Orientador: José Roberto Nunhez / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-25T09:46:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Villamizar_UrbanoMontanez_M.pdf: 2761421 bytes, checksum: b36bf4d1123da6ad78402c7d206517a3 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Os Erlenmeyers agitados têm sido utilizados como uma ferramenta em pesquisa na área biotecnológica e laboratórios industriais, especialmente em estágios iniciais, onde graças a sua praticidade, muitos experimentos podem ser realizados simultaneamente com um baixo custo e virtualmente sem supervisão. No entanto, esses dispositivos só fornecem informação limitada dos processos fenomenológicos que acontecem dentro do Erlenmeyer, tais como a velocidade rotacional, que dá uma ideia dos requerimentos de mistura, etc. Esta limitação pode dificultar a transição de um novo processo da bancada experimental para a escala piloto ou industrial. Alguns estudos de pesquisa têm sido realizados para determinar importantes variáveis de processo, tais como consumo de potência volumétrico, capacidade de transferência de oxigênio, estresse hidrodinâmico, etc. A fluidodinâmica computacional (CFD) tem ganhado importância recentemente no estudo dos fenômenos de transporte, graças aos avanços no desenvolvimento de software especializado, e poder computacional. O objetivo desse trabalho é simular o processo de agitação desenvolvido em um Erlenmeyer agitado em máquinas orbitais, utilizando o pacote computacional CFX versão 14. Os resultados CFD são comparados com os dados experimentais disponíveis para validar o modelo com o objetivo de estudar a fluidodinâmica desenvolvida nestes dispositivos / Abstract: Erlenmeyers have been used as a tool in many biotechnology research and industrial laboratories, especially in its early stages when many experiments can be performed simultaneously at low cost and nearly without supervision. However, these devices offer only limited information on the phenomenological processes occurring within these shake flasks, as the rotational speed which gives an idea of the mixing requirements, etc. This limitation could be a difficulty when trying to scale up new processes developed in laboratories to a pilot plant scale or an industrial processes. Some experimental research has been carried out to determine important process variables in Erlenmeyer agitation such as volumetric power consumption, oxygen transfer capacity, hydrodynamic stress, etc. Computational fluid dynamics (CFD) has recently gained importance in the study of transport phenomena, thanks to advances in the development of specialized software, and computational power. The objective of this work is to simulate the mixing process in an Erlenmeyer flask. The software used is CFX version 14. The CFD results is compared with the experimental data available to validate this computational model in order to study the fluid dynamics that develops in these devices / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

Orientadores: Milton Mori, Marcos Akira D'Ávila / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-20T21:16:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MiillerLopes_MariaFernanda_M.pdf: 2798310 bytes, checksum: d508c014dbb2db75fd6d052fdf5a76c7 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Esta pesquisa tem por objetivo avaliar os resultados numéricos por Fluidodinâmica Computacional (CFD) e experimentais pela técnica de Velocimetria por Imagem de Partícula (PIV) e a técnica de Shadow Imaging em uma coluna de bolhas de 1m de altura, 14,5 cm de diâmetro com um distribuidor de gás de 5 furos de 1 mm de diâmetro cada. O sistema estudado foi o sistema bifásico água-ar. O estudo foi realizado no regime homogêneo de operação para as velocidades superficiais de gás de 0,3 cm/s, 0,5 cm/s e 0,7 cm/s. Os experimentos de PIV e shadow imaging foram realizados nas mesmas condições operacionais. Para uma boa representação do escoamento pela técnica de PIV foi necessário o tratamento de 2500 fotos para as velocidades mais baixas e 3500 fotos para a velocidade mais alta. Para a técnica de shadow imaging foi necessário o tratamento de 2000 fotos para a determinação do diâmetro médio das bolhas. Nos testes numéricos foram avaliados dois modelos de arraste, o de Ishii-Zuber (1979) e o de Zhang-Vanderheyden (2002), para a turbulência foi utilizado o modelo k-?, e o diâmetro de bolha utilizado foi o obtido experimentalmente pela técnica de shadow imaging. Perfis de velocidade média axial de líquido obtidos experimentalmente foram comparados com os dados numéricos. Análises dos tensores de Reynolds, energia cinética turbulenta e intensidade turbulenta também foram avaliados. Para a velocidade de 0,3 cm/s e 0,5 cm/s ambos os modelos de arraste representaram bem o escoamento. Para a velocidade de 0,7 cm/s o modelo de arraste de Zhang-Vanderheyden representou melhor o escoamento / Abstract: This research aims to evaluate the numerical results from Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations and experimental results obtained using Particle Image Velocimetry (PIV) and Shadow Imaging in a bubble column of 1m height, diameter of 14,5cm with a gas distributor with 5 holes of 1 mm diameter each one. The system studied was water-air. The study was performed in homogeneous operation regime for the superficial gas velocity of 0.3 cm/s, 0.5 cm/s and 0.7 cm/s. The PIV and shadow imaging experiments were performed under the same operation conditions. For a good flow representation of PIV data it was necessary to treat 2500 photos to the low superficial gas velocities and 3500 photos to the highest superficial gas velocity. For the shadow imaging technique it was necessary to treat 2000 photos for determining the bubble diameters. In the numerical tests two drag models were evaluated: Ishii-Zuber (1979) and Zhang-Vanderheyden (2002); for turbulence the k-? model was used and the bubble diameter used in the simulations was obtained experimentally by the shadow imaging technique. Average axial velocity profiles of fluid obtained experimentally were compared with numerical results. Analysis of Reynolds tensor, turbulent kinetic energy and turbulent intensity were also evaluated. For superficial gas velocities of 0,3 cm/s and 0,5 cm/s both drag models show good agreement with experimental data. For superficial gas velocities of 0,7 cm/s Zhang-Vanderheyden drag model showed better agreement with experimental data / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestra em Engenharia Química

Orientador: José Roberto Nunhez / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-17T07:13:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Olino_AnaLeticiaMonteiro_M.pdf: 2635476 bytes, checksum: 1044b4e4ad54faed575660cb81c06763 (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: Um impelidor ideal para suspensões deve prover a suspensão completa ou homogeneização utilizando o mínimo de energia. O fluxo em um tanque agitado depende da geometria do impelidor, do diâmetro e da localização deste, do diâmetro e do fundo do tanque e da geometria de internos. A Fluidodinâmica Computacional (CFD) é uma ferramenta poderosa para predizer fluxos tridimensionais e distribuição de concentração de sólidos produzidos por impelidores de qualquer configuração geométrica. Este estudo pretende aumentar a capacidade de bombeamento de um impelidor de bombeamento axial, chamado KPC, enquanto mantém o baixo consumo de potência. Para avaliar a capacidade de bombeamento do KPC, diferentes ângulos entre a raiz e a ponta das pás foram estudados. O ângulo da raiz foi mantido em 45º, enquanto o ângulo da ponta da pá foi modificado, resultando em diferentes pás. As simulações em CFD foram feitas com água e com água e areia. O modelo de turbulência utilizado foi o Shear Stress Transport (SST) e foi utilizada a técnica de simulação Sliding Grid. O modelo escolhido para as simulações foi validado experimentalmente. O descolamento da camada limite na ponta das pás dos impelidores foi visualizado, e o objetivo principal do trabalho, encontrar o impelidor KPC otimizado, foi atingido. Este impelidor possui 45º na raiz da pá e 10º na ponta da pá. O impelidor otimizado confirmou seu melhor desempenho quando comparado ao impelidor inicial na simulação de uma suspensão de areia e água / Abstract: An ideal impeller for solid suspension should provide complete suspension or homogenization consuming a minimum of energy. The flow in a stirred tank depends on impeller design, diameter and the location of impellers, vessel diameter, bottom design and internals. Computational Fluid Dynamics (CFD) is a powerful tool to predict the three dimensional flow and solids concentration distribution produced by different impellers of any geometric configuration. This study aims to improve the pumping of an axial pumping impeller, named KPC, while maintaining low power consumption. In order to evaluate the pumping capacity of the KPC impeller, differents angles between the root and the tip of the blades have been studied. The angle at the root was maintained at 45º, and the angle at the blade tip has been modified, resulting in different blades. CFD simulations were performed for water and for water and sand. The model used the Shear Stress Transport (SST) turbulence model and the Sliding Grid simulation strategy. The model was validated against experimental data. The impelller blade flow separation was visualized, and the main objective of the work, which was to find the optimized KPC impeller, was reached. This impeller possess 45º in the blade root and 10º in the tip of the blade. The optimized impeller confirmed its better performance when compared to the initial impeller in a simulation of a suspension of sand and water / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

Orientadores: Milton Mori, Marcos Akira d'Avila / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-17T21:18:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silva_MarcelaKotsukada_D.pdf: 43160482 bytes, checksum: b46a2b0225fdad527404b8c745e2f23b (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Os principais problemas da simulação da fluidodinâmica em sistemas gás-líquido por CFD são as simplificações do comportamento dinâmico das bolhas. Na maioria dos processos industriais com escoamento gás-líquido em colunas de bolhas, as bolhas estão em velocidades altas e a coluna opera em regime heterogêneo. Existe ainda a influência da geometria do sistema e das propriedades físicas dos fluídos envolvidos no processo. Para que a técnica CFD seja aplicada adequadamente, visando aplicações industriais, é necessário considerar os fenômenos de quebra e coalescência. No entanto, existe uma carência de dados experimentais em tal regime de operação para testar a aplicabilidade dos modelos matemáticos empregados nas simulações. Neste trabalho é apresentado um estudo numérico e experimental de duas colunas de bolhas operando em regime heterogêneo. No primeiro caso, foram realizadas análises quanto a influência de diferentes modelos de arraste, além do emprego das forças interfaciais de sustentação e de dispersão turbulenta. Diferentes modelos de turbulência foram também verificados, tomando a fração volumétrica de gás em diferentes posições axiais e velocidade do gás provenientes da literatura. No segundo caso, realizou-se medidas por meio da técnica PIV de velocidades axiais médias da fase líquida e suas flutuações. Análises de intensidade turbulenta, tensores de Reynolds e energia sindética turbulenta foram realizadas, a fim de obter informações acerca da turbulência em três diferentes velocidades superficiais de gás. Para as análises numéricas foi aplicado um modelo matemático tridimensional, turbulento e transiente para a representação do escoamento nas duas colunas utilizadas. Este modelo trata ambas as fases, gás e líquido, a partir de uma abordagem Euleriana. Diferentes distribuições de tamanhos de bolhas foram empregados por meio do balanço populacional considerando os fenômenos de quebra e coalescência. Perfis radiais de fração volumétrica e velocidade de gás, além de perfis de velocidade média de líquido foram confrontados com dados experimentais publicados e medidos respectivamente. O modelo matemático previu um escoamento semelhante aos que foram encontrados nas colunas propostas / Abstract: The main problems encountered in the simulation of gas-liquid systems with the use of CFD are related to the simplifications of the bubble dynamic behavior. In most industrial procedures with gas-liquid flown in bubble columns, bubbles are at high speed and the column operates in the heterogeneous regime. There still is the influence of the system's geometry and fluids physical properties involved in the process. For correctly applying the CFD technique, aiming industrial applications, it is necessary to consider the breakup and coalescence phenomena. Nevertheless, there is a lack of experimental data available in this operational regimen to test the feasible application of the mathematical models used in simulations. In this work it is presented a numeric and experimental study of two bubble columns operating in the heterogeneous regime. In the first case, analyses of different drag models, besides the employ of the interfacial forces of lift and turbulent dispersion were performed. Different turbulence models were also verified, taking the gas holdup in different axial positions and gas velocity from literature. In the second case, measurements of mean axial liquid velocities and their fluctuations were performed with the PIV technique. Turbulence intensity, Reynolds stress tensors and turbulent kinetics energy analyses were performed in order to obtain information about the turbulence for three different gas superficial velocities. For the numerical analyses a tridimensional, turbulent and transient mathematical model to represent the flow in the two columns was applied. This model treats both phases, gas and liquid, with an Eulerian approach. Different bubbles size distributions were used by population balance considering the breakup and coalescence phenomena. Gas holdup, gas velocity and mean axial liquid velocity radial profiles were confronted to the published and acquired experimental data respectively. The mathematical model predicted a developed flow similar to those found in the proposed columns / Doutorado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Doutor em Engenharia Química

Orientadore: Jose Roberto Nunhez, Efraim Cekinski / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-11T21:24:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JoaquimJunior_CelsoFernandes_M.pdf: 1822240 bytes, checksum: 1c74330095d87b01b823d7d17fbc50c9 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Nos processos convencionais de agitação e mistura um acionamento, através de um eixo-árvore, rotaciona um ou mais impelidores no interior de um fluido, normalmente contido em um vaso de processo. Os processos de mistura que usam dispositivos estáticos no interior de dutos de escoamento são uma opção aos processos convencionais, tendo crescente aplicação e interesse, visto utilizar-se de parte da energia cedida para o bombeamento dos fluidos, permitindo a mistura em um processo contínuo, minimizando o uso de equipamentos e instalações industriais. Contudo, sua aplicação ainda é restrita a alguns processos específicos por questões tecnológicas e, principalmente, pelo pouco conhecimento de técnicos e engenheiros dos fenômenos físicos que regem sua aplicabilidade. A inexistência de tecnologia e conhecimento nacional nesta área impõe a dependência frente a empresas estrangeiras, encarecendo e dificultando sua aplicação. Na última década, técnicas computacionais tem sido utilizadas para o projeto e otimização desses dispositivos, conhecidos como misturadores estáticos, com destaque para a fluidodinâmica computacional ¿ CFD (Computational Fluid Dynamics). Este trabalho tem como objetivo, através da aplicação de técnicas de CFD, permitir um melhor entendimento dos fenômenos que regem o escoamento de fluidos no interior de misturadores estáticos, especificamente desenhados para esta análise, permitindo sugerir e estudar seus desenhos, propondo soluções e modificações a fim de melhorar a mistura e minimizar o gasto de energia no processo. A ferramenta de CFD utilizada foi o pacote computacional CFX. Os resultados obtidos permitiram uma boa compreensão dos fenômenos envolvidos e foram coerentes com os dados experimentais disponíveis na literatura. Foram criados dois novos conceitos geométricos de misturadores estáticos, denominados de EDA e ALETAS, cujas performances permitem seu emprego em condições reais de aplicação na indústria. / Abstract: On conventional mixing processes, a shaft rotates one or more impellers in a fluid generally inside a process vessel. The mixing processes that use static mixers on tube fluid flow are an option to conventional processes which application and interest is continuously growing, minimizing the use of equipment industrial devices. However its application is restricted to some specific processes because of technological reasons and mainly due to the lack or absence of acknowledgement of technicians and engineers about the physical phenomena involved on static mixing application. The absence of national technology on this field, demands foreign companies¿ technological dependence, making more difficult more and turning expensive the applications. On the last decade, computational techniques have been used for the design and optimization of these equipments, known as static mixers, specially the computational fluid dynamics ¿ CFD. This research has the goal, by using CFD techniques, to allow a better understanding of the phenomena that determine the fluid flow in static mixers specifically designed for this analysis, permitting to study and suggest modifications and solutions to increase mixing and minimize power consumption on the process. The CFD tool used was the CFX package. The results obtained permitted a good comprehension of the phenomena involved and were in accordance with experimental data available on literature review. Two new geometric concepts of static mixers were created, named EDA and ALETAS, whose performances allow their use on industrial applications. / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

Orientador: Milton Mori / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-19T13:17:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 SilvaJunior_JoaoLameuda_M.pdf: 5288658 bytes, checksum: 05a82477d396e479ec1f137cc2682920 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Esta pesquisa tem como objetivo avaliar as principais forças interfaciais que atuam no escoamento gás-líquido em uma coluna de bolhas retangular, de dimensões 150cm x 26;4cm x 3;1cm (altura (H) x largura (W) x profundidade (D)), com aeração centralizada, empregando a Fluidodinâmica Computacional (CFD). O caso proposto é baseado em um estudo experimental de um sistema ar-água operando em regime homogêneo, com altura inicial de líquido (Hl) igual a 79;2cm, correspondente a razão de aspecto (Hl /W) de 3. Empregou-se para a fase dispersa, um diâmetro de bolhas de 4;95mm e uma velocidade superficial de 2;9cm/s. Para validação do modelo, comparações com dados experimentais obtidos da literatura foram realizados em seções transversais em quatro níveis axiais (Y/Hl = 0;1; 0;2; 0;4; 0;75). Para o fechamento do modelo matemático foram analisados quatro modelos de turbulência na descrição da fase contínua (k-'épsilon', RNG k-'épsilon', LRR-RSM, SSG-RSM), bem como diferentes correlações para a verificação da influência das forças interfaciais envolvidas neste tipo de escoamento (arraste, sustentação, dispersão turbulenta e massa virtual). As forças de sustentação e dispersão turbulenta em adição à de arraste mostraram influências significativas nos padrões fluidodinâmicos, enquanto que a força de massa virtual pôde ser negligenciada para o caso estudado. O modelo completo final testado, predisse satisfatoriamente o escoamento em regiões onde este se encontra plenamente desenvolvido, concordando com o padrão experimental / Abstract: This study aims to evaluate the main forces which act in gas-liquid flow in a rectangular bubble column of dimensions 150cm x 26;4cm x 3;1cm (height (H) x width (W) x depth (D)), with centralized aeration, using CFD technique. The proposed case is based in a experimental study of an air-water system operating in homogeneous bubbly flow, with initial liquid height (Hl) of 79;2cm, corresponding to aspect ratio (Hl /W) of 3. For dispersed phase it was employed a bubble diameter of 4;95mm and a superficial velocity of 2;9cm/s. To validate the model, comparisons with experimental data provided from literature were carried out in transversal sections at four axial levels (Y/Hl = 0;1; 0;2; 0;4; 0;75). To closure the mathematical model, four distinct turbulence models were analyzed to describe the continuous phase (k--'épsilon', RNG k--'épsilon', LRR-RSM, SSG-RSM), as well different correlations to verify the influence of the interfacial forces involved in this type of flow (drag, lift, turbulent dispersion and virtual mass). The consideration of lift and turbulent dispersion in addition to drag force showed meaningful influences in fluid dynamics pattern, while virtual mass force can be neglected. The final complete model tested predicted properly the flow in fully developed regions, according to the experimental pattern / Mestrado / Processos em Tecnologia Química / Mestre em Engenharia Química

Orientadores: Milton Mori, Marcos Akra D'Ávila / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-21T08:49:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Mori_ErickDjin_M.pdf: 2359279 bytes, checksum: ee684b815a4962d2a25990de40b76d0a (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Escoamentos gás-líquido-sólido em colunas de bolhas ainda são pouco compreendidos pela comunidade científica. Conhecer melhor a hidrodinâmica em uma coluna de bolhas é condição primordial para o sucesso em seu dimensionamento. Se a natureza do escoamento multifásico por si só é complexa, a tarefa de estudá-lo se torna ainda mais desafiadora, tendo em vista que são poucos os trabalhos consistentes publicados na literatura que abordam a temática. No presente estudo, utiliza-se a técnica da fluidodinâmica computacional (CFD), para conduzir simulações tridimensionais e transientes, a fim de se descrever a hidrodinâmica de um sistema gás-líquido-sólido em uma coluna de bolhas com quantidade intermediária de sólidos. O problema é tratado por meio de uma abordagem Euleriana e a interação interfásica é descrita exclusivamente pelo arraste entre as fases gás-líquido e sólido-líquido. Os resultados numéricos obtidos são confrontados com resultados experimentais da literatura e comprovam a capacidade da ferramenta computacional em descrever o sistema em questão. A análise dos modelos de arraste para a interação sólido-líquido mostrou a relevância da escolha da lei de arraste para descrever corretamente a circulação de sólidos no leito. Para a interação gás-líquido sob as condições analisadas, os modelos que consideram distorções da fase gasosa mostraram melhor desempenho, frente os modelos que consideram apenas bolhas esféricas. A turbulência no meio contínuo foi descrita por modelos de duas equações, os modelos kepsilon e RNG k-epsilon. O último mostrou melhor desempenho em descrever o padrão de escoamento, possivelmente por ter sido concebido para escoamentos vorticiais / Abstract: Gas-liquid-solid flows inside bubble columns are not fully comprehended by scientific community yet. A better knowledge regarding the hidrodynamics of a bubble column is the first step towards reaching its sizing successfully. If the multiphase flow nature by itself presents great complexity, the task of studying it becomes even more challenging, since few are the consistent published work in the literature treating this subject. In the present study, the computational fluid dynamics (CFD) was used to capture the hidrodynamics of a gas-liquid-solid flow inside a bubble column with intermediate solid concentration. The Eulerian approach was used as frame of reference and for the interphase forces only the drag between gas-liquid and solid-liquid phases were considered. The numerical results were compared to experimental data of the literature, showing the ability of CFD in describing the multiphase flow. Furthermore, analysis of drag models for the solid-liquid interaction indicates that the drag law plays an important role in describing the solid circulating in the system. For the gas-liquid interaction under the analyzed conditions, it has been found that the drag laws considering the bubble distortion showed better agreement with experimental data in comparison to the ones that considered bubbles as rigid spheres. The turbulence in the continuous phase was described by a two equation model. Comparison between standard k-epsilon and RNG k-epsilon revealed that in this case, the latter represented better the flow pattern, since it was developed for swirling flows / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

Orientadores: Milton Mori, Jhon Jairo Ramirez Behainne / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-21T08:54:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Hodapp_MaximilianJoachim_D.pdf: 4872915 bytes, checksum: 9619785faa8fc5ab19790d59903b0a7e (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: A queima de carvão mineral em Leito Fluidizado Circulante (CFBC) tem interessado pesquisadores por várias décadas, tendo sido propostos inúmeros modelos matemáticos que visam descrever os complexos fenômenos de transferência de massa, energia e quantidade de movimento deste sistema gás-sólido. A fase sólida é uma mistura de materiais inertes, como a areia e a cinza de carvão, um agente desulfurizante, além do próprio combustível. A técnica de Fluidodinâmica Computacional tem sido aplicada com sucesso para simular não somente escoamentos multifásicos mas também problemas que envolvem reações químicas e troca de calor. Apesar disto, a caracterização individual dos diversos materiais da fase sólida não é muito estudada. Deste modo, neste trabalho foi pesquisada a representação numérica do escoamento no interior de um leito fluidizado por CFD. Numa primeira etapa estudou-se a fluidodinâmica gás-sólido a quente e numa segunda a implementação de uma abordagem trifásica para representar o processo de queima de carvão mineral. Assim, a fase gás e o material inerte foram considerados fluídos, conforme a abordagem Euleriana, enquanto o material reativo foi representado pela descrição Lagrangeana. A combustão ocorre principalmente num leito fluidizado de 4 m de altura e 0,1 m de diâmetro, operado no regime de baixa densidade de sólidos e rápida fluidização. As reações do sistema são aquelas que ocorrem na fase gasosa devido à liberação de voláteis do carvão, bem como a reação heterogênea do carbono. Os resultados das simulações CFD mostraram-se de acordo com os dados experimentais disponíveis para temperatura e composição dos gases de saída. A escolha de modelos de reação heterogênea e do inventário de sólidos do sistema se mostrou de grande importância à simulação do processo. Concluí-se que a abordagem trifásica apresentada mostra-se viável para sistemas nos quais a massa de material reativo sólido no sistema representa apenas uma fração da massa total dos sólidos presentes / Abstract: Coal combustion in Circulating Fluidized Bed Combustors (CFBC) has received great attention from researchers who have developed several approaches in order to model the complex phenomena of mass, energy and momentum exchange in this gas-solid system. The solid phase is usually a mixture of inert material, sand and ash, a desulfurization material such as limestone and the fuel itself. Computational Fluid Dynamics has been successfully applied to simulate not only the fluid dynamics of multiphase flow in components of CFBC's, but also to study the associated heat and mass transfer phenomena. However, the inclusion of more than one solid phase is not usually the · subject of research. Ideally each particle could be tracked in a Lagrangian formulation, which, for denser flows, could include inter-particle interactions. However even for small-scale plants the total number of particles by far exceeds currently available computing resources. In this work, a three-phase approach was applied to model fast bed CFBC riser, in which the gas phase and the inert particle phase are described in an Euler-trame while the reacting coal particles are tracked individually in a Lagrangian approach. A small pilot-plant unit feed with ash-rich Brazilian coal has been chosen as a study case. The combustion took place in a riser of 4m height and 0,1 m internal diameter, operating in the low-density regime. The chemical reactions in the system were those of the gas-phase homogeneous oxidation of the devolatilized components and the heterogeneous char combustion. The simulation results were in good agreement with experimental measurements for temperature and flue gas composition, hence the three-phase modeling showed to be a viable alternative to a more complete simulation of the CFBCs coal combustion process / Doutorado / Processos em Tecnologia Química / Doutor em Engenharia Química

Orientador: Sávio Souza Venâncio Vianna / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-24T13:25:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Ferreira_TatieleDalfior_M.pdf: 4562241 bytes, checksum: 69c742236e806f040cfc237f2ba91cf4 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Este trabalho tem como objetivo desenvolver um modelo matemático capaz de prever o tamanho de nuvem de gás inflamável formada em uma típica plataforma de petróleo considerando condições reais de ventilação e de operação de uma planta de processo. Para tanto, foi realizado um estudo de dispersão de gás inflamável (gás natural) na plataforma em questão utilizando Fluidodinâmica Computacional (CFD). Os resultados deste estudo de dispersão serviram como base para a construção do modelo matemático utilizando Metodologia de Superfície de Resposta. Tal modelo permite o cálculo do tamanho de nuvem de gás inflamável no ambiente estudado usando duas variáveis principais: a taxa não-dimensional de vazamento (que contabiliza a relação entre a taxa de vazamento de gás e a taxa de ventilação na plataforma) e a direção adimensional de vazamento (que computa a relação entre as direções de vazamento de gás e do vento). O modelo desenvolvido mostrou-se eficaz, pois foi capaz de prever com considerável grau de confiabilidade os tamanhos de nuvem de gás inflamável quando comparados aos valores fornecidos por simulações com CFD / Abstract: This work proposes the development of a mathematical correlation for prediction of flammable gas cloud size in a typical offshore module. Real conditions regarding the ventilation and process plant operation were considered. A dispersion study of natural gas release in the module was conducted using Computational Fluid Dynamics (CFD) and the state of art as far as the gas dispersion modelling is concerned. A mathematical model was built based on the numerical results and Response Surface Methodology (RSM). The approach comprises into a single mathematical model the most relevant independent variables. The response surface curves calculate the flammable gas cloud volume as a function of the non-dimensional leak rate (that concerns the ventilation and the gas release rate) and the non-dimensional leak direction (which comprises the wind direction and the leak direction). The developed model had proved to be effective. It was able to predict flammable gas volume and good agreement with CFD results was observed / Mestrado / Sistemas de Processos Quimicos e Informatica / Mestra em Engenharia Química

Orientador: Sávio Souza Venâncio Vianna / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-26T16:12:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 FerreiraJunior_ElmodeSena_M.pdf: 18188081 bytes, checksum: 2b445e8828a2a2b90c9a27c3379a7d74 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: A simulação numérica é de grande importância em diversas áreas da engenharia, tais como otimização e manutenção de processo químico, bem como na indústria do petróleo e segurança do processo. O Fire Dynamics Simulator (FDS) é um código de Fluidodinâmica Computacional com base na simulação das grandes escalas. Este foi desenvolvido pelo Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST). O código FDS foi originalmente projetado para modelar baixo fluxo de velocidade comumente encontrados em cenários de incêndio. Assim, o FDS não é adequado para simulação de casos onde o número de Mach é elevado. Para superar esta limitação, este trabalho propõe um novo modelo dedicado às características próximas da saída do jato a fim de permitir o FDS simular cenários de jatos e dispersão de gás. A abordagem também reduz significativamente o tempo da simulação computacional. A ferramenta proposta é uma alternativa livre e confiável para a modelagem de dispersão de gás. Os resultados são amplamente discutidas e um estudo de caso de uma plataforma é apresentado. A comparação com os resultados experimentais, bem como um pacote CFD comercial mostram boa concordância / Abstract: The numerical simulation is of great importance in various areas of engineering such as optimization and maintenance of chemical process, petroleum industry and process safety. The Fire Dynamics Simulator (FDS) is a Computational Fluid Dynamics (CFD) code based on Large Eddy Simulation (LES) modeling and developed by National Institute of Standards and Technology (NIST). FDS code was originally designed to model low speed flow commonly found in fire scenarios. Hence, FDS is not suitable for modeling high Mach number cases. To overcome this limitation this work proposes a novel model dedicated to the near field jet characteristics in order to enable FDS to simulate jet scenarios and gas dispersion. The approach also reduces the computational time significantly as far as turbulent jet flows are concerned. The proposed tool is a free and reliable alternative for gas dispersion modeling. Results are extensively discussed and case study for a typical offshore site is presented. Comparison with experimental results as well as commercial CFD package show good agreement / Mestrado / Sistemas de Processos Quimicos e Informatica / Mestre em Engenharia Química