Traducción de literatura inglesa sobre ingeniería química.
Estudio de tomografía computarizada y rastreo de partículas de riser líquido-sólido
Autores: Shantanu Roy, Chen, Sailesh B. Kumar, M. H. Al-dah Han *y M. P. Dudukovic [*Indica significado del corresponsal].
Agencia: Laboratorio de Ingeniería de Reacción Química, Departamento de Ingeniería Química, Universidad Estatal de Washington, St. Louis, Missouri (63130).
Resumen: El lecho fluidizado circulante líquido-sólido es un dispositivo de reacción potencial que se usa ampliamente en diversos procesos industriales, como refinación de petróleo, química fina, productos petroquímicos y síntesis de alimentos. En estos procesos, el catalizador sólido que se desactiva rápidamente debe 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 establecer un modelo de velocidad sólida en el tubo ascendente y un modelo de reflujo sólido a la velocidad del fluido de prueba. ? Las tomografías computarizadas (TC) de rayos X mostraron concentraciones de sólidos ligeramente más altas en el medio de la columna de fraccionamiento. Esto contrasta con la situación en los reactores ascendentes gas-sólidos, que tienen mayores concentraciones de sólidos en las paredes de la torre.
Prefacio
Como dispositivo de reacción alternativo, el lecho fluidizado circulante líquido-sólido se ha promovido rápidamente en diversos procesos industriales, como la química fina, la síntesis de productos petroquímicos y la refinación de petróleo (Liang et al., 1995). Este proceso se logra en un reactor con reactivos en fase líquida (típicamente hidrocarburos a alta presión y baja temperatura) (Thomas, 1970) y catalizadores en fase sólida (Corma y Martínez, 1993), que pueden ser fácilmente casi inactivos. La reacción básica se completa en un tubo ascendente vertical con una alta relación de caudal líquido-sólido (en el tubo ascendente, el sólido pasa a estado licuado y puede ser transportado por el líquido). El catalizador desactivado se regenera en un proceso de tratamiento separado acoplado por sólidos circulantes y reacciones alcalinas en un ciclo interno continuo. El diseño y montaje de tales sistemas líquido-sólido de flujo continuo requiere comprender el modelo de flujo y la distribución del contenido de fase de cada fase. El propósito de este trabajo es estudiar experimentalmente la distribución de velocidades y tasas de contenido de la fase sólida en el tubo ascendente de un modelo de flujo de sistema líquido-sólido circulante a escala de laboratorio.
Experimento
El diagrama del equipo de lecho fluidizado circulante líquido-sólido a nivel de laboratorio se muestra en la Figura 1. El tubo vertical 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 eyector. Los eyectores (que tienen un caudal de sólidos calibrado en función del caudal de agua) se utilizan para controlar el método de flujo de líquido para mantener el flujo de material sólido en el tubo ascendente. La relación de caudal total sólido/líquido se puede ajustar a través de la placa de distribución en la parte inferior de la torre. La bomba en la circulación interna 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 torre 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, MO (Devanathan, 1991+0; Kumar, 1994). utilizados en este estudio Compactos y de baja viscosidad, solo los métodos de detección de fluidos no sumergidos, como CARPT y CT, pueden medir con precisión los caudales y concentraciones de sólidos. El equipo actual permite montar el elevador en la plataforma operativa CARPT-CT y se utilizó para este estudio. Mucho antes del estudio de la mecánica de fluidos en fase sólida, los analizadores de distribución del tiempo de residencia en fase líquida se aplicaban a la fase líquida. Después de una inyección de pulso rápido de solución de cloruro de potasio, se mide la conductancia de la fase líquida en un lugar determinado. Los resultados de este estudio se informaron en otros lugares (Roy et al., 1996) y encontramos que la fase líquida en realidad exhibe un potencial de flujo concentrado con efectos de dispersión mínimos. 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+0; Yang et al., 1992) introdujo partículas radiactivas de Sc-46 (longitud de onda de emisión de 350 Ci, vida media de 83 días) en una esfera hueca de aluminio. El tamaño y la densidad de las partículas se adaptan a las perlas de vidrio que se van a mezclar para preparar las partículas trazadoras. Utilizando el exquisito procedimiento de calibración CARPT (Yang et al., 1992), las partículas se colocan en aproximadamente 200-300 posiciones conocidas en la sección de reacción que se va a medir y se obtiene el diagrama de calibración de la relación distancia-densidad de cada detector.
Una vez completada la calibración, se establece y mantiene la velocidad supercrítica del líquido requerida para permitir que las partículas sólidas entren libremente en el campo de flujo, simulando el movimiento de las partículas de vidrio típicas. Después de un largo período de tiempo (8 horas), se registra la posición de la partícula trazadora (representada por el número de fotones captados por el detector) en función del tiempo. Posteriormente, al descartar y procesar los datos brutos aproximados, se pueden calcular las composiciones de fluidos promedio y fluctuantes, los coeficientes de viscosidad y las energías cinéticas de las partículas sólidas (Devanathan, 1991+0; Larach 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 porción reactiva de una columna de fraccionamiento detectada por un detector.
¿El escáner CT del Laboratorio de Ingeniería de Reacción Química del Departamento de Ingeniería Química de la Universidad Estatal de Washington, St. Louis, Missouri, utiliza la geometría de líneas sectoriales para medir? -La atenuación de la radiación después de que un rayo pasa a través de un objeto determinado en una columna ascendente. Luego se utiliza un medidor de atenuación gruesa para reconstruir la distribución de retención promediada en el tiempo de cada fase en la sección transversal. La fuente radiactiva se colocó en 100 mCi de isótopo Cs-137 y la prueba de atenuación se realizó utilizando un conjunto angular compuesto por 11 detectores de yoduro de sodio (máximo). Para reconstruir la imagen obtenida en el proyector se utiliza el algoritmo de maximización de expectativas (Lange y Carson, 1984) basado en el principio de máxima verosimilitud. Los detalles del software y hardware de los escáneres CREL han sido discutidos por Kumar et al (1995) y Kumar y Dudukovic (1997). En este estudio, el tubo ascendente líquido-sólido se escaneó en cuatro posiciones axiales a lo largo de la torre.
Resultados y Discusión
Los experimentos se realizaron en el rango de velocidad supercrítica del líquido (12-23 cm/s). Este estudio informa resultados típicos obtenidos para un sistema que opera a una velocidad de líquido supercrítico de 20 cm/s. En todos los experimentos se 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 la parte inferior del tubo ascendente se mantiene en 33 galones/minuto, de modo que la velocidad promedio del líquido supercrítico en la torre puede alcanzar los 20 cm/s
La Figura 2 muestra el caudal supercrítico del líquido de 20 cm/s en cuatro condiciones. Gráficos de distribución del contenido de sólidos radiales (concentración de sólidos) medios logarítmicos y promediados en el tiempo medidos en cada posición axial. Se observa que el orden del contenido de sólidos no cambia mucho al aumentar la posición radial (el cambio máximo es. 4%), pero disminuye ligeramente con los cambios en la posición axial (el cambio máximo es del 4%). La retención de sólidos en cualquier ubicación axial determinada es ligeramente mayor en el centro de la torre en comparación con las paredes de la torre. Este es un resultado interesante porque se ha informado ampliamente de la tendencia opuesta en los elevadores de gas y sólidos (Rhodes y Geldart, 1989; Rhodes, 1990). El gradiente radial de la distribución de retención de sólidos aquí también es menor.
La Figura 3 muestra el campo de velocidad del sólido estimado en el experimento CARPT. La Figura 3a es un diagrama vectorial de velocidad. Desde una perspectiva promedio de tiempo, se puede ver claramente que 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 los componentes axiales promediados en el tiempo de la velocidad del flujo sólido en cuatro ubicaciones en el medio de la columna también tienen los mismos resultados cuantitativos. Cabe señalar que la velocidad aguas abajo de la fase sólida en la pared de la columna es menor que la velocidad del fluido aguas arriba, y la masa total de la fase sólida aguas abajo sigue siendo satisfactoria (9,6% en este experimento). El gráfico del contenido de sólidos a 33 cm de altura de la torre está generalmente en orden. Esta altura está justo encima del distribuidor e inyector de la columna (Figura 1), que forma parte de la zona de mezcla y obviamente tiene un contenido de sólidos menor que la altura de 78 cm. Los resultados experimentales de CARPT también confirman esto: la Figura 3a muestra claramente que la dirección del vector de velocidad sólido está orientada aleatoriamente a esta altura, y aparecen círculos de circulación claros en las posiciones más altas de la torre. Por lo tanto, todavía hay que tener en cuenta el fluido a una altura de 33 cm en la torre, que muestra un comportamiento claramente diferente al del resto de la torre. Mediante un nuevo método, la distribución del tiempo de residuos sólidos (RTD) en el tubo ascendente se puede calcular indirectamente a partir de los datos CARPT. Debido a que las partículas trazadoras se consideran un componente disperso típico que puede reciclarse en el tubo ascendente, la distribución de cada tiempo de residencia en el tubo ascendente es su valor RTD. El "tiempo restante" obtenido de estas recopilaciones de datos ininterrumpidas se representa como un histograma en la Figura 4. Haga una suposición arbitraria que proporcione el valor RTD para la fase sólida. Finalmente, en la Figura 5, se representa la velocidad axial promedio del sólido en la dirección axial en función de la velocidad supercrítica del líquido. Los experimentos bajo diferentes condiciones muestran que la velocidad de la línea central de la torre y la pared de la columna (aguas abajo) generalmente aumenta.
Por supuesto, esto también puede deberse a un aumento en el módulo sólido causado por un módulo líquido más alto en la misma sección, lo que resulta en un aumento en la velocidad promedio del sólido. Con base en estos experimentos, los resultados parecen indicar que a medida que aumenta la velocidad supercrítica del líquido, la velocidad del sólido se acerca a un "valor de saturación". Sin embargo, estos resultados aún deben ser verificados mediante más experimentos en el futuro.
Conclusión
Hasta hoy, el diseño de lechos fluidizados y risers se ha mantenido al nivel de reglas empíricas. Los fenómenos reales en tales sistemas son mucho más complejos que los resultados obtenidos de los algoritmos de aproximación heurística que subyacen al procedimiento de diseño. Por lo tanto, los usuarios y diseñadores de elevadores líquido-sólidos pueden inspirarse en gran medida en los conocimientos básicos de la mecánica de fluidos en dichos sistemas. El estudio actual es sólo un pequeño paso hacia los aspectos cuantitativos de experimentos similares. En CREL (el laboratorio del autor), se están realizando trabajos de investigación sobre configuraciones de elevadores para diferentes condiciones operativas y diferentes tamaños de partículas. En el futuro también está previsto estudiar los fenómenos estáticos en estos sistemas. Los datos se procesarán aún más para calcular la energía cinética, el esfuerzo cortante viscoso y el coeficiente de dispersión viscosa de la fase sólida. El objetivo general de este esfuerzo de investigación es comprender algunas de las variables clave que influyen en la eficiencia del elevador líquido-sólido y luego estudiar las leyes más fundamentales del aumento proporcional. Esperamos que nuestros datos experimentales puedan servir como punto de referencia para simulaciones dinámicas por computadora de fluidos ascendentes líquido-sólidos.
El título del gráfico se traduce de la siguiente manera:
Figura 1. Esquema del equipo riser líquido-sólido
Figura 2. Distribución de la tasa de contenido sólido (concentración) en diferentes posiciones axiales bajo una velocidad supercrítica del líquido de 20 cm/s.
Figura 3. Campo de velocidad sólido bajo velocidad supercrítica de líquido de 20 cm/s: (a) diagrama vectorial de velocidad; (b) diagrama de velocidad promedio axial.
Confirmación (omitida)
Referencias (omitidas)