Modeling and simulation of soot production in FSP reactors

Orientador: Dirceu NorilerDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia QuímicaResumo: A formação de fuligem durante processos de combustão vem ganhando a atenção dos pesquisadores haja vista que, apesar dos progressos significativos realizados nas últimas décadas, esse fenômeno ainda não é totalmente compreendido. Devido à leis ambientais cada vez mais restritas e ao fato de que a fuligem pode ser usada em casos práticos, como na produção de pós de negro de fumo (carbono nanoestruturado), é necessário prever a quantidade e as características desse componente. O negro de fumo é amplamente empregado nas indústrias automotivas, de plásticos e tintas. Recentemente, devido a suas propriedades de nanoescala como, por exemplo, maior área superficial, o negro de fumo tem se destacado para aplicações em baterias. Além disso, uma técnica alternativa para a produção de nanopartículas que também tem recebido atenção nos últimos anos é a pirólise em sprays flamejantes (FSP), a qual é capaz de fornecer produtos de alta pureza com faixas estreitas de distribuição de tamanhos. Desse modo, um estudo computacional sobre a formação de nanopartículas de negro de fumo em reatores FSP foi realizado empregando-se chamas turbulentas difusivas axissimétricas de p-xileno líquido e ar como gás de revestimento à pressão atmosférica. Um modelo matemático semi-empírico de três equações capaz de predizer a formação, crescimento e oxidação, bem como o diâmetro das partículas de negro de fumo foi desenvolvido e implementado no código comercial de CFD da ANSYS Fluent. O efeito da radiação das nanopartículas na chama foi avaliado a partir de modelos de radiação para o negro de fumo propostos na literatura. Cálculos numéricos foram realizados negligenciando e considerando a transferência de calor radiativa do negro de fumo com o intuito de avaliar esse efeito sobre o perfil de temperatura da chama e da fração mássica de negro de fumo. Os resultados mostraram que a negligência do efeito da radiação do negro de fumo é responsável por superestimar a temperatura da chama e, consequentemente, as taxas de formação e oxidação das nanopartículas. A avaliação da sensibilidade paramétrica do modelo desenvolvido foi realizada variando-se as vazões do ar de revestimento e do combustível. Foi observado que o aumento da vazão do ar de revestimento reduz o rendimento da produção de negro de fumo e que o incremento da vazão do combustível é responsável por aumentar o rendimentoAbstract: Soot formation during combustion processes has received attention from researchers since, despite the significant progress made in the last decades, this phenomenon is still not fully understood. Due to increasingly strict environmental laws and the fact that soot can be used in practical cases, such as the production of carbon black powders (nanostructured carbon), it is necessary to predict the quantity and characteristics of this component. Carbon black is widely used in the automotive, plastics and paint industries. Recently, due to its nanoscale properties, such as greater surface area, carbon black has outstanding for battery applications. In addition, an alternative technique to produce nanoparticles that has also received attention in recent years is the flame spray pyrolysis (FSP), which can deliver high purity products with narrow size distribution. Thus, a computational study on the formation of soot nanoparticles in FSP reactors was performed using turbulent axisymmetric diffusion flames of liquid p-xylene and air as a coating gas at atmospheric pressure. A semi-empirical mathematical model of three equation capable of predicting soot formation, growth, oxidation, as well as the soot particles diameter was developed and implemented in the ANSYS FLUENT CFD commercial code. The radiation effect of nanoparticles on the flame was evaluated from soot radiation models proposed in the literature. Numerical calculations were performed neglecting and considering the radiative heat transfer of soot in order to evaluate this effect on the flame temperature and soot mass fraction profiles. The results showed that the negligence of the soot radiation effect is responsible for overestimating the flame temperature and, consequently, the rates of formation and oxidation of the nanoparticles. The evaluation of the parametric sensitivity of the developed model was carried out by varying the flow rates of the sheath air and the fuel. It was observed that the increase in the flow of the sheath air reduces the efficiency of soot production and that the increase in the flow of the fuel is responsible for increasing the efficiencyMestradoEngenharia QuímicaMestra em Engenharia Química2188/18FAPES