Estudio numérico del proceso de desulfuración alcalina en una columna de burbujeo; efecto del transporte de masa, reacción química e hidrodinámica

Abstract

Este proyecto de investigación tiene como objetivo realizar un estudio numérico del proceso de desulfuración alcalina en una columna de burbujeo, centrándose en el transporte de masa y las reacciones químicas. Se comenzó con una revisión bibliográfica detallada sobre las características esenciales de las columnas de burbujeo y las reacciones fluido-fluido involucradas. Posteriormente, se describieron modelos matemáticos para permitir un estudio exhaustivo de este proceso. La simulación realizada mediante el software Comsol Multiphysics arrojó varios hallazgos importantes. La viscosidad dinámica turbulenta generalmente aumenta hacia la superficie de la columna, con algunas excepciones influenciadas por el diámetro de burbuja y la presión. Conforme avanza el tiempo la turbulencia se reduce hasta volverse insignificante. La energía cinética turbulenta presenta una distribución variable, siendo más alta en la entrada de la columna y dependiente del diámetro de burbuja, con cambios mínimos relacionados con la presión. La velocidad del líquido varía en diferentes puntos de la columna, siendo más elevada en la entrada y disminuye a medida que aumenta el diámetro de burbuja. La concentración de la solución alcalina tiende a disminuir con el tiempo, aunque se observan zonas de acumulación de burbujas que dependen del diámetro de burbuja y la presión. La transferencia de masa exhibe variaciones significativas en diferentes secciones de la columna y de acuerdo con las condiciones de operación, siendo más alta en la entrada de la columna. Este proyecto resalta la complejidad de la dinámica en una columna de burbujeo y enfatiza la necesidad de considerar múltiples factores para la simulación y una eventual operación óptima del proceso de desulfuración alcalina.

This research project aims to conduct a numerical study of the alkaline desulfurization process in a bubble column, focusing on mass transport and chemical reactions. It began with a detailed literature review of the essential characteristics of bubble columns and the involved fluid-fluid chemical reactions. Then, mathematical models were described to enable a comprehensive study of this process. The simulation performed with the Comsol Multiphysics software yielded several important findings. The turbulent dynamic viscosity increases towards the surface of the column, with some exceptions influenced by bubble diameter and pressure. Over time, the turbulence decreases to become insignificant. The turbulent kinetic energy exhibits a variable distribution, being larger at the column's inlet and dependent on bubble diameter, with minimal changes with the pressure. The liquid velocity varies at various locations inside the column, being larger at the inlet and decreasing as the bubble diameter increases. The concentration of the alkaline solution tends to decrease over time, although some zones with bubble accumulation are observed, depending on the bubble diameter and pressure. The mass transfer exhibits significant variations at different zones in the column, being larger at the column's inlet. This research project highlights the complexity of dynamics in a bubble column and emphasizes the need to consider multiple factors to achieve optimal operation in the alkaline desulfurization process. These findings contribute to a fundamental understanding of this process and may have important implications for practical applications.