Orientador: Arai Augusta Bernardez Pecora / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-14T08:26:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 CardenasFonseca_OscarLeonardo_M.pdf: 6620140 bytes, checksum: f3ecfb89fd126bbfe5400a37d419416d (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Este trabalho apresenta o estudo experimental das flutuações de pressão de um leito fluidizado circulante operando com areia, um sólido tipo B de Geldart, como material particulado. As medidas formam realizadas em diferentes regimes de contato gás-partícula variando desde leito fixo até leito fluidizado rápido através da variação da velocidade superficial do gás. Os sinais de pressão foram medidos em três pontos considerados críticos no leito fluidizado, no plenum, na coluna principal à 1,05 m acima da placa distribuidora e na válvula de recirculação à 0,22 m da base da válvula. Os experimentos foram feitos para duas alturas de leito estático (0,17 e 0,25m) em um leito de 2,5 m de altura e 0,1 m de diâmetro interno, possuindo secções de vidro e acrílico intercaladas e unidas por flanges de aço carbono, o que permitiu acompanhar visualmente o processo. As flutuações de pressão foram analisadas no domínio da freqüência aplicando a Transformada Rápida de Fourier (FFT) o que permitiu diferenciar o comportamento dos regimes de fluidização do leito de partículas. / Abstract: This work shows the experimental study of pressure fluctuations in the riser of a circulating fluidized bed operated with sand, a Geldart B solid like powder. Tests were performed for different regimes of operation from fixed bed to fast fluidized bed for two static height of the material inside the bed (0.17 and 0.25 m). The pressure signals were measured in three critical points in the fluidized bed: plenum, riser and L-valve. The fluidized bed presented 2.5m height and 0.1m internal diameter, made by glass and acrylic sections inserted between carbon-steel flanges in order to allow visual observations. The pressure fluctuations were analyzed on the frequency domain using the fast Fourier transform (FFT) allowing the characterization of different gas-solid contact regimes. / Mestrado / Termica e Fluidos / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientadores: Rubens Maciel Filho, Aline Carvalho da Costa / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-14T23:39:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 GonzalezQuiroga_Arturo_M.pdf: 2749935 bytes, checksum: c375b22201594f091c1d51f4befd9532 (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Por mais de um século, a principal fonte de combustível e produtos químicos para a sociedade humana tem vindo a partir de recursos fósseis, os quais são limitados e estão concentrados em poucas regiões do mundo. Biomassa, como a única fonte de carbono renovável, mostra-se promissora para a produção de combustíveis e produtos químicos em grande escala. Na última década, a produção de bioetanol a partir de biomassa lignocelulósica através de hidrólise enzimática tem sido estudada intensamente a nível de bancada. Reatores contínuos, nos quais a fração celulósica e a hemicelulósica de substratos lignocelulósicos são convertidos em açúcares redutores (para serem fermentados a bioetanol), são o tema desta dissertação. As principais questões consideradas aqui são: a cinética, o padrão de contato sólido-líquido, o comportamento fluidodinâmico da lama durante a hidrólise, configurações alternativas de reatores contínuos, e estratégias de operação contínua com relação ao substrato e a enzima. Foram revisados os modelos cinéticos mais recentes para a hidrólise enzimática de substratos lignocelulósicos, dando especial atenção aos modelos úteis para projeto de reatores. Foi proposto um esquema de classificação de modelos cinéticos baseado no número de reações consideradas. Com respeito à utilidade de um modelo cinético na otimização do sistema de reação, é desejável que este inclua a adsorção das enzimas na fração celulósica do substrato e na lignina, a inibição das enzimas por produto final, a reatividade do substrato e a desativação das enzimas. Neste trabalho, um modelo de uma reação foi ajustado a perfis experimentais de glicose e xilose obtidos na hidrólise enzimática de bagaço de cana prétratado com peróxido de hidrogênio alcalino. O modelo cinético apresentado difere de outros modelos em que este inclui a predição do perfil de xilose por meio de uma relação algébrica que faz uso do perfil de glicose, e é especialmente útil na ausência de dados experimentais de adsorção e reatividade do substrato. O comportamento fluidodinâmico da lama de biomassa durante a hidrólise enzimática é complexo devido à ampla distribuição de tamanhos de partícula, às formas incomuns das partículas de biomassa e às mudanças na reología que experimenta o material ao longo da reação. Neste trabalho é apresentado um levantamento detalhado da fluidodinâmica de suspensões de polpas fibrosas e lamas com tendência à sedimentação, devido a que o comportamento fluidodinâmico de lamas de biomassa pode ser entendido a partir dessas duas situações limite. Além disso, foi desenvolvido um modelo fluidodinâmico com balanços microscópicos e solucionado com um software de fluidodinâmica computacional para estudar o escoamento de lamas de biomassa em reatores tubulares com e sem defletores angulares internos. Por outro lado, a micromixtura do material dentro dos reatores foi considerada em duas situações limite: um material que é fracionado em cúmulos discretos que reagem como reatores batch durante o tempo que estejam no sistema de reação, e um material que imediatamente ingressa no sistema de reação entra em contato íntimo com outros elementos de fluido ao nível molecular. As conversões em reatores continuous para as anteriores situações limite de micromistura foram obtidas. Os reatores contínuos considerados foram reatores de tanque agitado em serie, reatores tubulares e combinação entre eles. Devido a que a biomassa adsorve água, no começo da reação de hidrólise a fase móvel pode desaparecer a concentrações de substrato maiores de 10% w/w, aproximadamente. A alimentação distribuída de substrato numa serie de reatores de tanque agitado foi uma alternativa proposta neste trabalho para incrementar a produtividade volumétrica dos reatores. Consequentemente, uma série de reatores de tanque agitado com alimentação distribuída, seguida de um reator tubular, foi a melhor alternativa para incrementar a reatividade volumétrica dos reatores e diminuir o volume de reação. O presente trabalho é em grande parte exploratório sendo que não há procedimentos detalhados de projeto e escalonamento de reatores de hidrólise enzimática de biomassa lignocelulósica na literatura científica atual. Consequentemente, reatores contínuos alternativos assim como procedimentos de modelagem mais detalhados são brevemente discutidos ao final do trabalho. De vital importância são experimentos para elucidar aspectos tais como a reutilização de enzimas por recirculação ou re-adsorção em substrato fresco, adsorção de enzimas a altas concentrações iniciais de substrato (>10% w/w), e a relação entre as propriedades reológicas da lama e a extensão da reação de hidrólise. / Abstract: For ever a century, the main source of fuel and chemicals for human society has come from fossil resources, which are limited and concentrated in a few regions of the world. Biomass, as the only source of renewable carbon, shows great promise for largescale economical production of renewable transportation and fuel chemicals. In the last decade the bioethanol production from lignocellulosic biomass via, enzymatic hydrolysis, has been intensively studied at laboratory level. Continuous reactors in which the cellulose and hemicellulose fractions of lignocellulosic substrates convert to reducing sugars (which are fermented to bioethanol) are the theme of this dissertation. The main issues considered are kinetics, contacting pattern and fluid dynamics, alternative configurations of continuous reactors, and continuous operating strategies with respect to substrate and enzyme. The most recent kinetic models for the enzymatic hydrolysis of lignocellulosic biomass, useful for reactor design, were reviewed and classified based on the number of reaction considered. Regarding to reactor design, the main factors that should be include a kinetic model are adsorption of enzymes on cellulose and lignin, inhibition of enzyme by glucose and cellobiose, substrate reactivity and enzyme deactivation. A kinetic model of a single reaction was fitted to experimental profiles of glucose and xylose obtained by the enzymatic hydrolysis of pretreated of sugarcane bagasse. This kinetic model differs of previous models in that it predicts xylose concentration based on glucose concentration. This kinetic model is a useful in the absence of experimental data on enzyme adsorption and substrate features others than concentration. The fluid dynamic behavior of biomass slurries during enzymatic hydrolysis is very complex due to the wide particle size distribution, the extremes shapes of particles and the significant rheological changes of the slurry with the progress of the enzymatic hydrolysis. This works reviewed the fluid dynamic behavior of fiber pulp suspensions and settling slurries because the fluid dynamic behavior of biomass through continuous reactors can be framed between these two limiting situations. In addition, a computational fluid dynamic model was developed to asses the fluid dynamic behavior of biomass slurries in tubular and baffled tubular reactors, motivated by the benefits of tubular reactors to carry out the enzymatic hydrolysis in terms of lower reaction volume and lower agitation requirements. On the other hand, the micromixing behavior of the flowing material was framed between two limiting situations: an incoming material that is broken up into discrete clumps in which the reaction proceed independently as in a batch reactor, and an incoming material that immediately comes into intimate contact with other fluid elements at molecular level. Conversions in continuous reactors corresponding to the above extreme states of micromixing were obtained. The continuous reactor considered were stirred tanks reactors in series, tubular reactors, and combination between them. As biomass adsorbs water, this may cause the bulk to become unsaturated at initial substrate concentration higher than 10% w/w, approximately. Operating the enzymatic hydrolysis in a distributed feeding mode by adding fresh substrate and enzyme at subsequent stirred tank reactors was proposed as an alternative to increase the volumetric productivity of reactors. A reactors configuration consisting of stirred tank reactors in series with continuous distributed feeding of substrate and enzyme, followed by a tubular reactor allow increasing the volumetric productivity of the reaction system overcoming mixing limitations and lowering the required reaction volume. It should be noted that this work is exploratory and that there are not major reports in open literature about the design and scale-up of continuous reactors for enzymatic hydrolysis. Some alternative continuous reactors, as well as modeling approaches for reactor design, are suggested. Of paramount importance are experiments to elucidate relevant aspects as reutilization of enzymes by recirculation of readsorption, adsorption of enzymes at high substrate concentrations (>10% w/w), and the relation between rheological properties of slurries with the extent of saccharification. / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

O escopo deste trabalho foi o desenvolvimento de microrreatores em tecnologia LTCC para produção de biodiesel, com foco na otimização de uma geometria de micromisturador. Esta proposta é resultado das oportunidades identificadas em três áreas do conhecimento: Microtecnologia, Intensificação de processos e Biocombustíveis. A principal ferramenta de desenvolvimento desta proposta é a fluidodinâmica computacional. Os microcanais baseados em geometrias com sucessivos cotovelos foram os escolhidos, para a investigação computacional e experimental. A metodologia computacional desenvolvida para alcançar os objetivos propostos envolve as etapas de: definição de um padrão de comparação, projeto das distâncias entre cotovelos, escolha de uma geometria com base na comparação entre diversas geometrias baseadas em sucessivos cotovelos e a otimização da geometria em função dos parâmetros fluidodinâmicos. Paralelamente, ensaios para a produção de biodiesel foram realizados, bem como, a investigação da produção de emulsões para avaliar como uma etapa do processo de produção do biodiesel. A geometria escolhida e otimizada foi a serpentina 3D, o que permitiu a otimização do módulo de tempo de residência e o projeto do microrreator. Finalizando, um microrreator foi projetado com parâmetros ótimos, obtendo assim a intensificação de processo por meio de conceitos de microtecnologia, para aplicação na produção de biocombustíveis. / The scope of this work was the development of microreactors in LTCC technology for biodiesel production, with a focus on the optimization of a micromixer geometry. This proposal is resulted from the opportunities identified in three areas of knowledge: Microtechnology, processes intensification and Biofuels. The main tool for development of this proposal is the computational fluid dynamics (CFD). The microchannels geometry with successive elbows were chosen for computational and experimental research. The computational methodology developed to achieve the proposed goals involves the following steps: defining a standard of comparison, a project of the distances between elbows, a choice of geometry based on the comparison between different geometries based on successive elbows and geometry optimization for the parameters hydrodynamic. In addition, tests for the production of biodiesel were being made and the investigations of production of emulsions to evaluate a step in the producing of biodiesel process. The geometry was chosen and optimized serpentine 3D, allowing the optimization of residence time module and the design of the microreactor. Finally, a microreactor was designed with optimal parameters, thus obtaining the intensification process through microtechnology concepts for application in the biofuels production.

Estudos do escoamento em vertedouros em degraus foram realizados experimentalmente por diversos autores, mas a utilização de ferramentas de computação numérica para a simulação destes casos ainda é muito escassa. Neste trabalho realizou-se um estudo da simulação numérica do escoamento sobre vertedores em degraus, utilizando-se um programa de fluidodinâmica computacional (CFD). As configurações geométricas e hidráulicas de alguns autores da literatura foram reproduzidas através das simulações em CFD. Com as simulações testaram-se as equações propostas experimentalmente ou compararam-se diretamente os resultados experimentais com os numéricos. As características dos escoamentos nos vertedouros em degraus que foram analisadas e comparadas são as seguintes: perda ou dissipação de energia, distribuição da velocidade, distribuição da concentração de ar, perfis de pressão do degrau, um estudo da resistência de atrito e um estudo da cavitação. Foram obtidas boas comparações entre os resultados experimentais e numéricos, desta forma, todas estas análises serviram, tanto para validar a utilização das ferramentas de fluidodinâmica computacional, como para caracterizar os escoamentos para uma possível proposta de melhora no desempenho desta estrutura hidráulica. Conhecendo-se o problema da cavitação, buscou-se uma solução para minimizar a ocorrência deste fenômeno no escoamento em vertedouro em degraus. Assim, foi realizado um estudo do escoamento em um aerador de fundo. Neste estudo do aerador de fundo foram caracterizados numericamente os perfis de concentração de ar, os perfis de pressão sob o salto do aerador, os perfis de velocidade e ainda foi realizado um estudo da vazão de ar que alimenta a aeração sob o jato do aerador. Após este estudo do aerador de fundo, uma nova de configuração geométrica foi proposta para o vertedouro em degrau, com a construção de um aerador de fundo no início do escoamento de forma a minimizar o risco de cavitação ou ainda aumentar as vazões máximas de serviço. / Several experimental studies about stepped spillways flow were carried out by several authors, no ever the use of numeric computation tools is still very scarce. This work study numeric simulation in stepped spillways flow was carried out using a computation fluid dynamic (CFD) software. Several hydraulics conditions from the literature were reproduced through simulations by CFD tools. Those simulation results were compared with experimental results. The characteristics of the flow in stepped spillways were analyzed and compared focusing the following aspects: energy dissipation, velocity distribution, air concentration distribution, pressure profiles in the steps, friction resistance and cavitation. The numerical simulation results had a good approximation to the experimental results. All these analyses could be used to validate the use of the computational fluid dynamic tools, to characterize the flow for a possible improvement proposal of this hydraulic structure. The cavitation problem is the great challenge in thigh velocity flows. One solution to reduce the cavitation in the stepped spillways is the construction of a bottom aerator. A numerical study of a bottom aerator was carried out, focusing out of air concentrations, pressures under jet and velocity profiles. It was studied the discharge of air under the jet. As final result, this work proposes a new geometric configuration for stepped spillways with a bottom aerator. This bottom aerator was suggested to be set in the beginning of the spillway chute in order to reduce cavitation risk or to increase the maximum discharge in spillway.

Orientadores: Osvaldir Pereira Taranto, Marcelo Nitz da Costa / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-12T09:06:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Souza_LucianeFranquelinGomesde_M.pdf: 4524135 bytes, checksum: 1ae4c10ba2c2ed03a7393643ced61a02 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Acetato de sódio e um sal orgânico produzido pela reação do acido acético com hidróxido de sódio. Depois da cristalização e separação os cristais úmidos são secos. Já o cloreto de potássio e um sal inorgânico extraído de rochas e águas salinas muito utilizado na industria química como fertilizante. Esses sais são higroscópicos, coesivos quando úmidos, e geralmente são secos em secadores de leitos fluidizados. No presente trabalho foi utilizado um secador de leito pulso-fluidizado (PFB) que e uma modificação do secador de leito fluidizado convencional. Neste equipamento uma taxa constante de ar e suprido para o secador. Um distribuidor de gás instalado sob a câmara de secagem promove a pulsação pela corrente de gás alternada. A principal vantagem desta técnica e o uso de uma vazão de ar menor quando comparada com outras. O PFB utilizado neste trabalho possui uma área de secção transversal de 0,18 metros quadrados e constituído de quatro seções. Inicialmente foi realizado o estudo fluidodinâmico dos sais secos e úmidos. Posteriormente as curvas de secagem do acetato de sódio e cloreto de potássio foram determinadas para diferentes condições de secagem (temperatura do ar e freqüência de pulsação). A secagem e fluidodinâmica em leito fluidizado convencional foram feitas para que a comparação com o leito pulsado fosse possível. Resultados mostraram que as taxas de secagem foram maiores na fluidizarão pulsante devido ao melhor comportamento fluidodinâmico: o fluxo intermitente ajuda a romper partículas aglomeradas e conseqüentemente prover melhor contato entre gás - partícula. / Abstract: Sodium acetate is a salt produced by the reaction of acetic acid with sodium hydroxide. After crystallization and separation, the wet crystals are dried. Potassium chloride is an inorganic salt extracted from rocks and saline water. It is mainly used in the chemical industry as a fertilizer. These salts are hygroscopic particulate materials, which are dried in fluidized beds or rotary dryers. In this work a pulsed-fluid bed (PFB) dryer was used, which is a variation of the conventional fluidized bed dryer. In this equipment, a constant airflow rate is supplied to the dryer. A gas distributor installed upstream of the drying chamber provides the pulsed-flow by alternating the gas stream. The main advantage of this technique is the lower airflow rate supplied when compared with competitive techniques. The PFB used in this work has a cross section area of 0.18 m2 and it has four sections. Initially, the fluid-dynamic study of dry and wet salts was performed. Subsequently the drying curves of sodium acetate and potassium chloride were determined for different drying conditions (inlet air temperature and pulsation frequency). Drying and Fluid-dynamic was performed in conventional fluidized bed drying, so that results could be compared. Results showed that the drying rates were higher under pulsed fluidization due to the better fluid-dynamic behavior: the intermittent flow can help to break particle agglomerates and therefore provide better contact between particles and the gas. / Mestrado / Engenharia de Processos / Mestre em Engenharia Química

Orientadores: Daniella Jorge de Moura, Danilo Florentino Pereira / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Agrícola / Made available in DSpace on 2018-08-25T02:19:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 CarvalhoCuri_ThaylaMorandiRidolfide_D.pdf: 8328770 bytes, checksum: eebd78d76f94cf27d5dfc9f66ccc7938 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Na avicultura, com o recente aumento no número de aviários climatizados, projetar e adequar instalações ao clima quente que permitam a manutenção da temperatura, umidade relativa, velocidade do ar, concentração de amônia e dióxido de carbono em limites ideais às exigências das aves, sem aumento dos custos de produção, tem sido um grande desafio. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi avaliar o sistema de ventilação em quatro diferentes tipologias de aviários para frangos de corte em relação à qualidade do ambiente por meio de técnicas computacionais de simulação, tais como, Computational Fluid Dynamics, geoestatística e redes neurais e posicionamento estratégico de sensores. Para isso, o trabalho foi conduzido em quatro instalações de frangos de corte localizados na região de Campinas com sistema de ventilação artificial e diferentes tipologias. Os sistemas de ventilação avaliados foram: BH - isolamento lateral por cortinas azuis e sistema de ventilação artificial de pressão negativa com exaustores; DH - isolamento lateral por cortinas pretas e sistema de ventilação mecanizada com exaustores e entrada de ar através do painel evaporativo; SW - isolamento lateral por paredes de alvenaria e sistema de ventilação artificial de pressão negativa com exaustores e entrada de ar através do painel evaporativo; e DWH - isolamento lateral por cortinas pretas e sistema de ventilação artificial de pressão negativa com exaustores e entrada de ar através do painel evaporativo (DWH). Foram monitoradas as variáveis climáticas (temperatura, umidade relativa e velocidade do ar) e o ambiente aéreo (concentração de dióxido de carbono e amônia) duas vezes ao dia (9h00min e 14h00min), semanalmente aos 21, 28, 35 e 42 dias de idade das aves, em 52 pontos equidistantes na altura das mesmas, no período de inverno e verão. Os dados foram analisados por meio da análise estatística, geoestatística, redes neurais e CFD no intuito de avaliar, entender e sugerir mudanças para o sistema de ventilação. A partir das análises realizadas no presente trabalho foi possível observar que o período de verão é o mais crítico para criação de aves na fase final de criação. A análise geoestatística mostrou que a presença ou não do painel evaporativo influencia na condição padrão de funcionamento do sistema de ventilação. O painel evaporativo auxilia no resfriamento do ar no centro do aviário, enquanto nas paredes laterais ocorrem temperaturas acima do recomendado pela literatura em instalações com largura menores que 20 m. Aviários com largura maiores que 20 m apresentam regiões com baixa renovação de ar nas laterais e em todo o comprimento. A melhor disposição dos sensores (de temperatura e umidade) no interior do aviário foi três pontos equidistantes. A técnica do CFD permitiu visualizar o encaminhamento do ar de acordo com as diferentes condições de funcionamento dos exaustores em 2D e 3D e, determinar o melhor arranjo para o acionamento de exaustores a fim de evitar a formação de regiões com baixa renovação do ar e zonas de turbulência. As redes neurais artificiais foram capazes de auxiliar a tomada de decisão quanto da vazão de ar dos exaustores necessária para renovação e resfriamento do ar nas instalações de frango de corte / Abstract: With the recent increase in the acclimatized broiler houses in Brazil, the design and adaptation to the hot climate condition allowing the maintenance of the ideal temperature, relative humidity, air velocity, ammonia and carbon dioxide concentration has been a major challenge. The aim of this study was to evaluate the ventilation system in four different broiler houses typology in relation to air quality and thermal environment using computational techniques such as: computational fluid dynamics (CFD), geostatistics and neural networking. The research was carried out in four facilities located in Campinas region. Each facility had a different acclimatization system. The acclimatization system evaluated were: BH ¿ side wall curtains and exhaust fans in negative pressure ventilation system, DH ¿ side wall curtains and exhaust fans in negative pressure ventilation system with evaporative cooling panel, DWH ¿ side wall curtains and exhaust fans in negative pressure ventilation system with evaporative cooling panel and SW ¿ concrete bricks wall and exhaust fans in negative pressure ventilation system with evaporative cooling panel. The following climates were evaluated twice a day 9 AM and 2PM: temperature, relative humidity, air velocity, carbon dioxide and ammonia concentration when the birds were aged 21, 28, 35 and 42 days old. The data were monitored in 52 equidistant points, in the height of the birds, in summer and winter time. Data were evaluated by statistics analysis, geostatistic, neural networking and CFD in order to assess, understand and suggesting changes to the ventilation systems. The results showed that summer time is the more critical for final phase. Geostatistical analysis demonstrated the presence or absence of the evaporative panel influences the pattern of air flow. The ventilation systems with pad cooling chilled the air in the center of the building while the side walls active temperature above the temperature recommended in facilities with less than 20 m wide. However, poultry facilities greater than 20 m wide presents regions with lower air exchange, especially nearby side walls. The best position to locate the temperature and relative humidity sensors was in three equidistant points. The CFD technique allowed to visualize the air flow in 2D and 3D according to the different working conditions for the exhaust fans and, as well as determined the best exhaust fans arrangement to work avoiding low air exchange or turbulence area. The artificial neural networking was able to assist the decision making regards the ideal the air flow from the exhaust fans required to air exchanged and air cooling in the broiler house / Doutorado / Construções Rurais e Ambiencia / Doutora em Engenharia Agrícola

Orientador: Roberto Testezlaf / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Agrícola / Made available in DSpace on 2018-08-24T05:47:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Mesquita_Marcio_D.pdf: 9242210 bytes, checksum: 01b3ff5b3006dbb1e240ffc605b33110 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: A falta de desenvolvimento técnico de projetos para filtros de areia utilizando ferramentas tecnológicas de engenharia limita a otimização das suas configurações e restringe o seu funcionamento eficiente, trazendo prejuízos energéticos, econômicos, e tornando mais longo o caminho para o aparecimento de inovações no processo de filtragem da água para a irrigação. Buscando contribuir para o desenvolvimento tecnológico e científico de um modelo de filtro de areia o objetivo geral dessa pesquisa foi contribuir para o aprimoramento do projeto estrutural desses equipamentos, colaborando com a padronização dos seus parâmetros de operação e gerando informações que auxiliem fabricantes no aperfeiçoamento de seus modelos de filtros. A metodologia dessa pesquisa foi divida em quatro etapas: (1) validação do uso da fluidodinâmica computacional em análises hidráulicas para filtros de areia; (2) análise do comportamento hidrodinâmico de modelos comerciais de placas difusoras e drenos no escoamento interno de filtros de areia; (3) projeto e dimensionamento de modelos originais de placa difusora e de dreno; e (4) construção e avaliação hidráulica de um protótipo de filtro de areia. Os resultados indicaram que, para as condições experimentais ensaiadas, a modelagem numérica parametrizada simulou com precisão o comportamento do escoamento de filtros de areia. O modelo de placa difusora projetada reduziu significativamente a velocidade do fluxo de entrada no filtro e aumentou a homogeneidade da distribuição das linhas de escoamento sobre a superfície do leito poroso. O protótipo de dreno proposto possibilitou a formação de linhas de fluxo radial e perpendicular na região de atuação do acessório, reduzindo o aparecimento de pontos de estagnação e vórtices e diminuindo a turbulência na entrada das suas aberturas. Adicionalmente, a proposição de um arranjo espacial para o sistema de drenagem aumentou a área efetiva de atuação de cada dreno, possibilitando uma expansão mais uniforme e homogênea do leito filtrante durante o fluxo ascendente e requerendo menores velocidades de fluidização para efetivação da retrolavagem. O protótipo de filtro de areia, desenvolvido a partir da aplicação das ferramentas de CFD, apresentou menor perda de pressão em relação aos equipamentos comerciais e para as condições de ensaios a que foram submetidos. Sobretudo, esse estudo permitiu validar a hipótese do emprego de ferramentas de CFD no projeto das dimensões, formato e o arranjo estrutural da placa difusora e de drenos em filtros de areia visando à melhor distribuição das linhas de fluxo, redução da perda de pressão durante os processos de filtragem e retrolavagem, diminuição das deformações superficiais da camada filtrante e maior homogeneidade de fluidização do leito durante a retrolavagem. Dessa forma, a técnica de fluidodinâmica computacional (CFD) mostrou-se adequada para projetos de novos componentes estruturais de filtros de areia, assim como para estudos sobre a sua dinâmica de funcionamento e operação / Abstract: The deficiency of technological development on sand filters design using engineering technological tools restricts its structure optimization and operation effectiveness, causing energy and economic losses. This condition contributes to make the upgrades in the irrigation filtration science a longer path. Searching to help the technological and scientific development of a sand filter model the objective of this research was to contribute to the structural design improvement of these equipment, collaborating with the standardization of its operating parameters and generating information to help manufacturers to improve their filter models. The research methodology was divided into four steps: (1) validation of the use of computational fluid dynamics in sand filters hydraulic analyzes; (2) analyses of the hydrodynamic behavior of commercial model of diffuser plates and drains in the sand filters inner flow; (3) design of innovative models of diffuser plate and drain; and (4) construction and hydraulic evaluation of a prototype of a sand filter. The results indicated that for the defined assessment conditions, the parameterized numerical model simulated the flow process with significant accuracy the sand filter hydrodynamic. The designed diffuser plate reduced significantly the filter inflow, increasing the uniformity the flow lines distribution on the porous media surface. The proposed underdrain model allowed the establishment of radial and perpendicular flow lines in the operating area near the drain, reducing the occurrence of stagnation points and vortexes and the turbulence close to the slots. The projected spatial arrangement of the drainage system increased the effective operation area of each drain, resulting in uniform and homogeneous expansion of the filter bed during the upward flow and requiring lower fluidization velocities values to accomplish the backwash process. The sand filter prototype, developed from the application of CFD tools, reduced the pressure loss in the trials conditions comparing to evaluated commercials equipment. Mainly, this research validated the hypothesis of CFD¿s tools application in the design of the dimensions, shape and the structural arrangement of the diffuser plate and drains for sand filters. This methodology allowed accomplishing the homogenization of flow lines, reducing the pressure loss during the filtering and backwash processes, decreasing the media superficial deformations and increase the homogeneity of the bed fluidization during the backwash. Consequently, the computational fluid dynamics technique (CFD) showed suitable for design applications on new structural components¿ of sand filters, as well to study its functioning and operation¿s dynamics / Doutorado / Agua e Solo / Doutor em Engenharia Agrícola

Orientador: José Roberto Nunhez / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-19T04:07:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 AlvarezCastro_HelverCrispiniano_M.pdf: 3784043 bytes, checksum: bc88cbde39ba881df9a43aee4f3ba52c (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Este Trabalho tem por objetivo desenvolver um modelo de simulação dinâmica para um tanque de mistura de diesel de larga escala localizado na refinaria da Petrobras em Paulínia. O tanque é utilizado na área de produtos acabados médios da Petrobras. Neste sentido, o objetivo principal deste projeto inclui estimar o perfil de velocidade, tempo de mistura e a potência que o agitador requer para sua homogeneização, visando otimizar a operação destes tanques na Petrobras. O referido tanque de armazenamento e mistura de óleo diesel possui uma capacidade nominal de 24000 m3, o fluido possui densidade de 0,86 kg/ m3; O projeto do tanque esta baseado na norma API 650. Para a simulação utilizam-se técnicas baseadas em fluidodinâmica computacional (CFD). O método utilizado é o dos volumes finitos. Para atingir o objetivo proposto, utiliza-se o software comercial CFX versão 12.1. O software resolve numericamente as equações discretas de conservação de massa, momento e um modelo de turbulência associado ao modelo. O SST ( Shear Stress Transport Model ) é usado para se estimar a turbulência. A região do fluido é dividida em um grande número de volumes de controle, sendo construído um modelo de tanque equipado com uma entrada lateral de um misturador tipo naval . O modelo do impelidor foi fornecido pela PETROBRAS / Abstract: The aim of this work is the development of a computational model for large storage diesel mixing vessels. The tank studied is located at REPLAN (Refinery of Paulínia). This vessel is used for products with intermediate viscosity. It is intended to estimate velocity profiles, mixing time and energy consumption required for its homogenization, with a view to optimize its operation. This storage vessel has a nominal capacity of 24000 m3, the fluid has a specific mass of 0.86 kg/m3. The tank design follows the API 650 especifications. The model uses Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques. It is based on the finite volume method. The commercial CFX 12.1 software was used to get the numerical data. This software solves numerically the discrete form of the mass, momentum and species conservation equations and the turbulence model associated to the general tank model. The SST ( shear Stress transport turbulence model ) is used to estimate the turbulence. The tank is divided into a great number of control volumes. The model of the vessel considers a lateral flow impeller (similar to a naval type impeller). The characteristics of the impeller was given by PETROBRAS / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

Orientadores: José Roberto Nunhez, Nicolas Spogis / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-19T06:34:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 CabralesNavarro_FredyAntonio_M.pdf: 2052593 bytes, checksum: d8d60c68b460ac2a2cd457e16a29e929 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: O processo de homogeneização de hidrocarbonetos em tanques de estocagem de grande escala equipados com impelidores de entrada lateral desempenha um papel importante na operação de uma refinaria, visto que a qualidade do produto final depende do desempenho deste processo. A Fluidodinâmica Computacional (CFD) é a técnica mais viável para avaliar e otimizar este processo, no qual o trabalho experimental é tecnicamente complicado e custoso. Neste trabalho, a técnica CFD é empregada para simular um tanque de estocagem de diesel a escala industrial com o uso do pacote comercial ANSYS CFX 13.0. A abordagem com múltiplos sistemas de referência (MFR) é empregada para modelar a movimentação do impelidor. Os efeitos turbulentos foram incorporados mediante o modelo de turbulência Shear Stress Transport (SST). Vários arranjos impelidor(es)/tanque obtidos variando o ângulo de deslocamento horizontal em relação à linha central do tanque são usados para avaliar a influência do número de impelidores e o seu posicionamento no desempenho do processo. Perfis hidrodinâmicos, consumos de potência, tempos de homogeneização e outros parâmetros relevantes para processos de mistura são utilizados para comparar os resultados. Baseando-se nos resultados das simulações, foi possível avaliar os diferentes cenários e determinar a condição mais apropriada para levar a cabo o processo. Considerando o consumo energético, a melhor configuração é utilizando um impelidor desviado 10 º e, levando em conta o tempo de homogeneização, o melhor arranjo é com três impelidores sem deslocamento. Adicionalmente, os prós e contras das alternativas foram discutidos e os resultados mais relevantes foram reportados / Abstract: The homogenization process of hydrocarbons in large scale storage tanks equipped with side-entry impellers plays an important role in a refinery operation, since the quality of the final products depends on the performance of this process. Computational Fluid Dynamics (CFD) is the most viable technique to evaluate and to optimize this process, as experimental work is technically complicated and expensive. In this work, the CFD technique is used to simulate an industrial diesel storage vessel using the commercial package ANSYS CFX 13.0. The Multiple Frames of Reference (MFR) approach is used to model the mixer movement. The turbulent effects are incorporated by means of the Shear Stress Transport (SST) turbulence model. Several impeller(s)/tank layouts obtained by varying the horizontal offset angle from the tank center line are used to assess the influence of the number of impellers and their positioning on the performance of the process. Hydrodynamic profiles, power consumptions, homogenization times and other relevant mixing parameters are also used to compare the results. Based on the computer simulation results, it was possible to evaluate the different scenarios and to determine the most appropriate conditions to carry out the process. Considering the power consumption, one impeller deviated 10° is the configuration with the best performance and, using three impellers without deviation is the arrangement that gives the shortest mixing time. In addition, the pros-and-cons of the other alternatives are discussed and the most relevant findings are reported / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

Orientadores: José Roberto Nunhez, Milton Mori / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-19T13:23:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Lopes_GabrielaCantarelli_D.pdf: 8625905 bytes, checksum: 794a296fe54b1d50d16cf187c232a454 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: O craqueamento catalítico fluido (FCC) é um dos processos de maior importância da indústria do refino de petróleo, já que converte as frações pesadas de baixo valor comercial provenientes de outros processos de refino, em produtos comercialmente mais importantes, como gasolina, GLP e diesel. Atualmente, com o aumento da demanda por combustíveis fósseis e a redução na extração de óleos convencionais, o aperfeiçoamento do processo de FCC tem se tornado essencial para as refinarias. Estudos empíricos sobre a dinâmica do escoamento em reatores industriais de FCC são raros, em parte devido às altas temperaturas e pressões presentes no interior desses reatores, o que dificulta a obtenção de dados, e em parte por causa da complexidade da operação, que envolve uma série de fenômenos simultâneos, como a vaporizacão da carga, reações heterogêneas, a expansão do leito devido ao craqueamento e a desativação das partículas de catalisador, por exemplo. Contudo, para que se possa melhorar a performance do processo, é necessário conhecer a dinâmica desse escoamento. Foi proposto então, neste estudo a simulação computacional de risers industriais de FCC, usando ferramentas de CFD. O nível de complexidade das simulações realizadas foi aumentado gradativamente e fenômenos como a adsorção das moléculas reagentes nos sítios ativos do catalisador e a vaporizacão da carga líquida, foram estudados separadamente, possibilitando a avaliação individual de sua influência sobre o processo em termos de variáveis globais. Para uma análise detalhada do escoamento, foram usados modelos tridimensionais e foram propostas configurações geométricas similares às encontradas em unidades típicas de FCC. Além disso, um estudo da sensibilidade das variáveis do escoamento ao uso de diferentes geometrias de saída para o reator foi realizado, tornando possível determinar as configurações que propiciam melhor rendimento para o processo. Em geral, os resultados fluidodinâmicos obtidos neste estudo ressaltam a importância da aplicação de modelos que representem os complexos fenômenos presentes no riser de FCC, já que estes influenciam consideravelmente as reações / Abstract: The fluid catalytic cracking (FCC) is one of the most important process in the oil refining industry. It converts heavy distillation fractions with low commercial value into lighter and valuable hydrocarbon products such as gasoline, diesel and LPG. With the increase in the fossil fuels demand and the reduction in the conventional oil extraction, the improvement of the FCC process has become essential for the refineries. Empirical studies on the dynamics of the flow in industrial FCC reactors are rarely found, partly due to high temperatures and pressures present in these reactors, which difficult the data obtaining, and in part because of the complexity of the operation, which involves several simultaneous phenomena, such as the feedstock vaporization, heterogeneous reactions, the bed expansion due to cracking and deactivation of the catalyst particles, for example. However, it is necessary to understand the flow in order to improve the performance of the process. Then, a numerical study of industrial FCC riser reactors using CFD tools was proposed in this work. The level of complexity of the simulations was increased gradually and phenomena such as the adsorption of reactant molecules in catalyst active sites and the vaporization of liquid feedstock, were studied individually, allowing the evaluation of each phenomena on the process. For a detailed analysis of the flow, three-dimensional models were used in these simulations and geometric configurations similar to those found in typical FCC units have been applied. Furthermore, a study of the sensitivity of the variables of the flow to the use of different geometries for the reactor outlet was developed, enabling the determination of the output configuration that provides a better yield for the process. Overall, the fluid dynamic results obtained in this study emphasize the importance of application of models that represent the complex phenomena present in the FCC riser, since they substantially influence the reactions / Doutorado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Doutor em Engenharia Química