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A literatura corrente possui informações limitadas sobre o projeto da área de troca térmica de tanques com jaqueta, serpentina helicoidal, serpentina espiral e chicana tubular vertical, em operação com fluidos não-Newtonianos. A presente tese teve por objetivo principal analisar a transferência de calor, potência consumida e ampliação de escala em tanques com impulsores mecânicos na agitação de fluidos não-Newtonianos com duas superfícies de transmissão de calor, chicana tubular vertical e serpentina em espiral. O trabalho também visou fornecer métodos de ampliação de escala de tanques com agitação para fluidos não-Newtonianos que sigam o modelo reológico da lei das potências. A unidade experimental contemplou dois tanques de acrílico, com volume de 10 litros e 50 litros, respectivamente, chicanas tubulares verticais e serpentina em espiral. Os impulsores mecânicos utilizados foram o axial com 4 pás inclinadas a 45° e o radial turbina com 6 pás planas. Como fluidos utilizaram-se soluções aquosas de carboximetilcelulose (0,5%, 1,0% e 1,5%), solução aquosa de carbopol 940 (1,5%), solução aquosa de sacarose (50%) e água. Todos os experimentos foram conduzidos em batelada. Com os dados obtidos, empregou-se o uso de regressões para a obtenção da Equação de Nusselt, as quais forneceram valores de coeficiente de determinação ajustados entre 0,83 e 0,89 com Reynolds no intervalo de 20 a 405000, Prandtl na faixa de 4 a 6400 e índice reológico do modelo da lei das potências entre 0,45 e 1,00. Observou-se que no aquecimento realizado com a chicana tubular vertical, o impulsor radial forneceu coeficientes de convecção 20% acima quando comparado com o impulsor axial, entretanto o consumo de potência foi cerca de 66% maior em relação ao impulsor axial. No caso da serpentina espiral, o impulsor axial promoveu coeficientes de convecção por volta de 15% superiores em relação ao impulsor radial com um consumo de potência 65% menor. Desse modo, em processos em que não é necessária uma elevada turbulência, recomenda-se o uso do impulsor axial com a serpentina espiral, porém, se o processo demandar uma turbulência significativa, deve-se usar o impulsor radial com a chicana tubular vertical. Em uma última análise, os modelos não-lineares obtidos para ampliação de escala forneceram erros entre 11% e 20% na predição da rotação no tanque industrial, os quais são válidos para Reynolds modificados de Metzner e Otto (1957) na faixa de 20 a 4000 e para fluidos não-Newtonianos pseudoplásticos com índices reológicos entre 0,45 e 1,00. / Current literature has limited information on the design of the thermal exchange area of tanks with jacket, helical coil, spiral coil and vertical tuber baffle, in operation with non-Newtonian fluids. The main purpose of this thesis was to analyze heat transfer, power consumption and scale-up in tanks with mechanical impellers in the agitation of non-Newtonian fluids with two heat transfer surfaces, vertical tube baffle and spiral coil. The work also aimed to provide methods of scale-up tank scale with agitation for non-Newtonian fluids that follow the rheology model of the law of powers. The experimental unit included two acrylic tanks, with a volume of 10 liters and 50 liters, respectively, vertical tube baffles and spiral coil. The mechanical impellers used were the 45° pitched blade turbine (PBT) and the Rushton turbine (RT). Aqueous solutions of carboxymethylcellulose (0.5%, 1.0% and 1.5%), aqueous solution of carbopol 940 (1.5%), aqueous solution of sucrose (50%) and water were used as fluids. All the experiments were conducted in batch. With the obtained data, we used the regressions to obtain the Nusselt Equation, which provided coefficient of determination values adjusted between 0.83 and 0.89 with Reynolds in the range of 20 to 405000, Prandtl in the range of 4 to 6400 and rheological index of the power law model between 0.45 and 1.00. It was observed that in the heating performed with the vertical tube baffle, the RT provided convection coefficients 20% higher when compared to the axial impeller, however the power consumption was about 66% higher in relation to the PBT. In the case of the spiral coil, the PBT promoted convection coefficients around 15% higher than the RT with 65% lower power consumption. Thus, in processes where high turbulence is not required, it is recommended to use the PBT with the spiral coil, but if the process requires significant turbulence, the RT must be used with the vertical tubular chassis. In a final analysis, the nonlinear models obtained for scaling provided errors between 11% and 20% in the prediction of rotation in the industrial tank, which are valid for Metzner and Otto (1957) modified Reynolds in the range of 20 to 4000 and for non-Newtonian pseudoplastic fluids with rheological indexes between 0.45 and 1.00.

A literatura corrente possui informações limitadas sobre o projeto da área de troca térmica de tanques com jaqueta, serpentina helicoidal, serpentina espiral e chicana tubular vertical, em operação com fluidos não-Newtonianos. A presente tese teve por objetivo principal analisar a transferência de calor, potência consumida e ampliação de escala em tanques com impulsores mecânicos na agitação de fluidos não-Newtonianos com duas superfícies de transmissão de calor, chicana tubular vertical e serpentina em espiral. O trabalho também visou fornecer métodos de ampliação de escala de tanques com agitação para fluidos não-Newtonianos que sigam o modelo reológico da lei das potências. A unidade experimental contemplou dois tanques de acrílico, com volume de 10 litros e 50 litros, respectivamente, chicanas tubulares verticais e serpentina em espiral. Os impulsores mecânicos utilizados foram o axial com 4 pás inclinadas a 45° e o radial turbina com 6 pás planas. Como fluidos utilizaram-se soluções aquosas de carboximetilcelulose (0,5%, 1,0% e 1,5%), solução aquosa de carbopol 940 (1,5%), solução aquosa de sacarose (50%) e água. Todos os experimentos foram conduzidos em batelada. Com os dados obtidos, empregou-se o uso de regressões para a obtenção da Equação de Nusselt, as quais forneceram valores de coeficiente de determinação ajustados entre 0,83 e 0,89 com Reynolds no intervalo de 20 a 405000, Prandtl na faixa de 4 a 6400 e índice reológico do modelo da lei das potências entre 0,45 e 1,00. Observou-se que no aquecimento realizado com a chicana tubular vertical, o impulsor radial forneceu coeficientes de convecção 20% acima quando comparado com o impulsor axial, entretanto o consumo de potência foi cerca de 66% maior em relação ao impulsor axial. No caso da serpentina espiral, o impulsor axial promoveu coeficientes de convecção por volta de 15% superiores em relação ao impulsor radial com um consumo de potência 65% menor. Desse modo, em processos em que não é necessária uma elevada turbulência, recomenda-se o uso do impulsor axial com a serpentina espiral, porém, se o processo demandar uma turbulência significativa, deve-se usar o impulsor radial com a chicana tubular vertical. Em uma última análise, os modelos não-lineares obtidos para ampliação de escala forneceram erros entre 11% e 20% na predição da rotação no tanque industrial, os quais são válidos para Reynolds modificados de Metzner e Otto (1957) na faixa de 20 a 4000 e para fluidos não-Newtonianos pseudoplásticos com índices reológicos entre 0,45 e 1,00. / Current literature has limited information on the design of the thermal exchange area of tanks with jacket, helical coil, spiral coil and vertical tuber baffle, in operation with non-Newtonian fluids. The main purpose of this thesis was to analyze heat transfer, power consumption and scale-up in tanks with mechanical impellers in the agitation of non-Newtonian fluids with two heat transfer surfaces, vertical tube baffle and spiral coil. The work also aimed to provide methods of scale-up tank scale with agitation for non-Newtonian fluids that follow the rheology model of the law of powers. The experimental unit included two acrylic tanks, with a volume of 10 liters and 50 liters, respectively, vertical tube baffles and spiral coil. The mechanical impellers used were the 45° pitched blade turbine (PBT) and the Rushton turbine (RT). Aqueous solutions of carboxymethylcellulose (0.5%, 1.0% and 1.5%), aqueous solution of carbopol 940 (1.5%), aqueous solution of sucrose (50%) and water were used as fluids. All the experiments were conducted in batch. With the obtained data, we used the regressions to obtain the Nusselt Equation, which provided coefficient of determination values adjusted between 0.83 and 0.89 with Reynolds in the range of 20 to 405000, Prandtl in the range of 4 to 6400 and rheological index of the power law model between 0.45 and 1.00. It was observed that in the heating performed with the vertical tube baffle, the RT provided convection coefficients 20% higher when compared to the axial impeller, however the power consumption was about 66% higher in relation to the PBT. In the case of the spiral coil, the PBT promoted convection coefficients around 15% higher than the RT with 65% lower power consumption. Thus, in processes where high turbulence is not required, it is recommended to use the PBT with the spiral coil, but if the process requires significant turbulence, the RT must be used with the vertical tubular chassis. In a final analysis, the nonlinear models obtained for scaling provided errors between 11% and 20% in the prediction of rotation in the industrial tank, which are valid for Metzner and Otto (1957) modified Reynolds in the range of 20 to 4000 and for non-Newtonian pseudoplastic fluids with rheological indexes between 0.45 and 1.00.

Orientador: Jose Roberto Nunhez / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-10T17:37:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Spogis_Nicolas_M.pdf: 4452795 bytes, checksum: 7a20afda92e9e3627bb4f46cbb630b88 (MD5) Previous issue date: 2002 / Resumo: Tanques de mistura são muito usados na indústria química, petroquímica, farmacêutica e alimentícia, onde a eficiência das operações de mistura freqüentemente tem um grande impacto no custo de produção e na qualidade do produto. O objetivo deste trabalho é determinar curvas para Número de Potência versus Número de Reynolds, para os impelidores mais comumente utilizados na indústria química, através da fluidodinâmica computacional. Os principais fluxos gerados pelos impelidores estudados serão determinados tanto para escoamentos laminares quanto turbulentos, calculando-se o bombeamento gerado e os padrões de circulação gerados no tanque. Através dos resultados numéricos gerados pelo modelo proposto, serão determinadas correlações empíricas para as curvas para Número de Potência versus Número de Reynolds, a fim de gerar uma ferramenta útil e prática para utilização em projetos de sistemas de agitação e ¿scale-up¿. O presente trabalho tem como objetivo mostrar que um projeto adequado de um sistema de mistura pode minimizar os gastos energéticos do equipamento e seu tempo de processamento, além de melhorar a uniformidade do processo, impedindo, ou minimizando, a formação de zonas mortas. A fluidodinâmica computacional mostrou que tem um grande potencial para melhorar sistemas de agitação, permitindo aos engenheiros simular o desempenho de sistemas alternativos, tentando emparelhar parâmetros de operação, projeto mecânico e manipulação das propriedades fluidas ou, então, otimizar sistemas reacionais já implantados na indústria / Abstract: Stirred vessels are widely used in chemical, petrochemical, pharmaceutical and food industries, where the mixing efficiency of the mixture frequently has a great impact in the product production cost and quality. The objective of this work is to build curves of Power Number versus Reynolds Number, for the most commonly used impellers in the chemical industry, through the use of CFD -computational fluid dynamics. The main flow generated by the studied impellers, the pumping number and the flow patterns in the tank will be determined. Through the numeric results generated by the proposed model, it is determined empiric correlations for Power Number versus Reynolds Number curve, in order to generate a useful and practical tool to be used in the design and scale-up of agitation systems. The present work aims to show that an optimized project of a mixture system can minimize the equipment power consumption and its processing time, improving uniformity for the whole process, minimizing the formation of dead zones. The computational fluid dynamics has proved to have a great potential to improve agitation systems, allowing the engineers to simulate alternative systems, trying to match operation parameters, equipment design and the fluids properties and also optimizing reactors that already implanted in the industry / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

Orientadores: Jose Roberto Nunhez, Efraim Cekinski / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-02T03:18:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silva_JeffersonLuizGrangeiroda_D.pdf: 4610700 bytes, checksum: b6db5ffbc0e16576244bd0eaea39201a (MD5) Previous issue date: 2002 / Resumo: O projeto atual de agitadores químicos é essencialmente dependente de relações empíricas, visto que as leis fisicas que regem os fenômenos envolvidos nos processos químicos são expressões cuja solução analítica é ainda desconhecida. Devido a isto, trabalhos experimentais como os compilados por Nagata, (1975), Oldshue, (1983), Sano e Usui, (1985) e Tatterson, (1991) são utilizados como principais referências para o cálculo do consumo de energia destes sistemas de agitação. Este projeto de pesquisa tem por objetivo principal compilar na literatura as principais correlações e trabalhos que são utilizados como base para o cálculo convencional de agitadores utilizados na indústria química, de forma que sejam definidas as melhores correlações através da análise dos parâmetros fundamentais (relações geométricas) no cálculo do Número de Potência, Número de Reynolds, Número de Froude, Número de Fluxo, Número de Mistura e o consumo de Potência de impelidores para os sistemas de agitação. A análise dos parâmetros geométricos será particularmente importante para estágios iniciais de projetos de plantas químicas, quando são necessárias informações da geometria, tanto do tanque como do impelidor (agitador) e, principalmente, do consumo de energia específica destes equipamentos para se estimar o consumo de energia da planta. Os resultados analisados através da utilização das correlações empíricas serão comparados com o Software comercial VISIMIX. Adicionalmente o L-CFD, laboratório de Fluído Dinâmica Computacional, já desenvolveu diversos projetos que analisam a otimização de projeto de reatores de mistura utilizando a Fluido Dinâmica Computacional e este projeto contribui por complementar o conhecimento deste grupo de pesquisa sobre o projeto de agitadores através de cálculos convencionais / Abstract: The design of impellers to date depends on empirical relations, since the physical laws that describe the phenomena involved in the chemical processes are expressions whose analytical solution is still unknown. Experimental works as those compiled by Nagata, (1975), Oldshue, (1983), Sano and Usui, (1985) and Tatterson, (1991) are used as references for energy consumption estimation in these systems. The compilation of the main correlations and the works in the literature that are used as a base to the conventional way to ca1culate the main impellers used in the chemical industry is the main objective of this research; which will allow one to select the better correlations it is carried on by the analysis of fundamental paramenters (geometric relations) for the ca1culation of Power Number, Reynolds Number, Froude Number, Flow Number, Mixing Number and the Power consumption of impellers in these systems. The analysis of the geometrical parameters will be particularly important to the early stages in the design of chemical plants, when informations ofthe tank and ofthe impeller (agitator) geometries and, mainly,about the specific energy consumption of these equipments are needed. The results are analysed using empirical correlations in the literature and are compared with the commercial software VISIMIX. Additionaly the L-CFD, Computational Fluid Dynamics laboratory, has already developed several projetcs to analyse the optimization project of mixing tanks, through the use of Computational Fluid Dynamics. This project contributes to complement the knowledge of this group of research on the design of mixing impellers, through the use of conventional methods / Doutorado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

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Rotating bed reactors are used throughout the process industry. They are usedboth in the chemical industry and other industrial sectors, such as pharmaceuticals and the textile industry in decolorization due to by-products or contaminants.SpinChem AB manufactures rotary bed reactors (RBRs) to perform chemical reactions between liquids and solids. The solid material consists of spherical particles0.1 mm - 1 mm in diameter that are packed between two cylindrical spaces in theRBR. The goal of this project work is to determine the power number, the axial force thatthe RBRn experiences, the torque requirement on the motor and power consumptionof the the RBR when a fully developed turbulent flow is achieved. The purpose ofthe work is to optimize the technology from the energy usage point of view, makethe product simple and easily accessible for chemical and industrial processes as acontribution to the development of sustainable society. In order to achieve the purpose and goal of the projects, Computational Fluid Dynamics (CFD) combined withexperimental models were used. Computation were made in COMSOL Multiphysicsfor two turbulence models. In it, the rotating machinery was used with moving meshtechnique for both the standard k−ε model and the SST k−ω turbulence models.The result is then compared with the empirical models. Investigation were done for two models of the rotating bed reactors (RBRs). Onemodel is called RBR S2 with relatively small size and RBR S14 which is a muchlarger version. For RBR S2 the experimental results turned out to be, an output ofpower number which is 3.4, torque requirement of 0.03 Nm, power consumption of3 W and a thrust force of 0.11 N. While the simulation results turned out to bean output of power number which is about 1.2, torque requirement of 0.013 Nm, apower consumption of 2 W and thrust force of 0.8 N. Similarly, the experimentalresult for RBR S14 was as follows. A power number of 0.53, torque requirement of0.41 Nm, power consumption of 6 W and a thrust force of 4.16 N. The simulationresults turned out to be, a power number of 0.34, torque requirement of 0,40 Nm,a power consumption of 4.14 W and thrust force of 3.61 N. With the help of the calculated power numbers, the power required to rotate theRBR can then be determined. Power number is determined when a fully developedturbulent flow is achieved. For RBRS2, a fully developed turbulent flow is achievedat Re = 2.8·104 and the angular velocity at that Reynolds number is about 830RPM. At that speed, the power is shown to be about 4 W for RBRS2. For RBRS14,a fully developed turbulent flow is achieved at Re = 1.5 · 105 and then the speed atthat Reynols number is about 83 RPM. The power need at that stage is shown tobe about 20 W. / Roterande bäddreaktorer används inom hela processindustrin. De används bådeinom den kemiska industrin och andra industriella sektor såsom, läkemedel och textilindustrin vid avfärgning på grund av biprodukter eller föroreningar. SpinChemAB tillverkar roterande bed reaktorer (RBR) för att utföra kemiska reaktioner mellan vätska och fasta material. Det fasta materialet består av sfäriska partiklar på0,1 mm - 1 mm i diameter som packas mellan två cylindrar i RBRn. Målet med detta projektarbete var att bestämma effekt nummer, effekt som krävsvid det effekt nummer, kravet på vridmoment från motorn samt den axiella kraftensom den roterande bäddreaktorn upplever när ett fullt utvecklat turbulent flöde uppnåtts. Syftet med arbetet var optimera teknologin ur energianvändningssynpunkt, göra den enkel och lättillgänglig för kemiska och industriella processer som ett bidragför hållbar samhällsutveckling. För att kunna uppnå syftet och målet med projekten användes, avancerade beräkningsmetoder i födes mekanik (CFD) i kombinationmed experimentella modeller. Beräkningar gjordes i COMSOL Multiphysics för tvåturbulenta modeller. I de användes roterande maskineriet med en medföljande mesh (moving mesh) för både standard k-ε modellen och SST k-ω modellen. Resultatet jämfördes sedan med de empiriska modellerna. Undersökningarna gjordes för två modeller av RBR. Ena modellen heter RBR S2med relativt små tillstorlek och RBR S14 som är mycket större version. För RBR S2visar den experimentella resultaten ett effekt nummer på 3,4, vridmoment på 0,03Nm, effekt förbrukning på 3 W och en axiellkraft ("thrust force") på 0,11 N. Simuleringsresultatet visar ett effekt nummer på 1,2, vridmoment på 0,013 Nm, effektförbrukning på 2 W och en axiellkraft på 0,8 N. För RBR S14 visade det experimentella resultatet ett effekt nummer på 0,53, vridmoment på 0,41 Nm, effektförbrukning på 6 W och en axiellkraft ("thrust force") på 4,16 N. Simuleringsresultatetvisade att effekt nummer var 0,34, vridmoment på 0,40 Nm, effektförbrukning på4,14 W och en axiellkraft på 3,61 N. Med hjälp av de framräknade effektnummer kan effekten som behövs rotera RBRnbestämmas. Effektnummer bestäms när ett fullt utvecklat turbulent flöde uppnåtts. För RBRS2 uppnås ett fullt utvecklat turbulent flöde vid Re = 2,8·04 och vinkelhastigheten är 830 RPM vid det Reynolds nummer. Effekten som krävs för att drivaRBRn vid det läge är ca 4 W för RBRS2. För RBRS14 uppnås ett fullt utvecklatturbulent flöde vid Re = 1,5·105 och då har vi en hastighet på 83 RPM. Vid denhastighet visas effekten vara ca 20 W.