From dilute to dense gas-solid flows simulation: the CFB riser case study

• Ano de defesa: 2020
• Autor(a) principal: Venturi, Diego Nei
• Orientador(a): Souza, Francisco José de
• Banca de defesa: Morales, Rigoberto Eleazar Melgarejo , Vedovoto, João Marcelo , Ataíde, Carlos Henrique , Noriler, Dirceu
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: eng
• Instituição de defesa: Universidade Federal de Uberlândia
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
• País: Brasil
• Palavras-chave em Português: CFB riser; CFD; Gas-solid flow; UNSCYFL3D; Escoamento gás-sólido; Engenharia mecânica
• Área do conhecimento CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICA::REATORES QUIMICOS; CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS ORGANICOS; CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::TECNOLOGIA QUIMICA::PETROLEO E PETROQUIMICA; CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::MECANICA DOS FLUIDOS; CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::MECANICA DOS SOLIDOS::DINAMICA DOS CORPOS RIGIDOS, ELASTICOS E PLASTICOS
• Link de acesso: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/29026; https://doi.org/10.14393/ufu.te.2020.112

A importância dos escoamentos gás-sólido na indústria nunca é superestimada, eles estão presentes em muitos setores produtivos e equipamentos diversos. Na configuração vertical ascendente, estes escoamentos aparecem em diversos regimes, mas os de interesse da presente tese se classificam principalmente como fluidização rápida e transporte pneumático. Na presente tese, o principal objeto de investigação é a modelagem e simulação de \emph{risers} de Leito Fluidizado Circulante (LFC) utilizando CFD. Este equipamento é comumente utilizado para a recuperação de frações pesadas do petróleo em produtos mais usáveis como a gasolina e o diesel, o que desperta muito interesse por parte das companhias de petróleo. Para esta análise, o código UNSCYFL3D é utilizado, o qual é um código computacional já bem estabelecido para simulações de escoamentos gás-solido diluídos. O objetivo desta tese, é consolidar uma nova formulação no UNSCYFL3D que seja também adequada para escoamentos densos, mas enquanto mantendo um custo computacional razoavelmente baixo. Para isto, nota-se da literatura que a formulação matemática da fase gasosa necessita de modificações para levar em conta a fração volumétrica, em vez de utilizar as equações padrões para escoamento monofásico. Outro aspecto importante são as colisões partícula-partícula. É comum que nestes casos abordagens de colisão determinística sejam utilizados, mas o aumento no custo computacional pode tornar esta análise proibitiva para equipamentos maiores. Por esta razão, na presente tese um modelo estocástico que ainda não foi testado em escoamentos densos será utilizado. Duas formulações são sumarizadas e apresentadas na tese, uma para escoamentos diluídos e outra para densos. Ambos estão dentro da estrutura da abordagem Euler-Lagrange, com a consideração de partícula pontual. Um estudo completo em escoamentos diluídos é apresentado antecipadamente para que se avalie algumas implementações recentes, e para se estimar até que ponto a formulação de escoamentos diluídos é válida também para os densos. Seguindo isto, simulações em risers de LFC são conduzidas utilizando-se ambas as formulações para que se mostre a importância da modelagem correta, e a acurácia do modelo de colisão partícula-partícula estocástico nesta condição. Na presente tese, mostrou-se que a formulação para escoamentos gás-sólido diluídos é válida para uma carga mássica de sólidos de até 1 kg_part.\kg_ar em escoamentos horizontais, mas até 8 kg_part.\kg_ar em escoamentos ascendentes verticais bem distribuídos. No entanto, como risers de LFC apresentam uma configuração geométrica que promove a aglomeração dos sólidos em clusters, mesmo em cargas mássicas mais baixas (4 kg_part.\kg_ar) a formulação para escoamentos densos é necessária. Também, uma comparação com dados experimentais e de outras simulações que utilizaram abordagens de colisão determinística, mostrou que a formulação apresentada aqui é capaz de prever corretamente o escoamento gás-sólido denso em risers de LFC até 22 kg_part.\kg_ar.