Avaliação experimental e computacional da eficiência de separadores ciclônicos aplicados na coleta e concentração do minério de ferro proveniente de secagem convectiva

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2023
Autor(a) principal: Aguiar, Joao Gabriel Amaral
Orientador(a): Béttega, Rodrigo lattes
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQ
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
CFD
Palavras-chave em Inglês:
CFD
Área do conhecimento CNPq:
Link de acesso: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/17516
Resumo: Iron is closely related to the development of a country, being a key element in the production of various goods for daily use. One of the fundamental stages in its processing is the moisture content control. In this sense, the convective drying of iron ore generates the dragging of part of the particulate material, making necessary its recovery. In addition, the chemical composition of the iron ore is also an important factor, mainly associated to the reduction stage in the blast furnaces, linked to steel production. Cyclones are gas-solid separation equipment whose principle of action is based on the centrifugal force generated by the gas flow, inducing larger particles to be collected in the underflow and releasing the gas through the overflow, containing a fraction of the lighter material. In this way, this study sought to evaluate the efficiency of different configurations of cyclonic separators, acting as classifiers, seeking to evaluate the ore collection as well as its composition variation. Experimental data from iron ore characterization, separation tests carried out in a pilot unit and cyclone performance models found in the literature were used to evaluate three cyclonic separators in nine operational conditions. In addition, CFD – Computational Fluid Dynamics – simulations were carried out to support the study. In this sense, simulations were carried out following the RANS methodology – Reynolds Average Navier-Stokes – coupling the RSM – Reynolds Stress Model – for the gaseous phase turbulence, together with the DPM – Discrete Phase Model – for insertion of the solid, being an Eulerian-Lagrangian formulation with extensive citation in the literature. Stationary simulations were performed using the Fluent software, belonging to the ANSYS Student 2022 R1 package. The results indicated good agreement of the dynamic parameters of the gaseous flow from CFD simulations and literature models. In addition, there was a certain degree of adhesion between the simulated collection efficiency results and those obtained through the correlations, indicating recovery of the material in the order of 90%, within the operational conditions evaluated, although with significant deviations of 14% to 44% in relation to experimental data. The effect of the inlet velocity and equipment geometry on the separator performance has been majorly proven. The mineral classification was also investigated through CFD, but with considerably deviations to the experimental results. In short, there was a strong tendency of iron ore recovery and a noticeable performance of the cyclones as classifying devices.
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In addition, the chemical composition of the iron ore is also an important factor, mainly associated to the reduction stage in the blast furnaces, linked to steel production. Cyclones are gas-solid separation equipment whose principle of action is based on the centrifugal force generated by the gas flow, inducing larger particles to be collected in the underflow and releasing the gas through the overflow, containing a fraction of the lighter material. In this way, this study sought to evaluate the efficiency of different configurations of cyclonic separators, acting as classifiers, seeking to evaluate the ore collection as well as its composition variation. Experimental data from iron ore characterization, separation tests carried out in a pilot unit and cyclone performance models found in the literature were used to evaluate three cyclonic separators in nine operational conditions. In addition, CFD – Computational Fluid Dynamics – simulations were carried out to support the study. In this sense, simulations were carried out following the RANS methodology – Reynolds Average Navier-Stokes – coupling the RSM – Reynolds Stress Model – for the gaseous phase turbulence, together with the DPM – Discrete Phase Model – for insertion of the solid, being an Eulerian-Lagrangian formulation with extensive citation in the literature. Stationary simulations were performed using the Fluent software, belonging to the ANSYS Student 2022 R1 package. The results indicated good agreement of the dynamic parameters of the gaseous flow from CFD simulations and literature models. In addition, there was a certain degree of adhesion between the simulated collection efficiency results and those obtained through the correlations, indicating recovery of the material in the order of 90%, within the operational conditions evaluated, although with significant deviations of 14% to 44% in relation to experimental data. The effect of the inlet velocity and equipment geometry on the separator performance has been majorly proven. The mineral classification was also investigated through CFD, but with considerably deviations to the experimental results. In short, there was a strong tendency of iron ore recovery and a noticeable performance of the cyclones as classifying devices.O ferro está intimamente relacionado ao desenvolvimento de um país, sendo elemento chave na produção de diversos bens de uso diário. Uma das etapas fundamentais de seu beneficiamento é a adequação de seu conteúdo de umidade. Neste sentido, a secagem convectiva do minério de ferro acarreta o arraste de parte do material particulado, gerando a necessidade de sua recuperação. Além disso, a composição química do minério de ferro também é um fator importante, principalmente visando a etapa de redução nos alto-fornos, ligada à produção do aço. Os ciclones são equipamentos de separação gás-sólido com princípio de ação apoiado na força centrífuga gerada pelo escoamento do gás, induzindo as partículas maiores a serem coletadas no underflow e liberando o gás pelo overflow, contendo uma fração do material mais leve. Desta maneira, este estudo buscou avaliar a eficiência de diferentes configurações de separadores ciclônicos, atuando como classificadores, buscando avaliar a coleta do minério bem como sua variação de composição. Dados experimentais de caracterização do minério de ferro, testes de separação realizados em unidade reduzida e modelos de performance de ciclones presentes na literatura foram utilizados para avaliação de três separadores ciclônicos em nove condições operacionais. Além disso, foram realizadas simulações CFD – Computational Fluid Dynamics – para amparar o estudo. Neste sentido, foram realizadas simulações seguindo a metodologia RANS – Reynolds Average Navier-Stokes – acoplando o modelo RSM – Reynolds Stress Model – para turbulência da fase gasosa, em conjunto com o modelo DPM – Discrete Phase Model – para inserção do sólido, tratando-se de uma formulação Euleriana-Lagrangeana com vasta citação na literatura. As simulações estacionárias foram realizadas no software Fluent, pertencente ao pacote ANSYS Student 2022 R1. Os resultados indicaram boa concordância dos parâmetros dinâmicos do escoamento gasoso oriundos das simulações CFD e modelos da literatura. Além disso, houve certo grau de adesão dos resultados de eficiência de coleta simulados com os obtidos pelas correlações, indicando recuperação do material na ordem de 90%, dentro das condições operacionais avaliadas, ainda que com desvios expressivos de 14% a 44% com relação ao experimental. O efeito da velocidade de alimentação e da geometria do equipamento na performance do separador foi majoritariamente comprovado. A classificação mineral também foi investigada através da CFD, porém com desvios em relação aos dados experimentais. Em suma, constatou-se forte tendência de recuperação do minério de ferro e contundente atuação dos ciclones como dispositivos classificadores.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)88887.636228/2021-00porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQUFSCarAttribution-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessCFDCiclonesClassificação mineralEficiência de coletaMinério de ferroSecagem convectivaCFDCyclonesCollection efficiencyConvective dryingIron oreMineral classificationENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICAAvaliação experimental e computacional da eficiência de separadores ciclônicos aplicados na coleta e concentração do minério de ferro proveniente de secagem convectivaExperimental and computational evaluation of cyclonic separators's efficiency applied to the collection and concentration of iron ore from convective dryinginfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesis600a8b181e8-2587-4ff2-986f-7c9d09fddee3reponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALDISSERTAÇÃO_JoaoGabrielAmaralAguiar_FINAL.pdfDISSERTAÇÃO_JoaoGabrielAmaralAguiar_FINAL.pdfDissertação Finalapplication/pdf5198061https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/89012e0a-e64f-4d6f-88fe-03aa12c91b6a/download9ee0eb018d1a05e8e35aa4444f801a30MD51trueAnonymousREADCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8804https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/b23ce9dd-603d-4b3f-9c90-d88bdcb063b2/download4774e414fb27824b0dfca5f33e4ff24fMD52falseAnonymousREADTEXTDISSERTAÇÃO_JoaoGabrielAmaralAguiar_FINAL.pdf.txtDISSERTAÇÃO_JoaoGabrielAmaralAguiar_FINAL.pdf.txtExtracted texttext/plain284884https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/75258326-cfa6-410c-bf53-814d9acc247a/download2b0478ee15f3f639605d109520bc4945MD53falseAnonymousREADTHUMBNAILDISSERTAÇÃO_JoaoGabrielAmaralAguiar_FINAL.pdf.jpgDISSERTAÇÃO_JoaoGabrielAmaralAguiar_FINAL.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg6167https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/f9d4d221-76cc-4d57-9802-bf38e473d914/download4cd52d0cd99eba0efc587c017b751945MD54falseAnonymousREAD20.500.14289/175162025-02-05 23:05:33.484http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/Attribution-NoDerivs 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/17516https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-02-06T02:05:33Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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