Use of CFD tool to represent the flow structure on a pilot scale flotation unitytreating water for supply

A flotação por ar dissolvido é atualmente muito utilizada e reconhecida como uma técnica eficiente para o tratamento de águas para abastecimento. Diversos estudos vêm sendo realizados para aprimoramento desta técnica e das características físicas das unidades, dentre estes o estudo do emprego de ferramenta de simulação computacional do escoamento (CFD) para melhor compreensão da estrutura de escoamento dentro dos tanques e da influência de diversos parâmetros no processo, de modo a auxiliar nas etapas de projeto e melhorias das unidades. Neste contexto, o presente trabalho propôs a verificação do potencial de utilização da ferramenta computacional CFD para representação do escoamento em uma unidade piloto de flotação por ar dissolvido de grande porte. A pesquisa foi dividida em cinco etapas: as Etapas I e II compreenderam a validação dos modelos adotados através da variação do diâmetro de microbolhas e comparação com resultados experimentais de ADV de Escher (2011), na Zona de Separação, e de Patrizzi (2005), em ambas as zonas do reator; na Etapa III, foram realizadas quatro simulações com uma das configurações da Etapa I, variando a condição de contorno de superfície e de saída do flotador, de modo a calibrar o modelo; na Etapa IV, foram realizadas cinco simulações com um dos modelos da Etapa III, variando a geometria da unidade para análise da influência destas na estrutura de escoamento; e, finalmente, na Etapa V, uma mesma configuração de operação e geometria foi empregada em três variações do modelo, por meio de mudanças na condição de contorno de saída e na abordagem Eulerian-Eulerian ou Eulerian-Lagrangian. Nas Etapas I, II e V, a superfície d\'água foi modelada como parede porosa sem atrito (permitindo a saída do ar), nas Etapas III e IV, esta foi modelada como superfície livre. Além dos resultados experimentais de ADV das autoras citadas, foram utilizados como base para avaliação dos resultados numéricos, os valores de concentração de ar e gradiente de velocidade. Os resultados mostraram que as simulações com parede porosa subestimaram os vetores de velocidade próximos à superfície, porém apresentaram resultados de concentração de ar próximos ao esperado. Em contrapartida, as simulações com superfície livre foram capazes de reproduzir melhor a turbulência próxima à superfície d\'água, entretanto, não descreveram bem a concentração de microbolhas no meio líquido.The dissolved air flotation is currently widely used and recognized as an effective technique for the treatment of water for supply. Several studies have been conducted to perfect this technique and the physical characteristics of units, among them the application of computational flow simulation (CFD) to better understand the flow structure inside the tanks and the influence of various parameters on the process, to aid in the design steps and improvements of the units. In this context, the present study aimed to verify the potential use of CFD computational tool to represent the flow in a large scale pilot unit of dissolved air flotation. The research was divided into five stages: Stages I and II comprised the validation of the adopted models by varying the diameter of microbubbles and comparison with experimental results of ADV from Escher (2011), in the Separation Zone, and Patrizzi (2005) in both reactor zones; in Step III, four simulations were carried out with a group of settings of Step I, varying boundary conditionsof the surface and outlet of the flotation unit, in order to calibrate the model; in Step IV five simulations were performed using one of the models of Step III, varying the geometry of the unit to analyze the influence on the flow structure; and finally, in Step V, the same geometry and operating configuration was tested in three variants of the model, by changingboundary conditions and outlet in Eulerian-Eulerian or Eulerian- Lagrangian approaches. In Steps I, II and V, the water surface was modeled as a frictionless porous wall (allowing air to scape), while in Steps III and IV, it was modeled as a free surface. In addition to the ADV experimental results of cited authors, were also used as basis for evaluating the numerical results, values of air concentration and velocity gradient. The results showed that simulations with porous wall underestimated the velocity vectors near the surface, although, these results showed air concentration close to expected values. In contrast, simulations with free surface were able to better represent the turbulence near the water surface, however, were unable to describe the concentration of microbubbles in the liquid medium