MODELAREA CFD A EPURĂRII APELOR UZATE CU AJUTORUL UNUI REACTOR CU FILTRU DE

PARTICULE CATALITICE

SUMAR

Acest studiu are ca scop utilizarea celor mai recente modele multifazice în vederea cercetării comportamentului parametrilor hidrodinamici ai unui Reactor cu Filtru de Particule Catalitice(Trickling Bed Rreactor-TBR), cum ar fi: căderea de presiune, retenţia coloanei (liquid holdup) şi eficienţa catalizatorului. Ţinând seama de fenomenele de transport cum ar fi transferul de masă şi căldură, s-a dezvoltat un model Euler de fluid, de tip cinetic „k”; acest lucru s-a realizat prin introducerea unei valori medii ale volumului în ecuaţia de contnuitate şi în cea a momentului, acestea au fost rezolvate pentru o reprezentare 2D a patului filtrant în condiţii de regim nepermanent. Modelarea CFD (Computational Fluid Dynamics-Dinamica Fluidelor Computerizată) realizează o bună prognoză a parametrilor hidrodinamici în condiţiile de reacţie. Mai mult, se cercetează performanţele catalizatorului în termeni de Carbon Organic Total –Total Organic Carbon -TOC şi se poate concluziona că modelul de fluid Eulerian de tip „k” este o alegere raţională pentru simularea curgerii fluidului prin filtrul compact; se pune condiţia înglobării în modelul CFD a unor rezultate bune ale interacţiunii fluid-fluid şi fluid-particule. Abordarea CFD este utilizată pentru cercetarea reacţiei catalizatorului cu apa uzată în condiţii de curgere descendentă. Se obţin, în urma măsurătorilor, valori de referinţă ale parametrilor hidrodinamici întâlniţi la dispozitivele TBR pentru tehnologia Catalytic Wet Air Oxidation-CWAO în staţiile de epurare avansată a apelor uzate.

Definiţii

Liquid Holdup (retenţia coloanei) – Fenomen ce se produce într-o curgere bifazică printr-o conductă verticală; fenomenul constă în faptul că gazul curge cu o viteză liniară mai mare decât lichidul, astfel, are loc o alunecare a lichidului spre capătul superior al conductei, unde acesta rămâne blocat, reţinut (hold up).

1. Introducere Cu ajutorul ingineriei sistemelor, ingineriei chimice şi a catalizatorilor, industria chimică va continua să se dezvolte în sens pozitiv. Cu toate acestea, pentru a maximiza profitul industrial cu ajutorul acestor domenii, trebuie să existe un progres comparabil şi în proiectarea echipamentului cu utilitate în procesele chimice. Proiectarea eficientă şi utilă asigură furnizarea materialelor şi a energiei către receptorii potriviţi la timpul potrivit prin folosirea dinamicii fundamentale a fluidelor.Scopul acestei lucrări este acela de a dezvolta modelarea fluidelor multifazice pentru a permite o prognoză şi o utilizare optimă a dinamicii fluidelor implicate în procesele ce au loc în echipamentele de epurare a apelor uzate. În acest studiu sunt prezentate perspectivele situaţiei actuale a CFD şi potenţialul CFD pentru proiectarea echipamentelor de proces ce implică un model de efluent multifazic. Se ţine, de asemenea, seama şi de abordarea CFD ce implică modelarea computerizată în staţiile de epurare a apelor uzate, mai precis a operării reactoarelor

2

cu filtru de particule catalitice (TBR). Din literatura de specialitate se extrage în vederea prezentării modelul multidimensional Euler-Euler pentru dispozitivul TBR.

2. Enunţarea Problemei, Condiţii

Un sector emergent din cadrul aplicaţiilor metodei ciclului de viaţă în mediu este acela al proceselor avansate de epurare a apelor uzate ce implică fluide multifazice. Acest domeniu reprezintă o provocare pentru conservarea florei şi faunei acvatice. De fapt, tehnologiile de bioremediere au limitări cunoscute şi au fost utilizate metode alternative de distrugere precum oxidarea catalitică în prezenţa aerului umed (Catalytic Wet Air Oxidation-CWAO) asupra unei diversităţi de compuşi organici implicând numeroşi catalizatori cu un mare potenţial pentru staţiile de epurare avansată a apelor uzate [ 1 ].Reactoarele cu filtru de particule catalitice (TBR) sunt, în general, utilizate pentru reacţii eterogene catalitice între reactanţi gazoşi şi lichizi. Reacţiile sunt de: hidrogenare, oxidare sau oxidare parţială şi detoxificare a efluenţilor lichizi. În aceste reactoare, fazele lichidă şi gazoasă curg în aceeaşi direcţie printr-un filtru fix constituit din particule catalitice. Deşi majoritatea cercetărilor realizate înainte de 1990 s-au produs la presiunea atmosferică, după acea perioadă, un număr considerabil de cercetări s-au efectuat în reactoare cu filtru de catalizator sub presiune [ 2 ]. În literatura de specialitate s-a întâlnit un număr mare de studii asupra diverselor aspecte hidrodinamice ale TBR; totuşi, mai există multe de completat în ingineria reacţiilor în cadrul mediului. Între timp, s-au publicat relativ puţine lucrări de cercetare în ceea ce priveşte oxidarea catalitică în fază lichidă a compuşilor organici în echipamente TBR la scară mare pentru epurarea apelor uzate, în mare parte datorită lipsei valorilor parametrilor hidrodinamici. În prezenta lucrare, s-a efectuat modelarea unui TBR pentru a aduce pentru prima oară în prim-plan studiile hidrodinamice şi de reacţie prin modalitatea CFD, făcând, astfel, posibilă cercetarea asupra eficienţei diferitelor regimuri hidrodinamice implicate în operarea continuă a TBR.

3. Modalitatea de Abordare

Modelele TBR întâlnite în literatura de specialitate ţin seama de condiţii de operare izoterme şi utilizează o abordare pseudo-omogenă sau un model eterogen cu o curgere în bloc pentru fazele gazoasă şi lichidă; unele modele descriu curgerile neuniforme ale fazei lichide cât şi distribuţia greşită, utilizând un model axial de dispersie [ 2,3 ]. Pentru îmbunătăţirea capacităţii modelelor de reactoare multifazice, trebuie rezolvate ecuaţiile de curgere multidimensionale cuplate cu transportul de specii chimice, dinamica reacţiilor şi dinamica schimbărilor de fază. Pentru realizarea unei prognoze asupra comportamentului hidrodinamic, s-a ales un model Euler.

Metodologia şi studiul de caz

În conceptul Euler-Euler, care mai este cunoscut sub denumirea de Abordarea Celor Două Fluide, atât faza continuă cât şi cea dispersată sunt considerate ca medii continue. Aceste modele înglobează aspectul trecerii fazelor în ambele direcţii prin filtru, acest detaliu este foarte important pentru fluxurile ce implică o membrană cu porozitate ridicată. Momentul de transfer la interfaţa dintre faza lichidă şi gazoasă implică intervenţia mai multor forţe: rezistenţa

3

aerodinamică şi la vâscozitate, forţa masică-ce este o forţă inerţială generată de acceleraţia relativă, efectul fluctuaţiilor de turbulenţă asupra momentului efectiv de transfer cât şi forţa ascensională ce indică forţa tăietoare produsă de efortul de rotaţie, gradienţii de viteză sau prezenţa pereţilor. Ecuaţiile modelului CFD au fost introduse în programul comercial FLUENT (produs de Fluent Inc., SUA) folosind instrucţiuni definite de utilizator. Sunt prezentate numai ecuaţiile principale de conservare. Bilanţul de continuitate şi de moment pentru faza q sunt scrise sub forma Ec. (1) şi (2) :

∂∂ t

( α q ρq )+∇⋅ ( αq ρq vq )=∑p=1

n

( m pq−m pq )+Sq (1 )

∂∂ t

( α q ρq vq )+∇⋅ (α q ρq vq vq )=−αq∇ p+∇⋅ τ q+α q ρq g+∑p=1

n

( Rpq+m pq v pq−mqp vqp )+( Fq+ F lift , q+ F vm, q ) (2 )

Ecuaţia (2) trebuie să conţină expresii adecvate pentru forţa ce apare la interfaţa gaz-lichid Rpq. Această forţă depinde de forţa de frecare, de presiune, de atracţia moleculară şi alte efecte; se ţine seama de următoarele condiţii: Rpq=−Rqp şi Rqq=0. Forma simplă a unui termen ce defineşte interacţiunea este dată de Ecuaţia (3):

∑p=1

n

Rpq=∑p=1

n

K pq ( v p− vq ) (3 )

unde K pq=K qp sunt coeficienţii de schimb ai momentului de interacţiune. Pentru a descrie conservarea energiei în aplicaţiile multifazice Euleriene, ar trebui scrisă o ecuaţie de entalpie, separat, pentru fiecare fază:

∂∂ t

( α q ρqhq )+∇⋅ (α q ρq uq hq )=−α q

∂ pq

∂ t+τq ∶∇⋅ uq−∇⋅ qq+Sq+∑

p=1

n

(Q pq+mpq hpq−mqphqp ) ( 4 )

Curgerile turbulente sunt caracterizate prin câmpuri de viteză variabile implicând aspecte cum ar fi: momentul, energia şi concentraţia speciilor transportate, de asemenea, această variaţie determină, la rândul ei, variaţia cantităţilor transportate. S-a utilizat modelul k−ε , acesta este un model semi-empiric ce are la bază ecuaţiile de transport pentru energia cinetică de turbulenţă (k) şi viteza de disipare a acesteia (ε). Au fost efectuate studii CFD ţinându-se seama de geometria instalaţiei TBR pilot din laborator. Reactorul cilindric a fost realizat din oţel inoxidabil (SS-316) cu diametrul intern de 50 de mm şi lungimea de 1 m în conformitate cu specificaţiile reactorului utilizat de Levec şi colaboratorii săi [ 4,5 ]. Condiţiile pe frontiera reţelei de integrare au fost elaborate într-un program CAD-GAMBIT.

Rezultate şi discuţii

4

Reţeaua de integrare a fost validată prin verificarea sensibilităţii reţelei şi compararea rezultatelor numerice cu datele experimentelor într-o singură fază cât şi cu două faze obţinute de Levec şi alţii [ 4,5 ]. Reţeaua utilizată pentru modelarea reactorului TBR este de două feluri: tetraedrică în jurul particulelor catalitice şi hexaedrică în restul reactorului. Numărul de noduri este de 800 000. Ecuaţiile momentului sunt rezolvate prin cuplarea unui algoritm simplu şi a unei scheme de discretizare.

Fig. 1: (a) Căderea de presiune şi (b) retenţia coloanei de lichid ca funcţie de fluxul masic de lichid la diferite presiuni de operare (curbele reprezintă rezultatele modelării CFD; punctele reprezintă valori experimentale din literatura de specialitate [ 4,5 ]).

Presiunea este introdusă în calcul cu ajutorul unei scheme PRESTO. În Figura 1- a) şi b), rezultatele modelării căderii de presiune şi a retenţiei coloanei pentru diferite presiuni de operare sunt comparate cu datele experimentale extrase din literatura de specialitate [ 4,5 ]. Modelarea CFD realizează o bună reprezentare a graficelor căderii de presiune şi a retenţiei coloanei, evidenţiind faptul că atunci când presiunea variază de la valori scăzute, P = 10 bar, la valori ridicate, P = 40 bar, retenţia coloanei descreşte conform Fig. 1 b). Se poate concluziona despre acest comportament hidrodinamic, caracterizat prin retenţia coloanei şi căderea de presiune, că este bine descris de modelul Euler; acest lucru este reflectat de faptul că toate datele obţinute ca urmare a modelării filtrului compact de particule catalitice sunt în concordanţă cu cele estimate din calcul. Pentru a cerceta procesul de oxidare din cadrul TBR, simulările CFD au fost realizate utilizând legile cinetice obţinute anterior în [ 6 ] pentru un amestec de acizi fenolici, format din: acid syringic, vannilic, 3,4,5 – trimetoxibenzoic, veratric, protocatechuic şi acid trans-cinnamic, toţi aceşti acizi fiind prezenţi în apele uzate rezultate de la fabricile de ulei de măsline. În cadrul modelării CFD se presupune că reacţiile chimice au loc în porii stratului catalitic şi la suprafaţa acestuia. S-a ţinut seama de limitările transferului extern de masă pentru a exista siguranţa că

5

procesul nu este doar guvernat de reacţiile chimice. Procesul implică două fenomene ce acţionează unul în detrimentul celuilalt: reacţia şi transportul; ambele au loc în procesele de epurare avansată din staţiile de epurare a apelor uzate. S-au efectuat experimente în regim nepermanent pentru a se observa modul de pornire al instalaţiei TBR şi pentru a-i evalua eficienţa până în momentul atingerii regimului permanent. Studiile asupra reacţiei au indicat că regimul permanent al instalaţiei TBR se atinge în 2 ore, o reprezentare în culori a distribuţiei de temperaturi pe suprafaţa particulelor catalitice la momentul t = 2 ore este ilustrată în Fig 2 a). Diferitele temperaturi atinse în diferite puncte de pe particulele catalitice indică diferite viteze de reacţie (pentru procesele de oxidare exotermă a poluanţilor), acest fapt reflectă diferite grade de umezire a filtrului solid de către efluentul lichid.

Fig. 2: (a) Temperatura la suprafaţa particulelor catalitice (în K)

6

Fig.2 (b)Graficul degradării TOC la t = 2 h

Retenţia coloanei joacă un rol important în hidrodinamica TBR prin faptul că afectează eficienţa de umezire a catalizatorului, aceasta la rândul ei afectează capacitatea de selecţie a reacţiilor prin aceea că reacţia fie are loc doar pe filtrul umed fie atât pe zonele umede ale filtrului cât şi pe cele uscate. Conform Fig. 2a), este posibil a se observa în care zonă au loc reacţiile prin identificarea temperaturii la suprafaţa particulei catalitice, valorile fiind cuprinse între 470 K şi 480 K. Din Fig. 2b) se observă că profilele corespunzătoare TOC indică faptul că umezirea particulelor catalitice este, de asemenea, un parametru ce indică eficienţa utilizării filtrului compact. Astfel, evaluarea eficienţei de umezire externă a filtrului catalitic este un parametru important de proiectare a filtrului cu particule catalitice. El ajută la determinarea gradului de utilizare a reactoarelor TBR în condiţiile în care contactul intern este, de obicei, egal cu unitatea, datorită efectelor capilarităţii. Modelarea CFD este utilă la acest nivel cu dezavantajul necesităţii unor computere mai performante.

4. Concluzii

7

Modelul Euler multifazic CFD a beneficiat de o intensă dezvoltare în vederea cercetării interacţunii dintre faze cuplată cu modelele de turbulenţă. Modelul Euler CFD realizează o prognoză bună a parametrilor hidrodinamici în funcţie de condiţiile de reacţie, de asemenea, se cercetează eficienţa catalizatorului în termeni de degradare a Carbonului Organic Total. Modelul de fluid Cinetic(Kinetic-k) k- Euler este alegerea potrivită pentru simularea curgerii fluidului prin filtrul compact pentru a ajunge la o viabilitate menţinută a tehnologiei CWAO pentru epurarea apelor uzate. Avantajul substanţial al tehnologiei TBR este acela că reduce costurile de epurare şi aceasta stimulează cercetările ce au ca scop îmbunătăţirea operării şi eficienţei TBR prin intermediul codurilor CFD.

Referinţe Bibliografice

[ 1 ]. S. K. Bhargava, J. Tardio, J. Prasad, K. Foger, D. B. Akolekar and S. C Grocott, Ind.Eng. Chem. Res., 45 (2006) 1221.[ 2 ]. M. P. Dudukovic, F. Larachi, P. L. Mills, Catal. Rev., 1 (2002) 123.[ 3 ]. P. R. Gunjal, M. N. Kashid, V. V. Ranade, R. V. Chaudhari, Ind. Eng. Chem. Res., 44(2005) 6278.[ 4 ]. A. Lakota, J. Levec, R. G. Carbonell, AIChE J., 48 (2002) 731[ 5 ]. D. Nemec, J. Levec, Chem. Eng. Sci., 60 (2005) 6958.[ 6 ]R. J. G Lopes, A. M. T. Silva, R. M. Quinta-Ferreira, Appl. Cat. B (2006), in press

7. 17th European Symposium on Computer Aided Process Engineering – ESCAPE17V. Plesu and P.S. Agachi (Editors); © 2007 Elsevier B.V. All rights reserved. Rodrigo Lopes and Rosa M. Quinta-FerreiraDepartment of Chemical Engineering, University of Coimbra, Polo II – Rua Sílvio Lima, 3030-790 Coimbra, Portugal, rodrigo@eq.uc.pt, rosaqf@eq.uc.pt

8