Modelado Matemático Y Simulación De Un Reactor Fotocatalítico Para La Oxidación Selectiva De Alcohol Bencílico

Abstract

La fotocatálisis es un proceso que se basa en la absorción de la energía radiante visible o ultravioleta por un fotocatalizador, el cual promueve la reacción de fotoxidación. Esta tecnología se emplea para producir aldehídos a partir de sus correspondientes alcoholes, entre otras aplicaciones. Factores como la geometría, la distribución de la luz, tipo de flujo, entre otros, influyen sobre el rendimiento final de la reacción fotocatalítica. Este proyecto de investigación tuvo como objetivo principal el estudio, modelado y simulación de un reactor fotocatalítico por lotes para la oxidación selectiva del alcohol bencílico, mediante los software comerciales Comsol Multiphysics 4.3 ® y Matlab R2013a®. El modelo matemático establecido para simular el comportamiento del reactor fotocatalítico, comprende a su vez los siguientes sub-modelos: a) Emisión de la radiación; b) Absorción y dispersión de la radiación; c) Modelo hidrodinámico; d) Cinética de reacción heterogénea; e) Ecuación de diseño del reactor fotocatalítico en estado no estacionario. Estos modelos están constituidos por sistemas de ecuaciones diferenciales parciales y expresiones algebraicas. Así mismo, se establecieron las condiciones de frontera pertinentes y las consideraciones que permiten la resolución de los sub-modelos. Es importante resaltar que en este trabajo se propuso un modelo de absorción y dispersión de la radiación en coordenadas cilíndricas, denominado ―Modelo de Cuatro Flujos de la radiación‖, el cual consiste en un sistema de ecuaciones diferenciales que permiten predecir la velocidad la velocidad volumétrica local de absorción de fotones, LVRPA, por sus siglas en inglés. Se demostró que este modelo provee datos consistentes con los obtenidos mediante otros métodos como el de Montecarlo y el Modelo de Seis Flujos. Posteriormente se obtuvo una ecuación cinética que permite establecer la dependencia de la velocidad de reacción con la LVRPA. Se determinó que la velocidad de reacción depende de la LVRPA dentro del reactor, la cual varía en el volumen de reacción, ya que existen zonas obscuras en donde la radiación no logra excitar a las partículas de catalizador. Por este motivo fue necesario establecer una ecuación de diseño que considerara las variaciones de velocidad de reacción dentro del reactor. Los programas elaborados para resolver el modelo obtenido se emplearon para predecir la cantidad óptima de catalizador, el efecto que tienen sobre la conversión la potencia de la lámpara, la carga de catalizador, y las dimensiones del reactor.