ANÁLISE DOS RESULTADOS DA MODELAGEM FÍSICA DE UM REATOR ANAERÓBIO SEQUENCIAL CONSIDERANDO ESCOAMENTO BIFÁSICO EM DIFERENTES CONDIÇÕES DE FLUXO Gabriel Tomazzoni Mazzarotto a, Juliano Rodrigues Gimenez b, Lademir Luiz Beal c, Ana Paula Rodrigues Torres d a Universidade de Caxias do Sul, e-mail: gtmazzarotto@ucs.br; b Universidade de Caxias do Sul, e-mail: juliano.gimenez@hotmail.com; c Universidade de Introdução Caxias do Sul, e-mail: llbeal@ucs.br; d CENPES/PETROBRAS, e-mail: aptorres@petrobras.com.br A demanda pela otimização dos sistemas de tratamento de efluentes tem sido cada vez mais presente, tanto relacionado a questões técnicas, quanto econômicas e ambientais. Inicialmente essas otimizações abordavam apenas reações físico-químicas e biológicas destes processos, porém atualmente têm também envolvido a fluidodinâmica desses sistemas. Dentre os recursos que vêm sendo aplicados com intenção de obter melhorias no comportamento fluidodinâmico, pode ser destacada a modelagem numérica através de sistemas computacionais, com softwares que utilizem CFD (Computational Fluid Dynamics). Devido à complexidade dos fenômenos envolvendo as interações das diferentes fases do escoamento em reatores destinados ao tratamento de efluentes, mesmo com a aplicação de recursos de modelagem numérica, se faz necessária a calibração destes modelos através de sistemas físicos, já em operação ou por modelos construídos e operados com este propósito. Tendo em vista essas questões, o objetivo deste trabalho foi o de analisar os resultados da modelagem física de um reator anaeróbio sequencial considerando o escoamento bifásico, tendo em vista que previamente este sistema foi modelado em CFD. A modelagem física contempla, por sua vez, uma série de desafios operacionais relacionados com a visualização e medição de características do comportamento fluidodinâmico sem afetar o escoamento em si. O recurso utilizado neste trabalho foi um equipamento do tipo PIV (Particle Image Velocimetry), que permite leituras de campos vetoriais de velocidades entre outros parâmetros de forma não intrusiva nos escoamentos. Entretanto, ainda são grandes os desafios para a modelagem física de um reator para o tratamento de efluentes, envolvendo todas as etapas de projeto: montagem, calibração e operação destes equipamentos; assim como também é um desafio a sua modelagem contemplando escoamentos multifásicos. Com isso, os resultados deste trabalho contribuem tanto com disponibilização do modelo físico para futuras intervenções com o foco na otimização das condições de fluxo relacionadas às melhores condições para os processos que ocorrem em um reator real, quanto com a validação do sistema obtido através da modelagem computacional. Materiais e Métodos O sistema modelado com a utilização da ferramenta computacional CFD, teve como base um protótipo de um reator sequencial em batelada (ASBR Anaerobic Sequential Batch Reactor) em operação, destinado à produção de hidrogênio através de processos de digestão anaeróbia. Conforme Maurina et al. (2014), o reator (protótipo) apresenta as seguintes características: construído em aço inoxidável tipo 304; 3,8 m de altura, diâmetro interno de 0,604 m, volume total de 1 m³, e tubulação de recirculação com diâmetro interno de 0,04 m. A Figura 1 apresenta um esquema dimensional do mesmo. Figura 1 - Diagrama esquemático do reator (protótipo) modelado (Fonte: MAURINA et. al., 2014) Tendo o protótipo como base, um modelo físico em escala reduzida de 1:2 foi projetado e construído em material acrílico transparente com espessura de parede de 5 mm, com o objetivo de permitir a visualização do fluxo interno, o reator foi divido em quatro seções longitudinais de 0, 475 m conectadas por flanges, também em acrílico, tanto para facilitar a montagem, desmontagem e manutenção, quanto para tornar o sistema versátil com o intuito de permitir intervenções futuras e novos estudos fluidodinâmicos. O sistema de entrada, em formato cônico, também foi confeccionado em acrílico e conectado por flanges. Para analisar o comportamento do fluido no interior do modelo foi utilizada a técnica de Velocimetria de Partículas por Imagem (PIV). O princípio básico desta é de que partículas traçadoras suspensas no fluxo sejam excitadas por um feixe de laser, permitindo que câmeras fotográficas possam registrar suas posições relativas, com base em uma sequência de tomadas de imagens em
intervalos de tempo definidos. A partir desta sequência de imagens, é possível então traçar os vetores de deslocamento destas partículas, o que permite, via software específico, a análise de diversos parâmetros do fluxo associados à velocidade (CAMPBELL et. al., 2000). Segundo Ciocan e Iliescu (2012), acerca da densidade de partículas que devem estar presentes no fluxo, um mínimo de duas partículas correspondentes deve existir nas áreas de análise em ambos os frames (quadros) visando à obtenção de um bom resultado. Segundo Raffel et al.(1998), a incidência do plano de luz de laser deve se dar em uma superfície plana, para evitar a difração dessa luz. Assim, tendo em vista que o reator é cilíndrico, foi necessário encapsular o mesmo por uma estrutura com uma seção transversal hexaédrica, formando uma espécie de antecâmara que também foi preenchida com água. Esta antecâmara não exerceu função alguma em termos de fluxo, servindo somente para evitar a difração da luz do plano de laser aplicado, o que é um prérequisito do sistema PIV utilizado. O equipamento de PIV utilizado foi da marca LaVision, constituído de duas câmeras ImagerProSX 5M, um gerador de laser Quantel Double-Pulsed Nd: YAG EverGreen, lentes cilindrícas específicas para a geração de um plano e de um cone de laser Sheet Optics e traçadores do tipo esferas ocas de vidro e Partículas fluorescentes VZ particles. O equipamento foi controlado por um microcomputador contendo um processador Intel Xeon E5620, placa de vídeo Zotac/NVIDIA GeForce GT 610, sistema operacional Windows 7, uma unidade temporizadora programável VZ Trigger PTU V9.0, e o software DaVis 8.2.2. A captura de imagens se dá através das câmeras dispostas em ângulo com o plano do escoamento a ser observado, cada imagem obtida é composta por 4 quadros, sendo dois para cada câmera, sendo aplicado um intervalo de tempo entre a captura de cada quadro em cada câmera. O primeiro quadro de cada câmera é obtido em um determinado instante, após o qual se obtém o segundo, em um intervalo chamado de delay time, que é um dos parâmetros de configuração do sistema, sendo necessários ensaios prévios de calibração para ajustar esta sincronia, variáveis principalmente com as condições de fluxo e de iluminação do meio fluido. O software correlaciona os quadros equivalentes entre as duas câmeras e então analisa a movimentação das partículas traçadoras entre os dois instantes de tempo distintos, assim podendo calcular a velocidade vetorial destas, e consequentemente a velocidade do fluxo interno ao reator, dentre outros parâmetros inter-relacionados. O sistema de instalação hidráulica do modelo físico do reator é composto por: uma bomba hidráulica do tipo helicoidal da marca Netzsche com 860 RPM, um inversor de frequências da marca WEG, modelo CFW 10 EasyDrive, um reservatório de água e registros de controle, o esquema de montagem do equipamento PIV e a representação do sistema de operação do reator podem ser vistos na Figura 2. Figura 2 Esquema de montagem do sistema PIV (esquerda) e esquema de montagem do sistema de operação do reator em modelo reduzido (Direita) (Fonte: GIMENEZ et. al., 2016) Tendo como objetivo facilitar a captura de imagens ao longo da altura do reator, as câmeras e o emissor de laser foram posicionados em trilhos verticais. As câmeras precisam estar posicionadas de modo que formem um ângulo de no mínimo 30 com o plano longitudinal do reator e o emissor de laser posicionado de forma a iluminar este plano. A Figura 3 apresenta fotos dos equipamentos utilizados. Figura 3 A) Modelo em escala do reator e sistema PIV (Câmeras e emissor de laser), B) Bomba Hidráulica utilizada na recirculação, C) Emissor de laser, D) Inversor de frequências e E) Câmeras SSD. (Fonte: GIMENEZ et. al., 2016)
O processo de captura de imagens do reator foi divido em 8 seções, devido às limitações de resolução de imagem e campo de visão das câmeras. Ao longo deste processo é necessária a calibração do equipamento PIV para cada conjunto de tomadas de imagens, tendo em vista manter a qualidade dos resultados a mais alta possível. Essa calibração se dá através da utilização de uma placa de calibração auxiliada pelo software DaVis 8.2.2 que integra o sistema PIV. Fox, McDonald e Pritchard (2004) descrevem que um modelo só é válido na predição do comportamento de um determinado protótipo caso existam, além de similaridades geométricas, similaridade cinemática e ou dinâmica. O sistema modelado foi de escoamento bifásico líquido e gás. Neste caso, pelo fato de que a fase líquida atua de forma preponderante sobre as forças inerciais e viscosas no escoamento, foi utilizado o número de Reynolds como sendo o número adimensional a ser respeitando entre modelo e protótipo. Para a condição de projeto (protótipo) foram utilizados os dados apresentados no trabalho de Maurina et al. (2014), e para as análises experimentais em escala reduzida foram mensuradas pelos experimentos. Assim, com base no modelo computacional que se baseou em uma vazão de 0,0015 m³.s -1 e com o diâmetro de 0,604 m, pela equação da continuidade foi determinada a velocidade ascensional média no reator protótipo e posteriormente a velocidade ascensional média no modelo físico. Com base nesta velocidade média, foi determinada a vazão a ser aplicada no modelo físico para que este se comportasse de forma similar ao protótipo. Como o diâmetro de entrada do reator é bem menor do que o diâmetro médio do corpo do reator cilíndrico, é esperado um efeito de entrada do tipo jato, conforme também observado pelos resultados em CFD modelados por Maurina et al. (2014). Os números de Reynolds para este diâmetro, tanto do protótipo, quanto do modelo, também foram verificados para que fossem iguais, ou seja, para que mantivessem a similitude do comportamento em termos de forças inerciais e de viscosidade. Com o objetivo de aplicar esta vazão ao modelo, foi necessário a calibração da bomba hidráulica e do controle de acionamento pelo inversor de frequências, tendo em vista garantir a vazão constante necessária no modelo. Esta calibração se deu com sistemas de medida de volume e de tempo para diferentes valores de frequência do inversor. Foram tomados 5 pontos para diferentes faixas de frequência, repetidos três vezes cada um, permitindo a elaboração de uma curva de calibração e o posterior ajuste de vazão para diferentes faixas de frequência. Os ensaios realizados coma utilização do sistema de velocimetria de partículas por imagem contemplaram duas situações distintas: 1. Fluxo descendente, escoamento bifásico, líquido e gás; 2. Fluxo ascendente, escoamento bifásico, líquido e gás. Para cada uma das condições de ensaio, foram feitas duas rodadas de tomadas de imagem, denominadas Ensaio A e Ensaio B. Resultados e Discussão Considerando a vazão de projeto, a velocidade ascensional no reator protótipo obtida, foi de 5,236x10-3 m.s-1, consequentemente gerando um número de Reynolds para o escoamento de 3.163, ou seja, um escoamento em regime turbulento. Partindo deste adimensional e buscando a semelhança entre o escoamento no modelo em escala reduzida e no protótipo original, a velocidade ascensional teórica para o escoamento no modelo foi calculada, obtendo-se 1,054x10-2 m.s -1 assim gerando uma vazão para o modelo de 7,45x10-4 m³.s-1. Ajustando essa vazão para a bomba, por meio do inversor de frequências, o reator foi posto em operação. Os melhores resultados utilizando o sistema PIV, de acordo com testes previamente realizados, foram obtidos utilizando uma frequência de captura das câmeras em 6 Hz, tendo em vista que as tomadas de imagens foram realizadas em cada uma das 8 seções e em momentos não necessariamente consecutivos. Nesse mesmo contexto, também a intensidade do laser precisou ser ajustada, considerando inclusive as características de turbidez da água, que naturalmente variavam ao longo dos dias. Essa intensidade aplicada variou entre 80% e 100%. Já o intervalo entre os dois pulsos do laser, o delay time, foi ajustado de acordo com a velocidade do líquido no interior do reator, uma velocidade mais alta requer um intervalo mais curto e uma velocidade menor, um intervalo maior, este intervalo variou entre 600 μs e 30000 μs. O número ideal de capturas de imagem foi determinado em 200 para cada seção, visando a melhor qualidade dos resultados e um tempo de processamento razoável. Com a utilização da velocimetria de partículas por imagem, foram obtidos campos vetoriais do escoamento no interior do reator para as três situações de ensaio distintas. Os resultados obtidos para o parâmetro velocidade ao longo do modelo físico em escala reduzida do reator, podem ser visualizados nas Figuras 4 e 5 em sequência. Cada imagem das figuras representa o Ensaio A e o Ensaio B. Figura 4 Resultados do PIV demonstrando o comportamento da distribuição de velocidades ao longo do reator, no ensaio para escoamento bifásico com fluxo descendente, sendo apresentadas duas figuras de ensaios (A e B) de repetição. A B
Os resultados das imagens apresentadas na Figura 4 representam a situação original do protótipo ensaiado, com fluxo descendente e em escoamento bifásico. Verifica-se que a zona de entrada superior acaba refletindo pouco em incremento de variação de velocidade e consequentemente de turbulência ao logo do reator. Esta condição de ensaio foi a primeira refutada pelo uso do CFD, que demonstrou a sua ineficiência em promover uma condição de fluxo mais homogêneo e com uma condição de turbulência suficiente para otimizar o processo de degradação. Percebe-se através dos resultados obtidos com o PIV nas duas repetições condições de baixa variação de velocidade. Figura 5 Resultados do PIV demonstrando o comportamento da distribuição de velocidades ao longo do reator, no ensaio para escoamento bifásico com fluxo ascendente, sendo apresentadas duas figuras de ensaios (A e B) de repetição. A A Figura 5 apresenta os resultados para a condição considerada como a mais eficiente, a partir das modelagens em CFD. O que se pode perceber é que devido à entrada de gás juntamente com o fluxo ascendente, há uma condição de variação de velocidades bem mais significativa, bem como uma maior diferença entre os ensaios de repetição. O comportamento do posicionamento das bolhas de gás ao longo de reator foi observado de forma bastante aleatória e alternada, fato que justifica a diferença maior entre as imagens, ao mesmo tempo em que não significa algo negativo para as condições de escoamento, mas sim uma distribuição heterogênea destas variações, o que tende a favorecer uma condição de melhor contato entre alimento e microrganismos, e consequentemente uma melhor condição de geração de biogás. Os gráficos da Figura 6 a seguir contribuem para uma melhor visualização deste comportamento nesta situação. Para tal, a análise considerou-se três grandes alturas do reator: 350 mm; 1000 mm; e 1500 mm. Figura 6 Resultados do tratamento dos dados de velocidade pelo software do PIV, para cada uma das condições de ensaio (1 e 2, respectivamente), apresentando as velocidades médias nas alturas, para cada um dos ensaios de repetição (A e B). B 1 2 Para a condição 1 de ensaio, ou seja, fluxo descendente e escoamento bifásico, verificou-se uma boa estabilidade nos resultados comparativos entre as repetições A e B, porém com uma distribuição da variação de velocidades médias muito favoráveis a uma condição de estabilização, ou seja, fraca condição de mistura. Destaca-se que este resultado, conforme já mencionado, refere-se à modelagem da condição refutada pelo CFD, por apresentar baixa mistura e tendência de zonas mortas no escoamento.
Já para a condição 2, fluxo ascendente em escoamento bifásico, verifica-se uma diferença significativa entre os ensaios de repetição, o que pode ser justificado pela grande variação do posicionamento das bolhas de biogás no escoamento, o que, por sua vez, está relacionado com o fato de promover melhores condições de mistura, mesmo com velocidades absolutas instantâneas menores do que nas outras duas condições de ensaio. Isso corrobora com os resultados já indicados pelo CFD de que esta é a melhor condição. Esta variação de velocidades menor e com uma melhor condição de turbulência, favorece o contato entre biomassa e alimento, o que tende a melhorar a produção de biogás. Ainda de forma complementar foram feitas análises da Energia Cinética Turbulenta no interior do reator, sendo os resultados apresentados na Figura 7. Figura 7 Resultados do tratamento dos dados para a Energia Cinética Turbulenta, sendo cada figura representando cada um dos casos: 1 e 2. 1 2 As imagens da Figura 7, assim como as da velocidade também confirmam os resultados apresentados por Maurina et al. (2014), onde o caso 2, fluxo ascendente em escoamento bifásico, apresentaram as melhores condições de mistura, apesar do caso 1 conter os maiores valores absolutos para energia cinética turbulenta, estes valores estão concentrados próximos à entrada do reator (parte do superior), enquanto na parte inferior, esses valores são muito baixos, já no caso 2, também é possível observar uma concentração de valores mais altos próximo à entrada (parte inferior), porém ao longo do restante do reator os valores estão melhores distribuídos, o que favorece as condições de mistura. Conclusões A utilização da ferramenta de Velocimetria de Partículas por Imagem (PIV) viabilizou a obtenção de campos vetoriais de velocidade do líquido no interior do reator, bem como a visualização da energia cinética turbulenta, de maneira não intrusiva, ou seja, sem que houvesse interferência no escoamento no interior do reator. Dessa forma possibilitou uma análise qualitativa e quantitativa das condições hidrodinâmicas no interior do reator e, consequentemente uma análise das condições de misturas para cada situação estudada. Os resultados obtidos através da utilização do PIV confirmaram que as melhores condições hidrodinâmicas de mistura para o tipo de reator estudado se dão através da recirculação ascendente do efluente, refutando a condição original do reator protótipo. A recirculação descendente, original no protótipo, apresenta uma baixa variação das velocidades ao longo do escoamento, proporcionando o aumento de formação de zonas mortas e caminhos preferenciais, o que indica piores condições de mistura que, por sua vez, para os objetivos de um reator anaeróbio se relaciona em reduzir sua eficiência de tratamento pelo fato de que haverá menor contato entre biomassa e alimento. Tais resultados estão de acordo com o que foi demonstrado nos estudos realizados por Maurina et al. (2014) utilizando ferramentas de CFD, o que permite também afirmar que para este tipo de modelagem, a Fluidodinâmica Computacional (CFD) apresentou resultados compatíveis com a modelagem física.
Referências Bibliográficas CAMPBELL, M.; COSGROVE, J.A.; GREATED, C.A.; JACK, S.; ROCKLIFF, D. 2000. Review of LDA and PIV applied to the measurement of sound and acoustic streaming. Optics & Laser Technology, v. 32, pp. 629 639. Maurina, G. Z.; Rosa, L. M.; Beal, L. L;. Baldasso, C.; Gimenez, J. R.; Torres, A. P.; P. Sousa, M. 2014. Effect of internal recirculation velocity in an anaerobic sequencing batch reactor (ASBR). Brazilian Journal of Chemical Engineering, vol.31, n.4, pp.895-903. Fox, R. W.; McDonald, A. T.; Pritchard, P. J. 2004. Introduction to Fluid Mechanics 6th Edition. Raffel, M.; Willert, C.E.; Wereley, S.; Kompenhans, J. 1998. Particle Image Velocimetry. Ciocan, G. D.; Iliescu, M. S. PIV Measurements Applied to Hydraulic Machinery: Cavitating and Cavitation-Free Flows. 2012. In: Giovanna Cavazzini (Ed). The Particle Image Velocimetry: Characteristics, Limits and Possibile Applications,pp 51-96.