Search

A caracterização da fluidodinâmica no interior de sistemas de leito fluidizado circulante (LFC), seja para a melhoria no rendimento dos processos atuais, ou para o desenvolvimento de novas aplicações, tem siso objeto de estudo de pesquisadores. Em especial, esforços têm sido dedicados ao estudo dos dispositivos de reciclagem dos sólidos utilizados nestes sistemas, devido à sua forte influência sobre a intensidade do trânsito das partículas e na distribuição do inventário do leito ao longo do circuito de fluidização. Assim, tendo em vista a necessidade de aprofundar o conhecimento operacional destes dispositivos, analisou-se no presente estudo o efeito promovido pelo modo de aeração de uma válvula loop-seal do tipo U sobre o comportamento de variáveis operacionais de uma unidade de LFC. Para isso, testes experimentais na temperatura ambiente foram realizados em um equipamento de LFC construído em escala de laboratório, utilizando aeração vertical nos modos mono e bicâmara na base da válvula de reciclagem dos sólidos. Fixando-se a velocidade de fluidização no riser e o tamanho médio das partículas do leito (areia quartzosa), verificou-se a influência dos modos de aeração acima escritos sobre o perfil de pressão estática, a distribuição do inventário de leito e a taxa de circulação dos sólidos transportados pelo circuito de fluidização em função do modo e da taxa de injeção de ar aplicada nas câmeras de alimentação e de reciclagem da válvula loop-seal. O tratamento dos dados incluiu uma análise de variância (ANOVA), a fim de verificar a significância dos efeitos ocasionados pelos modos de aeração utilizados na válvula loop-seal nas condições experimentais testadas. Sob operação nos diferentes modos de aeração analisados, os resultados indicaram taxas crescentes de circulação dos sólidos na faixa de 15 kg/m².s a 46 kg/m2.s, quando o número de fluidização na válvula loop-seal variou de 1,4 a 2,5. Observou-se que o modo de aeração não afetou o valor médio do GS ao nível de confiança de 95%. No entanto, foram identificadas diferenças significativas na queda de pressão nos componentes riser, standpipe/câmara de alimentação e câmara de reciclagem em relação ao modo de aeração usado. Nesse sentido, com o aumento da taxa de aeração, os dois primeiros componentes acima descritos experimentaram um aumento na queda de pressão, enquanto que, no terceiro, houve uma diminuição devido ao acréscimo na porosidade do leito no local. O ciclone não sofreu variação significativa na queda de pressão em qualquer modo e taxa de aeração, sugerindo a não dependência deste em relação à taxa de circulação de sólidos promovida no sistema de LFC. The study of the hydrodynamics behavior inside CFB units either to improve the performance of current processes or to develop new applications still deserves the attention of researchers. In particular, efforts have been devoted to the study of solids recycling devices because of their strong influence on the intensity of the particle circulation, the pressure drop and the distribution of the bed inventory along the fluidization loop. The present study aimed to analyze the effect promoted by the aeration mode of an U-type loop-seal valve on the hydrodynamics behavior of a CFB system. For this, experimental runs under room temperature conditions were performed in a bench-scale CFB unit using vertical chamber aeration in mono and dual modes at the base of the solids recycling valve. By keeping constant both the superficial fluidization velocity at the riser and the bed mass loaded with particles of quartz sand, the study analyzes the influence of the aeration modes applied on the loop-seal valve on the static pressure profile, the bed inventory distribution and the solids circulation rate as a function of the air injection rate used in the supply and/or the recycle chamber. An analysis of variance (ANOVA) is also included in order to verify the significance of the effects caused by the aeration modes used in the loopseal valve under the experimental conditions tested. Under operation in the different aeration modes analyzed, the results indicated increasing solids flow rates in the range of 15 kg/m².s to 46 kg/m2 .s, when the fluidization number in the loop-seal valve ranged from 1.4 to 2.5. It was observed that the aeration mode did not affect the mean GS value at the 95% confidence level. However, significant differences were observed in the pressure drop in the riser, standpipe/supply chamber and recycle chamber components compared to the aeration mode used. In this sense, with the increase of the aeration rate, the first two components described above experienced an increase in the pressure drop, while in the third one there was a decrease due to the increase in the porosity of the bed in the place. The cyclone did not undergo significant variation in the pressure drop in any mode and aeration rate, suggesting the non-dependence of this in relation to the rate of solids circulation promoted in the LFC system.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) A tecnologia de leito fluidizado circulante (LFC) encontra-se em contínua expansão no mundo, sendo utilizada com reconhecido sucesso na produção de energia térmica e elétrica, na indústria petroquímica e de mineração. O estudo das características fluidodinâmicas do escoamento multifásico desenvolvido no interior de um sistema de LFC, principalmente por intermédio de ferramentas de fluidodinâmica computacional, tem se mostrado um meio eficaz para identificar potenciais melhorias relacionadas ao projeto de componentes e estabelecer as condições operacionais mais adequadas em aplicações específicas. Mesmo sendo foco de muitas pesquisas, percebe-se a existência de lacunas na modelagem integrada dos sistemas de LFC, isto é, com todos os seus componentes interligados em operação simultânea. Neste sentido, não há claridade na descrição do regime friccional das partículas, na avaliação das interações entre a fase sólida e as paredes, e na análise dos efeitos produzidos por escolhas nas condições de contorno das válvulas de recirculação do tipo loop-seal, usualmente simplificadas na literatura. Assim, visando contribuir para a compreensão do escoamento gás-partícula em unidades de LFC, este trabalho investiga, via método dos volumes finitos e por intermédio do programa computacional ANSYS® Fluent® v. 18.0, a influência da modelagem matemática, e da escolha de condições de contorno e operacionais, sobre a fluidodinâmica de um sistema de LFC com todos os seus componentes. Os principais resultados obtidos mostraram que o modelo de regime friccional de Johnson e Jackson, de 1987, associado ao valor de fração volumétrica crítica de sólidos igual a 0,61, representou melhor o comportamento fluidodinâmico do circuito, quando comparado com o modelo de Schaeffer, de 1987, especialmente na válvula loop-seal, onde o leito de partículas é muito denso. Dos modelos de arrasto testados, o de Syamlal-O’Brien, de 1989, parametrizado para condições de mínima fluidização, foi o que reproduziu de forma mais coerente o fenômeno do arrasto; todavia, vale-se ressaltar que todos os modelos testados superestimaram a interação entre as fases. O coeficiente de especularidade mais próximo de 0 gerou melhores resultados do que o usualmente empregado em simulações de sistemas integrados de LFC, sendo esse 0,6. Adicionalmente, os modelos se mostraram sensíveis às mudanças nas condições de contorno testadas. Por fim, percebeu-se que a metodologia de investigação adotada, que consistiu não só da verificação dos resultados do ponto de vista quantitativo, mas também qualitativo, foi imprescindível para a identificação das configurações computacionais que representassem de forma mais coerente a física do problema do escoamento gás-sólido no interior dos sistemas de LFC. Circulating fluidized beds (CFBs) are systems widely spread worldwide, and successfully applied in thermal and power generation, petrochemical and mining industries. The study of the multiphase flow hydrodynamics in CFB units, mainly by using computational fluid dynamics tools, has been recognized as an effective way to identify improvements in their components as well as in the operating conditions of either current processes or new applications. Although many works have already been published on such systems, some gaps about modeling them as an integrated equipment still remain. In this sense, there is not clarity about describing the friction regime for the particles, the assessment of interactions between the solid phase and walls, and the analysis on the effects produced by choosing particular boundary conditions in the loop-seal valve, which are usually simplified in the literature. So, in order to contribute for understanding better the behavior of the gas-solid flow in CFB systems, this research applies the finite volume method by means the ANSYS® Fluent® v. 18.0 software to analyze the influence of the mathematical modeling, as well as the choice of boundary and operational conditions on the hydrodynamics of an integrated bench-scale CFB system. The results showed that the Johnson and Jackson friction regime model applied along with a critical solid volume fraction of 0,61 led to better description of the gas-solid flow inside the CFB loop when compared to that obtained with the Schaeffer model, especially in the loop-seal region, where the bed of particles is denser. In regard of the drag models here tested, the Syamlal-O'Brien model parameterized for conditions of minimum fluidization came out the more coherent results for describing the drag phenomenon; however, it is worth to point out that all models overestimated the interaction between the gas and solid phases. On the other hand, simulations carried out using specularity coefficient closer to 0 brought better results than those employing the value of 0.6, which is usually considered for integrated CFB systems. Additionally, the models were sensitive to changes in the boundary conditions imposed on the loop-seal valve. Finally, it was noticed that the methodology here adopted, which was based not only on a quantitative analysis but also on a qualitative one contributed to identify computational modeling configurations that got to describe in a more coherent way the physics of the gas-solid flow inside of CFB systems.

Leitos fluidizados borbulhantes (LFBs) são bem conhecidos como sistemas eficientes para transferência de energia térmica em diversas aplicações industriais. Embora muitos trabalhos reportados na literatura tenham já relatado características do rendimento térmico de trocadores de calor gás-sólido em regime de LFB, evidencia-se pouca informação sobre o projeto destes sistemas voltados à sua avaliação experimental a partir do uso de técnicas de flutuações de pressão para o monitoramento do regime fluidodinâmico. Tendo em vista esta lacuna, o presente trabalho apresenta o procedimento para o dimensionamento de um trocador de calor tipo jaqueta inserido em uma coluna de leito fluidizado borbulhante construída em escala de laboratório, bem como a análise da avaliação experimental do coeficiente de transferência de calor suspensão-parede do dispositivo durante o aquecimento de água. Como garantia da operação do sistema em regime de fluidização borbulhante, incluindo ainda a exploração de condições próximas à da mínima fluidização das partículas, aplica-se o método da frequência central gaussiana como ferramenta para a detecção da desfluidização a partir de medições de flutuações de pressão. Os dados experimentais foram analisados assumindo fluxo de calor uniforme (solução de segundo tipo) ou temperatura uniforme (solução de terceiro tipo) na parede interna da jaqueta d’água. Inicialmente, testes envolvendo vazões mássicas do líquido na faixa de 1,83 ± 0,01 kg/h a 4,46 ± 0,02 kg/h, foram realizados com velocidade de fluidização na razão uo/umf igual a 4. Posteriormente, testes experimentais na vazão mássica fixa de água de 3,62 ± 0,01 kg/h, foram realizados com partículas de diâmetro médio de Sauter de 194 µm e 359 µm e com ar de fluidização alimentado em razões uo/umf de 0,5 a 4,0. Em todos os ensaios deste estudo, o regime de escoamento da água na região anular do trocador de calor foi caracterizado como laminar e termicamente em desenvolvimento. Os resultados apontaram uma variação no coeficiente de transferência de calor suspensão-parede na faixa de 169,93 ± 7,52 W/m²K a 353,28 ± 29,78 W/m²K para solução de segundo tipo, e de 191,54 ± 8,55 W/m²K a 468,43 ± 39,27 W/m²K para solução de terceiro tipo, ao utilizar temperaturas do leito de 50 ºC e 70 ºC. A análise dos dados obtidos confirma que o uso das partículas mais finas e temperaturas maiores do leito promovem o incremento no valor do coeficiente de transferência de calor suspensão-parede. Adicionalmente, os resultados verificaram a presença de um valor máximo do coeficiente de transferência de calor suspensão-parede na faixa de uo/umf analisada. Bubbling fluidized beds (BFBs) are well known as efficient systems for thermal energy transfer in several industrial applications. Although many works have already pointed out the performance features of gas-solid BFB heat exchangers, more data about the design and operation of these devices are needed when using pressure fluctuation techniques for the hydrodynamics control. Considering this gap, the procedure for the design of a jacket-type heat exchanger placed in a bench scale bubbling fluidized bed column and the experimental assessment of its bed-to-wall heat transfer coefficient under several operating conditions are presented here. As a guarantee for operating the system under a bubbling fluidization regime, as well as in conditions close to the minimum fluidization, the central Gaussian frequency method is applied. By using this method, it is possible to identify the defluidization phenomenon from pressure fluctuations measurements. The experimental information was analyzed assuming uniform heat flux (solution of second type) or uniform temperature (solution of third type) in the inner wall of the water jacket. Initial tests were performed at fluidization velocity uo/umf ratio equal to 4, involving water mass flow rates in the range of 1.83 ± 0.01 kg/h to 4.46 ± 0.02 kg/h. Other experimental tests, this time involving water mass flow rate kept constant at 3.62 ± 0.01 kg/h, were carried out with particles of 194 and 359 μm in Sauter mean diameter and with fluidization air fed in uo/umf ratios changing from 0.5 to 4.0. In all tests of this study, the water flow regime in the annular region of the heat exchanger was identified as laminar and thermally developing. Results indicated that the bed-to-wall heat transfer coefficient varies in the range of 169.93 ± 7.52 W/m²K to 353.28 ± 29.78 W/m²K for the second type solution and from 191.54 ± 8.55 W/m²K to 468.43 ± 39.27 W/m²K for the third type solution, when using bed temperatures of 50 °C and 70 °C. The analysis of these results confirms that by using the finer particle or the higher bed temperature, the value of the bed-to-wall heat transfer coefficient tends to increase. In addition, results suggested that a maximum value of the bed-to-wall heat transfer coefficient can be obtained in the range of uo/umf ratio tested, which is in agree with previous works.

Leitos fluidizados borbulhantes (LFB) têm sido utilizados em muitas aplicações industriais, tendo destaque na conversão energética de combustíveis sólidos em reatores de combustão, gaseificação e pirólise rápida. Nos últimos anos, o estudo da fluidodinâmica de misturas areia-biomassa em reatores de LFB vem ganhando importância, devido à necessidade de identificar o surgimento de fenômenos indesejados no escoamento gás-sólido, tais como a defluidização súbita e a segregação de partículas promovida pela natureza polidispersa dos materiais do leito. Com o propósito de contribuir nesta direção, o presente trabalho estuda a fluidodinâmica de misturas areia-serragem em relação aos fenômenos anteriormente descritos e à intensidade do comportamento caótico do leito fluidizado sob várias condições operacionais. Medidas de flutuação de pressão do leito foram obtidas a fim de estudar a defluidização e a segregação de partículas com apoio da técnica de análise espectral Gaussiana, bem como, a presença de caos utilizando wavelet e o teste 0-1. O material do leito foi constituído por misturas de areia quartzosa e serragem de pinus em porcentagens mássicas de 2,5% e 5% de biomassa, nos inventários de leito de 0,5 e 1,0 kg. Os testes experimentais foram realizados numa coluna de acrílico de 0,11 m de diâmetro interno e 1,0 m de altura. Os valores de pressão estática do leito foram registrados utilizando um sistema de aquisição de dados composto de transdutores de pressão de resposta rápida e software LabVIEWTM versão 10.0. Os ensaios seguiram um planejamento fatorial 22 com três repetições, totalizando 12 experimentos com misturas areia-serragem. Com os resultados foram obtidas as curvas fluidodinâmica e de frequência central, ambas utilizadas para a identificação do estado de mínima fluidização do leito. Adicionalmente, foram elaboradas curvas de variação de concentração de biomassa em função da altura de camadas do leito para a avaliação da intensidade da segregação. Os resultados mostraram que, em todos os casos, a região de defluidização é atingida em uma velocidade superficial do gás próxima ao valor de 0,05 m/s. Em relação ao estudo de segregação, os resultados sugerem que esta tende a ser maior para leitos rasos do que para leitos profundos, não sendo claramente verificado o efeito da porcentagem de biomassa na mistura dentro da faixa testada. Uma análise estatística e gráfico de pareto foram utilizados para confirmar a significância das tendências observadas. Os dados de pressão na condição de mínima fluidização foram utilizados para determinar a presença de comportamento caótico das misturas testadas. Neste sentido, verificou-se que em todos os ensaios o comportamento foi caótico, apresentando na análise quantitativa, ou seja, teste 0-1, resultados do parâmetro K* superior a 0,9 e na análise qualitativa utilizando wavelet, regiões de energias distribuídas. Bubbling fluidized beds (LFB) have been used in many industrial applications, with emphasis on energy conversion of solid fuel combustion reactor, gasification and fast pyrolysis. In recent years, the study of fluid dynamics mixture of sand-biomass LFB reactors is gaining importance due to the need to identify the emergence of undesired phenomena in the gas-solid flow, such as sudden defluidization and segregation of particles promoted by the nature polydispersed of the bed material. In order to contribute in this direction, the present work studies the fluid mixtures sandsawing in relation to the previously described phenomena and chaotic behavior intensity of the fluidized bed under various operating conditions. Bed pressure fluctuation measurements were taken to study the defluidization and segregation of particles with the Gaussian spectral technique’s support as well as the presence of chaos using wavelet and 0-1 Test. The bed material consisted of quartz sand and mixtures of pine sawdust with mass percentages of 2.5% and 5% and the inventories of 0.5 and 1.0 kg. Experimental tests were performed in a Plexiglas column of internal diameter 0.11 m and 1.0 m of height. The static pressure values of the bed were recorded using a data acquisition system composed of fast response pressure transducers and software LabVIEWTM version 10.0. The tests followed a 22 factorial design with triplicate, totaling 12 experiments with mixtures sand-sawdust. Thus, with the results were obtained fluid dynamics and curves of central frequency, both used to identify the state of minimum fluidization of the bed. Additionally, the biomass concentration variation curves were prepared according to the layers height of the bed for evaluating the intensity of the segregation. The results showed that in all cases the defluidization region is reached in superficial gas velocity around of 0.05 m/s. Compared to the study of segregation, the results suggest that it tends to be higher for shallow bed than deep beds, not being clearly seen the effect of the percentage of biomass in the mixture within the range tested. A statistical analysis and Pareto chart were used to confirm the significance of the trends observed. The pressure data in the minimum fluidization condition were used to determine the chaotic behavior of the tested mixtures. Thus, the results showed that in all test, the behavior were chaotic, showing in the quantitative analysis, 0-1 test, results of the K* parameter above 0.9 and in the qualitative analysis using wavelet, presented distributed energy regions.