Estudio hidrodinámico y termodinámico de biorreactores UASB mediante el uso de la herramienta CFD
En el desarrollo de este trabajo de grado se analiza el comportamiento de un reactor UASB con un enfoque hidrodinámico y termodinámico. Se modela un reactor físico implementado por el Laboratorio de Tratamiento de Aguas de la Universidad Militar Nueva Granada, en la herramienta CFD Ansys® Fluent con...
- Autores:
-
Caro Moya, Cristian David
Mosquera Ocampo, Jhon Sebastian
- Tipo de recurso:
- Trabajo de grado de pregrado
- Fecha de publicación:
- 2020
- Institución:
- Universidad Militar Nueva Granada
- Repositorio:
- Repositorio UMNG
- Idioma:
- spa
- OAI Identifier:
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- Acceso en línea:
- http://hdl.handle.net/10654/36741
- Palabra clave:
- HIDRODINAMICA
TERMODINAMICA
UASB Reactor
CFD analysis
Hydrodynamic
Thermodynamic
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Análisis CFD
Hidrodinámica
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En el desarrollo de este trabajo de grado se analiza el comportamiento de un reactor UASB con un enfoque hidrodinámico y termodinámico. Se modela un reactor físico implementado por el Laboratorio de Tratamiento de Aguas de la Universidad Militar Nueva Granada, en la herramienta CFD Ansys® Fluent con el objetivo de configurar un modelo que cumpla con el comportamiento real del reactor. Una vez alcanzado este objetivo se propone un diseño de reactor que cumpla con las mejoras hidrodinámicas y verificación de las condiciones termodinámicas a partir del diseño existente en el Laboratorio. Para lograr esto se evalúan y comparan los diferentes parámetros esenciales en el funcionamiento de reactores como el TRH y el caudal, sin tener en cuenta reacciones químicas presentes en el proceso. Se hace especial énfasis en el setup implementado en Fluent estudiando las ecuaciones y los modelos que utiliza el programa para posteriormente elegir el modelo adecuado que cumpla con los requerimientos del trabajo. En todo el proceso se describe el comportamiento del fluido en el interior del reactor, mencionando los diferentes problemas que presenta y que con la propuesta de un diseño de reactor son contempladas y mejoradas para un funcionamiento óptimo. |
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A. En, U. N. a. R., y Centros, S. I. N. (2007). 8o congreso iberoamericano de ingenieria mecanica. 8o Congr. Iberoam. Ing.Mec(18), 8. Andrea Pérez, P. T. (2007). Evaluation of hydrodynamic behavior as a tool to optimize anaerobic reactors of attached growth. Ansys®, D. (2020). Turbulence models. doi: https://www.afs.enea.it/project/neptunius/docs/fluent/html/th/node330.htm Asensio, D. A. (2017). Modelado de reactores de lecho fijo de baja relación de aspecto asistido por fluidodinámica computacional (cfd). Bedoya, O. A., y Sousa, L. S. E. (2009). Tratamiento de aguas residuales de la industria láctea en sistemas anaerobios tipo uasb. Rev. Fac. Ciencias Agropecu, 7(2), 24–31. Conil, P. (2004). La tecnología anaerobia uasb en el tratamiento de las aguas residuales domésticas: 10 años de desarrollo y maduración en américa latina. biotec, 1–26. doi: http://www.academia.edu/download/49696116/29-PC8-C35C-_La-tecnologia -anaerobia-Sevilla_.pdf Ministerio de Agricultura. (1978). Decreto n° 1541. Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible. (2018). Resolución n° 0883. D. Margarita Hernández, P. H., A. Del, y Chaparro, T. R. (2018). Hydrogen production in a novel configuration of uasb reactor under different hydraulic retention time. Rev. DYNA, 85(205), 157–162. E. P. A. Ojeda, S. A. F., P. M. López, y Ramirez, R. A. C. (2009). Cfd como una herramienta para diseño de productos. Memorias Del Xv Congr. Int. La Somim 2009, 431–442. et al, A. M. M. (s.f.). Anaerobio mediante un cfd tema b . ( hidrología , usos y gestión del agua ) tema c . ( agua y ciudad .). , 2–3. Franciso, L. (2018). Modelo sedimentación de lodo. doi: https://www.simulacionesyproyectos.com/tag/ecuacion-de-transporte/ IDEAM. (1984). Decreto n° 1594. Inguez-Fernetal, R. N. D. (2011). Revista mexicana de ingeniería química. Rev. Mex. Ing.Química, 10(1), 17–28. L.Meng, H. J. C. Y. W. H. X., J. C. Cheng, y Jin, W. Q. (2013). Design and analysis of a submerged membrane reactor by cfd simulation. Chem. Eng. Technol, 36(11), 1874–1882. M, C. (2006). La digestión anaerobia y los reactores uasb. Minambiente. (2018). Tasas por uso del agua | ministerio de ambiente y desarrollo sostenible. doi: http://www.minambiente.gov.co/index.php/negocios-verdes-y-sostenibles/ instrumentos-economicos/tasa-por-utilizacion-de-agua. Murillo, E. K., yMuñoz, A. G. (2017). Estudio de la dinamica de flujo en diferentes geometrias de bio-digestores empleando cfd. Jóvenes En La Cienc, 2(1), 1859–1863. Márquez,M., yMartinez, S. (2011). Reactores anaerobios de flujo ascendente (rafa’s o uasb) antología. Cent. Tecnológico Aragón, 1–31. Pacheco, J., yMagaña, A. (2003). Arranque de un reactor anaerobio. Ingeniería, 7(1), 21–25. Pérez, A., y Torres, P. (2008). Evaluación del comportamiento hidrodinámico como herramienta para optimización de reactores anaerobios de crecimiento en medio fijo evaluation of hydrodynamic behavior as a tool to optimize anaerobic reactors of attached growth. Rev. Fac. Ing. Univ. Antioquia, 27–40. R. Bermúdez,M.M., S. Rodríguez, y Brown, A. (2003). Ventajas del empleo de reactores uasb en el tratamiento de residuales líquidos para la obtención de biogás. Tecnol, Química, 23(2), 37–45. Sarmiento, A. (2015). Dinámica de fluidos computacional (cfd): una herramienta para atender la demanda educativa y laboral en el campo de la ingeniería. (165), 3. S. Das, S. S., y Chaudhari, S. (2018). Modification of uasb reactor by using cfd simulations for enhanced treatment of municipal sewage. Water Sci. Technol. Torres, P. (2012). Perspectivas del tratamiento anaerobio de aguas residuales domésticas en países en desarrollo. Rev. EIA, 115–129. Xia, B., y Sun, D.-W. (2002). Applications of computational fluid dynamics (cfd) in the food industry: a review. Comput. Electron. Agric, 34(1), 5–24. |
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Para lograr esto se evalúan y comparan los diferentes parámetros esenciales en el funcionamiento de reactores como el TRH y el caudal, sin tener en cuenta reacciones químicas presentes en el proceso. Se hace especial énfasis en el setup implementado en Fluent estudiando las ecuaciones y los modelos que utiliza el programa para posteriormente elegir el modelo adecuado que cumpla con los requerimientos del trabajo. En todo el proceso se describe el comportamiento del fluido en el interior del reactor, mencionando los diferentes problemas que presenta y que con la propuesta de un diseño de reactor son contempladas y mejoradas para un funcionamiento óptimo.1. Introducción . . . .14 1.1. Antecedentes del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.2. Planteamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.2.1. Identificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.2.2. Descripción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.2.3. Planteamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.3. Justificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.4. Delimitación Conceptual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.4.1. Delimitación conceptual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.4.2. Delimitación geográfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.4.3. Delimitación cronológica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.5. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1.5.1. Objetivo general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1.5.2. Objetivos específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1.6. Metodología . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.7. Cronograma de actividades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2. Marco Teórico . . . .31 2.1. Marco teórico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.2. Marco legal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3. Desarrollo . . . .34 3.1. Explicación de parámetros a evaluar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.2. Condiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.3. Modelo CFD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.4. Convergencia deMalla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.5. Setup Ansys® . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4. Resultados . . . .49 4.1. Reactor con una única etapa de separación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.1.1. Análisis estático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 4.1.2. Análisis transitorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.1.3. Comparativa de resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.2. Reactor con una única etapa de separación y entrada perfil de velocidad . . . . 59 4.3. Reactor con una única etapa de separación y con múltiples salidas . . . . . . . 63 4.3.1. Análisis estático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.3.2. Análisis transitorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 4.4. Reactor con doble etapa de separación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.4.1. Análisis estático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.4.2. Análisis transitorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.5. Comparativa perfil de velocidad axial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.6. Análisis Termodinámico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 5. Conclusiones . . . .88 Referencias . . . .90In the development of this degree work, the behavior of a UASB reactor is analyzed with a hydrodynamic and thermodynamic approach. A physical reactor implemented by the Water Treatment Laboratory of the Nueva GranadaMilitary University is modeled in the CFD Ansys® Fluent tool with the aim of configuring a model that complies with the real behavior of the reactor. Once this objective has been achieved, a reactor design is proposed that complies with the hydrodynamic improvements and verification of thermodynamic conditions based on the existing design in the Laboratory. To achieve this, the different essential parameters in the operation of reactors such as HRT and flow rate are evaluated and compared, without taking into account chemical reactions present in the process. Special emphasis is placed on the setup implemented in Fluent by studying the equations and models used by the program and then choosing the appropriate model that meets the requirements of the job. Throughout the process, the behavior of the fluid inside the reactor is described, mentioning the different problems that it presents and that with the proposal of a reactor design are contemplated and improved for an optimal operation.Pregradoapplicaction/pdfspahttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 InternationalAcceso abiertoEstudio hidrodinámico y termodinámico de biorreactores UASB mediante el uso de la herramienta CFDHydrodynamic and thermodynamic study of UASB bioreactors using the CFD toolHIDRODINAMICATERMODINAMICAUASB ReactorCFD analysisHydrodynamicThermodynamicReactor UASBAnálisis CFDHidrodinámicaTermodinámicaTesis/Trabajo de grado - Monografía - Pregradoinfo:eu-repo/semantics/bachelorThesishttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1fIngeniería en MecatrónicaFacultad de IngenieríaUniversidad Militar Nueva GranadaA. En, U. N. a. R., y Centros, S. I. N. (2007). 8o congreso iberoamericano de ingenieria mecanica. 8o Congr. Iberoam. Ing.Mec(18), 8.Andrea Pérez, P. T. (2007). Evaluation of hydrodynamic behavior as a tool to optimize anaerobic reactors of attached growth.Ansys®, D. (2020). Turbulence models. doi: https://www.afs.enea.it/project/neptunius/docs/fluent/html/th/node330.htmAsensio, D. A. (2017). Modelado de reactores de lecho fijo de baja relación de aspecto asistido por fluidodinámica computacional (cfd).Bedoya, O. A., y Sousa, L. S. E. (2009). Tratamiento de aguas residuales de la industria láctea en sistemas anaerobios tipo uasb. Rev. Fac. Ciencias Agropecu, 7(2), 24–31.Conil, P. (2004). La tecnología anaerobia uasb en el tratamiento de las aguas residuales domésticas: 10 años de desarrollo y maduración en américa latina. biotec, 1–26. doi: http://www.academia.edu/download/49696116/29-PC8-C35C-_La-tecnologia -anaerobia-Sevilla_.pdfMinisterio de Agricultura. (1978). Decreto n° 1541.Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible. (2018). Resolución n° 0883.D. Margarita Hernández, P. H., A. Del, y Chaparro, T. R. (2018). Hydrogen production in a novel configuration of uasb reactor under different hydraulic retention time. Rev. DYNA, 85(205), 157–162.E. P. A. Ojeda, S. A. F., P. M. López, y Ramirez, R. A. C. (2009). Cfd como una herramienta para diseño de productos. Memorias Del Xv Congr. Int. La Somim 2009, 431–442.et al, A. M. M. (s.f.). Anaerobio mediante un cfd tema b . ( hidrología , usos y gestión del agua ) tema c . ( agua y ciudad .). , 2–3.Franciso, L. (2018). Modelo sedimentación de lodo. doi: https://www.simulacionesyproyectos.com/tag/ecuacion-de-transporte/IDEAM. (1984). Decreto n° 1594.Inguez-Fernetal, R. N. D. (2011). Revista mexicana de ingeniería química. Rev. Mex. Ing.Química, 10(1), 17–28.L.Meng, H. J. C. Y. W. H. X., J. C. Cheng, y Jin, W. Q. (2013). Design and analysis of a submerged membrane reactor by cfd simulation. Chem. Eng. 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