Evaluación de la transferencia de calor en estado estacionario y dinámico de un lecho quasi-adiabático y con calentamiento en la pared con una baja relación de dt/dp/ Público Deposited
En la búsqueda de nuevos procesos que tengan un bajo impacto ambiental y energético para la producción de etileno, se ha propuesto la deshidrogenación oxidativa de etano a etileno (DHO). No obstante, en la actualidad no se tiene una unidad industrial para llevar a cabo esta oxidación selectiva. El reactor de lecho empacado con baja relación diámetro de tubo diámetro de partícula (dt/dp < 10) se ha propuesto como la principal tecnología para llevar a cabo esta reacción. En este tipo de reactores también se llevan a cabo una amplia gama de oxidaciones selectivas de hidrocarburos, como la oxidación parcial de o-xileno a anhídrido ftálico, la oxidación de etileno a óxido de etileno, entre otras. A pesar de que este tipo de reacciones han sido estudiadas desde el principio del siglo XX, hoy en día no existe un modelo generalizado capaz de describir el comportamiento de estas reacciones en un reactor industrial de lecho empacado con calentamiento en la pared. En la literatura, lo anterior se le atribuye a la mala caracterización de los mecanismos de transferencia de calor y reacción, así como también a la no consideración de perfiles de fracción vacía y velocidad, los cuales interactúan de manera compleja con los mecanismos mencionados. Diversos autores en la literatura señalan que para tener un entendimiento sobre la transferencia de calor en un sistema es indispensable conocer los parámetros que caracterizan sus mecanismos: conductividad térmica, coeficiente de transferencia de calor y/o el coeficiente de transferencia de calor global, según sea el caso. Para la determinación de los parámetros de transferencia de calor en un reactor industrial de lecho empacado con baja relación dt/dp, la metodología convencional es estudiar el transporte de calor en ausencia de reacción en sistemas experimentales que manejan condiciones de operación y características geométricas similares a las del reactor industrial. Sin embargo, en la literatura existen grandes diferencias y poca certidumbre sobre la obtención de dichos parámetros debido a que se han obtenido mediante diferentes condiciones que implican diferentes sistemas, geometrías, materiales, número de Reynolds de partícula y relación dt/dp, entre otras. El objetivo de este trabajo es caracterizar la transferencia de calor en un lecho empacado en ausencia de reacción, considerando la hidrodinámica, para posteriormente emplear esta información en el diseño conceptual de un reactor industrial de lecho empacado donde se iv tenga lugar una oxidación selectiva. Implícitamente, dentro de este objetivo general, se tienen objetivos particulares como la estimación de parámetros efectivos de la transferencia de calor en estado estacionario y transitorio. Primero se estudió el clásico sistema de un lecho empacado quasi-adiabático en donde se caracterizó la transferencia de calor axial mediante la estimación de la conductividad térmica efectiva axial. Después se estudió el sistema de un lecho empacado con calentamiento en la pared para caracterizar la transferencia de calor axial y radial mediante la estimación de la conductividad térmica efectiva radial y el coeficiente de transferencia de calor de pared. El papel de la hidrodinámica y los gradientes de temperatura en la transferencia de calor se evaluaron en este lecho. Las observaciones experimentales de temperatura en estado transitorio y estacionario, con las cuales se validaron las distintas aproximaciones propuestas en este trabajo, se obtuvieron de trabajos anteriores dentro del grupo de investigación. Las contribuciones principales de este trabajo se pueden resumir de la siguiente manera: Se elucida la importancia de la contribución sólida (estática) sobre la transferencia de calor, esencialmente cuando el lecho adiabático o no adiabático opera en estado transitorio. La hidrodinámica influye significativamente en los mecanismos radiales de transferencia de calor. Se desarrollaron correlaciones para evaluar los parámetros de transferencia de calor tomando en cuenta las contribuciones estática y dinámica. Se hace notar la diferencia de los valores de las keff,r utilizando diferentes aproximaciones.
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