Estudio numérico y experimental de transporte de momentum y masa en sistemas de adsorcion

Abstract

Esta tesis presenta el análisis experimental y numérico de la adsorción de piridina sobre tela de carbón activado en un adsorbedor de lote de tanque agitado en régimen de flujo de transición y turbulento. Se implemento un modelado numérico tridimensional del proceso de adsorción para la identificación de la velocidad y la concentración locales, además de los gradientes de concentración dentro del adsorbedor. Esto representa un costo computacional elevado en comparación con los modelos convencionales aplicados a la adsorción por lote, como es el caso del modelo cinético de Langmuir. Ambos tipos de modelización producen resultados comparables, sin embargo, la ventaja del modelado 3D es una resolución más detallada de las variables físicas asemejándose más a la realidad, y evitando las suposiciones de mezcla perfecta. Para este efecto, se varió la velocidad de agitación dentro del reactor (30-200 RPM) y la concentración inicial de piridina (99 a 487 mg/L). Como resultado se obtuvieron los parámetros cinéticos y de transporte propios de cada modelo. Además, se identificaron las capas limite hidrodinámicas y de flujo masico alrededor del material adsorbente, las cuales siguen la trayectoria de agitación dentro del reactor. Se observo que el mayor flujo masico de piridina tiene lugar alrededor del adsorbente, principalmente en la zona posterior del impulsor respecto a la dirección de la agitación. esta información es muy relevante en la búsqueda y diseño de sistemas adsorbentes más eficientes y efectivos.

This thesis presents the experimental and numerical analysis of the adsorption of pyridine on activated carbon cloth in a stirred tank batch adsorber in transition and turbulent flow regime. A three-dimensional numerical modeling of the adsorption process was implemented for the identification of the local velocity and concentration, as well as the concentration gradients within the adsorber. This represents a high computational cost compared to conventional models applied to batch adsorption, such as the Langmuir kinetic model. Both types of modeling produce comparable results, however, the advantage of the 3D modeling is a more detailed resolution of the physical variables resembling more closely to reality and avoiding the assumptions of prefect mixing. To this effect, the stirring speed inside the reactor (30-200 RPM) and the initial pyridine concentration (99 to 487 mg/L) were varied. As a result, the kinetic and transport parameters specific to each model were obtained. In addition, the hydrodynamic and mass flow boundary layers around the adsorbent material, which follow the agitation path within the reactor, were identified. It was observed that the highest mass flow of pyridine takes place around the adsorbent, mainly in the area behind the impeller with respect to the direction of agitation.