Análise do escoamento em um ciclone adaptado com bicos aspersores de água utilizando fluidodinâmica computacional (CFD)
Ano de defesa: | 2019 |
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Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQ
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Resumo: | Cyclonic separators are widely used in industries for gas-solid separation process. Its low cost in building, operating and maintenance, as well as the ability to operate at high temperatures and pressures, makes it a good choice for gas treatment. In ethanol production industries, sugarcane bagasse is used in the energy cogeneration process. However, the combustion produces soot, a particle matter noxious that can not be emitted into the atmosphere. Thus, by passing through a gas treatment, the amount of particulate matter emitted by the industry can be reduced. The cyclone is often used as a gas pretreatment device, due to its low collection efficiency. Its collection efficiency can be improved by coupling other equipment of higher collecting efficiency to the cyclone body, such as electrostatic precipitators or, more commonly, water nozzles. With advances in the computational area, the use of computational fluid dynamics (CFD) to optimize dry cyclones, increasing collection efficiency and reducing pressure drop, has been a very usual technique, for being a reliable and cheap tool. However, its usage is very restricted in the study of wet cyclones, due to the difficulty of simulating interactions between Lagrangian phases. Thus, an approach was proposed in this study that aims to estimate the collection efficiency within a wet cyclone without the need to model the Lagrangean interactions. Through a hybrid model using CFD and the mechanistic model of kinematic coagulation, it was possible to quantitatively estimate the increase of the efficiency of the cyclone collection using water nozzles. The model uses the Eulerian-Lagrangian approach to simulate the gas-particle and gas-droplet interactions for the characterization of the flow inside the equipment, in order to apply the results obtained by CFD in the kinematic coagulation model. In general terms, the results obtained were effective in representing the phenomena, showing that the equipment is economically feasible, reducing the cut-size diameter by 54,66% and improving the overall collection efficiency of particles by 10,92% with a low increase of water consumption. |
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Oliveira, Ricardo Arbach Fernandes deLopes, Gabriela Cantarellihttp://lattes.cnpq.br/5680967191791061http://lattes.cnpq.br/73519048234057552019-04-17T14:04:07Z2019-04-17T14:04:07Z2019-02-25OLIVEIRA, Ricardo Arbach Fernandes de. Análise do escoamento em um ciclone adaptado com bicos aspersores de água utilizando fluidodinâmica computacional (CFD). 2019. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2019. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/11250.https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/11250Cyclonic separators are widely used in industries for gas-solid separation process. Its low cost in building, operating and maintenance, as well as the ability to operate at high temperatures and pressures, makes it a good choice for gas treatment. In ethanol production industries, sugarcane bagasse is used in the energy cogeneration process. However, the combustion produces soot, a particle matter noxious that can not be emitted into the atmosphere. Thus, by passing through a gas treatment, the amount of particulate matter emitted by the industry can be reduced. The cyclone is often used as a gas pretreatment device, due to its low collection efficiency. Its collection efficiency can be improved by coupling other equipment of higher collecting efficiency to the cyclone body, such as electrostatic precipitators or, more commonly, water nozzles. With advances in the computational area, the use of computational fluid dynamics (CFD) to optimize dry cyclones, increasing collection efficiency and reducing pressure drop, has been a very usual technique, for being a reliable and cheap tool. However, its usage is very restricted in the study of wet cyclones, due to the difficulty of simulating interactions between Lagrangian phases. Thus, an approach was proposed in this study that aims to estimate the collection efficiency within a wet cyclone without the need to model the Lagrangean interactions. Through a hybrid model using CFD and the mechanistic model of kinematic coagulation, it was possible to quantitatively estimate the increase of the efficiency of the cyclone collection using water nozzles. The model uses the Eulerian-Lagrangian approach to simulate the gas-particle and gas-droplet interactions for the characterization of the flow inside the equipment, in order to apply the results obtained by CFD in the kinematic coagulation model. In general terms, the results obtained were effective in representing the phenomena, showing that the equipment is economically feasible, reducing the cut-size diameter by 54,66% and improving the overall collection efficiency of particles by 10,92% with a low increase of water consumption.Separadores ciclônicos são equipamentos amplamente utilizados nas indústrias para processos de separação gás-sólido. Seu baixo custo de montagem, operação e manutenção, além de capacidade de operação a altas temperaturas e pressões, o torna uma boa escolha para o tratamento de gases. Em indústrias de produção de etanol, o bagaço de cana é utilizado no processo de cogeração de energia. Como subproduto é gerada a fuligem, um material particulado nocivo e que não pode ser emitido para a atmosfera. Assim, passando por uma etapa de tratamento de gases, pode-se reduzir a quantidade de material particulado emitido pela indústria. O ciclone é frequentemente utilizado como um equipamento de pré-tratamento do gás por possuir uma baixa eficiência de coleta, que passa em seguida por outros equipamentos de maior eficiência, como lavadores Venturi. Apesar da sua alta eficiência de coleta, lavadores possuem um alto consumo de água, encarecendo o processo de tratamento. Assim, visando aumentar a eficiência de coleta do ciclone outros equipamentos podem ser acoplados ao corpo do ciclone, como precipitadores eletrostáticos ou, mais comumente, atomizadores de água. Com os avanços na área computacional, o uso da fluidodinâmica computacional (CFD) para otimizar ciclones secos, aumentando a eficiência de coleta e reduzindo a queda de pressão, tem sido uma técnica muito usual, por ser barata e obter resultados confiáveis. Porém, seu uso é bastante restrito no estudo de ciclones úmidos, devido à dificuldade de se simular interações entre fases Lagrangeanas. Assim, foi proposto neste estudo uma abordagem que visa estimar a eficiência de coleta dentro de um ciclone úmido sem a necessidade de modelar as interações Lagrangeanas. Através de um modelo híbrido utilizando-se CFD e o modelo mecanístico de coagulação cinemática foi possível estimar quantitativamente o aumento da eficiência de coleta do ciclone utilizando bicos aspersores. A proposta trata-se de simular individualmente os escoametos gás-sólido e gás-gotas utilizando a abordagem Euleriana-Lagrangeana. Deste modo é possível caracterizar os escoamentos dentro do equipamento para, enfim, aplicar os resultados obtidos por CFD no modelo de coagulação cinemática. Em linhas gerais, os resultados obtidos mostraram-se eficazes em representar os fenômenos, mostrando que o equipamento é economicamente viável, apresentando uma redução de 54,66% no diâmetro de corte e um aumento de 10,92% na eficiência de coleta global sem um aumento excessivo de consumo de água.Não recebi financiamentoporUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQUFSCarCicloneCiclone úmidoCoagulação cinemáticaFluidodinâmica computacionalEscoamento multifásicoCycloneWet cycloneKinematic coagulationComputational fluid dynamicsMultiphase flow.ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICAENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICAAnálise do escoamento em um ciclone adaptado com bicos aspersores de água utilizando fluidodinâmica computacional (CFD)info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisOnlineinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALDissertação - Ricardo Arbach Fernandes de Oliveira.pdfDissertação - Ricardo Arbach Fernandes de Oliveira.pdfapplication/pdf4628352https://{{ getenv "DSPACE_HOST" "repositorio.ufscar.br" }}/bitstream/ufscar/11250/1/Disserta%c3%a7%c3%a3o%20-%20Ricardo%20Arbach%20Fernandes%20de%20Oliveira.pdf36ed1b2eeed2db991e544dd60feea6b3MD51LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; 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