Empleando la técnica de dinámica de fluidos computacional para analizar el PACK.

Jun 23, 2023

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 6588 (2022) Citar este artículo

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En este estudio, se ha caracterizado un innovador embalaje estructurado de malla metálica, a saber, el PACK-1300XY, con una superficie específica de 1300 m2/m3, mediante un enfoque de dinámica de fluidos computacional (CFD). De hecho, se analizaron diferentes características de este empaque (altura equivalente a una placa teórica, caída de presión húmedo/seco y eficiencia de transferencia de masa) analizando el régimen de flujo utilizando el enfoque CFD tridimensional con el escenario multifásico eulerian-eulerian. Los resultados mostraron una desviación relativa media del 16% (para la caída de presión húmeda), del 14% (para la caída de presión seca) y del 17% (para la eficiencia de transferencia de masa) entre las predicciones CFD y las mediciones experimentales. Estos excelentes niveles de coherencia entre los hallazgos numéricos y las observaciones experimentales avalan la utilidad del enfoque basado en CFD para la simulación confiable de procesos de separación.

Las tecnologías de separación, como la absorción basada en líquido iónico1,2 y la asistida por microvapor3, la adsorción4,5,6,7, la membrana8, la purificación circulante9 y la fluidización10,11,12, tienen una amplia gama de aplicaciones en diferentes aplicaciones. La columna de destilación es probablemente el proceso más conocido para separar la corriente de materia prima y de producto considerando la volatilidad relativa13,14,15. La columna de destilación puede manejar fácilmente un régimen de flujo en contracorriente entre corrientes de gas y líquido16. Las columnas de destilación equipadas con bandeja17 y empaquetadura18 son dos categorías principales a este respecto. Este último se divide en dos embalajes aleatorios y estructurados19.

Debido a que el empaque de estructura tiene una amplia gama de beneficios, incluido proporcionar una baja caída de presión, tener una alta eficiencia de separación y ser adaptable a las diferentes operaciones20, ha sido seleccionado para las torres de separación a gran escala21 y las industrias químicas nacionales. Para profundizar en el rendimiento de separación de los procedimientos químicos, es popular un tipo de embalaje estructurado, es decir, embalaje de láminas corrugadas22. Su material podría ser metales, cerámicas y plásticos23 dispuestos uno al lado del otro con direcciones de canal inversas. Por tanto, su porosidad es de alrededor del noventa por ciento, con una superficie específica atractiva que oscila entre 250 y 750 m2/m324.

Las caídas de presión seca y húmeda en las columnas de destilación están asociadas con la fase gaseosa y la corriente gas-líquido en contracorriente a lo largo de la altura de la columna, respectivamente25. Además, la altura equivalente a una placa teórica (HETP) y la retención de líquido son otras características esenciales de un embalaje26,27. Además, la eficiencia de separación del lecho empaquetado se ha definido mediante el valor HETP, que muestra la transferencia de masa de los rellenos. Cabe señalar que existe una relación proporcional entre estos parámetros28.

Entre los estudios numéricos para el flujo de fluido a través de los empaques, la dinámica de fluidos computacional (CFD) es un método eficiente para reducir el gasto económico de las mediciones experimentales29,30,31,32. Además, otro beneficio de este método computacional es la capacidad de estimar el efecto de diversos factores33,34,35. Para lograr este propósito, varios investigadores desarrollaron métodos de discretización precisos y algoritmos de solución, es decir, proporcionando un esquema computacional efectivo, para introducir un modelo preciso para la simulación del flujo en los empaques que sería la combinación de scripts y software internos. utilizado para este fin36.

En los últimos años, un enriquecimiento de componentes en la interfaz gas-líquido37,38 a escala atomística tiene una influencia importante en los mecanismos de transferencia de masa39,40,41. Además, varios estudios basados ​​en CFD han investigado el comportamiento del flujo multifásico de empaquetaduras con estructuras diferentes42,43,44,45. Además, el estudio de la representación empírica para uso comercial de láminas de embalaje corrugadas ha sido presentado en otros trabajos computacionales46,47.

Amini et al. fabricó diferentes empaquetaduras estructuradas de malla metálica con una superficie específica que varía de 860 a 2100 m2/m348,49,50. Observaron una caída de presión baja para las corrientes secas y húmedas, HETP bajo, área de superficie específica alta y retención de líquido alta para los empaques fabricados. También investigaron el efecto de diferentes condiciones operativas en el rendimiento de estos empaques estructurados empleando simulaciones de flujo multifásico.

Liu y sus compañeros de trabajo realizaron simulaciones CFD monofásicas tridimensionales para estudiar el comportamiento del lecho empacado giratorio (RPB) equipado con un empaque estructurado de malla de alambre de acero inoxidable51. Estudiaron la presión, la caída de presión y los perfiles de flujo de gas alrededor del empaque en función del caudal de gas y la velocidad de rotación. Además, mediante el análisis del comportamiento del flujo de gas y la distribución de presión y el método CFD, estudiaron la optimización de la geometría del empaque y del RPB. Cabe señalar que varios investigadores se centraron en la simulación del flujo bifásico52 y la transferencia de masa en la interfaz de los empaquetamientos estructurados53.

También se hicieron algunos esfuerzos para modificar los modelos actuales y aumentar la precisión del cálculo de la retención de líquido y la caída de presión en los empaques estructurados54 y la evaluación de la transferencia de masa55. Van Baten y Krishna investigaron los comportamientos de transferencia de masa del gas y el líquido en un empaque katapak-S54. Informaron una buena concordancia entre sus resultados y la correlación teórica presentada por Viva et al.56. Además, Manh et al. mediante el uso de simulación CFD se calculó la caída de presión seca y húmeda y la eficiencia de transferencia de masa en el nuevo empaque estructurado57. Los autores propusieron un modelo cercano a la geometría real. Los resultados de la simulación coincidieron bastante con los datos experimentales57.

Este estudio computacional tiene como objetivo caracterizar un empaque estructurado de gasa metálica recién fabricado que emplea el enfoque CFD. Otro objetivo es la evaluación de esta empaquetadura bajo diferentes condiciones de operación. Además, la técnica CFD ayuda a analizar el HETP, la eficiencia de transferencia de masa y la presión húmeda y seca de este nuevo empaque estructurado. En este enfoque, CFD caracteriza el nuevo empaque estructurado (PACK-1300XY) utilizando la mezcla de isopropanol/metanol.

La geometría del flujo del fluido newtoniano/incompresible dentro de la columna en condición isotérmica se ha simulado utilizando el modelo eulerio/euleriano de flujo multifásico58. Cabe señalar que se supone que todas las características relacionadas con el fluido tienen un comportamiento constante a lo largo de la altura de la columna.

Además, las siguientes ecuaciones se utilizan para calcular las leyes de conservación de masa y momento en un modo de volumen promedio, respectivamente59,60,61,62.

donde ρ, \({\upgamma }\), μ y U son la densidad del fluido, la fracción de volumen ocupado por fases, la viscosidad dinámica y la velocidad intersticial, respectivamente. Además de estos parámetros, Γ indica el factor de dispersión de la fracción de volumen, \(\mu_{e}\) y \(F_{\alpha }\) designan la viscosidad efectiva y la fuerza de arrastre interfacial, respectivamente.

Se utilizó la siguiente ecuación para calcular la relación de transferencia de masa:

donde N y NC muestran el número de fases y el número de ingredientes de la fase, respectivamente. Además, Y es la fracción en peso del iésimo ingrediente en una fase específica. \(m_{\alpha \beta }^{i}\) indica la masa transferida por unidad de volumen por unidad de tiempo del iésimo ingrediente de la fase \(\beta\) a la fase \(\alpha\). Es obvio que la fracción en peso debe satisfacer la siguiente ecuación:

La ecuación (5) presenta la base teórica para calcular \(m_{\alpha \beta }^{i}\) utilizando la teoría de dos películas. Esta ecuación establece que la suma de las fracciones de volumen de las fases gaseosa (\(\gamma_{G}\)) y líquida (\(\gamma_{L}\)) es igual a uno:

dónde

Es necesario resaltar que en este sentido se utiliza la transferencia de masa en interfase, que varios investigadores han descrito adecuadamente63.

Se utilizó una serie de etapas teóricas para predecir el valor de HETP de la siguiente manera63:

donde \(\lambda\) muestra las pendientes de las líneas de equilibrio por operación. Otros parámetros (kG, kL y ae) se obtienen directamente a partir del modelo propuesto por Bravo et al.16.

Debido a que lidiamos con características de flujo complicadas dentro del empaque estructurado, es inevitable utilizar el modelo turbulento para obtener resultados confiables. Por lo tanto, la revisión de la literatura aprobó que el modelo k − ω 'estándar' propuesto por Wilcox es un modelo turbulento adecuado para nuestro caso considerado64,65. Además, este modelo proporciona una predicción confiable de las características del flujo al considerar el tratamiento cerca de la pared para un número de Reynolds pequeño66,67,68,69.

Una de las ventajas de la formulación k – ω es el tratamiento cerca de la pared para cálculos de números de Reynolds bajos. El modelo no involucra las complejas funciones de amortiguación no lineales requeridas para el modelo k–ε y, por lo tanto, es más preciso y más robusto. Un modelo k–ε de Reynolds bajo normalmente requeriría una resolución cercana a la pared de y+ < 0,2, mientras que un modelo k–ω de Reynolds bajo requeriría al menos y+ < 2. En los flujos industriales, ni siquiera y+ < 2 puede garantizarse en la mayoría de los casos. aplicaciones y por este motivo; es necesario utilizar un tratamiento cerca de la pared. Permite un cambio suave desde una forma de número de Reynolds bajo a una formulación de función de pared. El modelo k – ω supone que la viscosidad de la turbulencia está vinculada a la energía cinética de la turbulencia y la frecuencia de la turbulencia mediante la relación:

Entre los pasos de las simulaciones CFD, el más crucial está relacionado con la preparación de una cuadrícula adecuada con una precisión aceptable70,71. Para lograr este propósito, primero se construye una geometría tridimensional bien definida con un número adecuado de elementos. Además, en este estudio se simulan doce láminas de embalaje dentro de un sistema cilíndrico. Para comprender mejor, en la Fig. 1 se ilustra la geometría computacional del empaque estructurado.

Las geometrías simuladas del PACK-1300XY.

Este estudio utiliza una malla metálica hecha de láminas de metal para fabricar el embalaje estructurado conocido como PACK-1300XY. Este embalaje fue introducido por Dinh Manh et al.72. También en esta investigación utilizamos los datos experimentales publicados72. El área específica y la porosidad son 1300 m2/m3 y 0,91, respectivamente. Cabe señalar que esta empaquetadura estructurada se considera una clase de tipo Y y tipo X con un ángulo de corrugación de 45° y 60°, respectivamente. El PACK-1300XY construyó 12 láminas, seis láminas con ángulos de corrugación de 60° y 45°. Los detalles completos del PACK-1300XY se presentan en la Tabla 1.

Para profundizar en la precisión de nuestros resultados, hemos empleado la celda tetraédrica 3D. Además, para verificar la independencia entre la red y HETP, se han utilizado varias densidades de malla diferentes, incluidas 1.520.000, 3.520.000, 5.230.000 y 13.680.000; consulte la Tabla 2. Esta tabla confirma una ligera mejora en el error relativo (~ 1% ) reduciendo el tamaño del elemento de 0,2 a 0,1 mm. En consecuencia, 0,2 mm parece un tamaño de elemento adecuado para discretizar el modelo.

Durante la inspección hidrodinámica del empaque considerado se investigan la eficiencia de transferencia de masa de flujo de dos fases, la caída de presión seca/húmeda y las mezclas binarias de isopropanol/metanol. Las propiedades de este sistema binario se presentan en la Tabla 3. Al considerar estos parámetros, en la sección superior de la columna, establecemos la velocidad de entrada para la condición límite y la presión de salida en la condición de salida. Cabe señalar que se deben aplicar consideraciones cuidadosas para determinar los valores correctos de la fracción de volumen, la fracción de masa del metanol en cada fase, las cantidades turbulentas y el componente de velocidad en las condiciones límite. De hecho, se utilizaron condiciones de contorno sin deslizamiento en la pared, modelo turbulento \(k - \omega\), tanto para corrientes de gas como de líquido.

El algoritmo SIMPLE (método semiimplícito para ecuaciones ligadas a la presión) (el método del volumen finito) se utiliza para calcular el acoplamiento entre la presión y la velocidad en la etapa numérica. Además, las ecuaciones relacionadas con la energía cinética turbulenta y el momento mediante la discretización de segundo orden a barlovento. Para las simulaciones computacionales se ha utilizado el paquete de software comercial CFX-18 (se considera el error residual de 0,0001 para justificar la convergencia).

La caída de presión seca a lo largo de la columna es un parámetro destacado73; su efectividad también debe considerarse otra característica importante para estimar la caída de presión húmeda. Además, el factor F definido en la ecuación. (12) muestra el volumen del gas en el lecho empacado.

En este estudio, la caída de presión seca y el campo de flujo del empaque considerado (es decir, PACK-1300XY) se calculan en modo de estado estacionario. Luego, los resultados se validan mediante mediciones experimentales en la literatura50. Además, para confirmar la confiabilidad y solidez del procedimiento de cálculo numérico realizado, se aplicó la caída de presión entre las corrientes de gas de entrada y efluente. Todos estos criterios llevaron a una precisión de convergencia de 1 × 10–6 para la investigación del efecto de la velocidad sobre la caída de presión. La Figura 2a indica la comparación entre los resultados de las simulaciones y las mediciones experimentales versus el factor F para PACK-1300XY. Además de la buena consistencia entre las simulaciones y los resultados experimentales, se puede observar una velocidad creciente para la correlación empírica y los resultados computacionales cuando se aumentó la caída de presión. Además, los resultados mostraron una desviación relativa media de ~ 14% para los hallazgos numéricos.

Las mediciones experimentales (triángulo rojo) y los resultados de la simulación (círculo azul) para la caída de presión seca (a) y húmeda (b) del PACK-1300XY en función del factor F.

Como se muestra en la Fig. 2a, debido a la distribución de la fase gaseosa en todos los empaquetamientos, siempre hay cantidades más bajas para los resultados de las simulaciones que los valores empíricos73. Otra razón de este comportamiento podría estar relacionada con el hecho de que existe una distribución uniforme de la fase gaseosa en el lecho empacado, lo que provocaría una reducción de la caída de presión resultante de los trabajos computacionales en comparación con las mediciones experimentales.

El perfil de la fracción de volumen de líquido se calculó para el sistema binario aire-agua a lo largo del lecho empacado y se muestra en la Fig. 3. Esta figura ilustra que el empaque estructurado simulado se cubrió con una fina capa de agua. Además, para comprender mejor la relación entre el caudal y la caída de presión del gas, comparamos los resultados de la simulación y las mediciones experimentales para la caída de presión de dos fases del sistema binario de aire y agua, que se proporciona en la Fig. 2b. . Se podría concluir que cuando aumentó la tasa de flujo de líquido, observamos una tendencia creciente en la caída de presión del gas al fijar la velocidad del gas. Este fenómeno se explicaría porque la disminución de la sección libre puede reducir la posibilidad de movimiento del flujo de gas. Además, las desviaciones relativas medias entre los resultados computacionales y las mediciones experimentales fueron de alrededor del 26 % para un caudal de líquido = 7,5 m3/m2 h; Factor F = 1,2 Pa0,5. También se podría concluir que a velocidades más altas del gas hay una tendencia a subestimar la caída de presión para el modelo a velocidades más altas del gas. Podría aclararse mediante una variedad de fenómenos principales que tienen un impacto clave en la caída de presión, aunque estas cantidades se han ignorado en los métodos computacionales, incluida la retromezcla de líquido, la canalización de flujo y la distribución de fase gas/líquido. En conclusión, es necesaria una distribución aproximada del flujo para lograr una estimación más precisa de la caída de presión en dos fases. Los resultados de este estudio mostraron una desviación relativa media de ~ 16% para los datos numéricos.

Distribución de líquido alrededor del PACK-1300XY obtenida mediante el modelado tridimensional (caudal de líquido = 7,5 m3/m2 h, factor F = 1,2 Pa0,5).

Según la Fig. 4, que es la distribución de la presión alrededor del empaque, la caída de presión húmeda a lo largo del PACK-1300XY es ~ 190 Pa/m.

El perfil de presión en el interior del PACK-1300XY (factor F = 1,2 Pa0,5, caudal de líquido = 7,5 m3/m2 h).

Como se mencionó anteriormente, el parámetro HETP es una característica importante para explicar la eficiencia de separación de la columna empaquetada26. Además, los perfiles de concentración y velocidad a lo largo de la altura del lecho empacado son necesarios para estimar la eficiencia de transferencia de masa de una columna de destilación equipada con empaquetamientos estructurados. Por lo tanto, es vital lograr la distribución de velocidades y las condiciones operativas para el cálculo del HETP74.

La Figura 5 compara la eficacia de transferencia de masa obtenida mediante los trabajos computacionales y experimentales para el PACK-1300XY. La comparación se realiza monitoreando el HETP del PACK-1300XY versus el factor F del gas. Además de las tendencias esperadas del HETP para los empaques estructurados proporcionadas en la literatura75,76,77, se puede observar en la Fig. 5. Además, hay un aumento gradual del HETP de 6 a 22 cm al aumentar las cantidades de 0,4 a 2,1 (kg/m3) 0,5 m/s. Otro hallazgo de esta figura es la diferencia entre los resultados computacionales y experimentales que aumentan al aumentar el factor F, aunque existe una tendencia similar entre ellos49. Los resultados computacionales se verifican mediante hallazgos empíricos50 y también el parámetro HETP es el resultado principal de estos ensayos y estima la altura de la columna. La posibilidad de que la transferencia de masa a través de la interfaz pueda verse influenciada por efectos interfaciales. Este fenómeno podría ser resistente a la transferencia de masa y afectar la concentración del material de salida39,40,41.

Las mediciones experimentales (triángulo rojo) y predicciones numéricas (círculo azul) del HETP del PACK-1300XY.

De manera similar al comportamiento de caída de presión seca, hay una cantidad menor para los resultados computacionales de HETP en varios valores del factor F en comparación con los resultados empíricos58 como se presenta en la Fig. 5. La razón de este comportamiento estaría relacionada con el supuesto de distribución uniforme. para las fases líquida y gaseosa en la técnica computacional que aumenta el área de transferencia de masa y, en consecuencia, reduce los valores de HETP y aumenta las tasas de transferencia de masa 48,58,78. Cabe señalar que en este estudio se observó una deficiencia relativa promedio de alrededor del 17% para los datos numéricos.

La Figura 6a presenta el contorno de la fracción de masa para la fase líquida de CH3OH para el PACK-1300XY con un factor F = 1,6 m/s (kg/m3)0,5 para diferentes segmentos horizontales y verticales. Además, en la Fig. 6b se representa el contorno de transferencia de masa bidimensional según la fracción de masa de CH3OH, donde hay una alteración extrema para la concentración de CH3OH a lo largo de las secciones horizontales y verticales.

(a) El contorno de la fracción de masa de la fase líquida de metanol y (b) el contorno de la fracción de masa bidimensional de la fase líquida de metanol.

Este estudio investigó con éxito varias características hidrodinámicas clave del innovador empaque estructurado de malla metálica, a saber, PACK-1300XY, aplicando simulaciones basadas en CFD. La atención se concentra en la investigación de la caída de presión (fases seca y húmeda), la eficiencia de transferencia de masa y la altura equivalente a una placa teórica. El HETP, que es un factor importante para la eficiencia de la transferencia de masa, se estudió para el sistema isopropanol/metanol. En este sentido se ha aplicado la técnica de simulaciones CFD tridimensionales con el esquema multifase eulerian-eulerian. Los resultados aprobaron que la desviación relativa media entre las predicciones computacionales y los resultados experimentales es de alrededor del 17% (para la eficiencia de transferencia de masa) y del 14% y 16% para la caída de presión seca y húmeda, respectivamente. Por lo tanto, el método de simulación podría utilizarse eficazmente como una herramienta confiable para la simulación de estos dispositivos.

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B. waferi

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Todos los autores contribuyeron por igual.

Correspondencia a HA Dhahad o B. Vaferi.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Recibido: 02 de noviembre de 2021

Aceptado: 11 de abril de 2022

Publicado: 21 de abril de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-10590-5

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