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Simulação computacional do escoamento gás-sólido de um leito fluidizado circulante

Circulating fluidized beds (CFBs) are systems widely spread worldwide, and successfully applied in thermal and power generation, petrochemical and mining industries. The study of the multiphase flow hydrodynamics in CFB units, mainly by using computational fluid dynamics tools, has been recognized a...

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Autor principal:	Machado, Vitor Otávio Ochoski
Formato:	Dissertação
Idioma:	Português
Publicado em:	Universidade Tecnológica Federal do Paraná 2019
Assuntos:	Fluidização Fluidodinâmica computacional Gás - Escoamento Fluidization Computational fluid dynamics Gas flow CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA Engenharia Mecânica
Acesso em linha:	http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/4362
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id	riut-1-4362
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spelling	riut-1-43622019-09-03T06:00:54Z Simulação computacional do escoamento gás-sólido de um leito fluidizado circulante Computational simulation of the gas-solid flow in a circulating fluidized bed Machado, Vitor Otávio Ochoski Behainne, Jhon Jairo Ramirez http://lattes.cnpq.br/7698157175001504 Parise, Maria Regina http://lattes.cnpq.br/9628534130171420 Lopes, Gabriela Cantarelli Lima, Luiz Eduardo Melo Behainne, Jhon Jairo Ramirez Fluidização Fluidodinâmica computacional Gás - Escoamento Fluidization Computational fluid dynamics Gas flow CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA Engenharia Mecânica Circulating fluidized beds (CFBs) are systems widely spread worldwide, and successfully applied in thermal and power generation, petrochemical and mining industries. The study of the multiphase flow hydrodynamics in CFB units, mainly by using computational fluid dynamics tools, has been recognized as an effective way to identify improvements in their components as well as in the operating conditions of either current processes or new applications. Although many works have already been published on such systems, some gaps about modeling them as an integrated equipment still remain. In this sense, there is not clarity about describing the friction regime for the particles, the assessment of interactions between the solid phase and walls, and the analysis on the effects produced by choosing particular boundary conditions in the loop-seal valve, which are usually simplified in the literature. So, in order to contribute for understanding better the behavior of the gas-solid flow in CFB systems, this research applies the finite volume method by means the ANSYS® Fluent® v. 18.0 software to analyze the influence of the mathematical modeling, as well as the choice of boundary and operational conditions on the hydrodynamics of an integrated bench-scale CFB system. The results showed that the Johnson and Jackson friction regime model applied along with a critical solid volume fraction of 0,61 led to better description of the gas-solid flow inside the CFB loop when compared to that obtained with the Schaeffer model, especially in the loop-seal region, where the bed of particles is denser. In regard of the drag models here tested, the Syamlal-O'Brien model parameterized for conditions of minimum fluidization came out the more coherent results for describing the drag phenomenon; however, it is worth to point out that all models overestimated the interaction between the gas and solid phases. On the other hand, simulations carried out using specularity coefficient closer to 0 brought better results than those employing the value of 0.6, which is usually considered for integrated CFB systems. Additionally, the models were sensitive to changes in the boundary conditions imposed on the loop-seal valve. Finally, it was noticed that the methodology here adopted, which was based not only on a quantitative analysis but also on a qualitative one contributed to identify computational modeling configurations that got to describe in a more coherent way the physics of the gas-solid flow inside of CFB systems. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) A tecnologia de leito fluidizado circulante (LFC) encontra-se em contínua expansão no mundo, sendo utilizada com reconhecido sucesso na produção de energia térmica e elétrica, na indústria petroquímica e de mineração. O estudo das características fluidodinâmicas do escoamento multifásico desenvolvido no interior de um sistema de LFC, principalmente por intermédio de ferramentas de fluidodinâmica computacional, tem se mostrado um meio eficaz para identificar potenciais melhorias relacionadas ao projeto de componentes e estabelecer as condições operacionais mais adequadas em aplicações específicas. Mesmo sendo foco de muitas pesquisas, percebe-se a existência de lacunas na modelagem integrada dos sistemas de LFC, isto é, com todos os seus componentes interligados em operação simultânea. Neste sentido, não há claridade na descrição do regime friccional das partículas, na avaliação das interações entre a fase sólida e as paredes, e na análise dos efeitos produzidos por escolhas nas condições de contorno das válvulas de recirculação do tipo loop-seal, usualmente simplificadas na literatura. Assim, visando contribuir para a compreensão do escoamento gás-partícula em unidades de LFC, este trabalho investiga, via método dos volumes finitos e por intermédio do programa computacional ANSYS® Fluent® v. 18.0, a influência da modelagem matemática, e da escolha de condições de contorno e operacionais, sobre a fluidodinâmica de um sistema de LFC com todos os seus componentes. Os principais resultados obtidos mostraram que o modelo de regime friccional de Johnson e Jackson, de 1987, associado ao valor de fração volumétrica crítica de sólidos igual a 0,61, representou melhor o comportamento fluidodinâmico do circuito, quando comparado com o modelo de Schaeffer, de 1987, especialmente na válvula loop-seal, onde o leito de partículas é muito denso. Dos modelos de arrasto testados, o de Syamlal-O’Brien, de 1989, parametrizado para condições de mínima fluidização, foi o que reproduziu de forma mais coerente o fenômeno do arrasto; todavia, vale-se ressaltar que todos os modelos testados superestimaram a interação entre as fases. O coeficiente de especularidade mais próximo de 0 gerou melhores resultados do que o usualmente empregado em simulações de sistemas integrados de LFC, sendo esse 0,6. Adicionalmente, os modelos se mostraram sensíveis às mudanças nas condições de contorno testadas. Por fim, percebeu-se que a metodologia de investigação adotada, que consistiu não só da verificação dos resultados do ponto de vista quantitativo, mas também qualitativo, foi imprescindível para a identificação das configurações computacionais que representassem de forma mais coerente a física do problema do escoamento gás-sólido no interior dos sistemas de LFC. 2019-09-02T17:17:53Z 2019-09-02T17:17:53Z 2019-08-09 masterThesis MACHADO, Vitor Otávio Ochoski. Simulação computacional do escoamento gás-sólido de um leito fluidizado circulante. 2019. 134 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Ponta Grossa, 2019. http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/4362 por openAccess application/pdf Universidade Tecnológica Federal do Paraná Ponta Grossa Brasil Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica UTFPR
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description	Circulating fluidized beds (CFBs) are systems widely spread worldwide, and successfully applied in thermal and power generation, petrochemical and mining industries. The study of the multiphase flow hydrodynamics in CFB units, mainly by using computational fluid dynamics tools, has been recognized as an effective way to identify improvements in their components as well as in the operating conditions of either current processes or new applications. Although many works have already been published on such systems, some gaps about modeling them as an integrated equipment still remain. In this sense, there is not clarity about describing the friction regime for the particles, the assessment of interactions between the solid phase and walls, and the analysis on the effects produced by choosing particular boundary conditions in the loop-seal valve, which are usually simplified in the literature. So, in order to contribute for understanding better the behavior of the gas-solid flow in CFB systems, this research applies the finite volume method by means the ANSYS® Fluent® v. 18.0 software to analyze the influence of the mathematical modeling, as well as the choice of boundary and operational conditions on the hydrodynamics of an integrated bench-scale CFB system. The results showed that the Johnson and Jackson friction regime model applied along with a critical solid volume fraction of 0,61 led to better description of the gas-solid flow inside the CFB loop when compared to that obtained with the Schaeffer model, especially in the loop-seal region, where the bed of particles is denser. In regard of the drag models here tested, the Syamlal-O'Brien model parameterized for conditions of minimum fluidization came out the more coherent results for describing the drag phenomenon; however, it is worth to point out that all models overestimated the interaction between the gas and solid phases. On the other hand, simulations carried out using specularity coefficient closer to 0 brought better results than those employing the value of 0.6, which is usually considered for integrated CFB systems. Additionally, the models were sensitive to changes in the boundary conditions imposed on the loop-seal valve. Finally, it was noticed that the methodology here adopted, which was based not only on a quantitative analysis but also on a qualitative one contributed to identify computational modeling configurations that got to describe in a more coherent way the physics of the gas-solid flow inside of CFB systems.
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