Análise da fluidodinâmica do prato perfurado de uma unidade piloto de destilação

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2009O processo de destilação é amplamente utilizado em refinarias de petróleo porém, a maioria dos estudos que envolvem colunas de destilação estão fundamentados por modelos macroscópicos de conservação de massa e de energia, como por exemplo, os modelos de estágios de equilíbrio e não equilíbrio, nos quais os aspectos fluidodinâmicos do escoamento são restritos e orientados a medição de parâmetros macroscópicos. Neste trabalho é estudada a habilidade da fluidodinâmica computacional em modelar a complexa hidrodinâmica de pratos perfurados em colunas de destilação, afim de analisar o processo com uma abordagem microscópica. Para tanto objetiva-se a proposição de um modelo microscópico de conservação de quantidade de movimento, em condições de escoamento turbulento sob a influência da fase vapor, para representar a fluidodinâmica do escoamento líquido-vapor em prato perfurado de uma unidade piloto de destilação, com validação através da correlação experimental de Bennett et. al., (1983), e então analisar qual a influência, que as resistências utilizadas para controle com aquecimento distribuído da unidade piloto de destilação que estão sobre as superfícies dos pratos, tem sobre a fluidodinâmica do escoamento, além de um estudo sobre os fenômenos de transferência de calor e massa para uma mistura binária de etanol e água. A metodologia numérica consistiu em iniciar com o estudo de escoamento monofásico, passado para o multifásico em um prato perfurado, utilizando-se um modelo homogêneo e tridimensional. Após a validação deste modelo a partir da correlação experimental de Bennett et. al., (1983), estudou-se a influência que as resistências tem na sua hidrodinâmica, além de estudar os fenômenos de transferência de calor e massa para a mistura binária. Na análise dos resultados obtidos concluiu-se primeiramente que o modelo homogêneo, tridimensional, multifásico apresenta uma boa concordância com a correlação experimental de Bennett et. al., (1983), além de observar-se a ocorrência de diferentes padrões de escoamento na superfície do prato no interior de uma coluna de destilação de acordo com a vazão de vapor e a presença das resistências sobre a superfície dos pratos, sendo o escoamento não uniforme. Além disto, o fluxo de líquido próximo a parede tem uma tendência de retroceder, o que resulta no fenômeno de circulação que ocorre devido ao componente radial de velocidade sofrer um maior impacto do campo de pressão em comparação ao componente axial. Os efeitos de borbulhamento provocados pela fase vapor aumentam a energia cinética turbulenta do líquido fluindo horizontalmente. Também observou-se que a presença das resistências sobre a superfície do prato influenciam nos padrões de fluxo sobre o mesmo