Simulación CFD de la transferencia de calor en un reactor de hidrotratamiento de aceites vegetales de segunda generación

Abstract

Resumen: Se desarrolló un modelo CFD que permite representar la transferencia de calor en un reactor de hidrotratamiento de aceites vegetales. Este modelo permitió evaluar la transferencia de calor para distintas configuraciones del reactor. En el proceso de hidrotratamiento de aceites vegetales se transforma el aceite en un líquido con cero contenido de azufre y excelentes propiedades como combustible diesel. El proceso se basa en la adición de hidrógeno a alta presión en un reactor de lecho fijo catalítico de goteo continuo (trickle bed) para disminuir el tamaño de las moléculas de los ácidos grasos del aceite vegetal, mediante isomerización y craqueo térmico a temperaturas cercanas a 350°C. Las características del producto cambian fuertemente con la temperatura de reacción, temperaturas elevadas causan craqueo térmico de los alcanos obtenidos, generando por tanto una reducción en la cantidad y calidad del producto. Los reactores utilizados en este tipo de proceso exigen un riguroso control en la temperatura por lo que es necesario evaluar la transferencia de calor para el control de puntos calientes. Debido a que el hidrotratamiento de aceites vegetales es una tecnología reciente, en la literatura no se encuentran correlaciones de transferencia de calor para este proceso. La construcción de una planta piloto para estudiar el proceso puede tener un costo bastante elevado. Por tal motivo, en la presente investigación se estudió la transferencia de calor mediante la evaluación de distintas geometrías de reactores de goteo contínuo con CFD (Dinámica de Fluidos Computacional). La simulación de la transferencia de calor en este tipo de reactores mediante CFD, ya ha sido reportada en la literatura pero no específicamente en el proceso de hidrotratamiento de aceites vegetales. La técnica de simulación CFD permite obtener detalladamente campos de velocidades, presión, perfiles de temperaturas, flux y coeficientes de transferencia de calor. Mediante CFD se evaluaron distintas configuraciones geométricas de diseño en las que se obtuvieron perfiles de temperatura, flux y coeficientes de transferencia de calor, que mediante el efecto o no de fluido refrigerante (quenching de hidrógeno) permiten el riguroso control de temperatura que requiere el proceso. Para representar la cinética de la reacción de hidrotratamiento se utilizó una expresión sencilla de velocidad de reacción de primer orden reportada en la literatura para aceites vegetales. Con el fin de cumplir los objetivos propuestos en la tesis, se desarrollaron los siguientes pasos: Paso 1: Búsqueda en la literatura de las propiedades del aceite de palma y datos de proceso de hidrotratamiento de aceites vegetales. Se realizó además una aproximación para estimar propiedades de los compuestos de la reacción global de hidrotratamiento, mediante correlaciones empíricas descritas en reactores de hidrotratamiento para aceite crudo y gasoil. De esta manera se definieron catalizadores, velocidad espacial, razón molar H2/aceite de palma, densidad, viscosidad, difusividad, solubilidad y coeficientes de transferencia de masa. Además se dimensionaron también, diferentes geometrías de reactores de goteo continuo a escala planta piloto. Paso 2: Se desarrolló un modelo en CFD para diferentes geometrías de reactores de goteo continuo descritos en el paso 1. Para esto se realizó enmallado de las geometrías de los reactores utilizando Gambit, el cual es un software pre-procesador de Fluent. Se utilizó el código comercial Ansys Fluent en 3D para evaluar y predecir la transferencia de calor en el reactor. En Fluent, se desarrolló una UDF (User Defined Function) que calcula las velocidades de reacción de los compuestos teniendo en cuenta la cinética de hidrotratamiento de aceites vegetales reportada en la literatura sin modificaciones y con el cálculo del factor de efectividad de la reacción. También en la UDF se resuelve la ecuación de energía teniendo en cuenta el calor de reacción producido por la reacción global de hidrotratamiento. La transferencia de calor en el reactor se simuló retirando calor por las paredes manteniendo la temperatura de estas a 330°C para el control de puntos calientes. Paso 3: Se estudió el efecto de enfriamiento con hidrógeno en el reactor para mejorar la remoción de calor

Abstract: A CFD simulation that represents the heat transfer in a vegetable-oil hydrotreatment reactor was carried out. This simulation was used to evaluate heat transfer for different reactor configurations. Hydrotreatment transforms vegetable oils into a zero-sulfur liquid with properties that resemble those of diesel fuel. In a hydrotreatment reactor, high pressure addition of hydrogen reduces the size of the fatty acids molecules through isomerization and thermal cracking at temperatures close to 350°C. The product characteristics strongly change with reaction temperature. High temperatures cause thermal cracking of alkanes and, therefore, a reduction in the quantity and quality of the desired product, diesel. The reactors used in this type of processes demand a rigorous temperature control. A thorough evaluation of the heat transfer in the reactor in order to avoid hot spots and guarantee good temperature control is, thus, mandatory. Because hydrotreating of palm oil is a recent technology, in the refereed literature there were no heat transfer correlations clearly developed for this system. Furthermore, construction of a pilot plant may demand a very high cost. For that reason I propose the study of different trickle bed reactor geometries via computational fluid dynamics (CFD) as an alternative to simulate and evaluate the heat transfer in the hydrotreating reactor. The heat transfer simulation of this kind of reactor by CFD has already been reported in the referenced literature but not specifically in the vegetable oils hydrotreating process. The CFD simulation allows for the calculation of detailed velocity fields, pressure, temperature profiles, fluxes and heat transfer coefficients for the analysis of heat transfer inside the reactor. A simple first order reaction rate expression developed for vegetable oils, was used to represent the chemical kinetics. The follow steps were required to carry out the objectives in this thesis: Step 1: Literature search for the palm oil properties and data for the vegetable oils hydrotreatment process. The properties of the species involved in the global hydrotreatment reaction were estimated with empirical correlations developed for the hydrotreatment of crude oil and vacuum gas oil. This literature review defined catalysts, space velocity, H2/palm oil molar ratio, density, viscosity, diffusivity, solubility, mass transfer coefficient and different trickle bed reactors geometries for pilot plant scale. Step 2: Development of a CFD model that represents hydrotreatment trickle bed reactors. The mesh was generated with Gambit and the CFD simulations were carried out with Ansys Fluent in 3D. A UDF (User Defined Function) was developed to resolve the components mol balance equations. The UDF considered well-known kinetics and effectiveness factors in the reaction rate expression. The UDF included as well source terms for energy estimating the heat of reaction produced by the hydrotreatment global reaction rate. The CFD simulation considered a constant wall temperature of 330 °C. Step 3: The effect of hydrogen quenching to improve the heat remotion was evaluated