Numerical investigation of condensing flows in a supersonic separator.

As recentes descobertas de grandes volumes de hidrocarbonetos na costa, nos chamados reservatórios do pré-sal, reforçam o importante papel que o Brasil desempenhará no cenário energético mundial. Um dos grandes problemas presentes nessas áreas é a alta concentração de dióxido de carbono CO2 associado ao gás natural, em reservas com um alto potencial de produção. A experiência operacional diz que também é necessário reduzir e controlar a presença de água, na forma líquida ou de vapor, presente no gás natural, para garantir seu processamento e transmissão com segurança. O separador supersônico, uma tecnologia inovadora baseada no resfriamento adiabático de um fluxo de gás submetido a um turbilhão, surge como uma nova e promissora técnica para remover dióxido de carbono e componentes gasosos de um gás natural. No entanto, o processo de condensação em um fluxo compressível em turbilhão ainda é pouco conhecido. Isso coloca sérios desafios ao design desses dispositivos. Como contribuição para superar esses desafios, este trabalho tem como objetivo investigar a nucleação de moléculas simples comparando diversas equações da taxa de nucleação associadas ao Método dos Momentos de Hill. A não idealidade dos gases é bem discutida e os fenômenos de mudança de fase para aplicação em um separador supersônico de gás natural são estudados considerando inicialmente a condensação da água. O modelo Euler acoplado ao método dos momentos foi utilizado para investigar os fluxos de condensação em não-equilíbrio nos bocais. Os resultados númericos foram verificados com dados experimentais disponíveis na literatura e houve uma melhora significativa na captura da onda de condensação.Recent discoveries of large volumes of hydrocarbons on the coast, in the so-called pre-salt reservoirs, reinforce Brazil\'s role as an important player in the world energy scenario. One of the most relevant issues presents in this areas is the high concentration of carbon dioxide CO2 associated with natural gas in reserves with high production potential. The operating experience says that it is also necessary to reduce and control the presence of water, in liquid or vapor form, present in natural gas, to ensure its processing and transmission safely. The supersonic separation, an innovative technology based on the adiabatic cooling of a swirling gas flow, arise as promising new technique to remove carbon dioxide and gaseous components out of a natural gas. However, the process of condensation in a swirling compressible flow, is still poorly understood. This poses serious challenges to the design of those devices. As a contribution to overcoming those challenges, this work aims to investigate the nucleation of simple molecules the nucleation of simple molecules by comparing several nucleation rate equations associated with Hill\'s Method of Moments. The non-ideality of gases is well discussed and the phase change phenomena for application in a supersonic separator of natural gas are studied considering the condensation of water initially. The Euler model coupled to the method of moments was used to investigate non-equilibrium condensing flows in nozzles. The numerical results were verified with experimental data available in the literature and there was a significant improvement in the capture of the condensation wave