Embora seja uma técnica tradicional, empregada largamente em processos industriais, a operação unitária de aeração pode ser otimizada ao se utilizar modelos matemáticos que descrevam seu comportamento hidrodinâmico. Diversas equações se prestam a esse fim, no entanto, avanços tecnológicos, tanto no campo instrumental como computacional, permitiram a obtenção de equações mais realísticas e abrangentes. Neste trabalho foram ajustadas e avaliadas equações para descrever três importantes parâmetros envolvidos na transferência de oxigênio em meio hídrico: coeficiente volumétrico de transferência de massa, fração de vazios e velocidade ascensional de bolhas. Para tanto, ademais da utilização de conceitos teóricos amplamente difundidos no meio acadêmico, empregou-se um conjunto de dados já existente. Essa combinação permitiu a avaliação e aproximação das equações teóricas à realidade experimental através de coeficientes de ajuste empíricos. Foram obtidos os seguintes resultados: a) revisão bibliográfica e sugestão da correlação que melhor descreve o coeficiente volumétrico de transferência de massa; b) correlação que descreve a fração de vazios, a partir da analise da concentração de bolhas segundo distribuições gaussianas; c) correlação que descreve a velocidade ascensional de bolhas em plumas. A complexidade de cada parâmetro obtido deixou clara a importância da análise isolada, precedendo a convolução dos mesmos em um único modelo, pois embora as resposta e recomendações apresentadas não forneçam conclusões definitivas sobre todos os aspectos envolvidos na transferência de oxigênio em meio hídrico, suas considerações pontuais contribuem sobremaneira ao domínio do fenômeno global, beneficiando modelagens matemáticas futuras. / Although it is a traditional technique, widely employed in industrial processes, the unit operation of aeration can be optimized when resorting to mathematical models which describe their hydrodynamic behavior. A range of equations lends itself to this purpose, however, technological advances both in the instrumental as computational field, allowed the achievement of equations more realistic and comprehensives. In this study were adjusted and evaluated equations to describe three important parameters involved in the oxygen transfer in the hydric medium: volumetric mass transfer coefficient, void fraction and upflow bubble velocity. To this end, besides the use of theoretical concepts widely disseminated in the academic literature, it was employed a set of already existing data. This combination allowed the evaluation and approximation of theoretical equations to experimental reality by means of empirical adjustment coefficients. Were obtained the following results: a) literature review and suggestion of the best correlation which describes the volumetric mass transfer coefficient, b) correlation which describes the fraction of voids, from the analysis of the concentration of bubbles by Gaussian distributions, c) correlation which describes the upflow velocity of swarms of bubbles. The complexity of each parameter obtained made clear the importance of the isolated analysis, preceding the convolution of them in a single model because although the answers and recommendations given fail to supply definitive conclusions on all aspects involved in the transfer of oxygen in hydric medium, their specific considerations contribute to the knowledge of the global phenomenon, benefiting deeply future mathematical models.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:23:38Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2007-12-27Bitstream added on 2014-06-13T18:50:59Z : No. of bitstreams: 1 mendes_faa_me_ilha.pdf: 2673818 bytes, checksum: 120558e9283b734ad04dda5b07ec06d0 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / O princípio de funcionamento de um sistema gas-lift é bastante simples, baseando-se na injeção de um gás inerte próximo à extremidade submersa de um tubo utilizado para ascensão do líquido (riser). Esse sistema tem sido utilizado em diversos setores da indústria, dentre os quais se destaca o setor petroquímico. Apesar de ter sido concebido há mais de um século, e a despeito do considerável número de artigos publicados sobre o assunto, vários aspectos relativos às características do escoamento bifásico dentro do riser e ao funcionamento do sistema são, ainda, pouco conhecidos. No presente trabalho, um sistema air-lift de pequeno porte foi inteiramente desenvolvido e testado, permitindo observar o comportamento do sistema quando submetido a variações na vazão de ar, na razão de submersão e na geometria do injetor – contendo três (3F) ou quinze furos (15F). Ensaios de visualização foram conduzidos, possibilitando a caracterização do escoamento bifásico no interior do riser. Medições experimentais foram, também, realizadas para a obtenção da eficiência e das curvas características do sistema. Os resultados quantitativos foram interpretados em associação com imagens estáticas do escoamento, capturadas com uma câmera fotográfica digital, e com imagens dinâmicas, tomadas com o auxílio de uma filmadora de alta velocidade. A partir destas imagens, foi possível, ainda, a estimativa de alguns importantes parâmetros característicos do escoamento pistonado, associados ao deslocamento da chamada bolha de Taylor. Os dados assim obtidos foram comparados com valores oriundos de correlações empíricas propostas por outros autores, apresentando boa concordância. Com relação aos resultados quantitativos, observou-se que, sob determinadas condições de operação, o injetor 3F é capaz de atribuir ao sistema um rendimento significativamente maior... / The operation principle of a gas-lift system is very simple: it is based on the injection of an inert gas close to the immersed edge of a tube, which is used for the rising of the liquid (riser). This system has been used in several industrial areas and more often in the petrochemical industry. Despite the fact that it was conceived over a century ago and that there have been a considerable amount of articles published on the subject, several aspects concerning the two-phase flow characteristics inside the riser as well as its operational system are still not very well known. In the present work, a small size air-lift system was thoroughly developed and tested, which facilitated the visualization of the system behavior when submitted to variations in the air flow, the immersion ratio and the injector geometry – containing three (3H) or fifteen holes (15H). Observation experiments were carried out making it possible to characterize the two-phase flow inside the riser. Experimental measurements were also taken in order to obtain the system characteristic efficiency and slopes. The quantitative results were analyzed together with the statistic images of the flow - taken by a digital photo camera, and with the dynamic images – taken by a high-speed filming camera. Through these images, it was also possible to estimate some important characteristic parameters of the slug flow associated to the displacement of the so-called Taylor bubble. The data obtained this way were compared to the figures originated from experimental correlations proposed by other authors, and they showed a fine agreement. Regarding the quantitative results, it was observed that under certain operation conditions the 3F injector is able to give the system a significantly greater efficiency than when the 15F injector is used

Embora seja uma técnica tradicional, empregada largamente em processos industriais, a operação unitária de aeração pode ser otimizada ao se utilizar modelos matemáticos que descrevam seu comportamento hidrodinâmico. Diversas equações se prestam a esse fim, no entanto, avanços tecnológicos, tanto no campo instrumental como computacional, permitiram a obtenção de equações mais realísticas e abrangentes. Neste trabalho foram ajustadas e avaliadas equações para descrever três importantes parâmetros envolvidos na transferência de oxigênio em meio hídrico: coeficiente volumétrico de transferência de massa, fração de vazios e velocidade ascensional de bolhas. Para tanto, ademais da utilização de conceitos teóricos amplamente difundidos no meio acadêmico, empregou-se um conjunto de dados já existente. Essa combinação permitiu a avaliação e aproximação das equações teóricas à realidade experimental através de coeficientes de ajuste empíricos. Foram obtidos os seguintes resultados: a) revisão bibliográfica e sugestão da correlação que melhor descreve o coeficiente volumétrico de transferência de massa; b) correlação que descreve a fração de vazios, a partir da analise da concentração de bolhas segundo distribuições gaussianas; c) correlação que descreve a velocidade ascensional de bolhas em plumas. A complexidade de cada parâmetro obtido deixou clara a importância da análise isolada, precedendo a convolução dos mesmos em um único modelo, pois embora as resposta e recomendações apresentadas não forneçam conclusões definitivas sobre todos os aspectos envolvidos na transferência de oxigênio em meio hídrico, suas considerações pontuais contribuem sobremaneira ao domínio do fenômeno global, beneficiando modelagens matemáticas futuras. / Although it is a traditional technique, widely employed in industrial processes, the unit operation of aeration can be optimized when resorting to mathematical models which describe their hydrodynamic behavior. A range of equations lends itself to this purpose, however, technological advances both in the instrumental as computational field, allowed the achievement of equations more realistic and comprehensives. In this study were adjusted and evaluated equations to describe three important parameters involved in the oxygen transfer in the hydric medium: volumetric mass transfer coefficient, void fraction and upflow bubble velocity. To this end, besides the use of theoretical concepts widely disseminated in the academic literature, it was employed a set of already existing data. This combination allowed the evaluation and approximation of theoretical equations to experimental reality by means of empirical adjustment coefficients. Were obtained the following results: a) literature review and suggestion of the best correlation which describes the volumetric mass transfer coefficient, b) correlation which describes the fraction of voids, from the analysis of the concentration of bubbles by Gaussian distributions, c) correlation which describes the upflow velocity of swarms of bubbles. The complexity of each parameter obtained made clear the importance of the isolated analysis, preceding the convolution of them in a single model because although the answers and recommendations given fail to supply definitive conclusions on all aspects involved in the transfer of oxygen in hydric medium, their specific considerations contribute to the knowledge of the global phenomenon, benefiting deeply future mathematical models.