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http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/81458| Tipo: | Tese |
| Título : | Modelagem e simulação numérica do escoamento trifásico de um reator UASB: influência da fração volumétrica de biogás e do tamanho das partículas de lodo |
| Título en inglés: | Modeling and numerical simulation of three-phase flow of a UASB reactor: influence of biogas volumetric fraction and sludge particle size |
| Autor : | Gonçalves, Allan Bruno Dantas |
| Tutor: | Silva, Fernando José Araújo da |
| Co-asesor: | Brito, Maria Gorethe de Sousa Lima |
| Palabras clave en portugués brasileño: | Gradiente de pressão;Sistema multifásico;Perda de carga hidráulica;Fluidodinâmica computacional;Ansys CFX;Velocidade das fases;Iodo - Deformação |
| Palabras clave en inglés: | Pressure gradient;multiphase system;;Hydraulic head loss;Computational fluid dynamics;Ansys CFX.;Phase velocity;Iodine - Creep |
| Áreas de Conocimiento - CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA SANITARIA::SANEAMENTO AMBIENTAL |
| Fecha de publicación : | 2025 |
| Citación : | GONÇALVES, Allan Bruno Dantas. Modelagem e simulação numérica do escoamento trifásico de um reator UASB: influência da fração volumétrica de biogás e do tamanho das partículas de lodo. 2025. 158 f. Tese (Doutorado em Engenharia Civil-Saneamento Ambiental) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2025. |
| Resumen en portugués brasileño: | Esta pesquisa teve como objetivo descrever o escoamento trifásico em um reator anaeróbio de fluxo ascendente e manta de lodo (UASB), a partir de uma abordagem combinada (numérica e experimental), considerando o efeito da fração volumétrica de biogás (FVB) e do tamanho das partículas de lodo (PL) no comportamento hidrodinâmico do sistema. A análise foi realizada por meio de simulações numéricas tridimensionais em um domínio computacional representativo do reator, utilizando o software Ansys CFX. A modelagem adotou a abordagem multifásica Euleriana Euleriana, em regime estacionário e turbulento. Foram simulados três cenários variando a FVB (0,026; 0,13 e 0,26), e, com base no caso validado (FVB = 0,026), avaliou-se o efeito da variação do diâmetro das PL (0,5 a 5 mm). A etapa experimental foi conduzida em um reator UASB em escala de laboratório, com o objetivo de monitorar seu desempenho operacional e fornecer dados de entrada e validação para o modelo. Apesar da elevada relação DQO/DBO no afluente, o reator apresentou estabilidade satisfatória, embora com eficiência limitada na remoção da carga orgânica volumétrica e na produção de biogás, devido à presença de compostos refratários à degradação anaeróbia no afluente. As simulações revelaram que a variação da FVBnãopromoveualteraçõessignificativas na distribuição das fases nem nas velocidades do escoamento ao longo do reator. No entanto, verificou-se uma tendência linear de aumento das taxas de deformação do lodo (TDL) nos domínios situados na região de lodo, à medida que a FVB aumentou. No domínio próximo ao defletor de gases, devido a presença de zonas de recirculação, foram obtidas as maiores TDL do sistema. Quanto à influência do tamanho das PL, observou-se uma forte correlação linear entre o diâmetro das PL e sua velocidade de sedimentação (r = 0,9686). A TDL também aumentou com o diâmetro das PL, especialmente próximo às paredes do reator, em decorrência do aumento das tensões de cisalhamento. Na região de influência do defletor de gases, porém, as TDL diminuíram, possivelmente devido à redução da densidade de área interfacial lodo-água e do gradiente de velocidade da água. Em relação aos campos de pressão absoluta, não foram identificadas variações significativas decorrentes da alteração da FVB ou do tamanho das PL. Já a perda de carga hidráulica aparente manteve-se praticamente constante para diferentes FVB, sendo considerada desprezível. Por outro lado, o aumento do diâmetro das PL resultou em maior perda de carga, refletindo maior resistência ao escoamento. A validação da modelagem foi considerada adequada na previsão da quantidade de biogás que chegou no separador trifásico, com erro relativo de apenas 4,2% em relação aos dados experimentais. Assim, conclui-se que a modelagem foi adequada na representação do comportamento hidrodinâmico do reator. Os resultados contribuem para o aprimoramento do dimensionamento e da operação de reatores UASB, oferecendo subsídios para sua otimização. |
| Abstract: | This study aimed to describe the three-phase flow in an upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor using a combined approach (numerical and experimental), considering the effect of biogas volume fraction (BVF) and sludge particle size (SP) on the hydrodynamic behavior of the system. The analysis was carried out through three dimensional numerical simulations in a computational domain representative of the reactor, using the Ansys CFX software. The modeling employed the Eulerian Eulerian multiphase approach under steady-state and turbulent flow conditions. Three scenarios were simulated with varying BVF values (0.026, 0.13, and 0.26), and based on the validated case (BVF = 0.026), the effect of varying SP diameter (from 0.5 to 5 mm) was evaluated. The experimental phase was conducted in a laboratory-scale UASB reactor, aiming to monitor its operational performance and provide input and validation data for the model. Despite the high COD/BOD ratio in the influent, the reactor exhibited satisfactory stability, although with limited efficiency in organic load removal and biogas production, due to the presence of compounds resistant to anaerobic degradation in the influent. The simulations revealed that changes in BVF did not significantly affect phase distribution or flow velocities along the reactor. However, a linear trend of increasing sludge deformation rates (SDR) was observed in the sludge zone as BVF increased. In the domain near the gas deflector, where recirculation zones were present, the highest SDR values in the system were obtained. Regarding the influence of SP size, a strong linear correlation was found between particle diameter and sedimentation velocity (r = 0.9686). SDR also increased with SP diameter, especially near the reactor walls, due to the increase in shear stress. However, in the region influenced by the gas deflector, SDR values decreased, possibly due to the reduction in the sludge-water interfacial area density and in the water velocity gradient. With respect to absolute pressure fields, no significant variations were identified due to changes in BVF or SP size. On the other hand, the apparent hydraulic head loss remained practically constant across different BVF values and was considered negligible. In contrast, the increase in SP diameter led to greater head loss, indicating higher resistance to flow. The model validation was considered adequate in predicting the amount of biogas reaching the three-phase separator, with a relative error of only 4.2% compared to the experimental data. Therefore, it is concluded that the modeling approach was suitable for representing the hydrodynamic behavior of the reactor. The results contribute to the improvement of UASB reactor design and operation, providing insights for its optimization. |
| Descripción en portugués brasileño : | Este documento está disponível online com base na Portaria no 348, de 08 de dezembro de 2022, disponível em: https://biblioteca.ufc.br/wp-content/uploads/2022/12/portaria348-2022.pdf, que autoriza a digitalização e a disponibilização no Repositório Institucional (RI) da coleção retrospectiva de TCC, dissertações e teses da UFC, sem o termo de anuência prévia dos autores. Em caso de trabalhos com pedidos de patente e/ou de embargo, cabe, exclusivamente, ao autor(a) solicitar a restrição de acesso ou retirada de seu trabalho do RI, mediante apresentação de documento comprobatório à Direção do Sistema de Bibliotecas. |
| URI : | http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/81458 |
| Lattes del autor: | http://lattes.cnpq.br/9389660289418308 |
| Lattes del tutor: | http://lattes.cnpq.br/1248533911274093 |
| Lattes del co-asesor: | http://lattes.cnpq.br/3044781880426214 |
| Derechos de acceso: | Acesso Aberto |
| Aparece en las colecciones: | DEHA - Teses defendidas na UFC |
Ficheros en este ítem:
| Fichero | Descripción | Tamaño | Formato | |
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