Computational Fluid Dynamics Studies in Heat and Mass Transfer Phenomena in Packed Bed Extraction and Reaction Equipment: Special Attention to Supercritical Fluids Technology
Authors:   , Guardo Zabaleta Alfredo de Jesús 
Published: September 2023

El entendimiento de los fenómenos de transferencia de calor y de masa en medios porosos implica el estudio de modelos de transporte de fluidos en la fracción vacía del medio; este hecho es de fundamental importancia en muchos sistemas de Ingeniería Química, tal como en procesos de extracción o en reactores catalíticos. Los estudios de flujo realizados hasta ahora (teóricos y experimentales) usualmente tratan al medio poroso como un medio efectivo y homogéneo, y toman como válidas las propiedades medias del fluido. Este tipo de aproximación no tiene en cuenta la complejidad del flujo a través del espacio vacío del medio poroso, reduciendo la descripción del problema a promedios macroscópicos y propiedades efectivas. Sin embargo, estos detalles de los procesos locales de flujo pueden llegar a ser factores importantes que influencien el comportamiento de un proceso físico determinado que ocurre dentro del sistema, y son cruciales para entender el mecanismo detallado de, por ejemplo, fenómenos como la dispersión de calor, la dispersión de masa o el transporte entre interfaces.<br/><br/>La Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) como herramienta de modelado numérico permite obtener una visión mas aproximada y realista de los fenómenos de flujo de fluidos y los mecanismos de transferencia de calor y masa en lechos empacados, a través de la resolución de las ecuaciones de Navier - Stokes acopladas con los balances de materia y energía y con un modelo de turbulencia si es necesario. De esta forma, esta herramienta permite obtener los valores medios y/o fluctuantes de variables como la velocidad del fluido, la temperatura o la concentración de una especie en cualquier punto de la geometría del lecho empacado.<br/><br/>El objetivo de este proyecto es el de utilizar programas comerciales de simulación CFD para resolver el flujo de fluidos y la transferencia de calor y de masa en modelos bi/tri dimensionales de lechos empacados, desarrollando una estrategia de modelado aplicable al diseño de equipos para procesos de extracción o de reacción catalítica. Como referencia se tomaran procesos de tecnología supercrítica debido a la complejidad de los fenómenos de transporte involucrados en estas condiciones, así como a la disponibilidad de datos experimentales obtenidos previamente en nuestro grupo de investigación. Estos datos experimentales se utilizan como herramienta de validación de los modelos numéricos generados, y de las estrategias de simulación adoptadas y realizadas durante el desarrollo de este proyecto.

An understanding of the heat and mass transfer phenomena in a porous media implies the study of the fluid transport model within the void space; this fact is of fundamental importance to many chemical engineering systems such as packed bed extraction or catalytic reaction equipment. Experimental and theoretical studies of flow through such systems often treat the porous medium as an effectively homogeneous system and concentrate on the bulk properties of the flow. Such an approach neglects completely the complexities of the flow within the void space of the porous medium, reducing the description of the problem to macroscopic average or effective quantities. The details of this local flow process may, however, be the most important factor influencing the behavior of a given physical process occurring within the system, and are crucial to understanding the detailed mechanisms of, for example, heat and mass dispersion and interface transport.<br/><br/>Computational Fluid Dynamics as a simulation tool allows obtaining a more approached view of the fluid flow and heat and mass transfer mechanisms in fixed bed equipment, through the resolution of 3D Reynolds averaged transport equations, together with a turbulence model when needed. In this way, this tool permit to obtain mean and fluctuating flow and temperature values in any point of the bed. <br/><br/>The goal of this project is to use commercial available CFD codes for solving fluid flow and heat and mass transfer phenomena in two and three dimensional models of packed beds, developing a modeling strategy applicable to the design of packed bed chemical reaction and extraction equipment. Supercritical extraction and supercritical catalytic reaction processes will be taken as reference processes due to the complexity of the transport phenomena involved within this processes, and to the availability of experimental data in this field, obtained in the supercritical fluids research group of this university. The experimental data priory obtained by our research group will be used as validation data for the numerical models and strategies dopted and followed during the developing of the project.