To quench a thermal runaway reaction in a chemical rector, an efficient approach is the introduction of a small quantity of a liquid inhibiting agent, named a “killer”, into the mixing vessel. In this thesis, an experimental approach has been coupled tightly with numerical modelling using Computational Fluid Dynamics (CFD). The first part of this thesis is devoted to a study of the hydrodynamics of partially-baffled mixing vessels, including the free-surface deformation caused by the central vortex. The use of an inhomogeneous, multiphase approach allowed simulation of the free-surface deformation. The capability of this novel method was demonstrated by very good agreement between the numerical predictions and experimental data. In the second part, liquid jet injection at the free-surface was coupled with the vessel hydrodynamics. Numerical results, obtained using an Eulerian-Lagrangian approach, have again shown good agreement with experimental data. These results allowed the jet trajectory to be modelled and its penetration into the agitated vessel was quantified. New mixing criteria were introduced that are specific to this application. Finally, the numerical methods validated at the pilot scale were applied at the industrial scale and allowed the proposal of practical improvements to the safety of the synthesis reactors studied

Vegetation is commonly modelled as emergent arrays of rigid, circular cylinders. However, the drag coefficient (CD) of real stems or trunks is closer to that of cylinders with a square cross-section. In this thesis, vegetation has been idealised as square cylinders in laboratory experiments with a turbulence intensity of the order of 10% which is similar to that of typical river flows. These cylinders may also represent other obstacles such as architectural structures. This research has determined CD of an isolated cylinder and cylinder pairs as a function of position as well as the average drag coefficient (CDv) of larger arrays. A strain gauge was used to measure CD whilst CDv was computed with a momentum balance which was validated by strain gauge measurements for a regularly spaced array. The velocity and turbulence intensity surrounding a pair of cylinders arranged one behind the other with respect to mean flow (in tandem) were also measured with an Acoustic Doppler Velocimeter. The isolated cylinder CD was found to be 2.11 in close agreement with other researchers. Under fixed flow conditions CD for a cylinder in a pair was found to be as low as -0.40 and as high as 3.46 depending on their relative positioning. For arrays, CDv was influenced more by the distribution of cylinders than the flow conditions over the range of conditions tested. Mean values of CDv for each array were found to be between 1.52 and 3.06. This new insight therefore suggests that CDv for vegetation in bulk may actually be much higher than the typical value of 1 which is often assumed to apply in practice. If little other information is available, a crude estimate of CDv = 2 would be reasonable for many practical applications. The validity of a 2D realizable k-epsilon turbulence model for predicting the flow around square cylinders was evaluated. The model was successful in predicting CD for an isolated cylinder. In this regard the model performed as well as Large Eddy Simulations by other authors with a significant increase in computational efficiency. However, the numerical model underestimates CD of downstream cylinders in tandem pairs and overestimates velocities in their wake. This suggests it may be necessary to expand the model to three-dimensions when attempting to simulate the flow around two or more bluff obstacles with sharp edges.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:56:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 5797.pdf: 4020114 bytes, checksum: 6512b1824308fd9cb725adcf72277695 (MD5) Previous issue date: 2014-02-28 / Universidade Federal de Sao Carlos / The industrialization process and the fast growth of cities lead to an increase of respiratory diseases and, therefore, lead to the beginning of studies involving particle deposition in human lung airways. This work used Computational Fluid Dynamics (CFD) to evaluate the air flow and particle deposition process in three bifurcations of human respiratory system bronchia, considering three ramifications. The model has been validated by the comparison with experimental data available in the literature. It was considered four inlet rates, which correspond to sleep, resting, moderate activity and intense activity breathing conditions of adult male, with particles diameters varying from 1 to 10 μm. It was observed that the air flow is more intense in the inner region of the model, since it was used a parabolic velocity profile at the inlet, and the presence of secondary motion. The particle deposition increased with the intensity of the activity due to higher momentum of the particles, resulting in greater deposition by inertial impaction. Furthermore, CFD techniques were used to compare the particle deposition process during inhalation and further breath holding and exhalation, separately. It was observed a higher number of deposited particles during breath holding when compared with exhalation, justifying the medical recommendations to hold the breath during few seconds after the inhalation of pharmaceutical aerosols. Lastly, the physical mechanisms of gravitational sedimentation, Brownian diffusion and inertial impaction were evaluated and indicated that gravitational sedimentation is more active for bigger particles, while Brownian diffusion has more importance for particles with smaller diameters, and both have more influence in situations involving low speed. Therefore, it can be concluded that CFD is a viable technique and it can be used to represent the physical phenomena of air flow and particle deposition in the portion of respiratory system considered in this work. / O processo de industrialização e o rápido crescimento dos centros urbanos levaram a uma maior incidência de doenças respiratórias e, consequentemente, ao início dos estudos envolvendo deposição de partículas nas vias respiratórias humanas. Este trabalho utilizou a Fluidodinâmica Computacional (CFD) para avaliar o escoamento de ar e a deposição de partículas nos brônquios do sistema respiratório humano, considerando três ramificações. O modelo foi validado através da comparação com dados experimentais disponíveis na literatura. Foram consideradas quatro vazões de entrada, correspondendo às condições de sono, repouso, atividade moderada e atividade intensa de um indivíduo homem adulto, com diâmetro de partícula variando de 1 a 10 μm. Foi observado que o fluxo de ar foi mais intenso região interna do modelo, uma vez que foi utilizado um perfil parabólico na entrada, e a presença de escoamento secundário. A deposição da partícula aumentou com a intensidade da atividade do indivíduo devido a uma maior quantidade de movimento das partículas, resultando em uma maior deposição por impactação inercial. Além disso, as técnicas de CFD foram utilizadas para comparar o processo de deposição das partículas durante a inalação seguida de suspensão da respiração e expiração, separadamente. Foi observada uma maior deposição durante a suspensão da respiração, justificando as recomendações médicas para suspender a respiração durante alguns segundos depois da inalação de aerossóis farmacêuticos. Por fim, os mecanismos físicos de sedimentação gravitacional, difusão Browniana e impactação inercial foram avaliados e indicaram que a sedimentação gravitacional é mais atuante para partículas maiores, enquanto o mecanismo difusional tem maior importância para partículas com diâmetros menores, de forma que ambos têm maior influência em situações envolvendo baixa velocidade. Dessa forma, pode-se concluir que as ferramentas de CFD são viáveis e podem ser utilizadas para representar o fenômeno físico de escoamento de ar e de deposição de partículas na porção do sistema respiratório considerada neste trabalho.

Orientador: Rubens Maciel Filho / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-17T01:43:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ParadaHernandez_NataliaLorena_M.pdf: 3447077 bytes, checksum: 71ef0ac11523fdfcfd56b1e719487b5f (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: O estudo das resinas epóxicas é de grande interesse científico e tecnológico devido à versatilidade apresentada por estes materiais. Esta versatilidade é o resultado das diferentes reações químicas envolvidas e das características físico-químicas dos diferentes endurecedores, catalisadores e reagentes que possibilitam diferentes processos e combinação de propriedades objetivando aplicações específicas. A resina epóxi obtida a partir de epicloridrina e bisfenol A, o diglicidil éter de bisfenol A, continua sendo um intermediário importante na tecnologia da resina epóxi. Os microreatores tem provado melhorar a distribuição da massa molar dos polímeros sintetizados dentro destes microaparelhos, isto como consequência das altas taxas de transferência de calor e massa e da mais rápida e melhor mistura apresentada nos microcanais graças à diminuição do tamanho. Levando isto em conta, foi estudada a síntese da resina epóxi em microreatores usando o laser na polimerização rápida da resina dentro destes pequenos reatores. Para o desenvolvimento do projeto foi estudada a síntese da resina em escala laboratorial e calculados os parâmetros cinéticos da reação de obtenção da resina epóxi líquida. O projeto de microreatores requer o conhecimento do comportamento da mistura dentro dos microcanais destes aparelhos, razão pela qual se fez uso da fluido dinâmica computacional, CFD, o qual permitiu a avaliação da mistura dos reagentes dentro das configurações testadas neste trabalho, uma configuração tipo T e tipo Y. / Abstract: Epoxy resin study is of a great scientific and technologic interest due to the versatility showed for these materials. This versatility is the result of different chemical reactions involved and the physical-chemical characteristics of the several hardeners, catalysts, and reagents that make possible uncountable process and properties combination objectify specific applications. Epoxy resin from epicholorohydrin and bisphenol-A continues being an important intermediary in the epoxy resin technology. Microreactors have shown to improve molecular weight distribution of the synthetized polymer within these microdevices; this can be explained by the high heat and mass transfer fluxes, and the faster and better mixture shown in the microchannel due to the size reduction. In this context, the epoxy resin synthesis was studied using a laser in the rapid polymerization of the resin within these small reactors. It was studied the resin synthesis in laboratorial scale and calculated the kinetic parameters of the liquid epoxy resin obtaining reaction. Since microreactor design requires knowing the mixture behavior in the microchannels, computational fluid dynamics (CFD) was used in order to evaluate the mixture grade of the reagents for the tested configuration in this work, the "T" and "Y" configuration types. / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

Orientador: Marcelo Cristianini / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos / Made available in DSpace on 2018-08-08T04:14:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Pinho_ClaudiaReginaGoncalves_D.pdf: 1041899 bytes, checksum: 4abceed910cac629edf241b164cb6d5c (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: O objetivo deste trabalho foi avaliar a possibilidade da aplicação do processo de homogeneização a ultra alta pressão (HUAP) no processamento de leite desnatado. Inicialmente verificou-se o efeito do processo de HUAP na inativação de Pseudomonas fluorescens, Listeria innocua e Lactobacillus helveticus na faixa de 100 a 300 MPa. Amostras de leite desnatado foram inoculadas de modo a se obter contagens da ordem de 106-107 UFC/mL. Os ensaios referentes a cada um dos microrganismos foram realizados separadamente. Os resultados obtidos indicaram que pressões de 200, 250 e 260 MPa foram capazes de inativar totalmente as cargas inoculadas de Pseudomonas fluorescens, Listeria innocua e Lactobacillus helveticus, respectivamente. Foi avaliado o efeito da HUAP na inativação de esporos de Bacillus stearothermophilus. As amostras foram inoculadas com cerca de 105 esporos/mL de leite. Os resultados demonstraram que pressões de até 300 MPa não foram capazes de causar qualquer redução nas contagens obtidas. Verificou-se também que o processo de homogeneização a ultra alta pressão não afetou de maneira significativa a resistência térmica dos mesmos (p<0,05). Avaliou-se ainda o efeito da utilização de temperaturas de entrada de 45°C e da aplicação de choque térmico (100°C por 15 minutos) antes de submeter as amostras ao processo de HUAP. Nestes ensaios novamente não foram observadas reduções nas contagens de esporos. Testou-se também o efeito de pressões da ordem de 300 MPa na inativação de esporos de Clostridium sporogenes. Mais uma vez não foi verificado qualquer efeito. A seguir, foram realizados testes de inativação das enzimas fosfatase alcalina, lactoperoxidase e da protease produzida por Pseudomonas fluorescens pelo processo de HUAP. Os resultados demonstraram que na faixa de pressões estudada (100 a 300 MPa) a máxima redução verificada na atividade enzimática da lactoperoxidase foi de 28,48% a 300 MPa. Já a fosfatase alcalina apresentou reduções inferiores a 30% em sua atividade na faixa de pressões de 100 a 250 MPa e foi totalmente inativada por pressões iguais ou superiores a 270 MPa. A protease sofreu uma redução de 72,5% no valor de sua atividade nos processos a 300 MPa. Foram determinados os perfis de velocidade no interior da válvula do homogeneizador a ultra alta pressão na faixa de 100 a 300 MPa. Os resultados demonstraram que a velocidade é tanto maior quanto maior a pressão de homogeneização aplicada, sendo que a velocidade máxima obtida foi de 245 m/s na saída do gap da válvula no processo a 300 MPa. Finalmente foram avaliados as alterações de cor (L*a*b*) e viscosidade provocadas pelo processo de HUAP em amostras de leite cru desnatado. Os resultados indicaram que embora as variações nos parâmetros L*, a* e b* detectadas instrumentalmente tenham sido estatisticamente significativas (p<0,05) na maior parte dos casos testados, visualmente as mesmas são imperceptíveis. Com relação à viscosidade, apenas as amostras processadas a 300 MPa diferiram estatisticamente (p<0,05) das demais. Considerando-se os resultados obtidos neste trabalho, a tecnologia de processamento de leite por homogeneização a ultra alta pressão pode ser uma alternativa à indústria de laticínios para aumentar a vida de prateleira durante a estocagem de leite cru anterior a processos de produção de leite UHT, queijos, achocolatados e outros produtos na medida em que diminui consideravelmente as contagens de células vegetativas presentes e inativa parcialmente a protease produzida pelo microrganismo Pseudomonas fluorescens / Abstract: This work aimed to evaluate the use of ultra high pressure homogenization (UHPH) in skim milk processing. Firstly, the effect of UHPH process on inactivation of Pseudomonas fluorescens, Listeria innocua and Lactobacillus helveticus at pressure range from 100 to 300 MPa was studied. Skim milk samples were inoculated in order to obtain 106-107 CFU/mL. Tests of each microorganism were carried out individually. Results showed that pressures of 200, 250 and 260 Mpa were able to inactivate all the 107 CFU/mL initially inoculated of Pseudomonas fluorescens, Listeria innocua and Lactobacillus helveticus, respectively. UHPH effect on Bacillus stearothermophilus spores was also evaluated. Results demonstrated that pressures up to 300 MPa did not cause any reduction on spore counts. It was also verified that UHPH process did not affect in a significantly way (p<0.05) thermal resistance of spores. Effect of high inlet temperatures (45°C) was verified as well as application of thermal chock (100°C - 15min) before submitting samples to UHPH process. At these tests no reductions were observed again. UHPH effect on Clostridium sporogenes spores inactivation was tested. A pressure of 300 MPa was not able cause any reduction on spore counts. Alkaline phosphatase, lactoperoxidase and protease produced by Pseudomonas fluorescens inactivation by UHPH process was also studied. Results showed that at pressure range tested (100 to 300 MPa) maximum lactoperoxidase reduction activity was 28.48% at 300 MPa. Alkaline phosphatase, presented activity reductions smaller than 30% at pressures from 100 to 250 MPa but was totally inactivated at 270 MPa. A reduction of 72.5% on proteolitic enzyme activity was verified after processes at 300 MPa. Velocity profiles at ultra high pressure homogenization valve were determined using CFD (Computational Fluid Dynamics) from 100 to 300 MPa. It was demonstrated that velocity increases with homogenizing pressure. The maximum velocity value obtained was 245 m/s at the outlet of the valve gap during processes at 300 MPa. Finally, the effect of ultra high pressure homogenization process on color (L*a*b*) and viscosity of raw skim milk was studied. Pressures varied from 100 to 300 MPa. Results showed that although variations on L*, a* and b* parameters were statistically significant (p<0.05) at the majority of samples analyzed, visually this was not verified. Only viscosity of samples processed at 300 MPa differed in a statistically significant way from the others (p<0.05). Results from this work indicated that ultra high pressure homogenization processing of milk can be an alternative to dairy industry for increasing shelf life during storage of raw milk prior to production of UHT milk, cheese and other products as it reduces significantly vegetative cells counts and proteolysis due to the protease produced by Pseudomonas fluorescens / Doutorado / Mestre em Tecnologia de Alimentos

A busca por uma nova matriz energética intensificou significativamente o desenvolvimento de fontes renováveis de energia. Dentre essas, o álcool teve grande destaque, dado que sua utilização industrial já é intensa no Brasil. Em concordância com a tendência industrial, o comportamento do álcool em vários fenômenos físico-químicos tornou-se foco de intensa pesquisa e desenvolvimento, o que levou a parcerias entre faculdades e empresas. O presente trabalho objetiva ao desenvolvimento de simulações numéricas que consigam descrever com exatidão o comportamento de chamas de sprays turbulentos de etanol. Para a verificação da aderência da simulação a processos reais, serão utilizados dados experimentais. Esses dados serviram como base comparativa de validação do modelo numérico. A descrição do spray segue a abordagem Euler-Lagrange, na qual a fase líquida segue uma abordagem lagrangeana e a fase gasosa uma abordagem euleriana. Foi considerado o acoplamento completo entre as duas fases, considerando o impacto da fase líquida no regime turbulento da fase gasosa. A turbulência da fase gasosa é descrita pelo modelo RSM (Reynolds Stress Model), baseado na média temporal e decomposição da turbulência, enquanto o escoamento interno da fase líquida é negligenciado. A chama do spray caracterizada pelo modelo flamelet, o qual utilizará um mecanismo de cinética química reduzido da oxidação do etanol. / The research for a new energy source to substitute fossil fuels intensified the development of renewable energy sources. Among all, ethanol has been given great attention, once it has been widely used in many Brazilian industrial branches. In agreement with industrial trends, the behavior of ethanol became the center of innumerous researches and developments, which led to partnerships between academic and private companies. This thesis aims the development of numerical simulations that describe with accurately the behavior of ethanol turbulent spray flames. To verify correlation between model results and real process behavior, experimental data will be used for validation of the numerical model. The spray physical description is made through the use of the Euler- Lagrange approach, in which the liquid phase is described by the lagrangean approach and the gaseous phase is described by the eulerian approach. There is full coupling between both phases. The turbulent flow of the gaseous phase is modeled through the use of the Reynolds Stress Model (RSM), based on Reynolds decomposition and time averaging process. The liquid phase has no internal flow, the droplets behave as a solid sphere translating through the domain (gaseous phase). The spray flame is modeled by the flamelet model which will use a simplified chemical mechanism.

RESUMO Simulações de aeroacústica computacional demandam uma quantidade considerável de tempo, o que torna complicada a realização de estudos paramétricos. O presente trabalho propõe uma metodologia viável para otimização aeroacústica. Através da análise numérica utilizando dinâmica dos fluidos computacional, foi estudada a aplicação de uma placa separadora desacoplada como método de controle passivo da esteira turbulenta de um cilindro e avaliou-se a irradiação de ruído causado pela interação do escoamento com ambos os corpos, empregando ferramentas de aeroacústica computacional baseadas no método de Ffowcs-Williams e Hawkings. Algumas abordagens distintas de metodologias de otimização de projeto foram aplicadas neste problema, com o objetivo de chegar a uma configuração otimizada que permita a redução do nível sonoro ao longe. Assim, utilizando uma ferramenta de otimização multidisciplinar, pode-se avaliar a capacidade de modelos heurísticos e a grande vantagem do emprego de algoritmos baseados em método de superfície de resposta quando aplicados em um problema não linear, pois requerem a avaliação de um menor número de alternativas para se obter um ponto ótimo. Além disso, foi possível identificar e agrupar os resultados em 5 clusters baseados em seus parâmetros geométricos, nível de pressão sonora global e o valor quadrático médio do coeficiente de arrasto, confirmando a eficiência da aplicação de placas separadoras longas desacopladas posicionadas próximas ao cilindro na estabilização da esteira turbulenta, enquanto que o posicionamento de placas acima de um espaçamento crítico aumentou o nível de pressão acústica irradiado devido à formação de vórtices no espaço entre o cilindro e a placa separadora. / Computational aeroacoustics simulations require a considerable amount of time, which makes the comparison of a large number of different geometric designs a difficult task. The goal of the present study is to provide a suitable methodology for aeroacustic optimization. By means of numerical analyses using computational fluid dynamics tools, the application of a detached splitter plate as a passive control method for the turbulent wake of a circular cylinder was investigated. The irradiation of noise caused by the interaction between the flow and both bodies was evaluated using computational aeroacoustics tools based on the Ffowcs-Williams and Hawkings method. Various design optimization methodologies were applied to this flow in order to achieve a possible optimal configuration, i.e., one which is capable of reducing the far field noise level without increasing the aerodynamic forces. Using a multidisciplinary optimization tool, it was possible to evaluate the behavior of heuristic optimization algorithms and the major advantage of algorithms based on response surface methods when applied to a nonlinear aeroacoustics problem, since they require a smaller number of calculated designs to reach the optimal configuration. In addition, it was possible to identify and group the outcomes into 5 clusters based on their geometric parameters, overall sound pressure level and drag coefficient, confirming the efficiency of the application of long detached splitter plates placed next to the cylinder in stabilizing the turbulent wake, whereas the positioning of splitter plates at a distance larger than a critical gap increased the overall sound pressure level radiated due to the formation of vortices in the gap.

Orientador: Luiz Otávio Saraiva Ferreira / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-26T05:32:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Horta_AgnusAzevedo_M.pdf: 4762311 bytes, checksum: 1bcc55cdb06dfc294f352fc1ac27c0ad (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Este trabalho tem como objetivo principal a implementação do motor de simulação de um framework de simulação com partículas, o motor de simulação utilizará o método DPD (Dissipative Particle Dynamics), baseando-se no paradigma de programação orientada a objeto (POO) e no uso de estruturas de dados otimizadas. O motor de simulação foi escrito em linguagem C++. A concepção do sistema foi realizada de forma a facilitar e promover a reutilização e manutenção do código. Buscou-se, também, a flexibilidade e generalização através do uso da linguagem Python na geração dos arquivos de entrada correspondentes a distribuição espacial das partículas, sendo utilizada a linguagem de marcação XML (eXtensible Markup Language) na estruturação dos arquivos resultantes da simulação. No final, o motor de simulação é avaliado aplicando o problema do fluxo de um fluído entre placas paralelas e o resultado comparado com os resultados obtidos no simulador Hoomd-Blue / Abstract: This work aims the implementation of the simulation of a simulation framework with particle engine, the simulation engine will use DPD (Dissipative Particle Dynamics) method, based on the paradigm of object oriented programming (OOP) and use optimized data structures. The simulation engine is written in C language ++. The system design was performed in order to facilitate and promote the reuse and maintainability of the code. Also, we sought flexibility and generalization through the use of Python in the generation of the input files corresponding to the spatial distribution of particles, (eXtensible Markup Language) XML markup being used in structuring the files resulting from the simulation. At the end, the simulation engine is the problem of applying rated flow of a fluid between parallel plates and the result compared with the results obtained in the simulation Hoomd-Blue / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Milton Mori / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-21T06:39:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 GonzalezSilva_German_D.pdf: 4427269 bytes, checksum: bb45c122c3faad0613f060ad4cbd3b61 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: O objetivo principal desta tese é propor uma metodologia para aplicar simulação de grandes escalas (LES) em uma unidade de craqueamento catalítico industrial. Para atingir este objetivo, iniciou-se propondo uma metodologia para a construção da malha, sendo uma malha quase-uniforme. As malhas propostas foram implementadas para minimizar o esforço computacional e procedimento para a refinação uniforme no domínio do sistema. Inicialmente, foi estudada a fluidodinâmica de um leito fluidizado gás-sólido na escala de laboratório sem reação química, utilizando Simulação de Grandes Escalas. Com base nos resultados numéricos obtidos a partir de resultados da escala de laboratório foi aplicado o modelo cinético de 4 lump em uma simulação CFD tridimensional para um reator industrial FCC, utilizando LES para a fase gasosa, e considerando o catalisador como uma fase contínua (Euleriana). Os pacotes de simulação utilizados foram Ansys ICEM versão 13 para a construção da malha e Ansys CFX versão 13 para o pós-processamento dos resultados. No pós-processamento dos resultados foi proposta uma metodologia para determinar as médias azimutais das variáveis em planos perpendiculares ao escoamento e finalmente foram validadas as simulações com dados reportados na literatura. As principais conclusões do trabalho foram que foi possível diminuir o tamanho da malha e o tempo de processamento. Notou-se também que, ao usar malhas com discretização quase-uniforme não foi necessário fazer um refinamento de malha elevado, nem refinar perto da parede para o sistema gás-sólido / Abstract: The main objective of this thesis is to propose a methodology in how to apply Large Eddy Simulation (LES) on a unit of catalytic cracking. In order to achieve this, it was proposed an alternative way of constructing the computational mesh, by using quasi-uniform meshes. The proposed meshes were implemented to minimize the computational effort and procedure for refining them in the entire domain of the system. Initially it was studied the fluid dynamics of a lab scale gas-solid system without chemical reaction, using Large Eddy Simulation. Based on the numerical results obtained from lab scale results it was implemented the 4 lump kinetic model in a three dimensional CFD simulation of an FCC industrial reactor, using LES for the gas phase and considering the catalyst as a continuous phase (Eulerian). The simulation packages used were Ansys ICEM, version 13 for mesh construction and Ansys CFX 13 for computation and post-processing of the results. In the data post-processing it was proposed a methodology for calculating average values of fluctuating variables between two circular sections in the azimuthal direction. The results were compared with data reported in literature. The main conclusions of the results showed that it was possible to decrease the mesh size and the computational time. It was also noticed that by using quasi-uniform discretization it was not necessary to make a high mesh refinement near the wall for a gas-solid system / Doutorado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Doutor em Engenharia Química

Orientadores: José Roberto Nunhez, Everton Moraes Matos / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-21T22:56:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Fontoura_DienerVolpinRibeiro_D.pdf: 11658919 bytes, checksum: 6a2be1fd48301240f5f4b18c84757db1 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: O escoamento de fluidos é, sem dúvida, de grande importância na indústria, especialmente no transporte de fluidos entre as unidades de operação. Sistemas multifásicos são bastante comuns, e em muitos casos, também ocorrem processos de transferência de massa e energia, como é o caso dos fornos de pré-aquecimento na indústria petroquímica. O escoamento gás-líquido nessas linhas é muitas vezes complexos, pois durante a vaporização da carga ocorre também o craqueamento térmico do petróleo. É comum nestas operações a formação de coque no interior do tubo, o que é muito indesejável. Para entender as condições nas quais esta formação de coque é minimizada, ou aumentada, foi proposto um modelo uidodinâmico computacional para simular o escoamento bifásico gás - liquido do petróleo no interior desses tubos. O modelo foi implementado na plataforma OpenFOAM, ao qual foram acrescidas novas rotinas para a estimativa das temperaturas e concentrações através das equações de conservação de massa e energia. O modelo k - epsilon foi utilizado para descrever a turbulência e dois modelos de vaporização foram utilizado para caracterizar a mudança de fase. Uma formulação não conservativa foi adotada na escrita das equações do modelo para maior estabilidade numérica em altas frações volumétricas. Foi também implementada uma rede cinética dependente da temperatura para descrever o craqueamento térmico. Através do modelo foi possível simular o escoamento tridimensional de petróleo no interior de um tubo com as dimensões da planta obtendo como resultado os perfis de velocidades, temperaturas e concentrações das fases líquida e gasosa / Abstract: Fluid flow is of great importance in the industry, especially for its transport between the operating units. Multiphase systems are very frequent. In many cases, mass and energy transfer processes, such as the case of preheating furnaces in petrochemical industry, are also observed. The gas-liquid flow in these lines is often complex, because during the vaporization of the charge it also occurs the petroleum thermal cracking. It is common in these operations the very undesirable formation of coke inside the tube. With the aim of understanding under which conditions the formation of coke is minimized or increased it was proposed a computational fluid dynamic model for simulating the petroleum gas-liquid two-phase flow inside of these tubes. The model was implemented on the OpenFOAM software, to which new routines for the calculation of temperatures and concentrations using the equations of conservation of mass and energy were added. The model k - epsilon was used to describe the turbulence and two vaporization models were used to characterize the phase change. A non-conservative formulation was adopted for describing the equations of the model in order to obtain numerical stability at high volumetric fractions. It was also implemented a temperature dependent kinetic net to describe the thermal cracking. With this model it was possible to simulate the three-dimensional flow of petroleum inside a tube with real industrial dimensions as a result of the gas and liquid phase's profiles of velocities, temperatures and concentrations / Doutorado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Doutor em Engenharia Química