Mathematical simulation of heat and mass transfer during controlled depressurization of supercritical CO2 in extraction vessels
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Date
2016
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Abstract
Aun con casi cuarenta años presente en la industria, las compañías son reacias a utilizar CO2 supercrítico (sc) como solvente en extracciones debido a que piensan que los costos de producción serán elevados. La literatura en este tema sugiere que utilizar múltiples extractores simulando flujo contracorriente podría abaratar los costos de producción. Sin embargo, a más extractores se usen, menos tiempo habrá para reacondicionarlos si se desea tener una operación semi-continua; y si la despresurización se realiza demasiado rápido, el material del extractor puede dañarse permanentemente. Pensando en una eventual optimización de este proceso, se realizó un modelo que simula las variaciones de temperatura y masa de un extractor de 1 L cargado con materiales. Se utilizaron correlaciones reportadas en literatura para calcular el flujo de masa, conductividades efectivas y convección entre el sólido y el fluido. Mediante optimización, se obtuvieron parámetros de una correlación para el coeficiente de transferencia de calor en la pared del extractor, resultando en la ecuación Nu = 0.0777 Da-0.0373 Ra0.397 . Las simulaciones para temperatura, presión y flujo de masa evacuada fueron razonablemente buenas, además de que se mejoraron los valores predichos en un 20% con respecto a los obtenidos usando una correlación propuesta en la literatura.Para explorar el uso del modelo en situaciones prácticas, se simularon despresurizaciones con diferentes volúmenes de extractor, geometrías del mismo, y condiciones iniciales. Las pruebas con extractores de hasta 1 m3 mostraron que era posible usar el volumen para obtener la apertura de válvula que permite mantener la temperatura mínima por sobre cierta temperatura. Las pruebas con diferentes condiciones iniciales en extractores de 1 m3 mostraron que los cambios de estado en el CO2 eran relevantes a la hora de determinar el efecto de la temperatura inicial sobre la despresurización. El máximo tiempo de despresurización obtenido fue de 54.5 minutos en un extractor de 1 m3 comenzando a 60 °C y 70 MPa. Este modelo puede ser usado más adelante para determinar el tiempo de reacondicionamiento óptimo para plantas industriales en una minimización de costos.
Description
Tesis (Master of Science in Engineering)--Pontificia Universidad Católica de Chile, 2016