Effect of Temperature on a Vortex Reactor for Hydrodynamic Cavitation

Efecto de la temperatura en un reactor vórtice para cavitación hidrodinámica

El sector del petróleo y el gas ha mostrado recientemente su interés por la cavitación hidrodinámica para la mejora del petróleo, ya que permite reducir los costes de transporte y refino. Este trabajo presenta un estudio fluido-dinámico del petróleo colombiano a diferentes temperaturas pasando a través de un reactor vortex. En primer lugar, se elaboró un diseño experimental, estableciendo como factores la temperatura y la cantidad del donante de hidrógeno inyectado y como respuesta la viscosidad final del petróleo. A continuación, se desarrolló un modelo numérico en el software Ansys Fluent utilizando modelos multifásicos, donde las propiedades requeridas del fluido se obtuvieron mediante ensayos de laboratorio y el software Aspen HYSYS. Se analizaron los resultados obtenidos de la experimentación numérica y se observó que la viscosidad final se veía menos afectada por la temperatura que por el donante de hidrógeno. Además, la modelización numérica mostró una relación exponencial entre la generación de vapor y la temperatura. Se compararon los datos experimentales y numéricos, y se comprobó que las temperaturas establecidas en el diseño experimental no eran lo suficientemente altas como para generar una cantidad significativa de vapor, razón por la cual la disminución de la viscosidad era menor.

INTRODUCCIÓN

La cavitación es el fenómeno físico que ocurre en un fluido cuando se forman cavidades de vapor debido a una caída de presión, que puede generarse por una disminución repentina en el área de la sección transversal del flujo. Al diseñar un experimento que involucre cavitación se deben considerar parámetros como la velocidad, la temperatura y la geometría por donde pasa el fluido ( Barona-Mejía et al., 2021 ; Sarc et al., 2017 ).

Los modelos matemáticos pueden simular la cavitación describiendo el cambio de fase y el comportamiento de la burbuja. Uno de los modelos más utilizados es el método de Singhal, también conocido como modelo de cavitación completa, ya que describe la formación y transporte de la burbuja, las fluctuaciones turbulentas y la magnitud de los gases no condensables (Singhal et al., 2002 ) . ). Otro modelo ampliamente conocido es el método de Schnerr-Sauer, que es una combinación de la técnica VOF (Volumen de Fluido) y una predicción del crecimiento y colapso de las burbujas ( Sauer y Schnerr, 2000 ).

Uno de los parámetros que afecta la cavitación es la temperatura, la cual ha sido estudiada de diferentes maneras, ya sea para determinar la erosión en sólidos ( Dular, 2015 ) o para estudiar la dinámica de las burbujas ( Petkovšek y Dular, 2013 ). Además, el efecto térmico se ha estudiado en reactores de cavitación hidrodinámica utilizados para la limpieza del agua ( Ge et al., 2022 ; Sun et al., 2018 ). Otro parámetro es la geometría por la que pasa el fluido, entre los cuales los tubos Venturi son los más comunes ( Shi et al., 2019 ).