Rodrigo Koerich Decker

Numerical Simulation of Flame Spray Pyrolysis Process for Nanoparticle Productions: Effects of 2D and 3D Approaches

Nanoparticle production in flames was modeled in an Eulerian-Lagrangean framework, considering droplet evaporation and fuel combustion to predict the flame chemical species concentration and the flame temperature fields by means of Computational Fluid Dynamics (CFD). A mathematical model was carried out considering two-way coupling between the gas phase and the droplets. For the combustion model, the eddy dissipation concept model was applied, taking into account the droplets vaporization, the chemical reaction mechanisms, and the chemistry-turbulence interaction. 2D axisymmetric and 3D approaches were investigated in standard operations conditions. The initial conditions for the droplet sizes and droplet velocities were taken in experiment test facility by means of Laser-Diffraction. The grid independence study was made according to the Grid Convergence Index (GCI) methodology for both approaches. The droplets mass evaporated, temperature and velocities profiles were used to compare the 2D and 3D results. The results show similar behavior for both approaches, however, with some quantitative difference. The 2D approach showed lower temperature resulted by a larger mass fuel not evaporated and unburned.Copyright

Experimental and Numerical Investigation of a Reactive Absorption Column for Chlorine Gas Mitigation

Chlorine gas is extensively used in a variety of chemical processes as an end product or reactant, for instance, in the conversion of phthalocyanine dye. Reactive absorption (RA) columns can be applied for the treatment of the waste gas streams at the outlet of the reaction equipment, in order to satisfy the environmental regulations, and these should be prepared for potential accidents. The objective of this study was to evaluate an industrial-scale RA column for the treatment of chlorine gas stream in a phthalocyanine plant in the case of an accident. A coupled experimental and numerical study was performed. A factorial design was applied for the definition of a set of experimental conditions to be evaluated in a pilot-scale plant operated in the laboratory. The data collected were treated by means of the response surface methodology, and coupled numerical schemes allowed the determination of the mass transfer coefficient and the reaction rate constant. Finally, numerical studies were carried out to assess the industrial-scale column behavior. It was found that the industrial absorption column was able to treat a stream of chlorine at a flow rate of 900 kg/h with an efficiency of approximately 79%.

DESENVOLVIMENTO DE UMA UNIDADE EXPERIMENTAL PARA ESTUDOS EM TERMOSSIFÕES COM APLICAÇÃO DA TÉCNICA DE PIV PARA ANÁLISE DO ESCOAMENTO

RESUMO O escoamento induzido pelas forcas de empuxo em um termossifao e avaliado no presente estudo, com enfase na consolidacao de uma bancada experimental para constituicao de base empirica, a ser empregada na formulacao e validacao de modelos matematicos de CFD para este tipo de sistema. O termossifao da unidade experimental compreende um downcomer e um riser, que consistem em tubos de vidro enjaquetados, e um separador liquido-vapor. Como medida experimental, o perfil de velocidade axial na regiao do riser foi obtido por meio da tecnica de velocimetria por imagem de particula (PIV), para tres condicoes operacionais do regime monofasico e do bifasico, variando-se a temperatura de entrada da agua nas jaquetas do downcomer e do riser. Para o regime monofasico, o perfil de velocidade axial e caracterizado por velocidades mais altas na regiao proxima a parede em todas as condicoes avaliadas, seguindo o perfil esperado para a temperatura. Em regime bifasico, com o aumento do numero de bolhas formadas pela ebulicao do liquido, o perfil de velocidade axial torna-se mais uniforme ao longo do raio e a magnitude da velocidade aumenta significativamente, em comparacao aos resultados obtidos para o regime monofasico.

ANÁLISE NUMÉRICA DO USO DE ANÉIS DEFLETORES INTERNOS SOBRE O ESCOAMENTO GÁS-SÓLIDO EM RISERS DE FCC

RESUMO O escoamento gas-solido em risers de FCC e caracterizado por uma regiao diluida no centro e uma regiao densa em catalisador, proxima as paredes. Este comportamento, caracterizado com a heterogeneidade do campo de fracao volumetrica, e responsavel pelo contato ineficiente entre o gas e as particulas de catalisador. Uma alternativa para homogeneizar a fracao volumetrica de solidos na regiao de mistura e a insercao de aneis defletores internos na regiao de entrada do riser. Este trabalho analisa a insercao de aneis defletores em formato de aerofolio na regiao de entrada do riser para redirecionar o escoamento de particulas solidas. Para isso, foram realizadas simulacoes numericas utilizando abordagem Euleriana-Euleriana, com modelo de turbulencia k-e. A homogeneidade da distribuicao de solidos na secao transversal do riser foi avaliada a partir do seu desvio-padrao. Com auxilio das simulacoes numericas e da aplicacao da ANOVA, verificou-se que o menor desvio-padrao e obtido com aneis de 10mm de espessura.

EXPERIMENTAÇÃO NUMÉRICA E FÍSICA DA EROSÃO EM CICLONES

RESUMO A erosao e o desgaste mecânico na parede dos equipamentos por particulas transportadas por escoamento de fluido. Este fenomeno representa um grave problema nas unidades de FCC (craqueamento catalitico fluido), especialmente em ciclones, reduzindo a vida util do equipamento e causando paradas nao programadas. Assim, o objetivo deste trabalho e analisar a erosao causada pelo impacto das particulas de catalisador de FCC em uma geometria de ciclone otimizada para operar com altas vazoes, mediante a realizacao de estudos experimentais conjugados com estudos de simulacao numerica. O escoamento gas-solido foi estudado por meio da abordagem euleriana-lagrangeana com o modelo de turbulencia RSM-SSG (Reynolds Stress Model – Quadratico). A taxa de erosao foi calculada por dois modelos de erosao. Experimentacoes fisicas foram realizadas para validar os resultados numericos com ciclones construidos em gesso para acelerar o processo de erosao. Os resultados numericos apresentaram boa concordância qualitativa com os dados experimentais, mostrando a regiao na parede do ciclone onde a erosao e mais evidente e, de forma quantitativa em alguns dos casos estudados.

ANÁLISE EXPERIMENTAL DE PERFIS DE VELOCIDADE EM RISER POR MEIO DE TÉCNICA DE STEREO PIV

O comportamento do escoamento gas-solido num riser foi estudado por meio da determinacao experimental de perfis de velocidade de ambas as fases. Os experimentos foram realizados na regiao proxima a entrada de catalisador de uma unidade experimental de leito fluidizado circulante a frio em escala de laboratorio. O riser apresenta diâmetro interno de 0,104 m, altura de 2,4 m e regiao de medicao cilindrica feita em acrilico. Os experimentos foram conduzidos em duas condicoes operacionais: velocidade superficial de gas, de 5,6 e 8,3 m/s, a uma taxa massica constante de solidos de 8,6 g/s, correspondente a razoes de carga aproximadas de 180 e 120 g/m3, respectivamente. A obtencao dos perfis de velocidade foi realizada em tres alturas ao longo do riser por meio da tecnica optica, minimamente intrusiva, de Velocimetria por Imagem de Particula Estereoscopica (Stereo PIV). A partir dos resultados obtidos observou-se um comportamento qualitativo muito semelhante para ambas as condicoes operacionais, tanto nos experimentos referentes a fase gasosa, quanto nos experimentos referentes a fase solida. Notou-se maior concentracao de solidos na parede oposta a alimentacao de solido, mais evidente para a velocidade superficial de gas de 5,6 m/s, por meio de observacoes visuais do escoamento na regiao de entrada do solido.

ESTUDO EXPERIMENTAL DA TURBULÊNCIA INDUZIDA EM COLUNAS DE BOLHAS

Nos escoamentos multifasicos, gas-liquido, as estruturas turbulentas presentes na fase continua e como elas interagem com a fase dispersa, sao consideradas uma das mais importantes questoes a serem avaliadas. Visto que estas estruturas e sua interacao alteram as caracteristicas do escoamento, como tambem a distribuicao da fracao volumetrica, podem ocasionar quedas de pressao e ainda influenciar nos mecanismos de transferencia de massa, energia e quantidade de movimento. O presente trabalho tem como objetivo avaliar a influencia da passagem das bolhas no movimento da fase liquida. Para tanto, estudos foram realizados em uma coluna de bolhas em escala laboratorial, a uma vazao volumetrica da fase dispersa de 5 L/min. A tecnica experimental empregada foi a velocimetria por imagem de particula (PIV). A estrategia utilizada para mensurar a velocidade da fase liquida, bem como sua flutuacao e consequentemente a energia cinetica turbulenta foi que apos o escoamento estar estabilizado a injecao de ar na coluna de bolhas foi interrompida, apos um curto intervalo de tempo onde todas as bolhas cessaram, a aquisicao de dados foi realizada por aproximadamente 10s, para que fosse possivel avaliar apenas a influencia da passagem das bolhas na dinâmica do escoamento do liquido.

MÉTODO PARA VALIDAÇÃO DA PREDIÇÃO DA PERDA DE CARGA EM CICLONES COM BASE EM RESULTADOS DE CFD

Ciclones sao equipamentos vastamente utilizados para separacao de particulas solidas suspensas em uma fase gasosa. Tal fase gasosa serve como transporte para as particulas solidas, sendo assim a principal responsavel pelo comportamento giratorio e de alta intensidade de turbulencia do escoamento multifasico observado em ciclones. Esses dispositivos sao avaliados com base em dois parâmetros de desempenho, a eficiencia de coleta e a perda de carga, sendo o ultimo relacionado ao custo operacional. Portanto, o presente estudo tem como objetivo analisar a forma mais apropriada de se aferir a perda de carga em ciclones atraves de resultados de CFD, a fim de validar tais predicoes. Neste trabalho, realizou-se experimentos fisicos e simulacoes numericas para predizer a perda de carga do escamento monofasico em uma faixa de velocidade entre 8 e 16 m/s. As simulacoes numericas foram efetuadas utilizando-se uma modelagem RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) e o modelo RSM (Reynolds Stress Model) para fechamento da turbulencia. Dos resultados simulados, avaliou-se a perda de carga atraves de dois metodos, a diferenca entre a pressao media em planos na entrada e na saida e a diferenca entre uma media em quatro pontos definidos na entrada e na saida do ciclone. Comparando os dois metodos com os dados experimentais, observou-se que os resultados da media nos pontos ficaram mais proximos dos resultados experimentais frente ao metodo com a media no plano. Sendo assim, mostrando-se a forma mais eficiente para a validacao da perda de carga.