Neste trabalho é analisado o transporte de massa em meios porosos rígidos, homogêneos e saturados com um fluido incompressível e monofásico, para os regimes de escoamento laminar e turbulento. A equação de transporte de massa macroscópica para o fluido é obtida com o auxílio do conceito de dupla decomposição, donde surge o termo de "dispersão mássica turbulenta". Os fluxos mássicos devido à dispersão, que aparece no processo de aplicação das médias temporal e volumétrica, são representados por um modelo de difusão proporcional ao gradiente da média intrínseca da fração mássica média no tempo. Os tensores de difusidade mássica resultantes desse modelo são obtidos de dois modos: a) para as componentes turbulentas, devidas às flutuações temporais da velocidade e fração mássica, é utilizado o modelo de difusividade mássica turbulenta onde a viscosidade turbulenta macroscópica é obtida através do modelo macroscópico, e b) para as componentes de dispersão, devido aos desvios espaciais da velocidade e fração mássica, são utilizados os resultados obtidos para os campos microscópicos de velocidade e fração mássica em uma célula unitária com condições de contorno periódicas para o escoamento e um gradiente de fração mássica imposto.

Neste trabalho foi feito um estudo experimental análogo à transferência de calor por convecção natural, num canal vertical constituído por duas placas planas paralelas, sendo uma isotérmica e outra adiabática. Os resultados aqui apresentados foram obtidos utilizando-se a analogia existente entre o processo de transferência de calor e o processo de transferência de massa. Para tanto, utilizou-se a Técnica de Sublimação de Naftaleno. É este aliás, o principal objetivo deste trabalho: estabelecer as condições necessárias à utilização da Técnica de Sublimação de Naftaleno em experimentos de convecção natural. São apresentados resultados na forma de números de Sherwood médio versus (b/L) GrmSc, que, de acordo com a analogia existente entre os dois fenômenos, são análogo ao número de Nussel médio versus (b/L) GrPr, respectivamente. A região de estudo foi compreendida entre a entrada do canal e aquela próxima a do escoamento completamente desenvolvido, isto é, 6= (b/L) GrPr = 1000. É observada uma boa concordância entre os resultados experimentais obtidos e outros existentes na literatura, verificando-se, porém, certa dispersão nos resultados relativamente aos previstos pela teoria. Pelos resultados obtidos, considerou-se válida a aplicação da Técnica de Sublimação de Naftaleno na simulação de problemas de Transferência de Calor por convecção natural, visando, principalmente, à determinação de resultados referentes às geometrias complexas, não possíveis, em geral, de um tratamento analítico ou mesmo numérico.

Nesta dissertação de mestrado é estudado o desempenho fluidodinâmico de um meio poroso fixo e compactado, construído por sinterização com esferas de vidro para a retenção de partículas. A análise experimental visou o processo de retenção de partículas a partir de pastilhas circulares de diâmetro de 29 mm confeccionadas com esferas de vidro variando de 1,0 a 3,3 mm de diâmetro e sinterizadas como um elemento rígido a partir de aquecimento contínuo até cerca de 750ºC. As pastilhas foram submetidas a diferentes pressões de coluna de água, e a vazão no meio poroso foi analisada para diferentes pressões. Os experimentos foram realizados com a adição em batelada de polpa de açaí, areia fina, areia grossa e esferas de vidro próprias da composição do meio poroso. As vazões mássicas adimensionais são apresentadas graficamente para diferentes pressões de coluna de água variando entre 0,1 e 0,5 atmosferas (atm), em regime permanente e estacionário. Os resultados experimentais foram comparados e apresentados na forma de parâmetros adimensionais que caracterizam o regime de escoamento num leito fixo. Os resultados experimentais foram modelados a partir da modificação dos modelos de Vortmeyer e Schuster (1983) e Subagyo et al. (1998) para estabelecer sobre os mesmos parâmetros adimensionais uma adequada aproximação com os resultados teóricos. / The present dissertation reports the performance of steady flow in circular fix bed which was created by sinterization of glass spheres. The experimental analysis aimed the process of retention of particles from circular packed bed of 29 mm of diameter. The circular fix bed was created with spheres of glass of diameter between 1.0 and 3.0 mm, and made by sintering one rigid body from continuous heating until 750ºC. The circular and rigid fix bed was subjected to different pressures of column of water varying between 0.1 and 0.5 atm for analysis of flux (kg/s). The experiments were carried out with the addition of one amount of açai pulp, sands fine, sands thick and spheres of glass own of composition of fix bed. The dimensionless flux was present for different pressures of column of water on the fix bed; the results were compared and presented in the form of dimensionless parameters of literature what characterize the flow in packed bed. The experimental results were modeled based on Vortmeyer e Schuster (1983) and Subagyo et al. (1998) models, establishing on the dimensionless parameters an appropriate approach with the theoretical flux of circular fix bed.

O foco deste trabalho é o desenvolvimento de um modelo físico representativo de um absorvedor de filme líquido descendente para um ciclo de refrigeração por absorção amônia-água, considerando uma capacidade de refrigeração de 5TR. O absorvedor é constituído basicamente de feixes de tubos dispostos horizontalmente, no interior dos quais escoa água com a finalidade de retirar o calor liberado ao longo do processo de absorção. Desenvolveu-se o modelo com base na obtenção e resolução dos balanços de energia e de massa. Isso com o auxílio de correlações e analogias que possibilitaram a obtenção dos coeficientes de transferência de calor e massa. Levou-se em conta a variação das propriedades tanto do líquido como do vapor ao longo do absorvedor, assim como a resistência existente nessas duas fases. Obtiveram-se os perfis de frações e vazões mássicas, temperatura, coeficientes de transferência e taxas de transferência de amônia. Avaliou-se a influência de parâmetros importantes em se tratando de absorvedores de filme líquido descendente, tais como número de Reynolds, temperatura do fluido de resfriamento e temperatura de entrada da solução. Estes perfis possibilitaram a análise de alguns aspectos relevantes no que diz respeito ao projeto do absorvedor, considerando-se algumas condições operacionais e geométricas previamente estabelecidas. Por fim, foi possível, através da obtenção do comprimento do equipamento para as diversas condições de simulação adotadas, calcular a área de troca de calor necessária para o processo absortivo. / The goal of this work is to develop a representative physical modeling of a falling film absorber for an ammonia-water absorption refrigeration cycle, rated at cooling 5 TR. The absorber is composed of a bundle of tubes arranged horizontally. The water flows inside these tubes in order to remove the heat released during the absorption process. The model was developed based on solving the conservation equations of energy and mass. Practical correlations and the heat and mass transfer analogy were used to find the convective coefficients. It was considered the changes of the properties of liquid and vapor along the absorber and also it was taken into account the thermal resistances in each phase. It was found the profiles of mass fractions and mass flow rates, temperature, transfer coefficients and transfer rates of ammonia. It was evaluated the influence of important parameters such as the Reynolds number, cooling temperature and inlet temperature of the solution. These profiles allowed the analysis of some relevant aspects regarding the design of the absorber, considering operational and dimensional conditions preestablished. Finally, it was possible to calculate the area and other geometrical aspects to achieve the absorptive process, by analyzing the operation of the equipment at various conditions.

O processo de absorção do CO2 em soluções aquosas de alcanolaminas foi estudado em uma coluna de parede molhada empregando-se uma tela metálica, de 28 mesh, como promotor de película e operando em contracorrente. As alcanolaminas testadas nos diferentes experimentos foram: monoetanolamina (MEA), 2-amino-2-metil-1-propanol (AMP) e piperazina (PZ). Os experimentos de absorção foram realizados nas soluções aquosas individuais da MEA e AMP; e, nas misturas MEA:AMP e AMP:PZ; visando avaliar a velocidade de absorção do CO2 em diferentes vazões do líquido, a saber: 3.10-7, 6.10-7 e 10.10-7 m3/s. O presente sistema de absorção foi caracterizado através da determinação dos principais parâmetros de transferência de massa: área interfacial efetiva, coeficiente de transferência individual da fase gasosa e o coeficiente volumétrico global médio de transferência de massa. Determinou-se a área interfacial efetiva da coluna, por meio da absorção do CO2 diluído em ar em uma solução aquosa de NaOH, para as diferentes vazões de líquido, sendo os resultados obtidos igual a 106, 126 e 144 m2/m3, respectivamente. O coeficiente volumétrico de transferência de massa da fase gasosa foi determinado por meio da absorção de SO2 diluído em ar em uma solução aquosa de NaOH. Os resultados experimentais mostram que o coeficiente volumétrico individual de transferência de massa e a área interfacial são função da vazão do líquido. As velocidades de absorção do CO2 diluído em ar, em soluções de aminas e suas misturas foram determinadas experimentalmente para diferentes vazões de líquido, sendo os resultados expressos na forma de coeficientes globais de transferência de massa e parâmetros cinético-difusivos da fase líquida. As velocidades de absorção em MEA são bem superiores aos de AMP e NaOH. No caso das misturas foram obtidas velocidades superiores em comparação às das aminas individuais. A velocidade de absorção em AMP é fortemente incrementada na presença de PZ, mesmo em baixa concentração. / The CO2 absorption process in alkanolamine aqueous solutions was studied in a wetted wall column employing a film promotor of thin stainless steel woven wire, 28 mesh, which was operated in countercurrent. The tested alkanolamines were monoethanolamine (MEA), 2-amino-2-methyl-1-propanol (AMP) and piperazine (PZ). The absorption experiments were performed in individual aqueous solutions of MEA and AMP and the mixtures MEA:AMP and AMP:PZ, with the aim of evaluating the CO2 absorption rate in different liquid flow rates, namely: 3.10-7, 6.10-7 e 10.10-7 m3/s. This absorption system was characterized through determining of the main parameters of mass transfer: effective interfacial area, individual mass transfer coefficient of the gas phase and the average overall mass transfer volumetric coefficient. The effective interfacial area was determined by the absorption of CO2 diluted in air into an aqueous solution of NaOH for the different liquid flow rates, and the results obtained are 106, 126 and 144 m2/m3, respectively. The mass transfer volumetric coefficient of the gas phase was determined by chemical method of the absorption of SO2 diluted in air into an aqueous solution of NaOH. The experimental results show that the individual mass transfer coefficient and interfacial area are a function of liquid flow rate. On the other hand, the results of the performance of CO2 absorption into amine aqueous solutions were expressed in function of the average overall mass transfer volumetric coefficient and liquid phase diffusive kinetic parameters, which were measured experimentally for different liquid flow rates. The absorption rate in MEA are higher in comparison with AMP and NaOH. In the case of the blended, the absorption rate in AMP is enhanced by piperazine, even in low concentration.

Este trabalho visa desenvolver um modelo físico e matemático geral para os processos de extração sólido-líquido em fluxos contracorrente cruzados (CCC) que são utilizados na indústria de alimentos. Levam-se em consideração os processos principais (o transporte de massa entre as fases, difusão e convecção) envolvidos por todo o campo de extração, com uma abordagem bidimensional evolutiva, incluindo as zonas de carregamento, drenagem e as bandejas acumuladoras. O modelo matemático é formado por equações diferenciais parciais que determinam a alteração das concentrações nas fases poro e “bulk” em todo o campo de extração e equações diferenciais ordinárias (que refletem as evoluções das concentrações médias nas bandejas). As condições de contorno estabelecem as ligações entre os fluxos CCC da micela e matéria-prima e consideram, também, a influência das zonas de drenagem e carregamento. O algoritmo de resolução utiliza o método de linhas que transforma as equações diferenciais parciais em equações diferenciais ordinárias, que são resolvidas pelo método de Runge-Kutta. Na etapa de validação do modelo foram estabelecidos os parâmetros da malha e o passo de integração, a verificação do código com a lei de conservação da espécie e um único estado estacionário. Também foram realizadas a comparação com os dados experimentais coletados no extrator real e com o método de estágios ideais, a análise da influência de propriedades da matéria-prima nas características principais do modelo, e estabelecidos os dados iniciais do regime básico (regime de operação) Foram realizadas pesquisas numéricas para determinar: os regimes estacionário e transiente, a variação da constante de equilíbrio entre as fases, a variação do número de seções, a alteração da vazão de matéria-prima nas características de um extrator industrial e, também foram realizadas as simulações comparativas para diferentes tipos de matéria-prima (flocos laminados e flocos expandidos) usados amplamente na indústria. Além dessas pesquisas, o modelo também permite simular diferentes tipos de solventes. O estudo da capacidade de produção do extrator revelou que é necessário ter cuidado com o aumento da vazão da matéria-prima, pois um pequeno aumento desta pode causar grandes perdas de óleo tornando alto o custo da produção. Mesmo que ainda seja necessário abastecer o modelo com mais dados experimentais, principalmente da matéria-prima, os resultados obtidos estão em concordância com os fenômenos físico-químicos envolvidos no processo, com a lei de conservação de espécies químicas e com os resultados experimentais.

O presente trabalho apresenta o desenvolvimento de um estudo da extração de óleo vegetal em instalações industriais do tipo Rotocell. O extrator tem forma cilíndrica e possui um eixo principal no qual estão fixos vagões que transportam os sólidos através do extrator, e, abaixo desses existem reservatórios responsáveis pelo recebimento da micela. Acima dos vagões há seções de distribuição de micela que é despejada sobre os sólidos dos vagões, que extrai o óleo. Possui também seções de carregamento e drenagem. Um modelo físico-matemático e um programa para simular a operação do extrator foram desenvolvidos considerando os seguintes fenômenos: difusão de óleo pela micela; transferência de óleo entre as fases bulk e poro; variação da massa específica e viscosidade da micela; os processos nas seções de drenagem e de carregamento. Na forma final, o modelo acoplado apresenta-se em termos de redes neurais artificiais, que possibilita operar com tempos discretos e contínuos, permitindo a simulação numérica deste extrator industrial, o treinamento favorável da rede, sua identificação, e o acompanhamento em tempo real. Foram determinadas características da matéria-prima através de um trabalho experimental em laboratório. Através dos resultados obteve-se a validação do modelo por meios teóricos e experimentais Os resultados teóricos foram comparados com os dados experimentais e com cálculos feitos através do método de estágios ideais. As simulações numéricas revelam propriedades do campo de extração para o regime transiente com distribuição uniforme e regime transiente industrial, onde verifica-se que o modelo descreve corretamente o comportamento real do campo de percolação do extrator. Também foram realizadas simulações numéricas com o objetivo de avaliar as principais características do extrator em função da sua geometria e características da matéria-prima, variando a altura e o número de vagões do extrator verificou-se que é possível simular o comportamento do extrator para diferentes formas e tipo de qualidades da matéria-prima. Foram feitas simulações utilizando um solvente alternativo(álcool) e mudando parâmetros do extrator, onde observou-se que o solvente exige alterações na dimensão do extrator.

Esta pesquisa teve como objetivo estudar a hidrodinâmica, a transferência de massa e a inativação de microrganismos indicadores durante o processo de ozonização de esgoto sanitário tratado previamente em reator UASB. A pesquisa foi dividida em três grupos de ensaios, experimentos I, II e III, nos quais foram medidas as concentrações de bolhas de ozônio, os campos de velocidades instantâneos e médios, os diâmetros das bolhas de ozônio e realizados ensaios de desinfecção com ozônio para inativação de microrganismos indicadores - E. coli, colifagos e Clostridium perfringens - e remoção de DQO. Estes ensaios foram realizados tanto em batelada (experimento I e II) quanto em fluxo contínuo (experimento III), e as dosagens de ozônio aplicado foram de 10 e 20 mg/L e os tempos de contato de 5, 10, 15 e 20 minutos. As concentrações, velocidades e diâmetros das bolhas de ozônio foram proporcionais às vazões de ozônio aplicadas e variaram, respectivamente, de 0,23 a 5,26%, de 6,84 a 10,81 cm/s e de 0,260 a 1,781 mm. A quantidade de ozônio consumido variou entre 50,5% e 99,3%, em relação à dose de ozônio aplicado, e seu valor foi decrescente com o aumento da vazão de ozônio. Quanto à inativação dos microrganismos indicadores, C. perfringens apresentou-se como o mais resistente à ação bactericida do ozônio seguido por E. coli e colifagos. Foram inativados 1,7 log de C. perfringens (Ct = 80 mg.min/L); 6,1 log de E. coli (Ct = 133 mg.min/L); e 100% de colifagos (Ct = 38 mg.min/L). O controle das características de ensaios - dose e vazão aplicadas e tempo de contato -, bem como das características hidrodinâmicas das bolhas de ozônio podem otimizar o processo de ozonização de esgoto sanitário tornando-o atrativo técnica e economicamente. / This research had as objective study hydrodynamics, mass transfer and indicating microrganisms inativation during the ozonization process of sanitary sewer treated previously in UASB reactor. The research was divided in three groups of assays, experiment I, II e III, in which had been measured the concentrations, velocity and diameter of bubbles and carried through assays of disinfection with ozone for indicating microrganisms inativation - E. coli, coliphages and C. perfringens - and COD removal. These assays had been carried through in batch (experiment I and II) how much in continuous flow (experiment III), and the dosages of applied ozone had been of 10 and 20 mg/L and the times of contact of 5, 10, 15 and 20 minutes. The concentrations, velocity and diameters of ozone bubbles had been proportional to the applied ozone outflows and had varied, respectively, of 0,23 to 5,26%, of 6,84 to 10,81 cm/s and 0,26 to 1,781 mm. The amount of consumed ozone varied between 50,5 and 99,3%, in relation to the dosage of applied ozone, and its value was decreasing with the increase of the ozone outflow. For the indicating microorganisms inativation, C. perfringens was presented as most resistant to the bactericidal action of ozone followed for E. coli and coliphages. Had been inactivated 1,7 log of C. perfringens (Ct = 80 mg.min/L); 6,1 log of E coli (Ct = 133 mg.min/L); and 100% of colifphages (Ct = 38 mg.min/L). The control of the characteristics of assays - dosage and outflow applied and time of contact -, as well as of the hydrodynamic characteristics of the ozone bubbles they can optimize the ozonization process of sanitary sewer becoming it attractive technique and economically.

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor em Ciências da Engenharia, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Professor Doutor Carlos Madureira, e da Doutora Margarida Guimarães

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor em Ciências de Engenharia, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação dos Professores António Manuel Antunes Fiúza e Margarida Maria de Brito Loebe Guimarães