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Revista Internacional de Métodos Numéricos para Cálculo y Diseño en Ingeniería
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Vol. 33. Núm. 3 - 4.
Páginas 155-163 (Julio - Diciembre 2017)
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Vol. 33. Núm. 3 - 4.
Páginas 155-163 (Julio - Diciembre 2017)
DOI: 10.1016/j.rimni.2016.04.002
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Análisis numérico de la hidrodinámica y la transferencia de calor del flujo gas-sólidos en dos configuraciones de salida de un riser industrial usando la teoría meso-escala para predecir el arrastre interfacial
Numerical analysis of gas-solids flow hydrodynamics and heat transfer in two outlet configuration industrial riser using mesoscale theory to predict the interfacial drag
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I. Paz-Paredesa,b,
Autor para correspondencia
jipazpa@gmail.com

Autor para correspondencia.
, J.G. Barbosa-Saldañaa, E. Arce-Medinac, L.A. Moreno-Pachecoa, P. Quinto-Dieza
a Instituto Politécnico Nacional, UPALM, ESIME-SEPI LABINTHAP, México, D.F. C.P. 07738
b Instituto Mexicano del Petróleo, Lázaro Cárdenas No. 152. Gustavo A, Madero, México, D.F. C.P. 07730
c Instituto Politécnico Nacional, UPALM, ESIQIE-DIQI-Diseño de Procesos, México, D.F. C.P. 07738
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Tabla 1. Condiciones de operación para el caso del riser industrial
Tabla 2. Ecuaciones de balance y ecuaciones constitutivas que forman el modelo CFD
Tabla 3. Esquema numérico para la discretización espacial [40,41]
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Resumen

Se analizan numéricamente dos configuraciones de un riser del proceso FCC variando la disposición de la salida superior, usando un modelo CFD en 2D que incluye el Modelo de los Dos Fluidos (TMF), la Teoría Cinética del Flujo Granular (KTGF) y como modelo de arrastre el modelo de la Minimización de la Energía Multi-Escala (EMMS). El modelo se resuelve a través del programa ANSYS Fluent® 14.5 solucionando las ecuaciones de balance de masa, momentum y energía; y ecuaciones constitutivas para calcular la interacción entre las fases, la fase sólida con las paredes, y las propiedades de la fase granular. El modelo propuesto en este trabajo predice adecuadamente el comportamiento del flujo gas-sólido, prediciendo diferentes patrones de flujo en las coordenadas axial y radial del riser; así como zonas concentradas y diluidas de sólidos en la parte baja y alta del riser, respectivamente. Las fluctuaciones en la concentración y las velocidades de los sólidos tanto radial como axialmente que se observan son producto del alto grado de mezclado radial que se acentúa cerca de las paredes del riser debido al arrastre considerado por el modelo utilizado. Por otro lado se observa una rápida estabilización térmica radial y axial alcanzando en poco tiempo el estado estacionario. Los perfiles obtenidos en las dos configuraciones analizadas son muy similares, lo que motiva a que en trabajos futuros se analicen otras configuraciones de salida del riser que permitan mejorar los patrones de concentración y velocidades de los sólidos.

Palabras clave:
Modelo CFD
Riser
Proceso FCC
Hidrodinámica
Flujo gas-sólidos
Transferencia de Calor
Abstract

In the FCC process two configurations riser are numerically analyzed varying the upper outlet orientation using a 2D CFD model which includes the Two Fluid Model (TFM), Kinetic Theory of Granular Flow (KTGF), and Energy Minimization Multi-Scale (EMMS) theory as drag model. This model is solved using the ANSYS Fluent® 14.5 software, solving the governing equations of mass, momentum, and energy balance; and the constitutive equations to calculate interfacial interaction, wall-solid phase interaction, and granular phase properties. The model proposed in this work properly predicts the gas-solid flow behavior, predicting different solid flow patterns in radial and axial riser directions, as well as concentrated and diluted zones at riser's top and bottom respectively. The radial and axial solids concentration and velocities profiles fluctuations observed are produced by the high radial solid mix which is higher near the riser walls due to drag force considered by the model used. On the other hand, a rapid radial and axial thermal stabilization is observed reaching the steady state rapidly. The profiles obtained from riser configurations analyzed are very similar, so in future works other riser outlets configurations will be analyzed to try to improve the solid concentration and velocity profiles.

Keywords:
CFD Mode
Riser
FCC Process
Hydrodynamics
Gas-solid flow
Heat Transfer
Nomenclatura
Ar

Área del riser, m2

Ai

Área de las entradas laterales del riser, m2

c

vector de velocidades espaciales, m s–1

CDO

Coeficiente de arrastre, -

cp

Capacidad calorífica a presión constante, J kg–1K–1

d

Diámetro de partícula, m

e

Coeficiente de restitución entre partículas, -

eW

Coeficiente de restitución con las paredes, -

g

Gravedad, m s–2

g0

Función de distribución radial, -

h

Entalpia específica, J kg–1

hriser

Altura del riser, m

I

Tensor unitario, -

p

Presión, kPa

ΔP

Caída de presión, kPa

ps

Presión de los sólidos, kPa

Rek

Número de Reynolds

t

Tiempo, s

T

Temperatura, K

ν

Velocidad, m s–1

νg

Velocidad de fluidización del gas, m s–1

νr,s

Velocidad terminal de la fase sólida.m s–1

νs

Velocidad de los sólidos dentro del riser, m s–1

νs,slip

Velocidad de deslizamiento de las partículas sobre las paredes, m s–1

νst,W

Velocidad tangencial de las partículas sobre las paredes, m s–1

Wr

Flux másico de los sólidos dentro del riser, kg m–2 s–1

x, y

Coordenadas, m

Letras griegas
βgs

Coeficiente de arrastre interfacial entre las fases

??

Fracción volumétrica

??s

Fracción volumétrica de la fase sólida en las entradas

??s,max

Fracción volumétrica de la fase sólida a empaque máximo

ϕ

Coeficiente de especularidad

ϕs

Intercambio de energía fluctuante entre las fases, kg m–1 s–3

γs

Disipación colisional de la energía fluctuante de la fase sólida, kg m–1 s–3

γw

Disipación colisional de la energía fluctuante de los sólidos en las paredes, kg m–1 s–3

κs

Conductividad de la energía fluctuante de la fase sólida, kg m–1s–1

μ

Viscosidad, kg m–1s–1

θ

Temperatura granular, m2 s–2

θW

Temperatura granular en las paredes, m2 s–2

ρ

Densidad, kg m–3

ρs

Densidad de los sólidos en la entrada del riser, kg m–3

τ

Tensor de esfuerzos cortantes, kPa

ξs

Viscosidad promedio de los sólidos, kg m–1s–1

Subíndices
g

Fase gas

s

Fase sólida

Texto completo
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Agradecimientos

Se agradece al Instituto Mexicano del Petróleo el haber otorgado al autor principal la licencia con goce de sueldo como parte de su programa de becas para el mejoramiento de las habilidades del personal, para realizar los estudios de doctorado bajo los cuales se desarrolla este trabajo.

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