Oxidación de CO a CO2 en un reactor tubular mediante modelación y simulación en COMSOL

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Oxidación de CO a CO2 en un reactor tubular mediante modelación y simulación en COMSOL

Oxidation of CO to CO2 in a tubular reactor by modeling and simulation in Comsol

Jorge Manríquez1, Mario Avila2, Luis Pasten1, Xabier Olivares1

1Departamento de Ingeniería Metalúrgica, Facultad de Ingeniería. Universidad de Santiago de Chile.

2Department of Materials, Textiles and Chemical Engineering, Ghent University (UGent).

jorge.manriquez@usach.cl

Resumen[pic 2]

Se simuló en 3D la oxidación del CO a CO2 usando COMSOL emulando un reactor de laboratorio cilíndrico de 1 m de largo por 0.1 m de diámetro, donde las paredes corresponden a un acero SAE 4340 de 0.15 cm de espesor. El monóxi- do de carbono y gas oxígeno entran al reactor por un extremo, formando dióxido de carbono mediante una reacción química homogénea irreversible de orden tres medios. La transferencia de masa de CO y O2 se encuentran acopladas, debido a que la cinética de reacción incluye la concentración de CO por la raíz cuadrada de la concentración de O2. Debido a la dificultad de la resolución analítica, se resolvió usando el software COMSOL versión 5.5. Las difusividades de las especies están calculadas por las interacciones de mezclas concentradas usando el modelo de Maxwell – Ste- fan, la constante cinética se estimó en 0.0254 (s–1). Para la longitud del reactor, la reacción no se completó, avanzando sólo en un 48.56 %. La reacción ocurre a lo largo de todo el reactor, pero es significativamente mayor en la entrada, y presenta diferencias en la dirección radial siendo mayor en las cercanías de la pared cilíndrica. Debido a la liberación de calor producto de la reacción química, el fluido es acelerado hacia la salida del reactor. Debido al efecto refrigerante de la convección natural exterior, las paredes alcanzan una temperatura interior máxima de 600º C, lo cual, al estar dentro del rango de trabajo del material, no presenta complicaciones.

Palabras Clave: COMSOL; FEM; difusión; convección; constante cinética; CO2.

Abstract[pic 3]

The oxidation of CO to CO₂ was simulated in 3D using COMSOL, emulating a cylindrical laboratory reactor 1 m long by

0.1 m in diameter, where the walls correspond to 0.15 cm thick SAE 4340 steel. Carbon monoxide and oxygen gas en- ter the reactor at one end, forming carbon dioxide by an irreversible homogeneous chemical reaction of three-medium order. The mass transfer of CO and O₂ are coupled, since the reaction kinetics include the concentration of CO times the square root of the concentration of O₂. Due to the difficulty of analytical resolution, it was solved using COMSOL version 5.5 software. The diffusivities of the species are calculated by the interactions of concentrated mixtures using the Maxwell – Stefan model, the kinetic constant was estimated at 0.0254 (s–1). For the length of the reactor, the reac- tion was not completed, advancing only 48.56%. The reaction occurs throughout the entire reactor, but it is significantly greater at the entrance, and it presents differences in the radial direction, being greater in the vicinity of the cylindrical wall. Due to the release of heat from the chemical reaction, the fluid is accelerated towards the outlet of the reactor. Due to the cooling effect of the external natural convection, the walls reach a maximum internal temperature of 600 ºC, which, being within the working range of the material, presents no complications.

Keywords: COMSOL; FEM; Diffusion; Convection; Kinetic constant; CO2.

Introducción

COMSOL (2006) es un software de ingeniería que usa el método de elementos finitos (FEM) con un entorno que facilita todas las etapas del proceso de modelación: definición de la geometría, mallado, es- pecificaciones físicas, resolución y visualización de resultados.

La configuración del modelo es rápida, gracias a in- terfaces físicas predefinidas para aplicaciones que incluyen transferencia de momemtum, calor y masa entre otras como mecánica estructural y análisis electromagnéticos. Las propiedades de los mate- riales, los términos fuente y condiciones de borde pueden ser funciones de las variables dependien- tes: velocidad, temperatura, concentración.

Posee plantillas predefinidas de aplicaciones para resolver muchos tipos de problemas comunes y también tiene la opción de elegir diferentes físicas y el modelador puede precisar las interdependencias. También se puede especificar ecuaciones particula- res en derivadas parciales (EDP).

El dióxido de carbono (CO2) se utiliza como agente criogénico clave en aplicaciones de enfriamiento, refrigeración y congelación. Se considera un buen disolvente para muchos compuestos orgánicos. El CO2 comprimido se utiliza en marcadores de paint- ball, pistolas de aire comprimido, inflado de neumá- ticos de bicicletas, extintores de incendios, etc. Se utiliza también como fumigante. El uso de CO2 es bueno para la penetración de la soldadura y para mejorar las propiedades del cordón de soldadura. También se utiliza en la fabricación de piezas de fundición para mejorar su dureza (Saito et al., 1996; Fogler y Fogler, 1999; Chen et al., 2006; Austin et al., 2009; Jerold y Kumar, 2012; Edwards, 2022).

El monóxido de carbono (CO) es una molécula con una gran capacidad reductora, la cual es aprovecha- da en variados procesos industriales, como por ejemplo, la producción de acero en alto horno [8]. El monóxido de carbono proveniente de los gases de salida del alto posee variadas aplicaciones en la actualidad, por ejemplo, se puede combustionar con oxígeno para precalentar el aire inyectado por las toberas, como también se puede utilizar para produ- cir etanol (Carpenter, 2006; Zhongming et al., 2018; Schievano et al., 2019). El CO gaseoso también es conocido por ser altamente venenoso para el ser humano, ya que en concentraciones mayores a 1.200 ppm puede provocar la muerte, o efectos irreversibles sobre la salud (Kealey, 2009). Debido a esto, es que

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