Submitted by Cleide Dantas (cleidedantas@ufpa.br) on 2014-04-11T12:33:30Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_InteracaoCfdDem.pdf: 2681948 bytes, checksum: b188acc52b2161b5a81d5b6d7c138a87 (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Rosa Silva (arosa@ufpa.br) on 2014-09-01T13:03:38Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_InteracaoCfdDem.pdf: 2681948 bytes, checksum: b188acc52b2161b5a81d5b6d7c138a87 (MD5) / Made available in DSpace on 2014-09-01T13:03:38Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_InteracaoCfdDem.pdf: 2681948 bytes, checksum: b188acc52b2161b5a81d5b6d7c138a87 (MD5) Previous issue date: 2013 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / A fluidização de partículas é amplamente utilizada na indústria, principalmente devido às altas taxas de transferência de calor e massa entre as fases. O acoplamento entre a Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD – Computational Fluid Dynamics) e o Método dos Elementos Discretos (DEM – Discrete Element Method) tem se tornado atrativo para a simulação de fluidização, já que nesse caso o movimento das partículas é analisado de forma mais direta do que em outros tipos de abordagens. O grande problema do acoplamento CFD-DEM é a alta exigência computacional para rastrear todas as partículas do sistema, o que leva ao uso de estratégias de redução do tempo de simulação que em caso de utilização incorreta podem comprometer os resultados. O presente trabalho trata da aplicação do acoplamento CFD-DEM na análise de fluidização de alumina, que é um problema importante para o setor mineral. Foram analisados diversos parâmetros capazes de influenciar os resultados e o tempo de simulação como os passos de tempo, os modelos de arrasto, a distribuição granulométrica das partículas, a constante de rigidez, a utilização de partículas representativas com tamanho maior que o das partículas reais, etc. O modelo de força de interação DEM utilizado foi o modelo de mola e amortecedor lineares (LSD – Linear Spring Dashpot). Todas as simulações foram realizadas com o software ANSYS FLUENT 14.5 e os resultados obtidos foram comparados com dados experimentais e da literatura. Tais resultados permitiram comprovar a capacidade do modelo linear LSD em predizer o comportamento global de leitos de alumina e reduzir o tempo de simulação, desde que os parâmetros do modelo sejam definidos de forma adequada. / The particle fluidization process is widely used in the industry, mainly due to the high heat and mass transfer rates between the phases. The coupling between the Computational Fluid Dynamics (CFD) and the Discrete Element Method (DEM) has become attractive for the simulation of fluidization, because in this case the particles movement is analyzed in a more direct way than in other types of approaches. The main problem with the CFD-DEM coupling is the high demand for computational capacity in order to track the movement of all the particles in the system, what it leads to the use of some strategies to reduce the simulation time which in case of incorrect usage can prejudice the results. The present work deals with the application of the CFD-DEM coupling in the analysis of alumina fluidization, which is an important problem for the mineral sector. It were analyzed several parameters capable of influencing the results and the simulation time like the time steps, the drag models, the particle size distribution, the spring constant, the usage of representative particles bigger than the actual particles, etc. The DEM model used was the Linear Spring Dashpot model (LSD). All the simulations were carried out with the software ANSYS FLUENT 14.5 and the results obtained were compared with experimental data and the data available in the literature. These results allowed to verify the capability of the Linear Spring Dashpot Model for predicting the global behavior of alumina beds and reducing the simulation time, since the model parameters are defined adequately.

Submitted by Nathalya Silva (nathyjf033@gmail.com) on 2017-04-24T20:05:30Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Tese_TransportePneumaticoFluidizado.pdf: 9546577 bytes, checksum: 5b571941483f281d7416986286fe20a8 (MD5) / Approved for entry into archive by Edisangela Bastos (edisangela@ufpa.br) on 2017-04-26T13:40:04Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Tese_TransportePneumaticoFluidizado.pdf: 9546577 bytes, checksum: 5b571941483f281d7416986286fe20a8 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-26T13:40:04Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Tese_TransportePneumaticoFluidizado.pdf: 9546577 bytes, checksum: 5b571941483f281d7416986286fe20a8 (MD5) Previous issue date: 2011-08 / Este trabalho é uma contribuição à ciência e à aplicação da tecnologia desenvolvida sobre leito e transporte fluidizado de materiais particulados usados nos processos industriais. No caso de leitos fluidizados desenvolveu-se uma equação semi-empírica para predição da velocidade mínima de fluidização da alumina fluoretada, pó de crosta e outros materiais particulados usados nos processos industriais com resultados bastantes satisfatórios comparados com os resultados experimentais em relação às equações disponíveis na literatura. Estudou-se também o comportamento dos ângulos de repouso e de fricção interno interpartículas propondo-se equações constitutivas para esses ângulos para alumina fluoretada como função da velocidade superficial de fluidização. Em uma segunda etapa propõem-se uma equação para predição da capacidade de transporte de calhas e tubos fluidizados com resultados de boa qualidade em relação aos experimentos realizados nos tubos fluidizados. Este tubo fluidizado por sua concepção pode operar em ângulos ascendentes em relação ao plano horizontal sendo uma contribuição tecnológica desta tese para diminuição da taxa kWh/ton de material particulado manuseados nos processos industriais. / This work is a contribution to science and applied technology developed to fluidized bed and fluidized motion conveying used in the powder handling of the industrial processes. In the case of fluidized bed it is proposed an empirical equation to predict the minimum fluidization velocity for the fluoride alumina, crust powder and others powders used in the industrial processes with good results compared with the experiments and the equations available in the literature. It was also studied the constitutive equations to predict the behavior of the angle of repose and interparticles friction as a function of the superficial velocity of fluidization. In a second step it is proposed an equation to predict the capacity of the Air Pneumatic Fluidized Conveyor with good results compared with the experiments for fluoride alumina. The Air Fluidized Conveyor is a contribution to applied technology reducing the consumption of energy, it operates even in upward direction, and so, decreasing the rate kWh/ton in the powder handling of the industrial processes.

Submitted by Nestor Proenza Perez null (nestor@feg.unesp.br) on 2016-07-25T14:02:32Z No. of bitstreams: 1 TESIS VERSÃO FINAL NESTOR PROENZA.pdf: 3806431 bytes, checksum: e67652e66d5b48b5104953feec776a66 (MD5) / Approved for entry into archive by Felipe Augusto Arakaki (arakaki@reitoria.unesp.br) on 2016-07-28T12:09:11Z (GMT) No. of bitstreams: 1 perez_np_dr_guara.pdf: 3806431 bytes, checksum: e67652e66d5b48b5104953feec776a66 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-07-28T12:09:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 perez_np_dr_guara.pdf: 3806431 bytes, checksum: e67652e66d5b48b5104953feec776a66 (MD5) Previous issue date: 2016-06-24 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Neste trabalho foi realizada a caracterização física, geométrica e fluidodinâmica do bagaço de cana-de-açúcar visando o projeto e dimensionamento de um gaseificador de leito fluidizado borbulhante para pequena e média capacidade térmica (até 25 MW térmicos). As principais propriedades físicas e químicas como massa específica real, aparente e a granel, assim como os teores de umidade, cinzas, material volátil e carbono fixo presentes neste material foram determinadas aplicando normas vigentes para este tipo de resíduo. Também foi realizada uma caracterização geométrica através de técnicas de análise de imagens, determinando-se a esfericidade e razão de aspecto para todas as faixas de diâmetro de partículas estudadas, obtendo-se um valor médio de 0,39 no caso da esfericidade para o bagaço em seu estado natural. Através do estudo fluidodinâmico verificou-se que partículas de bagaço de cana com diâmetros característicos entre 0,59 – 9,5 mm não são fluidizáveis, apresentando uma tendência a coesão e formação de canais preferenciais. Foi constatado que o emprego dos modelos existentes até agora para a previsão da velocidade mínima de fluidização (Vmf), tanto para partículas de bagaço, quanto para misturas delas com material inerte, não preveem de forma adequada este parâmetro. Indicando erros entre 85% e mais de 100% em cada um desses caso, pelo que foram deselvolvidos dois novos modelos específicos para partículas de bagaço de cana e para misturas delas com areia, os quais previram com melhor exatidão os valores da (Vmf), com um erro máximo de 6,3%, para partículas de bagaço, e de até 30% para 88% das 25 condições experimentais testadas no caso de misturas. Conclui-se também que, para garantir uma boa fluidização, a fração em massa máxima de bagaço na mistura deve ser entre 2 - 5%. Uma nova metodologia é proposta baseada nos novos modelos desenvolvidos para a determinação da (Vmf), tornando possível o projeto e dimensionamento de gaseificadores de leito fluidizado borbulhante, sendo determinado que reatores trabalhando com misturas de bagaço e areia são 30% maiores que reatores empregando somente partículas de bagaço de cana-de-açúcar com uma eficiência a frio de 58,5%. / In this work is carried out a physical, geometric and fluid-dynamics characterization of sugarcane bagasse, aiming to design and sizing a bubbling fluidized bed gasifier for small and medium power (up to 25 MW thermal). The main physical and chemical properties as real density, bulk density and apparent density, as well as, the content of moisture, ash, volatile matter and fixed carbon present in the bagasse, were determined by applying the standars norms suitable for this type of residue. It was also made a geometric characterization by image analysis techniques, being determined the sphericity and aspect ratio for all diameter ranger of studied particles, obtaining an average value of 0.39 in the case of sphericity for bagasse in it is natural form. Through the fluid dynamic study it was found that bagasse particles with typical diameters between 0,59 – 9,5 mm are not fluidizable, showing a tendency to cohesion and formation of preferential channels. It has been found that the use of the existing models to date for determination of the minimum fluidization velocity for bagasse particles and for mixtures of them with inert, do not predict the right way this parameter, introduced errors of up to 85% to over 100% in both cases, therefore were developed two new models specifically for sugarcane bagasse particles and mixtures of them with sand, with a maximum error of 6.3% in the first case, and 30% for the 88% of the 25 experimental conditions tested in the case of mixtures. Concluding that to ensure a good fluidization, the maximum mass fraction of bagasse in the mixture should be between 2 - 5%. A new methodology is proposed based on the new models developed, making possible the design and dimensioning of the bubbling fluidized bed gasifier, determining that reactors working with mixtures of sugarcane bagasse and sand are 30% higher than reactors employing solely sugarcane bagasse particles, with a cold gas efficiency of 58.5%.

Orientador: Antonio Carlos Luz Lisboa / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-06T19:43:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Porto_PauloSergiodaSilva_D.pdf: 16531970 bytes, checksum: 29f4837be6b441e6118e76a89e91a0ab (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: Xisto pirobetuminoso é uma rocha sedimentar que contém querogênio, um material orgânico que se encontra disseminado em sua estrutura mineral. O querogênio é extraído por aquecimento a altas temperaturas, em reatores conhecidos como retortas, 1iberando óleo e gás. Este óleo quando refinado produz destilados com as mesmas características encontradas nos de petróleo, sendo considerado uma fonte de energia alternativa. A existência de umidade no xisto na entrada do reator gera uma zona de secagem influenciando na redução da temperatura dos gases e diminuição da eficiência da retorta. O objetivo deste trabalho é investigar a perda de umidade durante a secagem de partículas de xisto, visando conhecer os mecanismos envolvidos. Para obter o perfil de umidade ao longo do tempo foram utilizadas partículas classificadas em três diferentes lotes quanto ao diâmetro médio de partícula (dp): partículas individuais do Lote A (dp = 80 mm e dp = 60 mm); partículas do Lote B que subdivide-se em quatro sublotes (~ = 5,3 mm, dp = 3 mm, dp = 1,5 mm e dp = 0,85 mm) e partículas do Lote C (dp < 0,074 mm). Os experimentos de secagem foram realizados em diversos secadores: partículas do Lote A secas em estufa com circulação de ar a 60°C e 90°C; partículas do Lote B secas em bandeja termogravimétrica a 40°C, 60 °c, 80°C e 100°C e em leito de jorro e leito fluidizado a 50°C e 70°C; partículas do Lote C secas em um analisador termogravimétrico, cujas temperaturas iniciais de 20°C variaram ao longo do tempo até atingir valores máximos de 40 °C, 70°C e 100°C. Exceto os experimentos realizados no ana1isador termogravimétrico, em todos os demais a temperatura foi mantida constante. Utilizou-se o modelo matemático de difusão de Fick, considerando geometrias uni e tri-dimensionais. Na solução destes modelos foram desenvolvidos programas em linguagem Fortran para descrever a variação de umidade das partículas de xisto ao longo do tempo e da posição, levando-se em conta a geometria da partícula e a temperatura do ar de secagem (constante ou variável). Os resultados preditos pelos modelos foram comparados com os experimentais apresentando boa concordância. Estes modelos podem contribuir na estimativa de parâmetros desconhecidos do processo. Quanto ao leito em jorro e leito fiuidizado, verificou-se que são técnicas adeqüadas para a secagem de xisto / Abstract: Oil shale is a sedimentary rock which contains kerogen, an organic matter scattered througout a mineral matrix. Kerogen is extracted by pyrolysis at high temperatures in reactors known as retorts producing oil and gas. The oil, when refined, produces distillates with the same characteristics as petroleum. Oil shale is considered an alternative energy source to petroleum. At the top of a moving bed retort oil shale moisture vaporization consumes energy, thereby reducing the retort efficiency. Oil shale drying has been investigated to optimize pyrolysis. The objective of this work was to investigate the moisture loss during oil shale particles drying to know the mechanisms involved. In order to obtain the moisture profile with time particles classified in three different categories / Doutorado / Engenharia de Processos / Doutor em Engenharia Química

Filtered two-fluid models used to perform large scale simulations of gas-solid fluidized flows of industrial risers require closures for filtered parameters such as filtered and residual stresses, and interphase interaction forces mainly effective drag. Closure models for those filtered parameters may be derived by averaging over results of highly resolved simulations with microscopic two-fluid modeling. This work is a contribution in that context. Recent models for filtered parameters have been written as functions of filter size, filtered solid volume fraction, and filtered slip velocity. A recent study showed that macro-scale variables like domain average solid volume fraction and gas Reynolds number also significantly affect the filtered parameters. In the current work, in addition to these filtered and macro-scale variables, the effects of two new variables over the filtered parameters are investigated: filtered solid kinetic energy and sub-grid gas turbulence. It is shown that the filtered solid kinetic energy should be accounted for in the concerning correlations, thereby improving accuracy. Regarding gas turbulence, literature shows it has no significant effects on the motion of high Stokes particles. Extending on literature, this work investigates the sub-grid gas turbulence effects on meso-scale structures formed of high Stokes particles. Results showed that sub-grid gas turbulence has no significant effects on the meso-scale structures and corresponding filtered parameters. The open source code MFIX was used for all simulations. Ranges of dilute concentration of solid and gas Reynolds number typical of riser flow regimes were considered. A modified two-fluid model with microscopic formulation was used. The sub-grid gas turbulence was generated by means of a forcing function procedure which was implemented in the physical space, over the gravitational term of the momentum conservation equation of the gas phase. First, numerical simulations of the gas phase alone were performed, accounting for literature available data, in order to set a turbulent gas field and calibrate the turbulence intensity. Then, the forcing function was introduced in to the two-fluid model and various gas-solid flows were simulated. While the current results show the necessity of accounting for additional variables in the filtered parameter correlation, they also make it clear the necessity of further developments that are required in the search for better accuracy. / Modelos filtrados de dois-fluidos usados em simulações de grandes escalas de escoamentos fluidizados de gás-sólido de risers industriais exigem fechamentos para parâmetros filtrados tais como as tensões filtradas e residuais, e forças interativas interfases, principalmente arrasto efetivo. Modelos de fechamento para estes parâmetros filtrados podem ser gerados a partir de procedimentos de media aplicados sobre resultados de simulações altamente resolvidas com modelagem microscópica de dois-fluidos. Este trabalho é uma contribuição neste contexto. Modelos de fechamento recentes para parâmetros filtrados tem sido formulados em função de tamanho de filtro, fração volumétrica de sólido filtrada, e velocidade de deslizamento filtrada. Estudo recente mostrou que variáveis de macro-escalas como fração volumétrica de sólido e número de Reynolds de gás médios no domínio também afetam significativamente os parâmetros filtrados. No presente trabalho, além dessas variáveis filtradas e de macro-escala, os efeitos de duas novas variáveis sobre os parâmetros filtrados são investigados: energia cinética filtrada do sólido e turbulência submalha do gás. Em relação à energia cinética filtrada do sólido, mostra-se que a sua consideração refina as correlações em questão, contribuindo assim para melhor acuracidade. Com relação à turbulência do gás, a literatura mostra que não tem efeitos significativos no movimento de particulados de elevados números de Stokes. Acrescentando à literatura, este trabalho investiga os efeitos da turbulência sub-malha do gás sobre estruturas de meso-escala formados de particulados de elevados números de Stokes. Os resultados mostraram que a turbulência sub-malha do gás não tem efeitos significativos sobre estruturas de meso-escalas e parâmetros filtrados correspondentes. O código aberto MFIX foi usado para todas as simulações. Faixas de concentração diluída de sólido e número de Reynolds típicos de escoamentos em risers foram considerados. Um modelo modificado de dois fluidos com formulação microscópica foi utilizado. A turbulência sub-malha do gás foi gerada por meio de um procedimento de \'forcing function\' que foi implementado no espaço físico, sobre o termo fonte gravitacional da equação de momentum da fase gás. Primeiramente, simulações numéricas da fase gás foram realizadas separadamente, levando-se em conta dados disponíveis na literatura, a fim de gerar um campo de gás turbulento e calibrar a intensidade de turbulência. Posteriormente, a \'forcing function\' foi introduzida no modelo de dois-fluidos e vários escoamentos de gás-sólido foram simulados. Enquanto os resultados obtidos mostram a necessidade de consideração de variáveis adicionais para correlação de parâmetros filtrados, também deixam claro a necessidade de desenvolvimentos mais aprofundados na busca de melhor acuracidade.

Orientador: Osvaldir Pereira Taranto / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-27T00:40:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silva_CarlosAlexandreMoreirada_D.pdf: 33350422 bytes, checksum: 046e0a2c090474593621166c81042136 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: As indústrias química, alimentícia e farmacêutica têm empregado extensivamente a operação de fluidização em inúmeros processos, devido às suas características bastante atrativas, que possibilitam um contato efetivo entre a fase sólida e fluida, o que reflete na geração de altas taxas de transferência de calor e de massa. No entanto, o regime de fluidização borbulhante, o qual é condição de partida dos processos que envolvem esta operação, frequentemente é afetado pelas condições operacionais. As temperaturas elevadas, o conteúdo de umidade excessivo das partículas e a introdução de líquidos no leito fluidizado podem conduzir a instabilidades no regime fluidodinâmico e provocar o colapso parcial ou total do leito, reduzindo a eficiência do processo. A manutenção de condições estáveis do regime de fluidização durante processos de recobrimento de partículas em leitos fluidizados é de fundamental importância para garantir uma eficiência de recobrimento favorável e evitar a formação de zonas sem movimentação e aglomeração das partículas no leito, pois estes fatores indesejáveis comprometem a mistura entre as fases e conseqüentemente a qualidade do produto final. Dentro deste contexto, a utilização de um sistema de monitoramento e controle em tempo real de processos de recobrimento de partículas é extremamente desejável para permitir a operação de regimes de fluidização estáveis e garantir um filme de recobrimento uniforme e boas condições de escoabilidade dos sólidos. A presente proposta de tese de doutorado tem por objetivo aplicar a metodologia de análise espectral Gaussiana dos sinais de flutuação de pressão (Parise et al. (2008)), para o desenvolvimento de sistemas de controle baseados em inteligência artificial (Lógica Fuzzy), visando monitorar a estabilidade do regime de fluidização em processo de recobrimento de partículas. Comparações entre as condições fluidodinâmicas dos processos com e sem controle foram analisadas para operações em leito fluidizado em escala de laboratorio. Para avaliar a qualidade das partículas foi utilizada uma sonda de monitoramento in-line (Parsum IPP70), onde se pôde verificar os instantes iniciais da aglomeração indesejada. Com a aplicação desde sistema automatizado foi possível associar a estabilidade da fluidização em função do elevado grau de aglomeração. O ponto de parada do processo pôde ser definido em 420 µm (inicial em 360 µm) e a partir deste o mecanismo de recobrimento acontece simultaneamente com o de aglomeração. Os parâmetros de monitoramento do regime conseguiram não somente identificar a fase inicial da defluidização, como também foi possível a partir deles, controlar o processo por Lógica Fuzzy-PI e estabilizar a operação para altas taxas de suspensão atomizadas / Abstract: The chemical, food and pharmaceutical industries have extensively used fluidization operation in many cases, due to its very attractive features that enable effective contact between the solid and fluid phase, which reflects the generation of high heat and mass transfer rates. However, the bubbling fluidization regime, which is the starting condition of the processes involved in this operation is often affected by operating conditions. Elevated temperatures, excessive moisture content of the particles and introduction of liquid into the fluidized bed may lead to instabilities in the fluid-dynamic regime and cause partial or total collapse of the bed, reducing the process efficiency. The maintenance of stable conditions of the fluidization regime for particle coating processes in fluidized beds is of fundamental importance to ensure a favorable coating efficiency and to avoid zones without movement and agglomeration of particles in the bed, because these undesirable factors compromise the mixing between the phases and therefore the quality of the final product. Within this context, the use of a monitoring system and real-time control of particle coating processes is highly desirable to allow operation in stable fluidization regimes and to ensure a uniform coating film and good condition of flowability of the solids. This doctoral thesis aims to apply the Gaussian spectral analysis methodology of the pressure fluctuation signals (Parise et al. (2008)) , for the development of control systems based on artificial intelligence (Fuzzy Logic), to monitor the stability of fluidization regime particle coating process. Comparisons between the fluid dynamic conditions of the processes with and without control were analyzed for operations in fluidized bed laboratory scale. To assess early stages of unwanted agglomeration, a monitoring in-line probe (Parsum IPP70) was used. With the application of this automated system, it was possible to associate the stability of fluidization with a high degree of agglomeration. The process stopping point could be set at 420 µm (initial in 360 µm) and after, the coating mechanism takes place simultaneously with the agglomeration one. The monitoring parameters of the system were able to identify the initial phase of defluidization, as well as it was possible to control the process by using Fuzzy Logic and to stabilize the operation for high rates of the coating suspension atomized onto the bed / Doutorado / Engenharia de Processos / Doutor em Engenharia Química

Gas-solid fluidized bed reactors are widely applied in chemical and energy industries, and their design and scale-up are virtually empirical, extremely expensive and time consuming. This scenario has motivated the development of alternative theoretical tools, and two-fluid modeling, where gas and particulate are both treated as interpenetrating continuum phases, has appeared as a most promising approach. Owing to the large domains to be resolved in real-scale fluidized bed reactors, only filtered modeling approaches are feasible, and closure models become necessary to recover sub-grid effects that are filtered by the very coarse numerical grids that are imposed owing to computational limitations. Those closure models, which in hydrodynamic formulations account for filtered interphase momentum exchanges and filtered and residual stresses in the phases, can be derived from results of highly resolved simulations (HRS) performed over small size domains under refined numerical grids. One widely practiced approach consists of applying two-fluid modeling under micro-scale defined closures, generally known as microscopic two-fluid modeling. This approach includes microscopic closures for solid phase stresses derived from the kinetic theory of granular flows (KTGF), which accounts for kinetic-collisional effects only, and is adequate to dilute flows. Otherwise, the conventional KTGF does not account for interparticle friction effects, and its application to dense flow conditions is quite questionable. In this work a literature available modified version of KTGF is applied which also accounts for interparticle friction, and highly resolved simulations are performed for dense flow conditions in order to evaluate the effects of friction over relevant filtered parameters (namely effective drag coefficient, filtered and residual stresses). Ranges of domain average solid volume fractions and gas Reynolds numbers are considered (macro-scale conditions) embracing dense gas-solid fluidized flows from suspensions up to pneumatic transport. The MFIX open source code is used in all the simulations, which are performed over 2D periodical domains for a unique monodisperse particulate. The HRS results (i.e. meso-scale flow fields) are filtered over regions compatible with grid sizes in large scale simulations, and the relevant filtered parameters of concern are derived and classified by ranges of other filtered parameters taken as independent variables (filtered solid volume fraction, filtered slip velocity, and filtered kinetic energy of solid velocity fluctuations, which are referred to as markers). Results show that the relevant filtered parameters of concern are well correlated to all of those filtered markers, and also to all of the imposed macro-scale conditions. Otherwise, interparticle friction showed no significant effects over any filtered parameter. It is recognized that this issue clearly requires further investigation notably regarding the suitability of the markers that were assumed for classifying the filtered results. The current work is intended as a contribution for future developments of more accurate closure models for large scale simulations of gas-solid fluidized flows. / Reatores de leito fluidizado de escoamento gás-sólido são largamente utilizados nas indústrias química e de energia, e o seu projeto e escalonamento são virtualmente empíricos, extremamente caros e demorados. Este cenário tem motivado o desenvolvimento de ferramentas teóricas alternativas, e a modelagem de dois fluidos, onde gás e particulado são ambos tratados com fases contínuas interpenetrantes, tem surgido como uma aproximação muito promissora. Devido aos grandes domínios a serem resolvidos em reatores de leito fluidizado de escala real, apenas aproximações de modelagem filtradas são viáveis, e modelos de fechamento tornam-se necessários para recuperar efeitos sub-malha que são filtrados pelas malhas numéricas grosseiras que são impostas devido as limitações computacionais. Estes modelos de fechamento, que em formulações hidrodinâmicas respondem principalmente por trocas de momentum filtradas entre fases e tensões filtradas e residuais nas fases, podem ser obtidos de resultados de simulações altamente resolvidas (SAR) realizadas em domínios de dimensões reduzidas sob malhas numéricas refinadas. Uma aproximação largamente praticada consiste na aplicação de modelagem de dois fluidos sob fechamentos definidos na micro-escala, genericamente conhecida como modelagem microscópica de dois fluidos. Esta aproximação inclui fechamentos microscópicos para tensões da fase sólida obtidos da teoria cinética dos escoamentos granulares (TCEG), que considera apenas efeitos cinéticos-colisionais, e é adequada para escoamentos diluídos. Por outro lado, a TCEG convencional não leva em conta efeitos de fricção interpartículas, e sua aplicação para condições densas de escoamento é bastante questionável. Neste trabalho aplica-se uma versão modificada da TCEG disponível na literatura que também leva em conta fricção interpartículas, e simulações altamente resolvidas são realizadas para condições de escoamentos densos visando avaliar os efeitos da fricção sobre os parâmetros filtrados relevantes (coeficiente de arrasto efetivo, tensões filtradas e residuais). Considera-se faixas de frações volumétricas de sólido e números de Reynolds do gás médios no domínio (condições de macro-escala) abrangendo escoamentos gás-sólido fluidizados densos desde suspensões até transporte pneumático. O código aberto MFIX é utilizado em todas as simulações, que foram executadas sobre domínios periódicos 2D para um único particulado monodisperso. Os resultados das SAR (i.e., campos de escoamento de meso-escala) foram filtrados sobre regiões compatíveis com tamanhos de malha praticados em simulações de grandes escalas, e os parâmetros filtrados relevantes de interesse são calculados e classificados por faixas de outros parâmetros filtrados tomados como variáveis independentes (fração volumétrica de sólido filtrada, velocidade de deslizamento filtrada, e energia cinética das flutuações de velocidade da fase sólida filtrada, que são referidos como marcadores). Os resultados mostram que os parâmetros filtrados relevantes de interesse são bem correlacionados com todos os marcadores, e também com todas as condições de macro-escala impostas. Por outro lado, a fricção interpartículas não mostrou efeitos significativos sobre qualquer parâmetro filtrado. Reconhece-se que este aspecto claramente requer investigações adicionais, notadamente com respeito à adequação dos marcadores que foram considerados para classificação dos resultados filtrados. O trabalho corrente é posto como uma contribuição para o desenvolvimento futuro de modelos de fechamento mais acurados para simulações de grandes escalas de escoamentos gás-sólido fluidizados.

Gas-solid fluidized bed reactors are widely applied in chemical and energy industries, and their design and scale-up are virtually empirical, extremely expensive and time consuming. This scenario has motivated the development of alternative theoretical tools, and two-fluid modeling, where gas and particulate are both treated as interpenetrating continuum phases, has appeared as a most promising approach. Owing to the large domains to be resolved in real-scale fluidized bed reactors, only filtered modeling approaches are feasible, and closure models become necessary to recover sub-grid effects that are filtered by the very coarse numerical grids that are imposed owing to computational limitations. Those closure models, which in hydrodynamic formulations account for filtered interphase momentum exchanges and filtered and residual stresses in the phases, can be derived from results of highly resolved simulations (HRS) performed over small size domains under refined numerical grids. One widely practiced approach consists of applying two-fluid modeling under micro-scale defined closures, generally known as microscopic two-fluid modeling. This approach includes microscopic closures for solid phase stresses derived from the kinetic theory of granular flows (KTGF), which accounts for kinetic-collisional effects only, and is adequate to dilute flows. Otherwise, the conventional KTGF does not account for interparticle friction effects, and its application to dense flow conditions is quite questionable. In this work a literature available modified version of KTGF is applied which also accounts for interparticle friction, and highly resolved simulations are performed for dense flow conditions in order to evaluate the effects of friction over relevant filtered parameters (namely effective drag coefficient, filtered and residual stresses). Ranges of domain average solid volume fractions and gas Reynolds numbers are considered (macro-scale conditions) embracing dense gas-solid fluidized flows from suspensions up to pneumatic transport. The MFIX open source code is used in all the simulations, which are performed over 2D periodical domains for a unique monodisperse particulate. The HRS results (i.e. meso-scale flow fields) are filtered over regions compatible with grid sizes in large scale simulations, and the relevant filtered parameters of concern are derived and classified by ranges of other filtered parameters taken as independent variables (filtered solid volume fraction, filtered slip velocity, and filtered kinetic energy of solid velocity fluctuations, which are referred to as markers). Results show that the relevant filtered parameters of concern are well correlated to all of those filtered markers, and also to all of the imposed macro-scale conditions. Otherwise, interparticle friction showed no significant effects over any filtered parameter. It is recognized that this issue clearly requires further investigation notably regarding the suitability of the markers that were assumed for classifying the filtered results. The current work is intended as a contribution for future developments of more accurate closure models for large scale simulations of gas-solid fluidized flows. / Reatores de leito fluidizado de escoamento gás-sólido são largamente utilizados nas indústrias química e de energia, e o seu projeto e escalonamento são virtualmente empíricos, extremamente caros e demorados. Este cenário tem motivado o desenvolvimento de ferramentas teóricas alternativas, e a modelagem de dois fluidos, onde gás e particulado são ambos tratados com fases contínuas interpenetrantes, tem surgido como uma aproximação muito promissora. Devido aos grandes domínios a serem resolvidos em reatores de leito fluidizado de escala real, apenas aproximações de modelagem filtradas são viáveis, e modelos de fechamento tornam-se necessários para recuperar efeitos sub-malha que são filtrados pelas malhas numéricas grosseiras que são impostas devido as limitações computacionais. Estes modelos de fechamento, que em formulações hidrodinâmicas respondem principalmente por trocas de momentum filtradas entre fases e tensões filtradas e residuais nas fases, podem ser obtidos de resultados de simulações altamente resolvidas (SAR) realizadas em domínios de dimensões reduzidas sob malhas numéricas refinadas. Uma aproximação largamente praticada consiste na aplicação de modelagem de dois fluidos sob fechamentos definidos na micro-escala, genericamente conhecida como modelagem microscópica de dois fluidos. Esta aproximação inclui fechamentos microscópicos para tensões da fase sólida obtidos da teoria cinética dos escoamentos granulares (TCEG), que considera apenas efeitos cinéticos-colisionais, e é adequada para escoamentos diluídos. Por outro lado, a TCEG convencional não leva em conta efeitos de fricção interpartículas, e sua aplicação para condições densas de escoamento é bastante questionável. Neste trabalho aplica-se uma versão modificada da TCEG disponível na literatura que também leva em conta fricção interpartículas, e simulações altamente resolvidas são realizadas para condições de escoamentos densos visando avaliar os efeitos da fricção sobre os parâmetros filtrados relevantes (coeficiente de arrasto efetivo, tensões filtradas e residuais). Considera-se faixas de frações volumétricas de sólido e números de Reynolds do gás médios no domínio (condições de macro-escala) abrangendo escoamentos gás-sólido fluidizados densos desde suspensões até transporte pneumático. O código aberto MFIX é utilizado em todas as simulações, que foram executadas sobre domínios periódicos 2D para um único particulado monodisperso. Os resultados das SAR (i.e., campos de escoamento de meso-escala) foram filtrados sobre regiões compatíveis com tamanhos de malha praticados em simulações de grandes escalas, e os parâmetros filtrados relevantes de interesse são calculados e classificados por faixas de outros parâmetros filtrados tomados como variáveis independentes (fração volumétrica de sólido filtrada, velocidade de deslizamento filtrada, e energia cinética das flutuações de velocidade da fase sólida filtrada, que são referidos como marcadores). Os resultados mostram que os parâmetros filtrados relevantes de interesse são bem correlacionados com todos os marcadores, e também com todas as condições de macro-escala impostas. Por outro lado, a fricção interpartículas não mostrou efeitos significativos sobre qualquer parâmetro filtrado. Reconhece-se que este aspecto claramente requer investigações adicionais, notadamente com respeito à adequação dos marcadores que foram considerados para classificação dos resultados filtrados. O trabalho corrente é posto como uma contribuição para o desenvolvimento futuro de modelos de fechamento mais acurados para simulações de grandes escalas de escoamentos gás-sólido fluidizados.