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Tipo: Dissertação
Título: Simulação de leito fluidizado via CFD com abordagem Euleriana de escoamento bifásico mediante influência de parâmetros de projeto e operação
Autor(es): Araújo, José Welbson Carneiro de
Orientador: Freire, Francisco Nivaldo Aguiar
Coorientador: Barcellos, William Magalhães
Palavras-chave: Engenharia mecânica;Métodos de simulação;Biomassa;Solid biomass;Fluidized bed
Data do documento: 2020
Citação: ARAUJO, J. W. C. de. Simulação de leito fluidizado via CFD com abordagem Euleriana de escoamento bifásico mediante influência de parâmetros de projeto e operação. 2020. 86 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2020.
Resumo: A fluidização de partículas sólidas é uma tecnologia com inúmeras aplicações, a exemplo das indústrias que utilizam biomassa, tendo como vantagem a melhor mistura entre gás e sólido e a baixa emissão de poluentes. Escoamentos gás-sólido em sistemas de leito fluidizado têm sido objeto de pesquisa nos últimos anos, por envolver uma abordagem teórica relativamente complexa. Portanto, o estudo das características fluidodinâmicas do escoamento no interior de um leito fluidizado se mostra importante, tendo como base uma ferramenta poderosa de simulação computacional de fenômenos fluidodinâmicos, Computational Fluid Dynamic (CFD). Essa ferramenta possibilita o conhecimento do processo e a identificação dos principais aspectos de projetos e de operação, visando possíveis melhorias de componentes de reatores, bem como determinar condições operacionais mais adequadas para aplicações específicas. Neste trabalho, foi estudado a fluidização de um leito de partículas de sílica através da passagem de uma corrente de ar, sob diferentes condições de operação, utilizando o software ANSYS® Fluent, que opera segundo o método dos volumes finitos. A abordagem utilizada para a modelagem matemática foi a de escoamento bifásico Euler-Euler, juntamente com a teoria cinética para escoamento granular (Kinetic Theory for Granular Flow). Foram analisados os perfis de queda de pressão e velocidade de mínima fluidização, variando parâmetros de operação (altura e temperatura iniciais do leito, bem como temperatura do ar e granulometria das partículas) e de projeto (diâmetro do reator). Para a validação do modelo computacional, os resultados das simulações foram comparados com os dados experimentais obtidos através de uma bancada de laboratório. Os resultados mostram que a modelagem matemática/simulação consegue representar bem o comportamento real da queda de pressão ao longo do leito em função da velocidade de entrada do ar, entretanto, para os testes realizados em temperaturas superiores a 158 °C, os resultados apresentaram um erro médio de 19,658% para a queda de pressão. Esse valor pode ser justificado por algumas hipóteses simplificadoras no modelamento, tais como temperatura inicial do leito uniforme, temperatura de entrada do ar constante e paredes do reator adiabáticas e sem rugosidade. Apesar disso, o comportamento fluidodinâmico pode ser representado, seguindo a mesma tendência dos testes experimentais, com R² = 0,998 ao se comparar as curvas e um erro médio relativo abaixo de 10%.
Abstract: The fluidization of solid particles is a technology with countless applications, as an example the industries which use biomass, having as advantage the better mixture between solid and gas and low pollutant emissions. Gas-solid flows in systems of fluidized beds have been studied in the last years, due to a heavy and complicated theory. Therefore, the investigation of the fluid dynamics characteristics of the flow inside the fluidized bed is proven to be important, having as base an useful tool of computational simulation for fluid dynamics phenomenon, Computational Fluid Dynamic (CFD). This tool makes it possible the knowledge and identification of the main aspects of project and operation, aiming to improve the components of the reactors, as well as to determine the operational conditions more suited to specific applications. In this work, it was studied the fluidization of a bed with silicon particles, through air flow, under different operation conditions, using the software ANSYS® Fluent, which operates according to the method of finite volume. The approach used here was the biphasic Euler-Euler flow, together with the kinetic theory for granular flow (Kinetic Theory for Granular Flow). It was analyzed the profiles for pressure drop and minimum fluidization velocity, changing the operational parameters (height and initial bed temperatures, as well as the air temperature and the particles granulometry) and project parameters (reactor diameter). To validate the computational model, the results of the simulations were compared with the experimental data through research. The results showed the mathematic/simulation model can represent well the real behavior of the pressure drop inside the bed as function of the inlet velocity, however, for the tests made at temperatures higher than 158 °C, the results had an average error of 19.658%. This error can be justified by some hypothesis to simplify the modelling, such as the initial temperature of the uniform bed, constant temperature of the entrance air and adiabatic reactor walls and without roughness. However, the fluid dynamic behavior could be pictured, following the same tendencies of the experimental tests, with R² = 0,998 and relative average error below 10%.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/52036
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