Modelado CFD de lechos fluidizados bajo diferentes regímenes para procesos de interés en la Norpatagonia argentina
Authors:   , Toschi Florencia 
Published: March 2021

Los sistemas fluidizados gas-sólido revisten gran importancia en la industria de procesos, siendo empleados frecuentemente en instalaciones vinculadas a las industrias química, metalúrgica, biotecnológica, de alimentos, del petróleo y de producción energética. La fluidodinámica de estos sistemas, en extremo compleja, incide en gran medida en la eficiencia de contacto entre fases y, consecuentemente, en el rendimiento de los procesos que constituyen la finalidad de la operación (Kunii y Levenspiel, 1991; Alagha & Szentannai, 2020; Shabanian & Chaouki, 2017). En particular, los lechos burbujeantes son de gran interés en procesos tanto químicos como físicos. El modelado y control de las propiedades de estos lechos requiere un conocimiento profundo de sus características fluidodinámicas y la mayoría de sus propiedades se encuentran fuertemente ligadas a la fase burbuja. El régimen de slug se caracteriza por la deformación de dichas burbujas, con geometría y tamaños particulares, y se produce cuando el sistema presenta características geométricas y propiedades del par gas-sólido singulares. La presencia de slugs genera un contacto ineficiente entre las fases y por lo tanto puede causar severas limitaciones en las velocidades de transferencia de calor y materia. Su análisis y caracterización resulta imprescindible a efectos de diseñar un sistema evitando perjuicios generados por este comportamiento (Baeyens y Geldart, 1974; Ramirez y colab., 2017; Singh y colab., 2020). La aplicación de sistemas fluidizados en la valorización de residuos biomásicos (agroindustriales) y urbanos es un aspecto de gran importancia en el contexto de la sustitución de la matriz energética regional del Alto Valle de Neuquén y Río Negro y nacional en base a energías renovables (Energías renovables 2008 - Energía biomasa, Secretaría de Energía Argentina, 2008). Diferentes tratamientos térmicos, tales como pirólisis, torrefacción, gasificación y combustión pueden llevarse a cabo en lechos fluidizados burbujeantes, permitiendo la generación de químicos de alto valor y/o energía en forma eficiente y con múltiples ventajas frente a operaciones convencionales. Debe destacarse que la biomasa presenta dificultades en la fluidización debido a su forma, tamaño y densidad. Por este motivo, se incorpora un material inerte para mejorar el proceso, pero la fluidización de mezclas binarias aun presenta desafíos. La provincia de Neuquén, a través de su ministerio de Producción y del Consejo de Planificación y Acción para el Desarrollo (COPADE) han formulado políticas de intensificación de la sustitución de la matriz energética, abriendo el campo de desarrollo a las energías renovables, particularmente a los recursos energéticos biomásicos (https://www.copade.gob.ar/archivos/50A-COPADE-FINAL.pdf). El modelado de lechos fluidizados en régimen de burbujeo (en operación batch o continua) posee un potencial de optimización considerable, tanto desde el punto de vista del conocimiento de los fenómenos ocurrentes como desde los esquemas de construcción de simuladores eficientes. Las herramientas actualmente desarrolladas presentan aun campos vacantes de mejoras y su tendencia es de ineludible aplicabilidad en las diferentes industrias. En ese contexto, la elaboración de simuladores que abarquen la mayor diversidad de regímenes y aplicaciones, es un objetivo significativo para la industria de procesos. Aplicando la técnica de fluidodinámica computacional (CFD por su sigla en inglés Computational Fluid Dynamics) se puede construir un modelo computacional que represente el sistema o equipo que se desea estudiar. En el prototipo virtual se incorporan las características físicas y químicas del flujo de fluido en estudio y el software genera como respuesta una predicción de la fluidodinámica y de los procesos físicos (y químicos) involucrados, representados por los campos de variables fundamentales en el dominio simulado. Por lo tanto, puede considerarse a la CFD como una sofisticada técnica de diseño y análisis que utiliza el equipamiento computacional para desarrollar los millones de cálculos requeridos para simular la interacción de fluidos con superficies complejas como las utilizadas en ingeniería.