Tarea 14Simulación de Steam Reforme mediante el software COMSOL 4.3

Fidel Flores Chapa A00818043

Computational Fluid DynamicsCFD

Descripción del sistema

F i g u r a 0 . 1 C a m p o s d e V e l o c i d a d e s

0. Caso Base

F i g u r a 0 . 2 P e r f i l e s d e T e m p e r a t u r a

F i g u r a 0 . 3 P e r f i l e s d e C o n c e n t r a c i ó n

F i g u r a 0 . 4 C a m p o d e C o n c e n t r a c i o n e s

1. Flujo en Co-corriente.

La dirección de los flujos tanto en los tubos calientes como en el lechoes siempre en la dirección axial al reformador, debido al régimenlaminar de ambos flujos.Ver Figura 1.1

A la entrada de los tubos calientes sucede un marcado descenso en lavelocidad del fluido (POC’s), debido al enfriamiento de los mismos porla rápida transferencia de calor. Pues en la entrada el diferencial detemperaturas es más grande, lo que genera la compresión del gas porel enfriamiento y por tanto un incremento en su densidad, que a suvez reduce la velocidad.Ver Figura 1.1

1. Flujo a Co-corriente

Cercano a la entrada la transferencia de calor es mayor que encualquier otra región del reformador, ya que el diferencial detemperatura es más grande.La temperatura dentro de los tubos disminuye de manera radial y a lolargo de los mismos, siendo la línea central la región más caliente.En la línea central del reformador sucede una caída en la temperaturadebido a la reacción, sin embargo esto se revierte a aprox. 1.5 cm de laentrada, posterior a este punto la temperatura se va incrementando.Ver Figura 1.2

La velocidad de reacción es mayor a la entrada debido a los efectos dela temperatura. En esta zona la transferencia de calor es mayor ya queel diferencial es más grande.Ver Figura 1.3Comparando con el caso Base, en el Caso 1, el lecho se acelera

rápidamente en la entrada y conforme avanza se desacelera, encambio en el flujo en contracorriente, siempre va su velocidad enincremento.Ver Comparativa 1.1

En el sistema contracorriente ocurre una mayor desaceleración que enco-corriente debido a que en el primero a lo largo del tubo semantiene un diferencial de temperatura significativo y en el sistemaen co-corriente el diferencial se va reduciendo conforme se avanza alo largo del reformador. Ver Comparativa 1.1

F i g u r a 1 . 1 C a m p o s d e V e l o c i d a d e s

F i g u r a 1 . 2 P e r f i l e s d e T e m p e r a t u r a

F i g u r a 1 . 3 P e r f i l e s d e C o n c e n t r a c i ó n

F i g u r a 1 . 4 C a m p o d e C o n c e n t r a c i o n e s

Ca

so

BA

SE

CA

SO

1

CO

MP

AR

AT

IVA

1.1

Ca

so

BA

SE

CA

SO

1

CO

MP

AR

AT

IVA

1.2

2. Incremento de 23.4% en la concentración de reactivos

A00818043 Fidel Flores Chapa

2. Incremento de 23.4% en la concentración de reactivos

La velocidad del fluido dentro de los tubos tiene un decremento alentrar al reformador, posteriormente va recuperando la velocidadconforme ocurre la transferencia de calor.

A la entrada de los tubos calientes sucede un marcado descenso en lavelocidad del fluido (POC’s), debido al enfriamiento de los mismos porla rápida transferencia de calor. Pues en la entrada el diferencial detemperaturas es más grande, lo que genera la compresión del gas porel enfriamiento y por tanto un incremento en su densidad, que a suvez reduce la velocidad. Ver Figura 2.1

Respecto a los perfiles de temperatura, sucede casi lo mismo que enlos perfiles de velocidad si se compara con el caso base, las diferenciasno son significativas.

La conveniencia de incrementar la concentración de reactivos influyedirectamente con la reacción, para llevar a cabo este procedimiento seincrementó la presión de entrada, por lo cual la cantidad de reactivosse incrementó y con ello también su velocidad, generando con ellosobrantes de agua y propano, así pues, bajo este esquema se reduce eltiempo de residencia dentro del reformador y por ende no alcanzan areaccionar en su totalidad el propano y el agua. Lo que vuelve alsistemamás ineficiente en la conversión de reactivos.Ver Figura 2.3, Figura 2.4 y Comparativa 2.2

Los perfiles de velocidad del caso Base y el Caso 2, son muy similaresen cuanto al comportamiento, no hay cambios bruscos en la direccióndel flujo, sino que varían en sus valores máximos y mínimos condiferencia en las velocidades del orden del 3 %., no obstante elcomportamiento del fluido es el mismo.Ver Comparativa 2.1

F i g u r a 2 . 1 C a m p o s d e V e l o c i d a d e s

F i g u r a 2 . 2 P e r f i l e s d e T e m p e r a t u r a

F i g u r a 2 . 3 P e r f i l e s d e C o n c e n t r a c i ó n

F i g u r a 2 . 4 C a m p o d e C o n c e n t r a c i o n e s

Ca

so

BA

SE

CA

SO

2

CO

MP

AR

AT

IVA

2.1

Ca

so

BA

SE

Ca

so

2

CO

MP

AR

AT

IVA

2.2

3. Temperatura óptima para máxima conversión

Para este caso, se tomó el Caso base, y se varió la temperatura de entrada a

del aire caliente a los tubos a valores de 1000, 1010, 1020, 1030, 1040, 1050 y

1060 .

A00818043 Fidel Flores Chapa

La Figura 3.1 muestra las gráficas comparativas del consumo de reactivos y

la generación de productos por la reacción, siendo las dos mejores

alternativas cuando la temperatura de entrada es 1040 y 1050.

En la Figura 3.2, se tomaron en cuenta sólo las gráficas de fracción másica de

reactivos y productos a lo largo del reformador, ambas pueden considerarse

como buenas opciones, pues en las dos se consume todo el propano y

prácticamente toda el agua, sin embargo, la temperatura de 1050 K estaría

mínimamente sobrada, pues en el último centímetro del reformador ya no

estaría ocurriendo nada, lo que podría aceptarse como un factor de

seguridad de ocurrencia de la reacción.

3. Temperatura óptima para máxima conversión

Por lo cual se concluye que la temperatura óptima de entrada a los tubos es 1040 K.

Ma

ss

fr

ac

tio

ns

@ 1

00

0,

10

20

, 1

03

0,

10

40

, 1

05

0 y

10

60

K

CO

MP

AR

AT

IVA

3.1

1 0 5 0 K1 0 4 0 K

C O M P A R A T I V A 3 . 2

4. Conductividad térmicadel aislante reducida al 80%.

Para llevar a cabo este caso, se redujo la conductividad del aislante

al 80% de su valor, lo que significa que su capacidad aislante se

incrementó, el efecto más significativo sucedió en la temperatura

de superficie de contacto entre el lecho y la pared. La cual tuvo un

incremento de aproximadamente 3 K.Ver figuras 4.2 y 4.3.

A00818043 Fidel Flores Chapa

4. Conductividad térmica del aislante reducida al 80%.

Los perfiles de velocidad y temperatura son muy similares a los del

caso base. Ver Figuras 4.1, 4.4, 4.5 y 4.6.

F i g u r a 4 . 1 C a m p o s d e V e l o c i d a d e s

F i g u r a 4 . 2 C a m p o s d e T e m p e r a t u r a s

F i g u r a 4 . 3 P e r f i l d e T e m p e r a t u r a s

F i g u r a 4 . 4 P e r f i l e s d e C o n c e n t r a c i ó n

F i g u r a 4 . 5 C a m p o d e C o n c e n t r a c i o n e s

F i g u r a 4 . 6 C a m p o d e C o n c e n t r a c i o n e s

C a s o B A S E

C A S O 4

C O M P A R A T I V A 4 . 1

Ca

so

BA

SE

CA

SO

4

CO

MP

AR

AT

IVA

4.2

Ca

so

BA

SE

Ca

so

4

CO

MP

AR

AT

IVA

4.3

5. Perfil de velocidades a la entrada.

F i g u r a 5 . 1 P e r f i l e s d e V e l o c i d a d

Conforme avanzan los gases calientes por los tubos, el flujo se vadesarrollando, por lo que a la salida el perfil de velocidades esparabólico. No obstante, considerando la longitud de entradahidrodinámica, el fluido no se desarrolla totalmente ya que lalongitud del reformador es muy corta. Según los cálculos analíticosse requieren al menos 66 cm de longitud para que se alcance eldesarrollo hidrodinámico.

La velocidad a la entrada de los tubos calientes es constante, por locual el fluido tiene un perfil de velocidades casi plano, excepto en lasparedes donde la velocidad es cero por la condición de nodesplazamiento.

Las curvas no son suaves debido al mallado, con un mallado másfino se pueden suavizar.

5. Perfil de velocidades a la entrada.