Modelamiento y simulación de procesos usando fluido-dinámica computacional

Abstract

En la ingeniería de procesos, se busca el desarrollo de procesos eficientes, seguros y rentables. Para lograr esto, primero se debe obtener el entendimiento de los fenómenos que intervienen en estos sistemas y así aplicarlo en el diseño, optimización y control de procesos. La dinámica de fluidos computacional (CFD) es una herramienta atractiva que se puede emplear para resolver estos problemas de manera eficiente y económica, brindando el entendimiento necesario del comportamiento de estos sistemas. En este trabajo se busca estudiar la aplicación de CFD en diferentes sistemas, así como adaptar y evaluar una metodología para la implementación de simulaciones, usando el software COMSOL Multiphysics®. Con el fin de involucrar desde hidráulica simple hasta casos multifísicos, se seleccionaron cuatro casos de estudio diferentes con relevancia en ingeniería química. Los sistemas estudiados fueron: un floculador, tanques agitados, un reactor de lecho empacado (PBR) y un dispositivo de separación de fases inmiscibles en micro-canales. El caso de estudio que se tiene como eje central de este trabajo es acerca de la separación de fases inmiscibles en micro-canales. Se ha demostrado que empleando membranas líquidas en flujo de Taylor (LMTF), se ha mejorado el desempeño del sistema de extracción en comparación con diseños convencionales (Pérez-Ávila, 2014). Teniendo en cuenta la importancia de las etapas de separación en los bio-procesos, se cree que el mecanismo de separación de fases estudiado puede ser útil para el desarrollo del sistema de perstracción. Se emplearon simulaciones en CFD para evaluar diferentes diseños y configuraciones de un dispositivo de separación basado en la mojabilidad preferencial de los fluidos hacia ciertos materiales. Estos resultados fueron aprovechados para la construcción y posterior prueba de un prototipo experimental. A través de simulaciones en CFD fue posible también estudiar diferentes geometrías de un floculador hidráulico, identificando así configuraciones que permiten mejorar el desempeño del proceso. Adicionalmente, se estudió y comparó con otra aproximación de CFD el comportamiento del flujo en sistemas agitados. Se estudió un PBR empleando simulaciones en CFD y 1D en MATLAB®, donde se tuvo en cuenta los múltiples fenómenos del sistema y la resistencia de transferencia de calor y masa intrapartícula. Se considera que tanto la metodología como los casos de estudio van a ser una base para el fortalecimiento en fenómenos de transporte para diseño y optimización de procesos en ingeniería química

Abstract: In process engineering, the development of efficient, safe and profitable processes is sought. To accomplish this, the understanding of the phenomena that intervene in these systems must be obtained and so apply it in the design, optimization and control of the process. Computational fluid dynamics (CFD) is an attractive tool that can be used to solve these problems efficiently and economically providing the necessary understanding about these systems behavior. In this work it is wanted to study the application of CFD in different systems and adapt a methodology for the implementation of simulations, using the software COMSOL Multiphysics®. In order to involve from simple hydraulics to multiphysics cases, four different cases with relevance in chemical engineering were selected. The studied systems were: a flocculator, stirred tanks, a packed bed reactor and a micro-channel immiscible phase separation device. The central case study in this work is about the separation of immiscible phases in micro-channels. Recently it has been shown that using microchannel liquid membranes in Taylor flow (LMTF), the separation performance is intensified compared to conventional designs (Pérez-Ávila, 2014). Having into account the importance of the separation stages in bioprocesses, it is believed that the phase separation mechanism studied will be useful for the development for the perstraction system. CFD simulation were employed to evaluate different designs and configurations of a separation device based on the preferential wettability of fluids to certain materials. These results were used for the construction and subsequent testing of an experimental prototype. Through CFD simulations it was also possible to study different geometries of a hydraulic flocculator, thus identifying configurations that improve process performance. Additionally, the behavior of the flow in agitated systems was studied and compared with another CFD approach. A PBR was studied using simulations in CFD and the 1D models in MATLAB®, where the multiple phenomena of the system and the intraparticle heat and mass transfer resistance were having into account. It is considered that the methodology and the case studies will be a basis for the strengthening of transport phenomena for the design and optimization of processes in chemical engineering