SEPARAÇÃO SÓLIDO-FLUIDO NO CAMPO GRAVITACIONAL: GERAÇÃO DE MATERIAL DIDÁTICO EMPREGANDO SIMULAÇÕES CFD

RELATÓRIO FINAL DE PROJETO DE PESQUISA

JOVENS TALENTOS PARA A CIÊNCIA / CAPES

PERÍODO: Julho/2013 a Junho/2014

TÍTULO DO PROJETO: Simulação CFD de uma câmara de poeira para separação sólido-gás para elaboração de material didático

AUTOR PRINCIPAL (bolsista):  Maynara Cipriano Canhadas

ORIENTADOR:  José Luiz Vieira Neto

COLABORADORA:  Kássia Graciele dos Santos

INTRODUÇÃO/OBJETIVOS PROPOSTOS:

As Operações Unitárias envolvem transporte de fluidos (como os gases) e partículas, bem como, nos equipamentos de separação. A metodologia de ensino desta disciplina necessita de material didático ilustrativo, que facilite aos alunos a compreensão dos mecanismos de transporte de quantidade de movimento de fluido e das partículas e das forças envolvidas no processo.

Os “softwares” de simulação computacional aparecem como uma opção na predição da fluidodinâmica do fluido e do comportamento das partículas que escoam através de vários equipamentos encontrados em processos químicos. Os “softwares” de CFD são resolvedores de sistemas de equações gerais de transporte empregando métodos numéricos para obter campos de velocidades, temperatura e etc., possibilitando avaliar o transporte de uma propriedade de interesse e gerando resultados com alta capacidade gráfica (SANTOS, 2011).

A câmara de poeira é uma Operação Unitária que tem por objetivo a separação sólido-gás, no campo gravitacional, para retirar e classificar poeiras de correntes gasosas. É um método baseado na sedimentação livre considerando o próprio peso e a velocidade terminal das partículas. As câmaras apresentam área transversal suficientemente grande através da qual, gases passam com baixa velocidade, dando tempo suficiente para que partículas possam sedimentar no fundo ou na base da câmara, onde são então recolhidos.

O estudo da fluidodinâmica de um equipamento do tipo câmara de poeira é um exemplo de modelagem multifásica que envolve uma fase fluida e uma fase particulada. A simulação da dinâmica do fluido e das partículas no interior deste equipamento por meio de CFD pode fornecer imagens que permitam aos alunos a melhor compreensão do equipamento estudado.

METODOLOGIA:

Neste projeto, a fluidodinâmica de uma câmara de poeira foi simulada utilizando-se a técnica de Fluidodinâmica Computacional (CFD).

Inicialmente, a malha computacional foi construída e em seguida a modelagem foi implementada no software de simulação CFD.

Para a descrição da trajetória das partículas no interior da câmara de poeira, utilizou o modelo de Fase discreta, recomendado para condições de suspensões diluídas, ou seja, com uma porcentagem volumétrica de sólidos em até 10%. Nesta abordagem, admitiu-se que a baixa quantidade de partículas não influencia o escoamento do fluido, e assim este pode ser obtido separadamente, como se escoasse sozinho (VIEIRA et al., 2007).

O campo de velocidades do fluido foi obtido pela resolução da equação da continuidade e da equação de quantidade de movimento para a fase fluida. Após a simulação da distribuição de velocidade do fluido no interior do equipamento, as partículas foram então injetadas.

A malha foi gerada no “software” Gambit, que disponibiliza uma interface com o “software” de CFD, o Fluent®. Uma vez lido o arquivo no Fluent®, foram decididas as condições de contorno e iniciais, os modelos e os tipos de algoritmos de solução numérica a serem seguidos (VIEIRA NETO, 2007).

As equações da continuidade e movimento para o fluido, e consequentemente a do movimento das partículas discretas, foram então discretizadas através do método de Volumes Finitos, usado pela maioria dos softwares comerciais de CFD, por garantir resultados coerentes mesmo com malhas grosseiras e não estruturadas.

Foram simuladas as condições de escoamento dos exercícios sobre câmaras de poeira, para comparar com as resoluções analiticas em sala de aula da disciplina de Operações Unitárias I do curso de Engenharia Química da Universidade Federal do Triângulo Mineiro (UFTM). Este exercício foi retirado de um dos principais livros de sistemas particulados, o livro do CREMASCO (2012).

Para cada caso estudado, foram definidas a velocidade inicial do fluido, a geometria do equipamento e as propriedades do fluido (densidade, temperatura, viscosidade) e das partículas presentes na suspensão (concentração volumétrica, diâmetro, densidade, esfericidade). O perfil de velocidade do fluido no interior da câmara de poeira em regime contínuo foi obtido, considerando o regime permanente. Em seguida, as partículas foram adicionadas na entrada do equipamento. A equação do movimento da partícula foi resolvida e foi possível obter as trajetórias de cada partícula no equipamento, bem como, a quantidade de partículas que não foram coletadas, ou seja, que deixam a corrente de saída.

RESULTADOS:

Os resultados obtidos estão apresentados no Anexo 1. Na Figura 1 temos os vetores de velocidade magnitude do fluido (gás), antes da injeção de partículas, indicando que o gás percorre toda a extensão da câmara de poeira.

Na Figura 2, tem-se as trajetórias das partículas para diferentes tamanhos: (a) 73,87 µm; (b) 50,85 µm; (c) 41,30 µm e (d) 20,0 µm. Verificou-se, conforme o exercício do livro que foi reproduzido nestes testes, que as partículas maiores que 73,87 µm ficam retidas na 1ª câmara, enquanto que as partículas acima de 50,85 µm ficam retidas na 2ª câmara, e que na 3ª câmara ficam as partículas acima de 41,30 µm. Já as partículas menores (como as de 20 µm) saem juntamente com a corrente de gás na saída do equipamento.