Análisis del flujo y cambio de escala en sistemas líquido-gas

Resumen

Los reactores con dos fases se emplean en una gran variedad de aplicaciones industriales. Se pueden encontrar ejemplos en las industrias químicas, petroquímica, bioquímica y de procesado de minerales. El trabajo experimental fue llevado a cabo en dos tanques con geometría cilíndrica y fondo cónico (1,236 m de altura y 0,42 m de diámetro; y 3,61 m de altura y 1,25 m de diámetro), siendo ambos semejantes geométricamente, uno modelo y otro prototipo a escala de planta piloto. Se empleó agua y aire con las fases líquido y gas en los experimentos. El aire fue inyectado por medio de 12 boquillas (de 1 mm de diámetro) instaladas en el fondo del tanque. El conducto de elevación en posición axial central tuvo diámetros de 44,82,125,250 y 400 mm, y cada uno de ellos con diferentes alturas (primer tanque 630 y 1050 mm) (en el segundo tanque 1270, 2075 y 3160 mm). La altura de líquido contenida en el segundo tanque fue modificada a tres niveles 1395, 2250 y 3610 mm, para poder comparar los resultados obtenidos según la variación de la relación altura/diámetro de tanque. Se han determinado experimentalmente las siguientes variables mediante las técnicas que se mencionan a continuación. La velocidad de líquido en la zona anular de descenso por medio de la técnica de trazador térmico, y de la técnica de anemometría lase-Doppler; la velocidad de líquido en el conducto de elevación de obtuvo a partir de las velocidades de líquido en la zona anular de descenso utilizando la ecuación de continuidad del caudal de líquido, además se empleó un tubo de pitot para la medida de la velocidad máxima en el eje axial del conducto de elevación. Se han contrastado los resultados obtenidos con las tres técnicas anteriores. La fracción de gas en el conducto de elevación y las pérdidas de presión a la entrada y a la salida de dicho conducto han sido determinadas por métodos manométricos. Los tiempos de mezcla y las fracciones de volumen perfectamente mezclado y de volumen muerto se han obtenido mediante la aplicación de técnicas de trazador térmico. Se han estudiado los mdoelos hidrodinámicos propuestos para los tanques airlift con circulación interna (sistemas líquido-gas), correlacionando la fracción de gas en el conducto de elevación según los modelos de Bello y Chakravarty, de Zuber y Findlay, de Clark y Flemmer. La velocidad de líquido se ha correlacionado según el modelo de Moo-Young, y se ha determinado utilizando el modelo de balance de presiones considerándose los términos según Chisti y otros autores. También se ha propuesto una expresión adimensional para la predicción de la velocidad superficial de circulación del líquido en el conducto de elevación a partir de la velocidad superficial del gas en el mismo, y de grupos adimensionales tales como el Reynolds del gas, la fracción de gas en el conducto de elevación; así como de parámetros geométricos tales como la razón de diámetros del conducto y del ataque, y de la razón de las alturas del conducto de elevación y del tanque. Esta última expresión ha sido modificada para tanques con dispersión libre del gas relacionándose la velocidad media de circulación del líquido con la velocidad superficial y el número de Reynolds del gas en el tanque. Por otra parte también se ha estudiado la expresión de Chisti, proponiéndose modificaciones a esta para la predicción de las pérdidas de presión a la entrada y a la salida del conducto de elevación, pudiéndose estimar los valores de los coeficientes de pérdida de presión a la entrada y a la salida del conducto de elevación en función de las razones de las variables geométricas de diseño del tanque. Se ha correlacionado el tiempo de mezcla con el consumo específico de energía, y las variables geométricas siguiendo las expresiones de Szekely, Sano y Mori, Paul y Ghosh, y Guthrie y Mazumdar. Asimismo se ha propuesto una expresión adimensional para la determinación de los tiempos de mezcla en los tanques con conductos de elevación relacionándose con los tiempos de residencia del líquido y las razones geométricas de diámetros del conducto y del tanque, y de alturas del conducto de elevación y de líquido en el tanque. Dicha expresión se veía reducida a una relación entre el tiempo de mezcla y el tiempo de residencia del líquido en los tanques con dispersión libre del gas. Por último, a partir de los resultados obtenidos de las fracciones de volumen de mezcla y de volumen muerto en ambos tanques en todas sus configuraciones, se ha apreciado que se conserva el flujo en el cambio de escala, y que son los parámetros geométricos del tanque y del conducto de elevación los de mayor influencia