Estudio teórico y experimental de las desviaciones de la idealidad en reactores electroquímicos

Abstract

El objetivo de esta tesis es analizar las desviaciones de la idealidad en reactores electroquímicos mediante el método estímulo-respuesta. Esta técnica es complementada con cálculos basados en fluidodinámica computacional. Asimismo, se presentan modelos matemáticos para representar a los reactores, los cuales son comparados con resultados experimentales para establecer la validez de los algoritmos teóricos. Primeramente, se trata el modelo de dispersión axial y las condiciones de contorno, se comparan las diferentes soluciones y se obtienen conclusiones sobre rangos de aplicación. Seguidamente, se analizan las desviaciones de la idealidad de un reactor electroquímico asociado a un tanque de almacenaje. Se informan modelos analíticos y resultados experimentales para esta configuración y se discuten las desviaciones con respecto al comportamiento ideal. Asimismo, se examina este arreglo para la determinación experimental de los coeficientes de transferencia de masa discutiendo el error que se comete al utilizar los modelos simplificados. Posteriormente, se estudian reactores electroquímicos de placas paralelas, para ello se resuelven las ecuaciones de Navier-Stokes y el balance de materia con el objetivo de determinar la influencia de la zona de entrada fluidodinámica sobre el desempeño del equipo vacío o en presencia de diferentes promotores de turbulencia. Finalmente, se plantea la optimización de reactores electroquímicos de placas paralelas mediante: i) una contracción continua en sentido axial para disminuir el espesor de la capa límite y ii) el ingreso del fluido perpendicular al electrodo de trabajo generando un flujo acumulativo que suaviza los altos valores de densidad de corriente.

The objective of this thesis is to analyze the non-ideal behavior of electrochemical reactors by means of the stimulus-response method. This technique is complemented with computational fluid dynamics calculations. Also, mathematical models are presented to represent the reactors, which are compared with experimental results to establish the validity of the theoretical algorithms. First, axial dispersion model and the boundary conditions are analyzed, the different solutions are compared and conclusions of application ranges are obtained. Subsequently, the deviations from ideality of an electrochemical reactor associated with a storage tank are analyzed. Analytical models and experimental results for this configuration are reported and deviations from the ideal behavior are discussed. Also, this arrangement for the experimental determination of mass transfer coefficients using rigorous and simplified models is examined. Subsequently, parallel plate electrochemical reactors are discussed. The Navier-Stokes equations and the mass balance are solved in order to determine the influence of the entrance length on the hydrodynamic behavior for an empty reactor or in presence of different turbulence promoters. Finally, optimization of parallel plate electrochemical reactors by means of i) an axially continuous contraction to decrease the thickness of the boundary layer and ii ) the entrance of the fluid perpendicular to the working electrode generating a cumulative flow which softens the high current density values.