Modelo de un lecho fluidizado de flujo descendente bifásico y trifásico
| Autor: | GUILLERMO BENITEZ OLIVARES |
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| Přispěvatelé: | MONICA ALICIA MERAZ RODRIGUEZ, FRANCISCO JOSE VALDES PARADA, ALBERTO SORIA LOPEZ |
| Rok vydání: | 2021 |
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| Zdroj: | Universidad Autónoma Metropolitana UAM Repositorio Institucional de la UAM Iztapalapa |
| DOI: | 10.24275/uami.g732d907d |
| Popis: | La fluidización de flujo descendente es una operación unitaria atractiva porque permite tener una circulación suave del fluido y el material de soporte sólido, así como una operación ininterrumpida y controlada del fluido a tratar. La motivación de esta investigación, está basada en la búsqueda de modelos matemáticos que permitan describir este fenómeno y apoyen la descripción hidrodinámica durante el tratamiento de aguas residuales. Los modelos que se presentan en este trabajo, están basados en la física operacional de la fluidización de flujo descendente. La característica principal de estos sistemas es la curva de la velocidad mínima de fluidización, la cual, en este caso no tiene una meseta donde la caída de presión es constante, a diferencia de los sistemas de fluidización ascendente donde si existe. Dicha caída de presión, está dada en función de la densidad de las partículas utilizadas. En los sistemas de fluidización descendente, la densidad de las partículas es menor a la densidad del fluido donde se encuentran dispersas. El transporte de cantidad de movimiento en lechos fluidizados generalmente se modela mediante modelos macroscópicos. Dichos modelos se expresan en términos de coeficientes de medio efectivo que vienen de desarrollar analogías con el transporte en medios porosos, que en este caso se suponen como un lecho fijo. En la práctica, es deseable deducir estos modelos y predecir los coeficientes involucrados de una manera confiable, al obtener el significado físico de dichos coeficientes asociados al transporte de cantidad de movimiento. El lecho fluidizado a modelar, es un sistema de tres fases (trifásico) que contiene a las partículas sólidas, el gas que se produce al tratar aguas residuales y el líquido en donde están inmersas e interactuando tanto las partículas como las burbujas de gas. Debido a la complejidad matemática que representa el abordar directamente el sistema trifásico, el desarrollo de este trabajo se propone de manera escalonada. Lo anterior quiere decir que primero se analizan las interacciones bifásicas líquido-sólido y líquido-gas, de donde se obtienen las características físicas, regiones de promediado junto con la propuesta de ecuaciones y condiciones de frontera asociadas. Una vez realizados estos análisis y al haber obtenido dichos parámetros, estas simplificaciones se emplean en el sistema trifásico, dando lugar a un modelo que contiene las características descriptivas de la interacción con todas sus fases. En la primera parte de este trabajo se desarrolla un modelo macroscópico para la hidrodinámica de la fluidización de flujo descendente, utilizando el método del promedio volumétrico, obteniendo un modelo con la forma de la ley de Darcy con una corrección en la velocidad relativa del fluido respecto del sólido. Una característica destacada del modelo es que permite predecir el coeficiente de permeabilidad aparente en diferentes geometrías y en diferentes condiciones de transporte. Además, el modelo promedio obtenido se puede usar para ambos tipos de fluidización (ascendente o descendente), ya que no está restringido por la dirección del flujo. En la segunda parte del trabajo, para el modelado del flujo bifásico líquido-gas, se desarrolla un modelo de medio efectivo y se usa para predecir la hidrodinámica del flujo de burbujas en su velocidad terminal por medio de una versión abreviada del método del promedio volumétrico. Este modelado, es un problema desafiante en hidrodinámica debido a la complejidad para determinar la estructura del movimiento de la fase gaseosa. En este caso, el transporte de cantidad de movimiento de dicha fase se estudia realizando simulaciones numéricas directas. El modelo resultante, es aplicable para describir la velocidad en las dos fases, una vez que las burbujas han adquirido la velocidad terminal. Dicho modelo consta de dos ecuaciones promedio expresadas en términos de cuatro coeficientes de medio efectivo de permeabilidad aparente. Estos coeficientes se determinan a partir de la solución de los problemas de cerradura asociados a un nivel de escala de una burbuja. El modelo se valida mediante la comparación de los campos de velocidad de la fase gaseosa con los datos de la velocidad que surgen de simulaciones numéricas directas y con resultados experimentales de sistemas de burbujas que miden la velocidad terminal. En la tercera y última parte del trabajo, se utilizan los parámetros físicos obtenidos de los modelos anteriores, las regiones de promediado y las expresiones de cantidad de movimiento tales como las ecuaciones de continuidad y de transporte asociadas a cada fase y las condiciones de frontera correspondientes a cada interfase. Cabe señalar que en esta parte del modelado, se considera la variación en el tiempo, la cual es una variable que no se toma en cuenta en los modelos bifásicos. El modelo macroscópico trifásico obtenido queda en términos de los coeficientes asociados de los problemas de cerradura desarrollados, que en este último caso también consideran términos temporales. En general, durante el desarrollo de los modelos bifásicos se obtienen las permeabilidades aparentes en cada uno de ellos. En el sistema trifásico, queda expresado el modelo macroscópico en términos de los coeficientes efectivos de transporte que del mismo modo que para los sistemas bifásicos son permeabilidades aparentes. Como como prospectiva de análisis, dichos coeficientes efectivos de transporte, se pueden emplear para la determinación de los parámetros de los sistemas de bombeo necesarios para la implementación experimental y de una adecuada velocidad mínima de fluidización. |
| Databáze: | OpenAIRE |
| Externí odkaz: |
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