columnas de burbujeo y reactores de arrastre...
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Columnas de burbujeo y
Reactores de arrastre (“air-lift”)
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COLUMNA DE BURBUJEOColumna de Aireación
- La agitación es por un flujo neumático y es azarosa
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COLUMNA DE BURBUJEOColumna de Aireación
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Tienen una geometría que determina un canal de ascenso y un canal de descenso conectados generándose un loopde recirculación.
AIR LIFT
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AIR LIFT
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4 Partes diferenciadas
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RISER: Donde se inyecta el aire y sube junto al líquido
DOWNCOMER: paralelo al riser. El líquido fluye hacia abajo
BASE: Conecta al riser con el downcomer en la base del reactor, su diseño impacta en:
- gas holdup- velocidad del líquido- flujo de fase sólida
GAS SEPARATOR: Conecta al riser con el downcomer en la parte superior, su diseño impacta en:- la recirculación- separación de las burbujas
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Airlift vs CSTR
CSRT, cumple con la mayoría de los requerimientos:- Transferencia de Oxígeno- Remoción de gases de desecho- Distribución homogénea de nutrientes- Rápido mezclado de bases, ácidos concentrados- Transferencia de calor- Ambiente libre de contaminación
Pero, la Energía se aplica muy localizada generando un gradiente de Fuerza de corte (shear).
AIRLIFT - Tiene una mayor simplicidad mecámica.- La circulación es debido a diferencia de holdup que genera diferencia de Presión. No hay un foco dedisipación.
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∆Pb : Diferencia de presión en la base
ρL : Densidad del líquido
g : Cte gravitacional
φr : Gas holdup en el riser
φd : Gas holdup en el downcomer
De esta manera se logra una Fuerza de corte bastante homogenea y baja
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Menores costos de Energia
La eficiencia de la OTR (masa de O2 absorbida por unidad de Energía dada el sistema por unidad de T) es mayor
Es independiente a los cambios operacionales, no en los CSTR
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Variables de diseño yVariables operacionales
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Configuración del Flujo
RISER, el gas fluje a ≥ velocidad. A burbujas mas pequeñas se van igualando las velocidades.
Mas de 12 configuraciones, las mas importantes:
1- Flujo homogeneo: burbujas pequeñas, uniformes endiámetro, resultando en baja turbulencia.
2- Flujo turbulento: Burbujas de diversos tamaños.
La 1 puede pasar a 2 aumentando el flujo de aire o zonalmente con ≠ diámetros
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Burbujas grandes en canal de bajo diámetro
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Configuración del Flujo
DOWNCOMER, el líquido fluje a ≥ velocidad.
Arrastre de burbujas – VelocidadA baja -- tiempo de residencia suficiente en el separador. Al aumentar -- se van arrastrando burbujasMayor tamaño a mayor velocidad
Las grandes reducen el paso del líquido y este aumenta su velocidad, hacia abajo este efecto es menor y la fuerza de arrastre también. Se genera una estratificación
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Al aumentar la velocidad la estratificación va bajando
>FG
Hasta llegar a una distribución homogénea – Flujo deseado
La relación del área seccional del riser en fc del downcomerdetermina la configuración del flujo
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Configuración del Flujo
GAS SEPARATOR, de su diseño depende el escape de burbujas.
El grado de escape influye en:
- Gas Holdup
- Velocidad del líquido
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- Da idea de la capacidad de transferencia de masas
- La diferencia entre el gas holdup del riser y el downcomer es lafuerza motriz que genera la recirculación del líquido. Importa lafracción total de gas no cuan particionado esté.
-Aumenta con la disminución de la relación área seccional del downcomer y del riser
< Ad / Ar > Gas holdup
Gas Holdup
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φr : Gas holdup en el riser
JG : Velocidad del gas por unidad de sección
Ad / Ar : Relación área seccional del downcomer y del riser
µap : Viscosidad del líquido
A, α,β,γ :constantes
El JG depende de la geometría del separador, ya que si hay reflujode burbujas:
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También se puede agregar términos que representan la liberación de las burbujas
DS : Diámetro del separador de gas
D : Diámetro del reactor
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φd es despreciable a bajos flujos
> φr aumenta el φd
El gas holdup en el separador es el promedio de todo el sistema, con un topclearence corto (1-2 diámetros). Sino el separador se asemeja a un reactor de burbujas.
< Ad / Ar > Gas holdup
En un airlift de loop externo, el separador de gas es más efectivoY no hay retorno de burbujas
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OTR : KLa (C*- C) válido para sist homogeneos
Como varía el KLa en distintas partesde un airlift.
Depende de su geometría
A mayor diferencia de holdupMayor velocidadMejor mezcladoMas homogeneo
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Columnas de burbujeo y
Reactores de arrastre (“air-lift”)
TRANSFERENCIA DE O2
RO2 : Coeficiente volumétrico de transferencia de oxígeno (OTR)
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Si Tc . KLa < 0,5
Tc : Tiempo de circulación
Se puede considerar perfectamente mezclado
Cómo varía el Kla con el flujo de aire según zonas del airlift
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Transferencia de Calor
Para reactores No-Newtonianos
Para reactores Newtonianos
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Mejoras de Diseño
- Mayor recirculación,cultivos muy viscosos
- Distribución mas uniforme del O2 disuelto
- > OTR
Pero > Fuerza de corte
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Mejoras de Diseño
- Aumenta el gas holdup
- > área interfacial gas/líquido
- > KLa
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Mejoras de Diseño
- Mejora la transferencia de masa en eldowncomer aun conmenor velocidadde flujo.
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Mejoras de Diseño
- Aumenta el hold up
- Aumenta la velocidad de circulación
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Mejoras de Diseño
-El flujo en el downcomer sigue un patrón helicoidal. Generado por pequeños bafles
-Mejor transferencia de calor
-Óptimo para fotosintéticos por mayorexposición de todas las células