Three-demensional simulation of bubble columns-model and geometrical approaches on hydrodynamics

Orientador: Milton MoriDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia QuimicaResumo: Colunas de bolhas são equipamentos utilizados para realizar operações de transferência de massa e/ou calor entre uma fase gasosa e uma fase líquida, ou entre uma fase gasosa e uma fase sólida dissolvida ou suspensa na fase líquida com ou sem reação química. Elas são equipamentos de simples operação, mas que apresentam uma fluidodinâmica bastante complexa. Seu funcionamento básico é dado pela injeção de um gás (fase dispersa) na base da coluna em um meio líquido (fase contínua). Elas são empregadas nas mais diversas áreas industriais, como processos de química fina, reações de oxidação, reações de alquilação, síntese de Fischer-Tropsch, tratamento de efluentes, reações de fermentação e produção de proteínas, e mais recentemente, em cultura de células devido à sua simplicidade de construção e operação. Processos que utilizam esse tipo equipamento se aproveitam das vantagens que eles apresentam como o fato de não possuírem partes móveis e propiciarem uma grande área de contato entre as fases e conseqüentes taxas elevadas de transferência de massa e calor, o que favorece tanto as reações químicas quanto as biológicas. O objetivo deste trabalho foi analisar computacionalmente, através da fluidodinâmica computacional (CFD), a influência de parâmetros geométricos (diferentes tipos de distribuidor de fase gasosa e recirculação externa da fase líquida na coluna) na fluidodinâmica do sistema. Foram realizadas simulações tridimensionais de colunas de bolhas empregando o pacote computacional ANSYS/CFX 5.11 que utiliza o método dos volumes finitos na discretização das equações diferenciais que governam o escoamento em colunas de bolhas de escala de laboratório. Foi observado que a inclusão de distribuidores de fase gasosa na malha computacional acarretou em melhor predição dos perfis de fração volumétrica de gás nas colunas, resolvendo os problemas de aproximações geométricas arbitrárias sobre a forma de se distribuir o gás pela coluna em casos que a simples injeção uniforme apresenta problemas. A utilização dessa abordagem, no entanto, deve ser cuidadosamente considerada devido ao aumento do esforço computacional. Também foi observada uma mudança notável no comportamento do perfil de velocidade axial da fase líquida devido à utilização de uma recirculação externa à coluna (External Loop), acarretando um decréscimo no valor total de fração volumétrica de gás na coluna (Total gas hold-up). No equipamento com o "Externalloop", o perfil de velocidade axial do líquido é ascendente em todo o corpo principal da coluna, diferindo das colunas cilíndricas verticais que possuem fluxo ascendente no centro da coluna e descendente nas regiões próximas às paredes. Os resultados mostraram que a metodologia utilizada no trabalho é adequada e capaz de prever comportamentos importantes nos equipamentos bifásicos em questãoAbstract: Bubble columns are equipments used to perform mass and heat transfer operations between a gas and a liquid phase, or between a gas phase and a solid phase dissolved or suspended in the liquid phase with or without chemical reaction. They are of simple operation, but offer room for a quite complex multiphase flow. Its basic operation is given by the injection of a gas phase (dispersed phase) at the base of the column passing through a liquid medium (continuous phase). They are employed in a broad variety of industrial sectors, such as processes of fine chemicals, oxidation reactions, alkylation reactions, Fischer- Tropsch synthesis, effluents treatment, fermentation and production of proteins and more recently in cell culture because of its simplicity of construction and operation. Processes that use such equipment take advantage of the fact that they have no moving parts and offer a high contact area between phases and consequent elevated mass and heat transfer rates, which favours both chemical and biological reactions. 'The goal of this study is to use computational fluid dynamics (CFD) to examine the influence of geometric parameters (different types of gas spargers and a liquid phase external loop recirculation) and some approximations usually made in computational studies published in the literature. In this work three-dimensional simulations of bubble columns were performed using ANSYS/CFX 5.11 computational package, which handles the finite volume method for discretizing the differential equations representing the flow in order to study laboratory scale bubble columns. It was observed that the inclusion of gas spargers in the computational mesh of bubble column simulations improved the description of the gas volume fraction profiles in the columns and solved the problems of arbitrary decisions on how to distribute the entering gas in cases where the simple uniform injection present problems. Using this approach, however, should be considered with care due to additional computational effort needed to achieve the desired solution. There was also a remarkable change in the behavior of the liquid phase axial velocity profiles due to the use of an external loop to the column, causing a decrease in the value of the total amount of gas present in the column (Total gas holdup). In the external loop equipment, the liquid axial velocity profile is upward throughout the entire main column, differing from cylindrical vertical columns in which the liquid flow is upward at the center of the column and is downward in regions near the walls. The results showed that the methodology used in this work is adequate, and able to predict bubble column and other two-phase equipment behaviourMestradoDesenvolvimento de Processos QuímicosDoutor em Engenharia Químic