Simulação de películas líquidas descendentes em geometria axissimétrica com e sem evaporação

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2015.No intuito de aprimorar a técnica de destilação convencional, foi criada a nova técnica de destilação por película descendente, cuja operação envolve a obtenção de uma película uniforme e estável ao longo da coluna. Esta tecnologia destaca-se pela utilização de pequena quantidade de fluido atrelada consequentemente à redução da energia necessária para a destilação. Como primeiros passos para aprofundar conhecimentos desse tipo de sistema, é necessário o estudo detalhado dos fenômenos de transferência que ocorrem na coluna durante a consolidação do filme sobre a parede e do processo de evaporação parcial do mesmo. Diante desta motivação, neste trabalho, considerando-se diferentes fluidos, procurou-se simular o desenvolvimento de filmes líquidos descendentes sobre a parede interna de uma coluna cilíndrica, na condição isotérmica e com aquecimento da parede, gerando neste caso situações de vaporização parcial do líquido. Para a representação desta situação física, utilizou-se de uma ferramenta CFD (Fluidodinâmica Computacional), no caso o Comsol Multiphysics®, em geometria 2D axissimétrica. Além das equações de Navier-Stokes, da equação da conservação da massa e das equações de transferência de calor com mudança de fase, utiliza-se equações adicionais para o acompanhamento da interface líquido/gás/vapor, provenientes do método phase field para escoamentos bifásicos. Para a resolução das equações diferenciais, o software em questão se utiliza do método dos elementos finitos. Assim, foi possível estudar padrões de comportamento fluidodinâmico e de transferência de calor no desenvolvimento dessa operação. Para representar os escoamentos, foram testados três fluidos de diferentes viscosidades e massa específicas, a fim de avaliar a influência destas propriedades sobre alguns aspectos e parâmetros do processo, como espessura do filme, perfis de velocidade das fases e vazão de alimentação. Para representar os fluidos viscosos, foram utilizados óleo de soja e óleo Spindura, sendo o primeiro o mais viscoso. O fluido menos viscoso foi representado pela água. Pôde-se verificar que os fluidos mais viscosos apresentaram maiores espessuras e menores velocidades da fase líquida e gasosa. Diante do objetivo de se estudar o fenômeno de transferência de calor com mudança de fase, neste caso somente para a água, foi imposta a condição de aquecimento da parede da coluna e os resultados obtidos foram comparados com o escoamento da água à temperatura ambiente. Para estudar este fenômeno, foram aplicadas temperaturas de 110ºC, 120ºC, 130ºC e 140ºC, assumindo um valor uniforme de temperatura na parede da coluna. Constatou-se que, quanto maior a temperatura daparede, menor a espessura do filme descendente, maior o fluxo de calor e consequentemente maior a taxa de evaporação. Em relação à evaporação do filme descendente, para a menor temperatura aplicada (110ºC), obteve-se 0,25% de vapor e para a maior temperatura aplicada (140ºC), a quantidade de vapor gerado foi de 17,50% em relação à massa de líquido injetada. Frente aos resultados obtidos, conclui-se que o modelo utilizado para simular a coluna de película descendente com e sem transferência de calor e mudança de fase, mostrou-se apto a reproduzir a realidade física do sistema, podendo se constituir em valiosa ferramenta para o projeto e condução das operações afins.Abstract : In order to improve the conventional distillation technique, it was created a new falling film distillation technique which operation involves obtaining a stable and uniform film along the column. This technology is distinguished by the use of small amount of fluid linked therefore to the reduction of energy required for distillation. As first steps to deepen knowledge of this type of system, we need a detailed study of transfer phenomena that occur in the column during the consolidation of the film on the wall and the process of partial evaporation of the same. In face of this motivation and considering different fluids, in this work we tried to simulate the development of falling liquid film on the inner wall of a cylindrical column in the isothermal condition and heating wall, creating situations of partial vaporization of the liquid. For the physical representation of this situation, we used a CFD (Computational Fluid Dynamics) tool, the Comsol Multiphysics®, with a 2D axisymmetric geometry. In addition to the Navier-Stokes equations, the equation of conservation of mass and heat transfer equations with phase change, additional equations are used for monitoring the liquid/gas interface/vapor from the phase field method for two-phase flows. For the resolution of differential equations, the software uses the finite element method. Thus, it was possible to study patterns of fluid dynamic behavior and heat transfer in the development of this operation. Three fluids of different viscosities and specific mass were tested to represent the flows in order to evaluate the influence of these properties of some aspects and process parameters such as film thickness, the phase velocity profiles and feed flow rate. To represent the viscous fluid, soybean oil and Spindura oil were used, the first being the more viscous. The less viscous fluid was represented by water. It was verified that the most viscous fluids showed a thicker pattern and slower speeds of liquid and gas phase. Given the objective of studying the phenomenon of heat transfer by phase change, in this case only for water, the condition of heating of the wall was imposed and the results were compared with the flow of water at room temperature. To study this phenomenon, temperatures of 110ºC, 120ºC, 130ºC and 140ºC were applied, assuming a uniform temperature value on the wall of the column. It was found that the higher the temperature of the wall, the smaller the thickness of the falling film, the greater the heat flow and a consequently increasing of the evaporation rate was observed. In relation to the falling film evaporation, for the lower temperature applied (110°C) were obtained 0.25% of steam and for the higher temperature applied (140°C), the amount of steam generated was 17.50% in relationto mass of injected liquid. Based on the results obtained, it is concluded that the model used to simulate the falling film column with and without heat transfer and phase change, proved able to reproduce the physical reality of the system, which may constitute a valuable tool for design and conduct of related operations