Orientador: Arai Augusta Bernardez Pecora / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-14T08:27:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TolozaQuintero_JairoAlonso_M.pdf: 4116622 bytes, checksum: 1cf8e68431886cf25971810a0e1ae99b (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: A tecnologia de leito fluidizado circulante vem sendo desenvolvida até hoje para uma variedade de processos industriais oferecendo características fortemente desejáveis como: uniformidade da temperatura, ótimo contato gás-sólido, elevadas taxas de transferência de calor e massa entre gás e partículas, capacidade de processamento maior e mais eficiente em comparação com outras tecnologias envolvendo a combustão de sólidos particulados como carvão, resíduos e biomassas. Uma série de experimentos foi realizada em um leito fluidizado circulante (LFC) instalado no Laboratório de Processos Térmicos e Engenharia Ambiental (PROTEA) da UNICAMP com o objetivo de avaliar a influência de parâmetros operacionais sobre o tempo de resposta das medidas de pressão estática ao longo do circuito principal do LFC. Para a medida da pressão estática no leito, foi desenvolvido um sistema automático de chaveamento que envolve placa eletrônica de controle de válvulas solenóides, transdutor de pressão, placa de aquisição de dados e um computador. A temperatura média da coluna principal durante os experimentos estava ao redor de 110 °C e partículas de areia quartzosa com diâmetro médio de 312 µm foram utilizadas como material sólido. O circuito principal do LFC é composto por coluna principal (4 m de comprimento e 0,102 m de diâmetro interno), ciclone, válvula de amostragem, coluna de retorno, e válvula de recirculação de sólidos tipo L. Os regimes de fluidização e a concentração dos sólidos ao longo da coluna principal foram avaliados através das medidas de pressão média fornecidas pelo sistema automático de chaveamento em 14 tomadas de pressão estática instaladas na parede do circuito principal do LFC. Foram estudadas as influências de duas variáveis de operação: Velocidade superficial do gás (0,7 a 6 m/s) e inventário de sólidos (6 a 10 Kg). O estudo da influência dessas variáveis nos diferentes perfis axiais de pressão e porosidade permitiu a avaliação da transição dos regimes de fluidização para o sistema estudado. O trabalho também apresenta a análise das flutuações de pressão obtidas em três diferentes posições do sistema de LFC, o que permitiu a obtenção de velocidades de transição entre regimes de fluidização. / Abstract: Circulating fluidized bed technology has been developed so far in a variety of industrial processes offering highly desirable characteristics such as: temperature uniformity, optimum gas-solid contact, good heat and mass transfer, higher and more efficient processing capacity compared to other technologies concerning process like coal combustion. A series of experiments were conducted in a Circulating Fluidized Bed (CFB) installed at the Laboratory of Thermal Processes and Environmental Engineering (PROTEA) at UNICAMP. A switching automatic system was developed for static pressure measurements in the CFB loop using remote control. The automatic system is composed of an electronic control card for solenoid valves, pressure transducer, data acquisition board and a computer. The average temperature of the main column during the experiments was around 110 °C and Geldart B particles were used as solid material. The CFB loop is composed by a main column (4 m length and 0.102 m internal diameter), cyclone, sampling valve, standpipe and a solids circulation device called L-valve. Pressure profiles along the riser were settled by the static pressure measurement given by the switching automatic system involving 14 static pressure taps installed in the wall of the loop CFB. The influence of superficial gas velocity (0.7 to 6 m/s) and solids inventory (6 to 10 kg) on the CFB dynamics was verified using the automatic system. This work presents pressure and voidage profiles in the CFB system as a function of superficial gas velocity and solids inventory. Results allow the identification of the transition between transport regime and fast fluidization regime through the identification of the S-shape voidage profile. / Mestrado / Termica e Fluidos / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Katia Tannous / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-11T18:30:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Valdo_ValdireneOndinaPlaten_M.pdf: 2957603 bytes, checksum: 12dcf25e7d4591034d75a35f0ee8f090 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: O atrito de sólidos particulados é um problema enfrentado pelas indústrias que utilizam leito fluidizado parcialmente ou na totalidade de seus processos, tais como petroquímicas e farmacêuticas. Tal atrito é caracterizado pela ruptura ou desgaste involuntário das partículas durante a manipulação, processamento e armazenamento dos sólidos, sendo este manifestado pela formação de poeira e degradação do produto. Existem três tipos de atrito, definidos como: mecânico, térmico e químico. Neste trabalho, estudou-se o atrito mecânico de partículas sólidas de Cloreto de Sódio (NaCl), pertencentes a categoria D da classificação de Geldart em um leito fluidizado gasoso. O equipamento experimental utilizado foi composto de uma coluna de acrílico tridimensional de 0,092 m de diâmetro interno, acoplada a um sistema de coleta interligado por um ciclone. O material particulado foi caracterizado pelo diâmetro das partículas, massa específica, porosidade e esfericidade, e analisado através de técnicas de peneiramento, picnometria gasosa, porosimetria de mercúrio e a razão entre os diâmetros inscritos e circusncrito, respectivamente. Um planejamento fatorial completo 23 foi aplicado com o objetivo de verificar a influência de diferentes variáveis sobre a taxa de atrito. As variáveis estudadas foram: o diâmetro médio da partícula, a velocidade superficial do gás e o tempo de fluidização. A metodologia aplicada para a obtenção da taxa de atrito foi através da análise granulométrica pela técnica de peneiramento, antes e após a submissão das partículas às condições operacionais adotadas. Imagens obtidas pela microscopia eletrônica de varredura (MEV) auxiliaram na caracterização do atrito na superfície das partículas. Os resultados experimentais mostraram que todas as variáveis estudadas (diâmetro médio da partícula, velocidade superficial do gás e tempo de fluidização) influenciaram a taxa de atrito. Um modelo estatístico foi proposto para caracterizar o processo estudado / Abstract: The attrition of particulate solids is a problem of the industries that use a fluidized bed in part or in all of the processes, whether petrochemical or pharmaceutical. Such attrition is characterized by the involuntary rupture of particles during manipulation, processing and storage of the solids, which is evidenced by the accumulation of dust and degradation of the product. There are three types of attrition, defined as mechanical, thermal and chemical. In this work, we studied the mechanical attrition of solid particles of Sodium Chloride (NaCl), which belong to Group D in Geldart's classification in a gas-fluidized bed. The experimental equipment used was composed by a tridimensional acrylic column of 0.092 m of internal diameter, placed next to a collection system in connection with a cyclone. The particulate matter was characterized by the particle diameters, density, porosity and sphericity, and analyzed through sieving techniques, gaseous picnometry, mercury porosimetry and the ratio between the respective diameters of the inscribed and circumscribed circles. A complete factorial plan 23 was applied in order to check the influence of different variables on the attrition rate. The variables studied were: the mean particle diameter, the superficial gas velocity and the fluidization time. The methodology applied to obtain the attrition rate was through the granulometric analysis by sieving technique, before and after the submission of particles to the adopted operational conditions. Images obtained by Scanning Electron Microscopy (SEM) have helped the characterization of attrition on the particles surface. The experimental results showed that all the studied variables (mean particle diameter, superficial gas velocity and fluidization time) have influenced the attrition rate. A statistical model was proposed to characterize the studied process / Mestrado / Engenharia de Processos / Mestre em Engenharia Química

A fluidização é uma operação unitária presente nas indústrias química, farmacêutica e alimentícia. Durante a fluidização, o leito de partículas sólidas é suspenso por um fluxo ascendente de gás. A velocidade mínima de fluidização indica a menor velocidade do gás em que as partículas iniciam a agitação, enquanto a velocidade terminal é caracterizada pela elutriação, ou arraste de partículas juntamente com o gás. Portanto, um leito fluidizado deve operar em uma velocidade de gás que esteja entre a velocidade mínima de fluidização e a velocidade terminal de arraste. No entanto, os sólidos particulados coesivos, caracterizadas pelo grupo de Geldart C, são difíceis de serem fluidizados, devido à formação de canais preferenciais, e são facilmente elutriados. Neste trabalho estudou-se a fluidização de partículas de amido de milho pela passagem de ar a 27 °C. O amido de milho obteve diâmetro médio mássico e densidade do sólido iguais a 30,3 µm e 1446,7 kg/m3, e pôde ser caracterizado como um sólido particulado coesivo, em que a velocidade efetiva de fluidização e velocidade terminal foram iguais a (0,66 e 0,68) m/s, respectivamente. A qualidade da fluidização foi aprimorada pelo uso da pulsação do gás, que possibilitou reduzir a velocidade mínima de fluidização e ampliar a faixa de velocidade de fluidização, de forma a minimizar o arraste de sólidos por elutriação. As frequências de pulsação estudadas foram (0, 5, 10 e 15) Hz. Em uma primeira etapa, foram obtidos os perfis de velocidade queda de pressão a partir de ensaios experimentais. Posteriormente, os perfis experimentais foram utilizados para validação dos modelos de escoamento bifásico Euler-Euler, em simulações realizadas pelo software COMSOL. Dentre os principais resultados, destaca-se que os modelos numéricos puderem descrever com boa aproximação os perfis fluidodinâmicos do sistema binário amido e ar. A aproximação numérica somente foi obtida ao estabelecer um diâmetro equivalente com tamanho de 100 µm, que foi superior ao diâmetro médio mássico. Este resultado evidenciou que a fluidização ocorreu na forma de agregados de partículas, que é característico de sistemas coesivos. O uso da pulsação do ar também resultou ruptura de canais preferenciais, e permitiu o início da fluidização em menores velocidades do ar. / Fluidization is a unit operation in the chemical, pharmaceutical and food industries. During the fluidization, the solid particles is suspended by a stream air flow. The minimum fluidization velocity indicates the lowest gas velocity in which the particles begin agitation while the terminal velocity is characterized by elutriation, or drag the particles along with gas. Therefore, a fluidized bed must be operated at a gas velocity which is between the minimum fluidization velocity and the terminal velocity. However, cohesive solid particles, characterized by Geldart Group C, are difficult to be fluidized due to the formation of cracks and channeling and areeasily elutriated from chamber. In this work, the fluidization of cornstarch particles occurred by anair flow at 27 °C. Cornstarch showed a mean diameter and solid density equal to 30.3 µm and 1446.7 kg/m3 and could be characterized as a cohesive particulate solid. The effective fluidization velocity and the terminal velocity were equal to (0.66 and 0.68) m/s respectively. The fluidization quality was improved by the use of pulsation air flow. The minimum fluidization velocity was reduced, increasing the fluidization velocity operational range. The air pulsation frequency were studied at (0, 5, 10 and 15) Hz. In a first step, the experimental tests obtained the fluidynamics profiles of pressure drop versus air velocity. Subsequently, the experimental profiles were used to validate the Euler-Euler model in simulations by COMSOL software. The main results emphasized that the numerical models described the fluid dynamic profiles with good approximation. The numerical approach established an equivalent diameter of 100 µm, which was greater than the mass median diameter. This result showed that the fluidization occurred in the form of aggregates of particles, which is a characteristic of cohesive systems. The use of air pulsation also resulted in the rupture of channeling and allowed the fluidization at lower air velocities.

A geração de energia em larga escala a partir da combustão de carvões minerais impõe pesados ônus ao meio ambiente devido às emissões de poluentes. O processo de combustão em leito fluidizado destaca-se neste contexto, permitindo reduções de emissões de gases \'SO IND.X\' e \'NO IND.X\' acima de de 90%. O projeto, otimização e escalonamento de reatores de leito fluidizado são realizados de forma quase completamente empírica, através de desenvolvimentos em plantas de demonstração de escalas reduzidas. Os custos e tempos de implementação envolvidos são elevadíssimos, tornando ferramentas teóricas de apoio altamente desejáveis. Neste trabalho, desenvolve-se a modelagem e simulação da combustão em leito fluidizado atmosférico borbulhante de carvão mineral com altos teores de cinzas e enxofre com dessulfuração por calcário, através de uma abordagem fenomenológica. Comparações das predições do modelo são realizadas com dados experimentais gerados na planta piloto do NETeF, e estudos paramétricos são realizados para avaliação das performances do reator. As comparações mostram concordâncias e discrepâncias qualitativas e quantitativas entre perfis simulados e medidos das concentrações de gases e distribuições granulométricas do particulado. Isso indica a necessidade de aperfeiçoamentos na modelagem fenomenológica, notadamente com relação às correlações e dados empíricos utilizados. Apesar das discrepâncias, o modelo apresenta bons resultados quantitativos de eficiência de absorção de enxofre em comparação com os dados experimentais. / Energy generation through coal combustion imposes heavy environmental impacts due to pollutant emissions. The process of fluidized bed combustion distinguishes in this context allowing for emission reductions of \'SO IND.X\' and \'NO IND.X\' above 90%. The design, scaling-up, and optimization of fluidized bed reactors are mostly empirical, through small-scale demonstration plant developments. The costs and times of implementation involved in those developments are huge, making theoretical tools of analysis highly desirable. In this work modeling and simulation are performed for atmospheric bubbling fluidized bed combustion of high ash high sulfur coals, including desulfurization by limestone. A phenomenological approach to modeling is applied. Comparison of predictions are made against empirical measurements performed in the NETF pilot plant, and parametric studies are developed to evaluate reactor performances. The comparisons show both agreements and disagreements, qualitative as well as quantitative, between predictions and measured gas concentrations and particulate size distributions. This points to the necessity for improvements on the phenomenological modeling procedure that was applied, notably regarding the empirical correlations and data that were considered. Despite the discrepancies, the model produces good quantitative results of sulfur absorption efficiency in comparison to the empirical data.

Orientador: Marco Aurélio Cremasco / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-26T02:42:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Prieto_WesleyHeleno_M.pdf: 8369038 bytes, checksum: 55099f53f7bd5777f43bda2e728ffb67 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: A complexa dinâmica dos leitos fluidizados promove a necessidade de metodologias de análise de sinais que representem, com maior fidelidade, as características destes processos e também de técnicas de solução computacional de modelos matemáticos complexos para promover a implementação de novas ferramentas teóricas na caracterização de regimes fluidodinâmicos em sistemas particulados. Nas últimas décadas, a análise do caos se tornou grande aliada na investigação dos fenômenos cuja evolução temporal, aperiódica e sensível às condições iniciais, exiba determinismo. Neste sentido, o presente trabalho emprega a técnica de análise de caos para avaliar as grandezas entropia de Kolmogorov e dimensão de correlação associadas às flutuações de pressão em leito fluidizado (0,1 m de diâmetro) para partículas de FCC, painço e microesferas de vidro Geldart A, B e D. Esta Dissertação também se propõe a resolver um modelo matemático representativo da fluidodinâmica gás-partícula e dele abstrair séries temporais de perda de pressão para, posteriormente, serem submetidas à análise do caos determinístico e comparação com os resultados experimentais. Na etapa laboratorial, foram utilizados transdutores diferenciais de pressão a taxas de 1.000 Hz. O gás de fluidização foi ar ambiente a 25 °C. Para a solução do modelo foi utilizado o método clássico de Euler implementado no software MatLab R2012b. Dos resultados da primeira etapa, observou-se a presença de regiões típicas em todos os perfis de entropia de Kolmogorov e dimensão de correlação, sendo que para a condição de fluidização incipiente os valores dos invariantes foram máximos, logo em seguida evoluindo para uma condição de transição e estabilizando em uma situação menos caótica para o regime slugging. As curvas de fluidização obtidas pela resolução do modelo demonstraram superestimação da perda de pressão, porém, em termos de perfil, houve reprodutibilidade em relação às curvas experimentais. No que tange à análise caótica, os mesmos fenômenos foram notados para as séries temporais simuladas, constatando-se a presença das regiões de transição do leito fixo-incipiência-transição-slugging. De modo geral, torna-se evidente a relação entre parâmetros caóticos e as características físicas dos sistemas (experimentais e simulados), corroborando os invariantes do caos como auxiliares na classificação dos regimes de fluidização / Abstract: The complex dynamics of fluidized beds promotes the requirement of signals analysis methodologies that faithfully represent the characteristics of these processes and also techniques of computational solution of complex mathematical models to promote the implementation of new theoretical methods for characterizing fluid dynamic regimes in particulate systems. In recent decades, the analysis of chaos has become an important tool in the investigation of phenomena whose temporal evolution, aperiodic and sensitive to initial conditions, show determinism. In this regard, the present study employing the chaos analysis technique to evaluate the invariants Kolmogorov entropy and correlation dimension associated with the pressure fluctuations in the fluidized bed (0.1 m diameter) for particles of FCC, millet and glass microspheres (Geldart A, B and D). This work also proposes to solve a representative mathematical model of gas-particle fluid dynamics to obtain pressure time series to be submitted to the deterministic chaos analysis and compared with experimental results. In the experimental stage, differential pressure transducers at rates of 1,000 Hz were used. Fluidizing gas is ambient air at 25 °C. For the solution of the model the classical Euler method was used implemented in Matlab R2012b software. Through the results of the first step, the presence of typical regions were observed in all profiles of Kolmogorov entropy and correlation dimension, being for the condition of incipient fluidization the values of the chaotic invariants were maximum, shortly thereafter progressing to a transition condition and stabilizing in a less chaotic situation for the slugging regime. Fluidization curves obtained by solving of the mathematical model showed overestimation of pressure loss, however, in terms of profile, there was reproducibility as compared to the experimental curves. Referring to the chaotic analysis, the same phenomena were observed for the simulated time series, the presence of transition regions of fixed-bed-incipient-transition-slugging was observed. Generally, it is clear the relationship between chaotic parameters and physical characteristics of the systems (experimental and simulated), supporting the chaotic invariants as aids in classifying fluidization regimes / Mestrado / Engenharia de Processos / Mestre em Engenharia Química

Orientador: Florencia Cecília Menegalli / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos / Made available in DSpace on 2018-08-20T07:44:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Souza_DiogoOtaviodeCastro_D.pdf: 2512415 bytes, checksum: cc03ff39105bf1fed4d6dae52c95bbce (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: A granulação é um processo de aumento de tamanho de pós finos, que pode ser utilizado na indústria de alimentos para aumentar a qualidade de alimentos em pó, pelo aumento da sua dispersibilidade e solubilidade em líquidos. O modelo de balanço populacional (MBP) é normalmente utilizado para modelar este processo. Entretanto, nos trabalhos existentes, o MBP não leva em consideração as perdas de partículas no processo por elutriação e incrustação, muito relevantes para granulação de sucos em pó. Além disso, não existe na literatura correlações para estimar estas constantes com base nas condições operacionais do equipamento e nas características das partículas. Diante disso, o objetivo deste trabalho foi o estudo do impacto das condições operacionais no modelo de balanço populacional, durante a granulação de suco de goiaba em pó, em leito fluidizado. Diversos experimentos foram realizados de forma a adquirir os dados que alimentaram os modelos matemáticos desenvolvidos. Estes dados foram obtidos fora das zonas de máximo rendimento a fim de se obter um modelo mais abrangente, que pudesses simular o processo de granulação em todas as condições de processo. Foram desenvolvidas e validadas correlações para estimativa da taxa de elutriação, para estimativa das constantes de aglomeração e de quebra do MBP. Além disso, foi desenvolvido um modelo para estimativa da massa incrustada de partículas. Os modelos se mostraram capazes de estimar o rendimento do processo, os valores de diâmetro médio e da distribuição de tamanho de partículas. Foram feitas simulações alterando a velocidade do ar de fluidização, a vazão de ligante, o diâmetro médio inicial da distribuição, o formato da distribuição e a massa total de partículas. A análise das simulações realizadas sugere que as condições ótimas precisam ser avaliadas para cada distribuição de tamanho e para cada quantidade de partículas no equipamento, não somente para cada tipo de produto. De modo geral, os modelos desenvolvidos se mostraram adequados para aumentar a compreensão do processo de granulação e para obtenção de ótimos de processamento. Cabe ressaltar a necessidade de futuras investigações para verificar a aplicação destes modelos com outros tipos de material particulado e em outras faixas de operação / Abstract: Granulation is a size-enlargement process, in which small particles are agglomerated together. It is used in the food industry to increase the quality of food powder, by increasing its solubility. The population balance model (PBM) is a widely used model for this process. However, it is usually applied without account losses in the process by elutriation and wall deposition, which are very important for granulation of powdered juices. In addition, there is no correlation in the literature able to estimate the constants of the model from the operational conditions and from the particles¿ characteristics. The objective of this work was to study the impact of operational conditions into the population balance model for the granulation of guava juice powder, in a fluidized bed. Several experiments were performed in order to acquire data that fed the mathematical models developed in this work. These data weren¿t obtained from the zones of maximum process yield in order to achieve a more comprehensive model, which could simulate the granulation process in all process¿ conditions. It was developed and validated a correlation for the estimation of the rate of elutriation, a model for the estimation of the particles¿ wall deposition, a correlation for estimation the constants of agglomeration and for estimation of the breakage constant of the PBM. The models predicted, with good accuracy, the process yield, the mean diameter and particle size distribution. Simulations were made by changing the fluidizing air temperature, the liquid binder flow rate, the fluidizing air velocity, the initial mean diameter, the shape of the particles size distribution and the total mass of particles. The analysis of the simulations suggests that the optimal conditions must be evaluated for each kind of particle size distribution and for each mass of particles into the equipment, not only for each type of product. The models developed showed to be suitable to increase the understanding of the granulation process and to obtain process¿ optimal conditions. It is worth emphasizing the need of further research to verify the application of these models for others types of particles and others operational ranges / Doutorado / Engenharia de Alimentos / Doutor em Engenharia de Alimentos

Les « gels attractifs » constituent une catégorie particulière de fluides complexes. Ces gels sont formés à partir d’une suspension de particules attractives en faible concentration volumique. La microstructure du gel est très facilement modifiée par l’application d’une contrainte. Ainsi, il est possible de structurer ces gels par un cisaillement dans une géométrie suffisamment confinée. Nous avons étudié en détail ce phénomène dans des gels de noirs de carbone ainsi que dans des suspensions de billes de verre dans de l’huile rendues attractives par la présence d’une faible quantité d’eau. Nous avons reproduit ce phénomène dans des simulations numériques de dynamique moléculaire, ce qui permet d’étudier les conditions nécessaires à l’apparition de telles structures. Enfin, en géométrie peu confinée, le mécanisme de rupture et d’écoulement de ces gels en volume est complexe puisque leur rupture est en perpétuelle compétition avec leurcinétique de reformation. Nous avons étudié la rupture des gels de noir de carbone en couplant des techniques classiques de rhéologie avec une technique de mesure locale de déplacement par ultrasons. Ces expériences nous ont permis d’établir un lien entre le comportement global du matériau (sa rhéologie macroscopique) et la dynamique locale de fluidification. / Attractive gels are made of weakly aggregated colloidal particles dispersed in a liquid at lowvolume fraction. Their microstructure can easily be modified when submittedto a shear stress. For instance, those gel can form structures in response to flow under strong confinement. This work is a detailed study of this phenomenon in carbon black gels and in glass beads suspensions in oil made attractive by addition of a small amount water. Those structures are also reproduced in molecular dynamics numerical simulations which allow us to study the conditions for such structures to appear. When sheared in a large gap, yielding and flow of those gels is complex due to the competition between shear-induced aggregation and breakup. Yielding of carbon black gels has been studied by coupling global rheological measurements with local ultrasonic velocimetry providing a link between the global (macroscopic) behaviour and the local dynamics.

Commercial ebullated bed hydroprocessors, such as the LC-Finer, are used for the production of synthetic crude oil by upgrading bitumen extracted from the Canadian oil sands. The objectives of this thesis were to experimentally determine bubble characteristics at industrially relevant operating conditions for the design and optimization of the reactor’s recycle pan, as well as to investigate the impact of a catalyst density distribution on the reactor’s fluidization behaviour. High gas holdups have been reported for this type of industrial unit. As a result, high gas holdup conditions were required to assess the commercial unit fluid dynamics. Industrial conditions for the bubble characteristics in the reactor freeboard were simulated in a high pressure gas-liquid bubble column operating at 6.5 MPa using nitrogen and a 0.5 wt.% aqueous ethanol solution. Local bubble characteristics, including gas holdups, bubble rise velocities, and chord lengths, were investigated under various operating conditions using a novel monofibre optical probe designed for high gas holdup and elevated pressure. High gas holdups were achieved (up to 60%) and relatively narrow chord length distributions were observed, where 90% of the bubbles diameters were 1.0 mm or less. The energy dissipated through the distributor plate was shown to have a significant impact on the initial bubble size generated and high gas holdups were also achieved at atmospheric pressure by varying the open-surface area of the distributor. As a result, the impact of catalyst density distribution on local fluidization behaviour was investigated at atmospheric pressure using the previously designed high energy dissipation gas-liquid distributor plate and a 0.5 wt.% aqueous ethanol solution. Fresh and spent hydroprocessing catalysts having relatively narrow and wide density distributions were compared. The introduction of gas greatly impacted the fluidized bed dynamic by rendering the bed-freeboard interface diffuse at low superficial liquid velocity. Bed interface fluctuations were significantly reduced at elevated liquid flow rate due to average bubble size reduction caused by high shearing through the gas-liquid distributor plate. Solid holdup was most affected by the density distribution where bed expansion/contraction was dependent of the liquid flow rate due to varying particle-bubble dynamics.

Les écoulements pyroclastiques sont des mélanges à haute température de gaz et de particules volcaniques qui peuvent se propager sur de très grandes distances. Cette forte « mobilité » est souvent attribuée à leur capacité à se fluidiser, c’est-à-dire à générer et conserver une forte pression interstitielle de gaz qui réduit les forces de friction interne. L’objectif principal de cette thèse est de comprendre comment les irrégularités des terrains sur lesquelles se propagent les écoulements pyroclastiques peuvent favoriser leur fluidisation. Une première série d’expériences de laboratoire a consisté à générer des écoulements de particules fines (diamètre de 45-90 μm) sur des substrats de différentes rugosités. Les résultats montrent que la distance de parcours des écoulements augmente avec la rugosité, allant jusqu’à doubler par rapport à la distance de parcours sur fond lisse. Des analyses de vidéos haute vitesse et des mesures de pression interstitielle d’air à la base des écoulements montrent que la tête (partie antérieure) des écoulements qui se propagent sur un substrat rugueux s’auto-fluidisent en conséquence de la sédimentation des particules dans les interstices du substrat, chassant l’air qui remonte et percole dans l’écoulement. Ce mécanisme d’auto-fluidisation est efficace pour toutes les inclinaisons étudiées (0-30°), suggérant qu’il est susceptible de se produire tout au long de la mise en place d’un écoulement pyroclastique. Une seconde étude a consisté à faire chuter des lits de particules dans une colonne statique. Les résultats montrent que même pour une hauteur de relâchement relativement faible (20 cm), le mélange peut entièrement s’auto-fluidiser durant sa chute. Quand les particules sont suffisamment fines (<100 μm) la pression interstitielle dans le dépôt diffuse pendant plusieurs secondes, la durée de cette diffusion augmentant avec l’augmentation de l’épaisseur du lit et la diminution de taille des particules. Les temps de diffusions les plus longs sont observés avec un matériau provenant d’un dépôt d’écoulement pyroclastique (~30 s pour des lits de 28.5 cm d’épaisseur). Ces résultats suggèrent que les écoulements pyroclastiques qui se propagent sur des terrains accidentés peuvent s’auto-fluidiser et conserver une faible friction au cours de leur mise en place. / Pyroclastic flows are hot mixtures of gas and particles that can propagate over large distances. This high “mobility” is often attributed to their ability to be fluidized, that is, to generate and retain high gas pore pressure that reduces internal friction forces. The main objective of this thesis is to understand how irregularities of substrates on which pyroclastic flows propagate can enhance their fluidization. A first set of laboratory experiments consisted of the generation of fine-grained flows (diameter of 45-90 μm) on substrate of various roughness. Results show that the flow runout distance increases with the substrate roughness, and is up to twice the runout on a smooth substrate. High speed video analyses and air pore pressure measurements at the flow base show that the flow head propagating over a rough substrate can auto-fluidize because of particles sedimentation into the substrate interstices, which forces the air to escape upward and percolate through the flow. This auto-fluidization mechanism is efficient at all inclinations investigated (0-30°), suggesting that it could occur during the whole emplacement of a pyroclastic flow. A second study consisted of the vertical release of beds of particles in a static column. Results show that the granular mixture can be fully fluidized, even when collapsing from a relatively low height (20 cm). When particles are fine enough (<100 μm), pore pressure in the deposit diffuses for several seconds, the diffusion duration increasing with increasing bed thickness and decreasing particle size. The longest diffusion durations are observed for pyroclastic flow deposit materials (~30 s for 28.5 cm thick beds). These results suggest that pyroclastic flows propagating on irregular terrains can auto-fluidize and preserve low internal friction during their emplacement.

Orientadores: Araí Augusta Bernárdez Pécora, Emerson dos Reis / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-24T13:04:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 RuedaOrdonez_DiegoAndres_M.pdf: 19506541 bytes, checksum: 0bbc753dfedabd5800a9c9bd05c71077 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Neste trabalho, foi utilizada uma metodologia para a análise dos sinais de flutuações de pressão visando estudar a fluidização e o fenômeno da segregação em leitos fluidizados contendo misturas binárias de partículas de diferentes tamanhos e massas específicas. As medidas foram feitas para caracterizar o comportamento fluidodinâmico do leito fluidizado contendo misturas binárias e encontrar as velocidades inerentes ao fenômeno da segregação. Para tanto, primeiramente foram estudados os comportamentos de cada material isolado para posterior comparação com o comportamento observado para as misturas contendo tais materiais.Três tipos de sólidos particulados foram utilizados neste trabalho: microesferas de plástico (diâmetro médio de Sauter de 971 µm) e microesferas de vidro (diâmetros médios de Sauter de 462 e 959 µm).O sistema experimental utilizado consiste de uma coluna, de 0,1 m de diâmetro e 2,5 m de altura, equipada com um distribuidor de gás tipo placa porosa e possuindo seções de vidro,acrílico e aço carbono intercaladas, o que permitiu acompanhar visualmente o processo, e adquirir imagens por meio de uma câmera fotográfica. Medidas de flutuações de pressão foram feitas em diferentes velocidades superficiais do gás para cada material ou mistura estudados. Os sinais de pressão foram medidos em três pontos na coluna do leito, sendo um no plenum e dois na coluna, situado a 0,035 e a 0,115 m acima da placa distribuidora.Em todos os testes a altura do leito foi mantida fixa em 0,150 m. As flutuações de pressão foram analisadas no domínio do tempo e no domínio da frequência aplicando a transformada rápida de Fourier (FFT) o que permitiu diferenciar o comportamento dinâmico das misturas em cada velocidade superficial do gás estudada.Os resultados permitiram identificar regiões com diferentes comportamentos fluidodinâmicos e velocidades inerentes ao processo de segregação como as velocidades de fluidização inicial, fluidização completa, de segregação e de mistura completa. Este trabalho procura contribuir para melhorar o entendimento sobre a fluidização de misturas binárias e sobre o fenômeno de segregação normalmente presente em tais sistemas / Abstract: A methodology for analysis of pressure fluctuations signals was used, in the present work, to study the ?uidizing and segregation phenomena in fluidized beds containing granular binary mixtures with different sizes and densities. Pressure measurements have been made to characterize the dynamic behavior of fluidized beds and to find the velocities involved in the segregation phenomena. The analysis of each single studied material was made before analyzing of the mixtures containing such materials. Three types of solid particles were used in this work: plastic microspheres (971 µm Sauter mean diameter) and glass microspheres (462 and 959 µm Sauter mean diameters). The experimental system presents a column, 0.1m diameter and 2.5 m height, equipped with a porous plate gas distributor. The column was made by glass, acrylic and carbon-steel sections to allow visual observations of the process and acquiring images by a camera. Measurements of pressure fluctuations were made in different gas superficial velocities for each studied material or mixture. The pressure signals were measured at three points in the column: one at plenum and two above the distributor plate, at 0.035 and 0.115 m above the distributor plate. The height of the bed material was fixed in 0.15 m regarding all performed tests. Pressure fluctuations were analyzed on the time domain and on the frequency domain using the fast Fourier transform (FFT) which allows differentiating the dynamic behavior of the mixtures in each superficial gas velocity studied. The results allowed the identification of regions with different fluid dynamic behaviors as well as the determination of gas velocities inherent to the segregation process as the initial fluidization, complete fluidization, segregation and complete mixing velocities. This paper aims to contribute on understanding the fluidization process of binary mixtures and on the phenomenon of segregation normally present in such systems / Mestrado / Termica e Fluidos / Mestre em Engenharia Mecânica