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Computational fluid dynamics (CFD) modeling was used to predict the hydrodynamics of a column reactor. Bubble columns have applications across many engineering disciplines and improved modeling techniques help to increase the accuracy of numerical predictions. An Eulerian-Eulerian multi-fluid model was used to simulate fluidization and to capture the complex physics associated therewith. The commercial code ANSYS Fluent was used to study two-dimensional gas-liquid bubble columns. A comprehensive parameter study, including a detailed investigation of grid resolution was performed. Specific attention was paid to the bubble diameter, as it was shown to be related to cell size have significant effects on the characteristics of the flow. The parameters used to compare the two-dimensional (2D) cases to experimental results of Rampure, et. al. were then applied to a three-dimensional (3D) geometry. It was demonstrated that the increase in accuracy from 2D to 3D is negligible compared to the increase in CPU required to simulate the entire 3D domain. Additionally, the reaction chamber of a microbial fuel cell (MFC) was modeled and a preliminary parameter study investigating inlet velocity, temperature, and acetate concentration was conducted. MFCs are used in wastewater treatment and have the potential to treat water while simultaneously harvesting electricity. The spiral spacer and chemical reactions were modeled in a 3D geometry, and it was determined that inlet velocity was the most influential parameter that was simulated. There were also significant differences between the 2D and 3D geometries used to predict the MFC hydrodynamics. / Master of Science

A qualidade da dispersão de gás em células de flotação é comumente caracterizada através de parâmetros como velocidade superficial do gás (Jg), hold-up do gás (?g), distribuição de tamanho de bolha (db ou D3,2) e fluxo de superfície de bolha (Sb). Sendo um processo de separação de minerais que é dependente da interação (colisão + adesão) entre partículas hidrofóbicas e bolhas de ar, a flotação tem seu desempenho dependente de uma dispersão de gás apropriada na polpa de minério. Desta forma, este trabalho objetivou caracterizar o estado da dispersão de gás de duas células em um banco composto por quatro células Wemco de 42,5 m³ (subaeradas), operando em série na usina da Vale Fertilizantes (Cajati-SP). Realizaram-se três campanhas de medidas que foram conduzidas sob diferentes condições operacionais: a) Diâmetro do rotor (D) de 1,09 m e rotação (N) entre 145 RPM e 175 RPM; b) D = 0,99 m e N entre 110 RPM e 190 RPM; c) D = 0,99 m e N de 120 RPM e de 130 RPM. Observaram-se os seguintes valores de dispersão de gás: 0,7 <= Jg <= 5,4 cm/s, 7 <= ?g <= 15%, 1,6 <= D3,2 <= 2,4 mm e Sb na faixa de 24 a 162 s-1. A magnitude de Jg medida na 1ª e 2ª campanhas mostrou-se acima dos valores reportados pela literatura, indicando necessidade de modificação de condições operacionais dos equipamentos, assim como cuidadosa manutenção. Posteriormente, a 3ª campanha indicou maior conformidade dos parâmetros de dispersão de gás em relação à literatura, constatando-se uma considerável melhora de desempenho do processo de flotação. / The quality of gas dispersion within flotation cells is usually characterized by superficial gas velocity (Jg), gas hold-up (?g), bubble size distribution (db or D3,2) and bubble surface area flux (Sb). Because flotation is a separation process which depends largely on the interaction (collision + adhesion) of hydrophobic particles and air bubbles, process performance is dependent on appropriate gas dispersion within the slurry. Thus, this study aimed to characterize the gas dispersion of two flotation cells on a flotation bank composed of four 42.5 m³ Wemco cells (sub aerated), operating in series at the plant of Vale Fertilizantes (Cajati-SP). There were three measurement campaigns conducted under different operating conditions: a) Impeller diameter (D) of 1.09 m and impeller rotation speed (N) between 145 and 175 min-1; b) D = 0.99 m and 110 <= N <= 190 min-1; c) D = 0.99 m and N = 120 and 130 min-1. The following gas dispersion values were determined: 0.7 <= Jg <= 5.4 cm/s, 7 <= ?g <= 15%, 1.6 <= D3,2 <= 2.4 mm and Sb in the range of 24 to 162 s-1. The magnitude of Jg at 1st and 2nd campaigns showed to be higher than the values reported in literature, calling for modification of operational conditions of the equipments, as well as carefully maintenance. In addition, results from the 3rd campaign indicated values of gas dispersion parameters that matched those reported by current literature, accompanied by considerable mprovement in process performance.

A qualidade da dispersão de gás em células de flotação é comumente caracterizada através de parâmetros como velocidade superficial do gás (Jg), hold-up do gás (?g), distribuição de tamanho de bolha (db ou D3,2) e fluxo de superfície de bolha (Sb). Sendo um processo de separação de minerais que é dependente da interação (colisão + adesão) entre partículas hidrofóbicas e bolhas de ar, a flotação tem seu desempenho dependente de uma dispersão de gás apropriada na polpa de minério. Desta forma, este trabalho objetivou caracterizar o estado da dispersão de gás de duas células em um banco composto por quatro células Wemco de 42,5 m³ (subaeradas), operando em série na usina da Vale Fertilizantes (Cajati-SP). Realizaram-se três campanhas de medidas que foram conduzidas sob diferentes condições operacionais: a) Diâmetro do rotor (D) de 1,09 m e rotação (N) entre 145 RPM e 175 RPM; b) D = 0,99 m e N entre 110 RPM e 190 RPM; c) D = 0,99 m e N de 120 RPM e de 130 RPM. Observaram-se os seguintes valores de dispersão de gás: 0,7 <= Jg <= 5,4 cm/s, 7 <= ?g <= 15%, 1,6 <= D3,2 <= 2,4 mm e Sb na faixa de 24 a 162 s-1. A magnitude de Jg medida na 1ª e 2ª campanhas mostrou-se acima dos valores reportados pela literatura, indicando necessidade de modificação de condições operacionais dos equipamentos, assim como cuidadosa manutenção. Posteriormente, a 3ª campanha indicou maior conformidade dos parâmetros de dispersão de gás em relação à literatura, constatando-se uma considerável melhora de desempenho do processo de flotação. / The quality of gas dispersion within flotation cells is usually characterized by superficial gas velocity (Jg), gas hold-up (?g), bubble size distribution (db or D3,2) and bubble surface area flux (Sb). Because flotation is a separation process which depends largely on the interaction (collision + adhesion) of hydrophobic particles and air bubbles, process performance is dependent on appropriate gas dispersion within the slurry. Thus, this study aimed to characterize the gas dispersion of two flotation cells on a flotation bank composed of four 42.5 m³ Wemco cells (sub aerated), operating in series at the plant of Vale Fertilizantes (Cajati-SP). There were three measurement campaigns conducted under different operating conditions: a) Impeller diameter (D) of 1.09 m and impeller rotation speed (N) between 145 and 175 min-1; b) D = 0.99 m and 110 <= N <= 190 min-1; c) D = 0.99 m and N = 120 and 130 min-1. The following gas dispersion values were determined: 0.7 <= Jg <= 5.4 cm/s, 7 <= ?g <= 15%, 1.6 <= D3,2 <= 2.4 mm and Sb in the range of 24 to 162 s-1. The magnitude of Jg at 1st and 2nd campaigns showed to be higher than the values reported in literature, calling for modification of operational conditions of the equipments, as well as carefully maintenance. In addition, results from the 3rd campaign indicated values of gas dispersion parameters that matched those reported by current literature, accompanied by considerable mprovement in process performance.

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However, aiming to expand the use of these bioreactors in the industry, as well as increase the understanding of the complex phenomena that occur in these devices, this thesis aimed to evaluate the hydrodynamic, oxygen transfer and shear conditions in three models of pneumatic reactors (bubble column, concentric-tube airlift and split-cylinder airlift) in the scales of 5 and 10 L, using as liquid phase four Newtonian fluids and eight non-Newtonian fluids, and five specific air flow rate (air of 1 to 5 vvm). Related to the hydrodynamic were studied the global gas hold-up (g), the gas hold-ups in the riser (R) and in the downcomer (D), liquid circulation time (tC), superficial liquid velocity in the riser (ULR) and in the downcomer (ULD), and the percentage energy losses in the riser (%ER+%EFR), in the downcomer (%ED+%EFD), and in the bottom (%EB) of airlift reactors. The values of g, R, D, ULR and ULD showed increasing behaviour with increase of air and decreasing behaviour with the kinematic liquid viscosity (L) and the rheologic properties (K e n), and observed the opposite for tC. The higher values of g, R, D and tC were obtained for concentric-tube airlift reactor (ACC) and scale of 10 L. With exception of ULR of Newtonian fluids, the others liquid velocity tests resulted in higher values for split-cylinder airlift reactors (ASC) and scale of 10 L. This result was attributed to the greater driving force (R-D) to liquid circulation obtained in the ASC reactors and the higher energy losses in the riser and in the downcomer observed in the ACC reactors. In the bottom of the airlift reactors, the higher values of %EB were obtained to the ASC reactor. To evaluate the mass transfer were studied, the average bubble diameter (Db), the volumetric oxygen transfer coefficient (kLa) and the terms that compose the kLa, the convective mass transfer coefficient (kL) and the specific interfacial area of mass transfer (aL). With the increase of air, L, K and n, the air bubbles were predominantly coalescent in water, presenting distorted shape, and non-coalescent with spherical/elliptical shape in the other solutions. It was observed a similar behavior between the kLa and aL parameters, which were directly proportional to the air and inversely proportional to the L, K and n. In water, the aL values were lower than glycerol solutions due to the higher Db values observed in this liquid. For the kL, it was observed a decreasing behaviour with the increase of the air in the most solutions. The magnitude of kL values was due mainly the oxygen difusivity in the liquid, and the higher values were observed to the water, following by the non-Newtonian solutions. In general, the higher values of the mass transfer parameters were obtained in the ACC reactor and in the scale of 10 L. The proposed method to the estimate the average shear rate velocity based on Kolmogorov’s theory of isotropic turbulence showed results consistent with the literature relative to the behavior and magnitude of this variable, as well as the results obtained by the analysis of the morphological changes of Streptomyces clavuligerus in two models of airlift reactors and two aeration conditions. Were proposed correlations to predict all evaluated parameters. Were obtained in all cases a good fit with the experimental data, with deviations between the calculated and experimental values below 20%. / Devido à alta capacidade de transferência de oxigênio e versatilidade, reatores pneumáticos têm sido constantemente utilizados em bioprocessos. Entretanto, visando ampliar a utilização destes reatores na indústria, assim como aumentar a compreensão dos fenômenos complexos que ocorrem nestes dispositivos, na presente tese teve-se como objetivo avaliar as condições hidrodinâmicas, de transferência de oxigênio e de cisalhamento em três modelos de reatores pneumáticos (coluna de bolhas, airlift de cilindros concêntricos e airlift split-cylinder) nas escalas de 5 e 10 L, utilizando como fase líquida quatro fluidos newtonianos e oito fluidos nãonewtonianos e cinco vazões específicas de ar (ar de 1 a 5vvm). Em termos hidrodinâmicos foram estudadas as retenções gasosas global (g), no riser (R) e no downcomer (D), tempo de circulação do líquido (tC), velocidade superficial do líquido no riser (ULR) e no downcomer (ULD) e as perdas percentuais de energia no riser, no downcomer e na base (%EB) de reatores airlift. Os valores de g, R, D, ULR e ULD apresentaram comportamento crescente com o aumento de ar e decrescente com a viscosidade cinemática do líquido (L) e propriedades reológicas (K e n), sendo observado o oposto para tC. Os maiores valores de g, R, D e tC foram obtidos em reator airlift de cilindros concêntricos (ACC) e escala de 10 L. Com exceção de ULR de fluidos newtonianos, os demais testes de velocidade do líquido resultaram em maiores valores nos reatores airlift split-cylinder (ASC) e escala de 10 L. Tal resultado foi atribuído a maior força motriz (R-D) para circulação do líquido obtida em ASC e às maiores perdas de energia no riser e no downcomer observadas em reatores ACC. Na base dos reatores, os maiores valores de %EB foram obtidos para reator ASC. Para avaliação da transferência de massa foram estudados o diâmetro da bolha (Db), o coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio (kLa) e os termos que o compõe, coeficiente convectivo de transferência de massa (kL) e área interfacial específica de transferência de massa (aL). Bolhas de ar, com o aumento de ar, L, K e n foram predominantemente coalescentes em água, apresentando formato distorcido e nãocoalescentes com formato esférico/elíptico nas demais soluções. Observou-se um comportamento análogo entre kLa e aL, com relação direta à ar e inversa à L, K e n. Em água, os valores de aL foram inferiores às soluções de glicerol em virtude do maior Db observado neste líquido. Para kL, observou-se um comportamento decrescente com o aumento de ar na maioria das soluções. A magnitude dos valores de kL obedeceu principalmente a difusividade do oxigênio no líquido, sendo os maiores valores observados para água, seguido das soluções não-newtonianas. De maneira geral, os maiores valores dos parâmetros de transferência de massa foram obtidos em reator ACC de 10 L. O método proposto para estimativa da taxa de cisalhamento com base na teoria de turbulência isotrópica de Kolmogorov apresentou resultados condizentes com a literatura em termos de comportamento e magnitude desta variável, assim como com os resultados obtidos pela análise das alterações morfológicas de Streptomyces clavuligerus em dois modelos de reatores airlift e duas condições de aeração. Para todos os parâmetros avaliados foram propostas correlações para sua predição, sendo obtidos em todos os casos bons ajustes aos dados experimentais com desvios inferiores à 20%. Palavras-chave: reatores pneumáticos, retenção gasosa, kLa, diâmetro da bolha, velocidade