ESTUDO DO DESEMPENHO DE CORRELAÇÕES DE ARRASTO SÓLIDO-GÁS NA SIMULAÇÃO NUMÉRICA DE UM LEITO FLUIDIZADO BORBULHANTE

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Maria Eduarda Ana Luiza Avelar Angelim
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1 ESTUDO DO DESEMPENHO DE CORRELAÇÕES DE ARRASTO SÓLIDO-GÁS NA SIMULAÇÃO NUMÉRICA DE UM LEITO FLUIDIZADO BORBULHANTE Flávia Zinani, Paulo Conceição, Caterina G. Philippsen, Maria Luiza S. Indrusiak Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica Universidade do Vale do Rio dos Sinos UNISINOS, São Leopoldo, RS Agosto de 2011

2 MOTIVAÇÃO LEITO FLUIDIZADO Regime de escoamento utilizado na queima de combustíveis fósseis ou biomassa. Figura 1- Classificação do leito fluidizado: (a) Fixo, (b) borbulhante, (c) turbulento e (d) circulante. Fonte: (Karppanen)

MOTIVAÇÃO LEITO FLUIDIZADO BORBULHANTE CARACTERÍSTICAS Formação de bolhas. Alta densidade de partículas. Recirculação das partículas e a mistura entre as fases.

3 MOTIVAÇÃO LEITO FLUIDIZADO BORBULHANTE CARACTERÍSTICAS Formação de bolhas. Alta densidade de partículas. Recirculação das partículas e a mistura entre as fases. Alimentação de carvão Leito fluidizado Bordo livre Trocadores de calor Água quente ou vapor Saída de gás Ciclone VANTAGENS Utiliza combustíveis como: carvão (misturado ou puro), resíduos agrícolas, resíduos de madeira Menor emissão de NOx e CO. Controle na emissão de SO2 Entrada de ar Câmara Entrada de ar no leito Prato distribuidor Cinzas finas Figura 2 Sistema de combustão em leito fluidizado borbulhante. Fonte: WU (2003).

4 MOTIVAÇÃO Eficiência da combustão Reações químicas Transferência de calor Mistura Distribuição das fases e espécies envolvidas Simulação Numérica

5 MODELAGEM ABORDAGEM EULER-EULER NÃO-HOMOGÊNEA Figura 3 Modelo Euler-Euler. Fonte: Elaborado pelo autor.

6 MODELAGEM BALANÇO DE MASSA BALANÇO DA QUANTIDADE DE MOVIMENTO Transferência da quantidade de movimento

7 TRANSFERÊNCIA DA QUANTIDADE DE MOVIMENTO FLUIDO-SÓLIDO FUNÇÃO DE ARRASTO

8 OBJETIVO GERAL: Análise computacional da hidrodinâmica de um LFB, utilizando o código aberto MFIX. ESPECÍFICO: Avaliação das características dos escoamentos previstos por um modelo Euleriano utilizando três diferentes correlações de arrasto gássólido: Ding e Gidaspow, Hill-Koch-Ladd e Syamlal e O Brien. Comparação dos campos de velocidade e fração mássica previstos pelos modelos.

9 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Comparação dos modelos de arrasto gás-sólido em leito fluidizado: AUTORES ARTIGO CÓDIGO MODELOS DE ARRASTO CONCLUSÃO Taghipour et al. (2005) Experimental and computational study of gas solid fluidized bed hydrodynamics Fluent - Wen e Yu - Gidaspow - Syamlal e O Brien Resultados qualitativamente similares nas previsões dos perfis locais, instantâneo e médias no tempo, da queda de pressão e expansão do leito em comparação com resultados experimentais. Os autores sugerem mais estudos nesta área para a validação dos modelos CFD de leito fluidizado Lundberg et al. (2008) A review of some exsisting drag models describing the interaction between phases in a bubbling fluidized bed Fluent -Richardson e Zaki - Gidaspow -Syamlal e O Brien -Hill-Koch-Ladd - RUC Os modelos de Gidaspow, Hill-Koch-Ladd e RUC apresentaram os melhores resultados em comparação com dados experimentais da frequência das bolhas. Behjat et al. (2008) CFD modeling of hydrodynamic and heat transfer in fluidized bed reactors MFiX -Gidaspow - Syamlal e O Brien O modelo de arrasto de Syamlal e O Brien apresentou melhores previsões da expansão do leito e da hidrodinâmica de um escoamento gás-sólido, mas, na formação das bolhas, os dois modelos apresentam resultados similares.

10 TRANSFERÊNCIA DA QUANTIDADE DE MOVIMENTO FLUIDO-SÓLIDO FUNÇÃO DE ARRASTO Modelo de Ding e Gidaspow (1990) Modelo de Syamlal e O Brien (1993) Modelo de Hill-Koch-Ladd (2001)

11 MODELOS DE ARRASTO DING E GIDASPOW (1990) Fase densa Equação de Ergun (1952) Fase dispersa Equação de Wen e Yu (1966)

12 MODELOS DE ARRASTO SYAMLAL E O BRIEN (1993) Fator de arrasto Dalla Valle (1948) Velocidade terminal - Richardson e Zaki (1954) e Garside e Al-Dibouni (1977)

13 MODELOS DE ARRASTO HILL-KOCH-LADD (2001) Simulações Lattice-Boltzmann. Extensão de Benyahia et al. (2006). Fator de arrasto F adimensional depende do nº de Reynolds e da concentração de partículas. Os coeficientes dependem da fração mássica. Re é baseado no raio das partículas.

14 MFiX Modelo numérico de combustão e gaseificação. Foco nas reações químicas e transferência de calor em escoamento multifásico tipo sólido-gás. Interação entre as fases. Baseado em: Conservação da Mecânica do Contínuo; Equações de cinética química; Correlações experimentais; Teoria Cinética dos Escoamentos Granulares; Volumes finitos; Modelo Euleriano.

15 PROBLEMA Malha: 108 por 124 Tempo de simulação: 40s Vg=0,35 m/s Figura 4 - Geometria do leito utilizado na simulação. Fonte: Gidaspow (1994).

16 PROBLEMA 39,37 cm Posição crítica do problema: x* = 2x/W i: 64 x*=0, (j) 55 58,44 cm 70 x*=0, x*=0, x*=0,35 y* = y/l j: 28 y*=0, (i) 55 y*=0,5 Figura 5 Pontos críticos analisados no trabalho. Fonte: Elaborado pelo autor.

17 RESULTADOS PRELIMINARES Determinação do regime permanente: entre 20 e 40s Figura 6 - Evolução da variação relativa da média temporal de. Fonte: Elaborado pelo autor.

18 RESULTADOS PRELIMINARES Figura 7 - Fração de vazio de (a) Gidaspow, (b) Syamlal e O Brien e (c) HKL. Fonte: Elaborado pelo autor.

19 RESULTADOS PRELIMINARES Figura 8 - Fração volumétrica de sólidos para a posição x* =0,008 e x* =0,105 Fonte: Elaborado pelo autor.

20 RESULTADOS PRELIMINARES Figura 9 - Fração volumétrica de sólidos para as posições x*=0,25 e x* =0,35. Fonte: Elaborado pelo autor.

21 RESULTADOS PRELIMINARES Figura 10 Distribuição da magnitude da velocidade do gás (V g ) (a) Gidaspow, (b) Syamlal e O Brien e (c) HKL. Fonte: Elaborado pelo autor.

22 RESULTADOS PRELIMINARES Figura 11 - Velocidade vertical do gás (v y,g ) para as posições (a) y* = 0,25, (b) y* = 0,5. Fonte: Elaborado pelo autor.

23 Fração volumétrica de gás Modelo Hill-Koch-Ladd

24 PERSPECTIVAS FUTURAS Estudo das características dos modelos de arrasto gás-sólido. Analisar os transientes das simulações (formato das bolhas, freqüência de desprendimento). Comparar os resultados obtidos com resultados experimentais da literatura (Gidaspow et al., 1983). Análise paramétrica da variação da velocidade do jato. Análise da convergência de malha.

25 AGRADECIMENTOS CAPES CNPq RNC Rede Nacional de Carvão PPGEM Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica - UNISINOS

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