Proposition and evaluation of new configuration of baffles in shell and tube heat exchanger in order to reduce pressure oscillations : experimental and CFD stud

Orientadores: Dirceu Noriler, Henry França MeierTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia QuímicaResumo: Trocadores de calor tipo casco e tubos (TCCT) são equipamentos largamente utilizados nas indústrias em geral, como é o caso do processo de hidrotratamento (HDT) na indústria do refino de petróleo (Longhi et al. (2012)), como a hidrogenação catalítica de cargas que darão origem aos combustíveis. Em alguns casos, como o HDT, há a mistura direta das fases líquida e gasosa/vapor e esta mistura precisa ser aquecida ou resfriada em um trocador de calor. Alguns autores têm mostrado que quando esta mistura bifásica está em trocadores de calor com escoamento vertical (Grant; Chisholm (1979)), ou feixe de tubos (Kanizawa; Ribatski (2017a)), podem ocorrer no interior destes equipamentos diversos padrões de escoamento como: estratificado, bolhas, spray ou intermitente. O presente trabalho tem como objetivo estudar e quantificar as oscilações de pressão em trocador de calor tipo casco e tubos, com escoamento predominantemente horizontal, causadas pelo regime de fluxo intermitente. Os dados foram adquiridos com sensores de pressão em seis pontos no equipamento experimental a frio com ar e água (25 °C), com a finalidade de acompanhar a golfada de líquido (slug flow) que ocorre no trocador de calor, e também com sensores de massa, sendo quatro células de carga instaladas na base do equipamento. Foi realizado planejamento experimental completo com 52, sendo 5 níveis para cada uma das 2 variáveis (velocidade do ar e da água), sendo mapeadas 25 condições experimentais. As velocidades avaliadas foram: 0 m/s; 0,25 m/s; 0,50 m/s; 0,75 m/s e 1 m/s para o ar e 0 m/s; 0,025 m/s; 0,050 m/s; 0,075 m/s e 0,1 m/s para a água. Os dados de pressão coletos foram filtrados e analisados os valores máximos, mínimos e de diferencial de pressão, além do desvio padrão da pressão atingida em cada um dos casos. Além disso, a massa total do sistema também foi avaliada, sendo essas comparações em relação às velocidades superficiais do ar e da água. Para o filtro, os dados foram separados via transformada wavelet e reagrupados por Multy-Resolution Analysis (MRA) em 3 níveis de sinais, micro escala, mesoescala e macroescala, que foram utilizados para filtrar os dados que continham ruído de alta frequência, sendo utilizados os dados da macroescala para as análises estatísticas. Após o entendimento dos fenômenos que ocorriam na geometria padrão, foram propostas por simulação numérica (CFD), em geometria simplificada, alternativas para mitigação do slug. Foi selecionado o caso que apresentou melhor desempenho, sendo este testado e comparado com os resultados da geometria original. A proposição geométrica proporcionou diminuição das oscilações de vazão e de pressão em todos os experimentos bifásicos analisados, não havendo mais golfadas em nenhum dos casos. Os valores de pressão média para os casos avaliados não apresentaram alterações significativas, enquanto, o desvio padrão da pressão diminuiu consideravelmente. A média da massa apresentou pequena diminuição para a geometria proposta, o que reflete em uma menor quantidade de água dentro do equipamentoAbstract: Shell and tube heat exchangers are equipment widely used in industries in general, as is the case of the hydrotreating process (HDT) in the oil refining industry (Longhi et al. (2012)). In some cases, such as HDT, there is a direct mixture of the liquid and gas/vapor phases and this mixture needs to be heated or cooled in a heat exchanger. Some authors have shown that when this two-phase mixture is in vertical-flow heat exchangers (Grant; Chisholm (1979) or tube bundles (Kanizawa; Ribatski (2017a)), several flow regimes can occur inside these equipment such as: stratified, bubbles, spray or intermittent. The present work aims to study and quantify the pressure fluctuations in shell and tube heat exchanger, with predominantly horizontal flow, caused by the intermittent flow regime. The pressure data were acquired with sensors in six points of the experimental facility with air and water (25 °C), to monitor the slug flow that occurs in the heat exchanger, and also with mass sensors, with four load cells being added to the base of the equipment. The experimental conditions were carried out based in a design of experiments with 52 (5 levels for 2 phase), the 25 experimental conditions were mapped. The evaluated superficial velocity were: 0 m/s; 0.25 m/s; 0.50 m/s; 0.75 m/s and 1 m/s for air and 0 m/s; 0.025 m/s; 0.050 m/s; 0.075 m/s and 0.1 m/s for water. The collected pressure data were filtered and the values of maximum, minimum, differential of pressure and standard deviation of the pressure reached in each case were analyzed, in addition, the total mass of the system was also evaluated, these comparisons being in relation to the surface velocities of air and water. For the filter, the data were separated via a wavelet transform and regrouped by Multy-Resolution Analysis (MRA) in 3 levels of signals, microscale, mesoscale, and macroscale, which were used to filter the data that contained high-frequency noise, being used macroscale data for statistical analysis. After understanding the phenomena that occurred in standard geometry, some alternatives for mitigating the slug flow were proposed by numerical simulation (CFD), in simplified geometry. The geometric proposition provided a significant decrease in flow and pressure oscillations and in all the two-phase experiments analyzed. There is no more slug flow in either case. The mean pressure values for the evaluated cases did not show significant changes, while the standard deviation of the pressure decreased considerably. The mass average showed a small decrease for the proposed geometry, which reflects in a smaller amount of water inside the equipmentDoutoradoEngenharia QuímicaDoutor em Engenharia Química5850.0103010.16.9PETROBRA