Comparacion de Tecnologias para la distribucion del flujo en un reactor

RAMAJO DAMIAN ENRIQUE; STORTI MARIO; NIGRO NORBERTO MARCELO

2008-06-01/2008-09-26

1-49

Mecánica

Energia-Hidrocarburos

Objetivo El objetivo del estudio propuesto es el de analizar los patrones de flujo de la mezcla líquido-gas que atraviesa un plato de distribución en el reactor tipo HDS denominado D-601-B. El estudio propuesto se centra fundamentalmente en determinar los patrones de flujo de la mezcla al atravesar las campanas del plato distribuidor. Por tal motivo los modelos computacionales a implementar se reducen a estudiar en detalle el comportamiento de las campanas en forma aislada. Alcances del estudio propuesto El estudio detallado a continuación se concentra exclusivamente en analizar el comportamiento de la mezcla bifásica (gas-líquido) alrededor de una campana en forma aislada de las restantes que conforman el plato distribuidor. De este modo se obtendrá información acerca de las características de “mojado” que produce la campana sobre la superficie del lecho fijo ubicado debajo de la misma. El estudio será repetido para diferentes niveles de mezcla sobre el plato de campanas. Una vez determinado el comportamiento de la campana se realizará una estimación preliminar acerca de la eficiencia global de mojado del plato de campanas. Metodología de trabajo La metodología de trabajo propuesta puede desglosarse en  tres etapas, algunas de las cuales pueden llevarse a cabo en forma simultánea, en tanto que otras, requieren de la culminación de etapas previas para su inicio. El estudio será llevado a cabo utilizando un software específico para resolver problemas de mecánica de los fluidos en forma tridimensional. La potencia de cálculo requerida para resolver los modelos computacionales será proporcionada por un Cluster tipo Beowulf de 80 nodos para la resolución mediante cálculo distribuido (cada uno con tecnología INTEL Pentium IV con 2 Gb de RAM). Los modelos computacionales serán planteados aplicando las ecuaciones de Navier-Stokes y considerando una formulación multifásica aplicando el modelo de dos fluidos y en forma isotérmica. La turbulencia será modelada mediante los modelos k-e o LES según sea más conveniente. Como fue previamente mencionado el estudio se centra en el comportamiento de las campanas de los platos distribuidores del reactor. En particular se busca comparar dos diseños de campana diferentes, la primera denominada campana original, la cual fue utilizada hasta no hace mucho tiempo en el reactor HDS 601-B y la segunda denominada campana nueva, la cual es utilizada actualmente. Sin embargo, no solo el diseño de las campanas fue modificado sino también la cantidad de ellas sobre el plato de campanas y por supuesto la posición de las mismas. El diseño original constaba de 50 campanas en tanto que el nuevo plato distribuidor posee 292. Por tal motivo una vez determinada la superficie de “mojado” producida por una campana sobre el lecho fijo, se estimará la superficie mojada por el conjunto de campanas sobre el lecho, repitiendo n veces la solución obtenida para una campana. Primera etapa Durante la primera etapa se estudiará el comportamiento de la campana original (ver figura 2). Para ello se construirá un modelo computacional conteniendo la campana así como el espacio por debajo de la misma, de modo de conocer la trayectoria de la mezcla al atravesar la campana y alcanzar la superficie del lecho fijo. El modelo computacional podrá considerar una porción del dominio completo de la campana si la simetría de la misma lo permite (modelo axisimétrico). El dominio se extenderá en forma lateral a la campana de modo de poder capturar el comportamiento del flujo minimizando la influencia de las condiciones de contorno impuestas. La figura 3 muestra un ejemplo de modelo axisimétrico para una campana con simetría angular en la que se ha considerado solo una doceava parte del dominio total. Como puede observarse el ingreso de gas ocurre por la parte superior del dominio en tanto que la mezcla (líquido + gas disuelto) ingresa a través de una entrada por debajo de la superficie libre de la mezcla sobre el plato de campanas. El uso de estos modelos reducidos permite discretizar mejor la zona de mayor interés del dominio la cual está en el interior de la campana y debajo de la misma de modo de capturar con mayor precisión la distribución de la mezcla sobre el lecho fijo. El cambio en los caudales de líquido y gas que circula por cada campana modifican la altura del nivel de la mezcla sobre el plato así como la distribución de la mezcla sobre el lecho fijo. Por lo tanto se estudiará el comportamiento de la campana para tres condiciones de operación; caudal mínimo, caudal máximo y caudal normal. Segunda etapa La segunda etapa del estudio es análoga a la primera, pero en este caso, abordando la campana nueva. La figura 4 muestra el croquis de la misma. En este caso se trata de una campana rectangular no siendo posible utilizar modelos axisimétricos. Por tal motivo  se pueden aplicar condiciones de simetría de modo de resolver solo una cuarta parte del dominio total. Tercera etapa Esta etapa consiste en estimar la superficie total mojada por los platos de campanas (ver figura 5) al sumar la superficie mojada por cada una de ellas al considerar que todas tienen un comportamiento igual y por tanto la solución completa del plato es la suma de las soluciones parciales. El análisis se llevará a cabo para ambos platos de campanas de modo de poder identificar diferencias en el comportamiento global de los mismos y así concluir sí el nuevo diseño adoptado distribuye de mejor manera la carga sobre el lecho fijo del reactor. Cronograma de tareas Las tres tareas anteriormente mencionadas serán concretadas en un plazo máximo de 3 (tres) meses a partir del momento en que sea entregada la totalidad de la información requerida para cumplimentar las mismas (planos conforme a obra, flujos másicos para cada una de las fases y reología de las fases). Resultados a obtener A partir del estudio propuesto se espera obtener el patrón de velocidades para ambas fases (líquido y gas) así como el campo de presión y la fracción de volumen de cada una de las fases. El campo de velocidades junto con las fracciones de volumen permitirá extraer conclusiones acerca de la distribución de la mezcla al tomar contacto con la superficie superior del lecho fijo del reactor. De este modo se podrá concluir si la adopción de la nueva tecnología para las campanas y el plato de campanas producen una distribución más eficiente de la mezcla sobre la superficie del lecho catalizador.