Análisis no lineal de reactores agitados continuos a partir de modelos de mezcla perfecta y dinámica de fluidos computacional

Abstract

"Los reactores agitados continuos (RAC) son equipos de proceso utilizados extensamente en la industria química. Para fines de modelación y enseñanza, por lo general se considera su operación con mezclado perfecto. En la medida en que los modelos de mezcla perfecta se hacen no lineales por efecto de cinéticas complejas o acoplamiento de balances de materia y energía, se observa multiplicidad de estados estacionarios. En trabajos experimentales con RAC también se han detectado comportamientos de multiplicidad que difieren de los predichos por modelos de mezcla perfecta. Este enfoque práctico de modelación carece de elementos que lo acerquen a la realidad geométrica y operacional de reactores experimentales. Por otra parte, el análisis de reactores experimentales requiere de considerables recursos, tanto económicos, como de operación. En esta tesis se comparan los estados estacionarios y el comportamiento transitorio obtenidos a partir del modelo de mezcla perfecta de un RAC con los obtenidos a partir de dinámica de fluidos computacional (CFD) para un sistema bidimensional, bajo la hipótesis de que esta herramienta puede representar más adecuadamente la complejidad espacial y operacional de este tipo de equipos. Mediante CFD fue posible el análisis de un amplio rango de condiciones vía simulaciones computacionales, tomando como base un sistema reactivo de estequiometría general 𝐴 + 𝐵𝑐𝑎𝑡→ 𝐶 exotérmico, con cinética de primer orden. Para el modelo de mezclado perfecto se consideraron los balances de especies químicas y calor, se realizó un análisis de bifurcación y a partir de éste se obtuvo un plano fase del sistema utilizando dos subrutinas de MATLAB: MATCONT y PPLANE, respectivamente. Teniendo como base las especificaciones del plano fase seleccionado, en una representación bidimensional de un RAC simulado en ANSYS FLUENT se analizó el efecto de la geometría (relación diámetro de impulsor a diámetro de tanque), de la variación de condiciones iniciales (concentración de glicidol y temperatura), velocidades de agitación (50, 200 y 350 rpm), así como la ocurrencia de patrones de flujo no ideal, lo cual implicó la resolución de ecuaciones de conservación de materia, momentum, calor y especies químicas correspondientes. Los resultados obtenidos muestran las diferencias que los factores de estudio generan, teniendo como principales observaciones: la detección de solo los estados estacionarios estables en CFD, que son comparables a dos de los tres estados estacionarios detectados con el modelo de mezclado perfecto, pero con distintos valores (hasta 1.5 y 5.87 % de diferencia para la concentración y temperatura estacionarios, respectivamente). Se observó el acercamiento del valor del estado estacionario de CFD al de mezcla perfecta al aumentar la velocidad de agitación y la naturaleza oscilatoria de uno de los dos estados estacionarios. Finalmente, el análisis de los diagramas de contorno de la función de corriente y de líneas de trayectoria permitió identificar la existencia de varios mecanismos de flujo no ideal en el RAC evaluado"