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Título: Modelagem da zona de cremagem de uma mistura óleo/água via CFD
Autor(es): Deoclecio, Lucas Henrique Pagoto
Orientador: Meneguelo, Ana Paula
Coorientador: Ribeiro, Daniel da Cunha
Data do documento: 23-Ago-2018
Citação: DEOCLECIO, Lucas Henrique Pagoto. Modelagem da zona de cremagem de uma mistura óleo/água via CFD. 2018. 128 f. Dissertação (Mestrado em Energia) - Programa de Pós-Graduação em Energia, Universidade Federal do Espírito Santo, Centro Universitário Norte do Espírito Santo, São Mateus, 2018.
Resumo: Os separadores gravitacionais de misturas dispersas de dois líquidos estão presentes em várias áreas da indústria. Contudo, a previsão da dinâmica da separação desses equipamentos é complexa, visto que envolve os mecanismos concomitantes e de influência mutua (por meio da distribuição do tamanho de gotas (DTG)) de cremagem (ou sedimentação) e coalescência. Logo, é importante conhecer os fenômenos e os modelos disponíveis para a sua representação antes da implementação do modelo. O objetivo desta dissertação é modelar por meio da Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) a zona de cremagem laminar de uma separação gravitacional em batelada no regime de Stokes. Para tal, os resultados numéricos (com auxílio do software Ansys Fluent® 15.0 e 18.2) foram comparados com os resultados experimentais de Jeelani, Hosig e Windhab (2005). Para modelar a influência da fração volumétrica da fase dispersa na taxa de cremagem, o modelo de arrasto de Schiller e Naumann (1935) foi empregado com o modificador de arrasto de Richardson e Zaki (1954). A DTG foi discretizada com o método de integração numérica de Gauss-Legendre e a previsão do tamanho das gotas nascidas do processo de coalescência foi estimada com o modelo de Wang e Davis (1996). Tanto a representação da DTG quanto os modelos de arrasto se mostraram adequados para modelar o processo de separação, contudo, a determinação dos limites da zona de cremagem se mostrou fator relevante, especialmente em relação da determinação da interface de coalescência, que parece ser função do fator de empacotamento das gotas. Os modelos de coalescência avaliados foram o de eficiência de coalescência constante, velocidade de aproximação crítica e tempo de drenagem do filme de uma gota deformável com interface parcialmente móvel. Os três modelos apresentaram resultados similares no regime de escoamento modelado, no entanto, o modelo de drenagem do filme foi empregado com o seu coeficiente padrão e não precisou ser calibrado, isto porque esse modelo é mais completo, pois além da velocidade relativa entre as gotas leva em conta a viscosidade das fases, a tensão superficial e o diâmetro das gotas. Os modelos de coalescência foram calibrados para uma condição experimental e depois empregados com o mesmo parâmetro de ajuste para os outros experimentos com diferentes DTGs e fração volumétrica, sugerindo os parâmetros de ajuste dos modelos são funções das propriedades do líquidos apenas. O erro máximo médio entre as posições das interfaces de cremagem e coalescência experimentais e numéricas foi de 5,03%. Além disso, o perfil de fração volumétrica das fases também foi estimado com razoável precisão modelos numéricas.
Gravitational separators of dispersed mixtures of two liquids are present in many industry areas. However, the separation dynamics prediction of these equipment is complex, since it involves the concomitant and of mutual influence (by means of the droplet size distribution (DSD)) mechanisms of creaming (or sedimentation) and coalescence. Therefore, it is important to know the phenomena and the models available for their representation before the model implementation. The objective of this dissertation is to model, through Computational Fluid Dynamics (CFD), the laminar creaming zone of a batch gravitational separation in the Stokes regime. For this, the numerical results (using Ansys Fluent® 15.0 and 18.2) were compared with the experimental results of Jeelani, Hosig and Windhab (2005). To model the influence of the dispersed phase volume fraction on the creaming rate, the Schiller and Naumann drag model (1935) was used with the Richardson and Zaki (1954) drag modifier. The initial DSD was discretized with the Gauss-Legendre Quadrature and the new droplets size born from the coalescence process was estimated using the Wang and Davis (1996) model. Both the DSD representation and the drag models were suitable to model the separation process; however, the determination of the creaming zone limits was shown to be a relevant factor, especially in relation to the determination of the coalescence interface, which seems to be a function of the droplets packaging factor. The coalescence models evaluated were constant coalescing efficiency, critical approach velocity and film drainage time of a deformable drop with partially mobile interface. The three models presented similar results in the modeled flow regime; however, the film drainage model was used with its standard coefficient and did not need to be calibrated. This is because this model is more complete because, besides the relative velocity between the droplets it takes into account the phases viscosities and the surface tension, and the droplets diameter. The coalescence models were calibrated for an experimental condition and then employed with the same fitting parameter for other experiments with different DSD and volume fraction, suggesting the models fitting parameters are function of the liquids properties only. The maximum error between the experimental and numerical creaming and coalescence positions was 5.03%. In addition, the phases volume fraction profile was also estimated with reasonable accuracy by the numerical models.
URI: http://repositorio.ufes.br/handle/10/10605
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