Orientador: Dirceu Noriler

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química

Resumo: Ciclones são dispositivos amplamente utilizados na indústria para separação de sólidos a partir de correntes gasosas devido a suas características de fácil construção, baixo custo de operação e manutenção, alta eficiência de separação para partículas maiores que 5 ?m, além da capacidade de...

Resumo: Ciclones são dispositivos amplamente utilizados na indústria para separação de sólidos a partir de correntes gasosas devido a suas características de fácil construção, baixo custo de operação e manutenção, alta eficiência de separação para partículas maiores que 5 ?m, além da capacidade de suportar altas temperaturas e pressões. Em consequência disto, eles são extensivamente estudados no intuito de melhorar sua eficiência de coleta com menor custo energético possível (menor queda de pressão). Apesar de sua simples cons- trução e operação, o comportamento fluidodinâmico nesses sistemas é complexo, de modo que a técnica de fluidodinâmica computacional (CFD), aliada aos estudos experimentais tradicionalmente conduzidos, apresenta-se como uma alternativa viável para compreensão e consequente projeto e otimização de suas condições geométricas e operacionais. No in- tuito de melhor caracterizar o comportamento dos ciclones, curvas de eficiência devem ser obtidas para cada geometria e condição operacional. Assim, um modelo fluidodinâmico baseado nas ferramentas de CFD pode contribuir muito com o tempo e custo de projeto e otimização destes dispositivos. No entanto, a literatura não apresenta um modelo con- solidado que disponha de precisão na predição de curvas de eficiência de ciclones de alta carga em tempo computacional razoável, a despeito do grande avanço de hardware obti- dos nos últimos anos. Diante disso, neste trabalho foi proposta a aplicação da abordagem Euleriana-Euleriana acoplada às equações de balanço populacional, resolvida através do método de quadratura direta baseado em momentos (DQMOM), para modelagem de um ciclone com alta carga de sólidos. Para a solução das equações do modelo, foi utilizado o código comercial Fluent 17.2, de modo que as equações de balanço populacional resolvi- das pelo método DQMOM foram implementadas em linguagem C através de User Define Functions (UDF) para o acoplamento destas equações ao software. A verificação do mo- delo implementado foi realizada utilizando o trabalho de Niemi (2012) que estudou um leito fluidizado pseudo-bidimensional. Todas as simulações polidispersas do ciclone com alta carga utilizando diferentes números de pontos de quadratura apresentaram perfis fluidodinâmicos similares e eficiência global próxima à experimental. Ademais, a simu- lação monodispersa utilizando a abordagem Euleriana-Euleriana tradicional obteve uma eficiência muito mais baixa, mostrando a viabilidade da metodologia proposta. Por fim, a curva de distribuição de tamanho de partículas coletadas pelo ciclone foram reconstruídas utilizando o método de máxima entropia a fim de determinar a curva de eficiência de coleta. Foi observado que com o aumento do número de quadraturas houve uma conver- gência em direção à curva experimental, de modo que para quatro, cinco e seis pontos de quadratura foi obtido um erro relativo menor que 5% comparado aos dados experimentais

Abstract: Cyclones are devices widely used in industries to separate solids from gas streams due to their easy construction characteristics, low operation and maintenance costs, high separation efficiency for particles larger than 5 µm and ability to withstand high temperatures and pressures. As a...

Abstract: Cyclones are devices widely used in industries to separate solids from gas streams due to their easy construction characteristics, low operation and maintenance costs, high separation efficiency for particles larger than 5 µm and ability to withstand high temperatures and pressures. As a result of these advantages, cyclones are widely studied in order to improve the collection efficiency with lowest energy cost possible (lower pressure drop). In contrast to the characteristics of simple construction and operation, the fluid dynamic behavior in these systems is quite complex so that the computational fluid dynamics (CFD) technique, together with the experimental studies traditionally conducted, is a viable alternative in the understanding, and consequently design and optimization of their geometric and operational conditions.In order to better characterize the behavior of cyclones, efficiency curves should be obtained for each geometry and operational condition. Thus, a fluid-dynamic model based on CFD can contribute with time and cost of design and optimization of these devices. However, the literature does not present a consolidated model that presents good precision in the prediction of efficiency curves of high load cyclones in reasonable computational time, in spite of the great advance of hardware obtained in recent years. Therefore, in this work, an Eulerian-Eulerian approach coupled to the population balance equations solved by the direct quadrature method of moments (DQMOM) for the simulation of a cyclone with high particle mass loading was proposed. For the solution of the equations of the model, the commercial code Fluent 17.2 was used, so the population balance equations solved by the DQMOM method were implemented in C language through User Define Functions (UDF) for the coupling of these equations to the software. The verification of the implemented model was done using the work of Niemi (2012) who studied a pseudo-two-dimensional fluidized bed. All the cyclone simulations using different number of quadratures presented similar fluid dynamics profiles and global efficiency close to the experimental one. Moreover, the simulation using the traditional Eulerian-Eulerian approach with only the mean diameter obtained a much lower efficiency, showing the feasibility of the methodology proposed by this study. Finally, the efficiency curve was calculated using the maximum entropy method to reconstruct the particle size distribution at the outlet of the cyclone to the hopper. The increase in the number of quadrature showed a convergence toward the experimental curve, so that the relative error obtained was less than 5% for four, five and six quadrature points compared to the experimental data

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