Modelación numérica de reactores sonoquímicos operados a diferentes frecuencias

Abstract

RESUMEN: En este trabajo se investigaron tres reactores sonoquímicos, con frecuencias de 250 kHz, 500 kHz y 1000 kHz, desde dos enfoques, el primero de ellos fue el experimental, mediante el cual se evaluaron aspectos relacionados con su desempeño, utilizando dos diferentes potencias para cada reactor (60% y 90%), respecto a la potencia total de 500 W y observando la respuesta en los patrones de flujo (axial y radial). Además, se evaluaron experimentalmente parámetros importantes referentes a la utilidad de los reactores ultrasónicos en cuanto a reacciones químicas, tales como el tiempo de mezclado y la producción de H2O2. Así mismo se realizó la evaluación de la disipación de energía (ɛ) (en todo el reactor y en un plano) y energía cinética turbulenta (κ), parámetros que previamente no habían sido determinados experimentalmente en reactores sonoquímicos de manufactura industrial. El segundo enfoque tuvo como finalidad la simulación numérica utilizando el método de los volúmenes finitos y la dinámica de fluidos computacionales en uno de los reactores sonoquímicos (de 500 kHz), mediante los modelos κ- ɛ y mediante LES; el motivo por el que se empleó únicamente un reactor es debido al elevado tiempo de cómputo requerido para la simulación dada la naturaleza del proceso estudiado. Se emplearon los datos experimentales evaluados en el reactor para hacer una comparación con la simulación realizada. ABSTRACT: In this work, three sonochemical reactors were investigated, with frequency values of 250 kHz, 500 kHz and 1000 kHz. Two different approaches were used. The first one was experimentation, through which aspects related to their performance were evaluated. Two different power values for each reactor (60% and 90%) regarding to the total power of 500 W were used, and the response in the flow patterns (axial and radial) was observed. Likewise, important parameters regarding the usefulness of ultrasonic reactors in terms of chemical reactions, such as mixing time and H2O2 yield, were evaluated experimentally. In a similar manner, the evaluation of the energy dissipation (ɛ) (throughout the reactor and on a plane) and turbulent kinetic energy (κ) was performed, these parameters have never before been determined experimentally in industrial sonochemical reactors. The second approach was the use of Computational Fluid Dynamics (CFD) to numerically simulate the behavior of the fluid dynamics within the sonochemical reactors (500 kHz), using the κ- ɛ and LES models; the reason why only one reactor was used is high computational time required for the simulation due to the nature of the studied process. Experimental data evaluated in the reactor were used to make a comparison with the simulation performed.