Em virtude da sua facilidade de operação e elevada eficiência, sedimentadores são bastante utilizados pelas indústrias na separação de componentes com diferentes densidades. Porém o desempenho do tanque sedimentador depende do campo de fluxo dentro do equipamento que, por sua vez, é influenciado pelas características dos sólidos em suspensão, da geometria e dimensões do tanque separador. As características hidrodinâmicas em um sedimentador circular vertical foram investigadas no presente trabalho, tanto por abordagens experimentais como numéricas. As experiências foram realizadas por velocimetria de imagem de partículas em um protótipo de sedimentador, construído em acrílico cristal transparente. As simulações foram realizadas, utilizando o pacote ANSYS CFX na versão 16.0, considerando escoamento 3D, turbulento, isotérmico e em regime permanente. O modelo em fluidodinâmica computacional foi criado em forma progressiva. Inicialmente, foram testados modelos para o sistema monofásico (água) e verificados através da comparação aos dados experimentais. Seis modelos de turbulência do tipo RANS foram analisados: epsilon, Renormalization Group (RNG) k-epsilon, k-omega, Shear Stress Transport (SST) e os de tensão de Reynolds (BSL RSM e SSG RSM). Para o estudo bifásico, empregou-se o modelo multifásico Euler-Euler, juntamente com o modelo de partícula e o de Gidaspow. Nesta situação, diversas configurações de condições de contorno e modificações no projeto do tanque original foram analisadas por meio de campo vetorial, linhas de fluxo, planos de concentração volumétrica e de energia cinética turbulenta. Os resultados mostraram que o modelo de turbulência BSL RSM foi o mais adequado para descrever o escoamento no sedimentador contínuo, sendo capaz de prever as recirculações e as variações de velocidade ao longo do equipamento. As zonas de recirculações (posição e intensidade) mostraram-se influenciadas pelas condições de contorno e forma geométrica do tanque de separação. Foi verificado que o aumento do diâmetro do tanque sedimentador (em 40,0%) provocou um favorecimento na separação água e sólido, elevando a eficiência em 17,3%, enquanto o aumento da altura (em 40,0%) do tanque reduziu a eficiência de separação em 27,5% em comparação ao projeto original. / Due to their operation facility and high efficiency, settlers are widely used by industries for separating components of different densities. The performance of sedimentation, however, depends on the flow field is inside the equipment, which in turn is influenced by the characteristics of the solids in suspension and by the geometry and size of the separation tank. The hydrodynamic characteristics of a vertical circular settler were investigated in the present work by means of both experimental and numeric approaches. The experimental analyses were carried out by particle image velocimetry in a settler prototype built in transparent crystal acrylic. The simulations were carried out using the software ANSYS CFX version 16.0, considering a 3-D, turbulent, isothermal and steady-state flow. The computational fluid dynamics model was used in the progressive approach. The models were initially tested for the one-phase process (water) and checked against the experimental data. Six RANS turbulence models were analyzed: k-epsilon, Renormalization Group (RNG) k- epsilon, k-omega, Shear Stress Transport (SST) and Reynolds Stress models (BSL RSM and SSG RSM). For the two-phase flow, the Euler-Euler multiphase model was used together with the particle model and the Gidaspow model. In this context, several configurations of boundary conditions and modifications in the original tank design were analyzed using vector field, flow lines, volumetric concentration and turbulent kinetic energy. The results showed that the BSL RSM turbulence model was more appropriate to explain the flow in the continuous settler, being able to predict the recirculations and velocity variations along the equipment. The recirculation zones (position and magnitude) were influenced by the boundary conditions and by the geometric shape of the separation tank. It was found that an increase in the diameter of the settler tank (in 40.0%) favored the water and solid separation, increasing its efficiency by 17.3%, while an increase in the height of the tank (in 40.0%) reduced the efficiency of separation by 27.5% when compared to the original design.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usp.br/oai:teses.usp.br:tde-22052018-142847 |
| Date | 23 March 2018 |
| Creators | Luna, Flavia Daylane Tavares de |
| Contributors | Vianna Junior, Ardson dos Santos |
| Publisher | Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP |
| Source Sets | Universidade de São Paulo |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | Tese de Doutorado |
| Format | application/pdf |
| Rights | Liberar o conteúdo para acesso público. |
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