Modelamiento y simulación de reactores fotocatalíticos de película descendente: uso de la dinámica computacional de fluidos (CFD) para análisis del sistema multifásico

Abstract

La dinámica computacional de fluidos (CFD) se perfila como una herramienta apropiada para el modelamiento de procesos fotocatalíticos heterogéneos, pues permite considerar simultáneamente los diferentes fenómenos físicos trascendentales de los procesos. En el presente estudio se empleó el software COMSOL Multiphysics para modelar el régimen de flujo y determinar la distribución de las partículas de catalizador en un reactor fotocatalítico de película descendente, hecho relevante para determinar la eficiencia del reactor. Las simulaciones del reactor fueron realizadas con el módulo de Mezclas de COMSOL, en un régimen de flujo turbulento empleando el enfoque de RANS. Se detectaron siete zonas definidas con un perfil particular de concentración de catalizador en toda el área de la película, para las cuales se estimó la absorción fotónica en el reactor con el modelo de seis flujos (SFM). De ello se obtuvo que existe una diferencia de más del 20% entre el mayor y el menor valor del promedio de la absorción fotónica en el área reactiva, con lo que se puede esperar que la variación en la degradación de los contaminantes en estas zonas oscile entre el 10 y el 20%, lo cual debe tenerse en cuenta para la aplicabilidad de la tecnología.

Computational fluid dynamics (CFD) is emerging as an appropriate tool for modeling heterogeneous photocatalytic processes, since it allows simultaneous consideration of the different physical phenomena involved in the processes. In the present study, COMSOL Multiphysics software was used to model the flow regime and to determine the distribution of catalyst particles in a falling film photocatalytic reactor, which is relevant to determine the reactor efficiency. The reactor simulations were performed with the COMSOL Mixture module in a turbulent flow regime using the RANS approach. Seven defined zones were detected having a particular catalyst-concentration profile over the entire film area, for which the photonic absorption in the reactor was estimated with the six-flux model (SFM). From this it was obtained that there is a difference of more than 20% between the highest and the lowest value of the average photonic absorption in the reactive area, so it can be expected that the variation in the degradation of pollutants in these zones ranges between 10 and 20%, which should be taken into account for the applicability of the technology.