Resumo: O negro de fumo é um fino pó de carbono produzido sob condições controladas, sendo empregado em numerosas aplicações industriais como: agente reforçador de borracha em pneus, pigmentação de tintas e toners de impressoras, revestimentos, proteção contra a luz UV e aditivo para melhorar a performance de baterias. Para aplicações mais específicas, como o caso em que é utilizado para compor eletrodos de baterias de alto desempenho, é necessário um controle mais rigoroso das características das nanopartículas, o que não é oferecido pelos métodos tradicionais de produção. Para suprir as demandas tecnológicas de produção, são explorados diferentes métodos de fabricação de materiais em escala nanométrica, com destaque ao processo de síntese por spray flamejante (flame spray pyrolysis – FSP). Esta técnica é versátil e consegue produzir nanopartículas com um controle rigoroso da distribuição de tamanhos. Negro de fumo pode ser produzido em um reator FSP, com a vantagem de que o combustível inserido é responsável pela formação de seu precursor. Desta forma, a modelagem matemática e simulação deste processo torna-se essencial para prever taxas de formação e distribuição de tamanho das nanopartículas, assim como permite simular diferentes parâmetros de processo e estudar aumento de escala. Partindo de uma abordagem Euleriana para a fase contínua (gasosa) e sólida (nanopartículas) e, uma abordagem Lagrangeana para a fase dispersa (líquida), a simulação do processo é calculada por meio de fluidodinâmica computacional (CFD) no software ANSYS Fluent 19.2. São comparadas as condições de reator isolado (parede adiabática) e não-isolado, onde a produção de negro de fumo é consideravelmente maior com a condição de parede adiabática. Uma malha estendida é proposta com o objetivo de simular as condições de ar atmosférico externo ao reator a fim de verificar as condições de parede da malha regular. Dois modelos são propostos a fim de descrever a formação de negro de fumo dentro do reator, um modelo de duas equações e um balanço populacional monodisperso composto por três equações. Os resultados analisados indicam que o balanço populacional monodisperso traz uma descrição mais adequada da população de partículas Ver menos

Abstract: Carbon black is a fine carbon powder produced under controlled conditions. It has several industrial applications as rubber reinforcement agent, pigments in inks and press toners, coatings, UV light protection and additive to improve battery performance. For more specific uses, as composing high performance battery electrodes, a strict control of size distribution is necessary, which is not offered by traditional methods of manufacture. To overcome the technological demands of production, several methods of nanomaterials producing are being explored, with a highlight on the flame spray pyrolysis process (FSP). This technique is versatile and is able to produce nanoparticles with a severe control of size distribution. Carbon black can be produced in a FSP reactor having the advantage that the fuel inserted in the reactor is the responsible for the formation of carbon black’s precursors. Thus, the mathematical modelling of the process becomes essential to predict formation rates and size distribution of the generated nanoparticles, simulate process parameters and to study scale up possibilities. Using transport equations and an Eulerian approach for the continuous (gas) and solid (nanoparticles) phases and, a Lagrangean approach for the disperse phase (liquid), the simulation is performed using computational fluid dynamics (CFD) at ANSYS Fluent 19.2 software. Conditions for an isolated (adiabatic weall) and non-isolated reactors are simulated and compared, where carbon black production rates are considerably higher for the adiabatic wall. An extended mesh is also proposed to simulate external conditions to the reactor, aiming to ensure the wall parameters used at the regular mesh. Two models to predict carbon black formation are used, a two-equation model and a monodisperse population balance with three equations. The analyzed results indicate that the monodisperse population balance has a more adequate description of the particle’s population Ver menos