción heterogénea sobre la pared fotocatalítica. Sin embargo, los perfiles transversales no son simétricos debido a que el campo de radiación incidente no genera el mismo flujo radiante en todo el perímetro interno del reactor. Los resultados de las simulaciones en términos de conversión de contaminante serán validados experimentalmente en un prototipo a escala banco actualmente en construcción.