Modelo de dos zonas para lechos fijos con información asistida por CFD

En este trabajo se presenta un modelo matemático para la representación de la transferencia de calor en lechos fijos denominado Modelo de Dos Zonas, en el cual se divide al lecho en una zona adyacente a la pared del tubo y una zona central. Se desarrolla una metodología para la determinación apropiada de los parámetros propios del modelo mediante la utilización de Fluidodinámica Computacional. En esta etapa del estudio se determina el flujo de calor sobre la pared de tubo, con el fin de obtener uno de los parámetros del modelo: el coeficiente de transferencia de calor sobre la pared. Poseriormente, se correlacionará con las condiciones geométricas y operativas del lecho. La CFD reemplaza, de esta forma, a la realización de experiencias específicas y se utiliza como herramienta para la generación de información de alta precisión. Se analiza el caso de un sólido de baja conductividad, lo que corresponde por analogía al caso de transferencia de materia equivalente y se utilizan condiciones operativas correspondientes al proceso de reformado de gas natural con vapor de agua. El software utilizado es el programa Fluent 6.2.16 (Computational Fluid Dynamics Software) y la malla para el cálculo se genera mediante el programa Gambit 2.2.30. Se presentan resultados obtenidos para lechos rellenos con partículas esféricas y se comparan os resultados obtenidos con información existente en bibliografía.

A Two-Zone Mathematical model for heat transfer in fixed beds (Two Zones Model) is proposed in this work. According to the model, the bed is divided in two zones: the first region -adjacent to the wall- plays an important role in the heat transfer process and the second one -the bulk zone- allows the heat to be transported from and to the center of the tube. An appropriate methodology for the estimation of the model parameters, based on the application of Computational Fluid-Dynamics, is developed here. Specifically, the total heat flux at the tube wall is calculated with the aim of evaluating the heat transfer coefficient at the wall, hw. This coefficient could be later correlated with geometrical and operating conditions in the bed. The CFD technique used, in this way, replaces well the information based on experimental work, and constitutes a useful tool for obtaining precise information dealing with the bed behavior. In this work, the case of low-conductivity solid particles, which is strictly the analogous case of mass transfer process, is dealt with. Operation conditions of steam reforming of natural gas were adopted in calculations. The software used for CFD is Fluent 6.2.16 (Computational Fluid Dynamics Software) assisted in the mesh generation by the use of the software Gambit 2.2.30. Results obtained for spherical particle beds are presented and compared with previous contributions reported in the literature.

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Resumen

Español En este trabajo se presenta un modelo matemático para la representación de la transferencia de calor en lechos fijos denominado Modelo de Dos Zonas, en el cual se divide al lecho en una zona adyacente a la pared del tubo y una zona central. Se desarrolla una metodología para la determinación apropiada de los parámetros propios del modelo mediante la utilización de Fluidodinámica Computacional. En esta etapa del estudio se determina el flujo de calor sobre la pared de tubo, con el fin de obtener uno de los parámetros del modelo: el coeficiente de transferencia de calor sobre la pared. Poseriormente, se correlacionará con las condiciones geométricas y operativas del lecho. La CFD reemplaza, de esta forma, a la realización de experiencias específicas y se utiliza como herramienta para la generación de información de alta precisión. Se analiza el caso de un sólido de baja conductividad, lo que corresponde por analogía al caso de transferencia de materia equivalente y se utilizan condiciones operativas correspondientes al proceso de reformado de gas natural con vapor de agua. El software utilizado es el programa Fluent 6.2.16 (Computational Fluid Dynamics Software) y la malla para el cálculo se genera mediante el programa Gambit 2.2.30. Se presentan resultados obtenidos para lechos rellenos con partículas esféricas y se comparan os resultados obtenidos con información existente en bibliografía.

Inglés A Two-Zone Mathematical model for heat transfer in fixed beds (Two Zones Model) is proposed in this work. According to the model, the bed is divided in two zones: the first region -adjacent to the wall- plays an important role in the heat transfer process and the second one -the bulk zone- allows the heat to be transported from and to the center of the tube. An appropriate methodology for the estimation of the model parameters, based on the application of Computational Fluid-Dynamics, is developed here. Specifically, the total heat flux at the tube wall is calculated with the aim of evaluating the heat transfer coefficient at the wall, hw. This coefficient could be later correlated with geometrical and operating conditions in the bed. The CFD technique used, in this way, replaces well the information based on experimental work, and constitutes a useful tool for obtaining precise information dealing with the bed behavior. In this work, the case of low-conductivity solid particles, which is strictly the analogous case of mass transfer process, is dealt with. Operation conditions of steam reforming of natural gas were adopted in calculations. The software used for CFD is Fluent 6.2.16 (Computational Fluid Dynamics Software) assisted in the mesh generation by the use of the software Gambit 2.2.30. Results obtained for spherical particle beds are presented and compared with previous contributions reported in the literature.