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Orientador: Jose Roberto Nunhez Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Tanques de mistura são muito usados na indústria química, petroquímica, farmacêutica e alimentícia, onde a eficiência das operações de mistura freqüentemente tem um grande impacto no custo de produção e na qualidade do produto. O objetivo deste trabalho é determinar curvas para Número de Potência versus Número de Reynolds, para os impelidores mais comumente utilizados na indústria química, através da fluidodinâmica computacional. Os principais fluxos gerados pelos impelidores estudados serão determinados tanto para escoamentos laminares quanto turbulentos, calculando-se o bombeamento gerado e os padrões de circulação gerados no tanque. Através dos resultados numéricos gerados pelo modelo proposto, serão determinadas correlações empíricas para as curvas para Número de Potência versus Número de Reynolds, a fim de gerar uma ferramenta útil e prática para utilização em projetos de sistemas de agitação e ¿scale-up¿. O presente trabalho tem como objetivo mostrar que um projeto adequado de um sistema de mistura pode minimizar os gastos energéticos do equipamento e seu tempo de processamento, além de melhorar a uniformidade do processo, impedindo, ou minimizando, a formação de zonas mortas. A fluidodinâmica computacional mostrou que tem um grande potencial para melhorar sistemas de agitação, permitindo aos engenheiros simular o desempenho de sistemas alternativos, tentando emparelhar parâmetros de operação, projeto mecânico e manipulação das propriedades fluidas ou, então, otimizar sistemas reacionais já implantados na indústria Abstract: Stirred vessels are widely used in chemical, petrochemical, pharmaceutical and food industries, where the mixing efficiency of the mixture frequently has a great impact in the product production cost and quality. The objective of this work is to build curves of Power Number versus Reynolds Number, for the most commonly used impellers in the chemical industry, through the use of CFD -computational fluid dynamics. The main flow generated by the studied impellers, the pumping number and the flow patterns in the tank will be determined. Through the numeric results generated by the proposed model, it is determined empiric correlations for Power Number versus Reynolds Number curve, in order to generate a useful and practical tool to be used in the design and scale-up of agitation systems. The present work aims to show that an optimized project of a mixture system can minimize the equipment power consumption and its processing time, improving uniformity for the whole process, minimizing the formation of dead zones. The computational fluid dynamics has proved to have a great potential to improve agitation systems, allowing the engineers to simulate alternative systems, trying to match operation parameters, equipment design and the fluids properties and also optimizing reactors that already implanted in the industry Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientadores: José Roberto Nunhez, Daniela da Silva Damaceno e Lucidio Cristovão Fardelone Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: O aumento das emissões de gases de efeito estufa (GEE) devido ao crescimento populacional e industrial é a principal causa do aquecimento global. No cenário atual da mudança climática governos e indústrias juntam esforços para diminuir a emissão de GEE através da implementação de tecnologias de Captura e Armazenamento de Carbono (CCS) e Captura, Armazenamento e Utilização de Carbono (CCUS). Um dos processos usados nas tecnologias CCS e CCUS é a formação de hidratos de gás. As metodologias empregadas na formação destas estruturas cristalinas apresentam limitações relacionadas com a troca térmica e a transferência de massa, ocasionando que o processo demore mais tempo do necessário. No presente trabalho foi avaliada a tecnologia de reatores NetMIX na formação de hidratos de gás, usando os equipamentos MicroNetMIX e LabNetMIX. O MicroNetMIX tem a capacidade de processar entre 1 e 2 kg/h de gás e o LabNetMIX pode processar até 10 kg/h de gás. Esses equipamentos são os primeiros protótipos da tecnologia NetMIX aplicados até o momento na formação de hidratos de CO2, CH4 e da mistura CO2 + CH4. Uma das principais aplicações da formação de hidratos de gás é na separação de CO2 da mistura CO2 + CH4, representando uma forma inovadora de lidar com os gases provenientes dos poços de petróleo. O gás associado aos poços do pré sal normalmente apresenta uma grande quantidade de CO2, que em alguns casos é superior à 40 %. Essa elevada porcentagem de CO2 dificulta o tratamento do gás, portanto, deve ser retirada para a comercialização do gás natural, para o armazenamento do CO2 ou disponibilização deste gás para uso industrial. A produção contínua de hidratos de gás usando os equipamentos a tecnologia NetMIX demostrou que a nucleação e o crescimento dos hidratos ocorrem em curto tempo, promovendo uma formação rápida e continua. Isto ocorre devido às características geométricas do reator, permitindo a troca térmica suficiente para remover o calor liberado durante a reação. Além disso, o reator NetMIX apresenta uma eficiente transferência de massa provocando o contato gás-água suficiente para promover a dissolução do gás na fase aquosa. O uso do promotor termodinâmico brometo de tetra-n-butilamônio (TBAB) propiciou a formação de hidratos de CO2 em condições termodinâmicas moderadas, isto é, pressões mais baixas e temperaturas mais altas. Além disso, os resultados demostraram que o TBAB também tem influência no tempo de formação dos hidratos de gás. Foram usadas as técnicas de cromatografia gasosa (CG) e espectroscopia de infravermelho para caracterizar as amostras de hidratos. O CG permitiu estimar os mols de CO2 armazenados nas cavidades do retículo cristalino. No caso da separação do CO2, essa técnica de análise possibilitou a determinação da fração molar dos gases presentes no hidrato compactado e comprovar a separação do CO2. Isto é, na fase hidrato foi encontrada uma maior quantidade de CO2 do que a quantidade de CO2 alimentada. A nova tecnologia de reatores NetMIX usada na de formação de hidratos é considerada uma estratégia promissora para a aplicação em tecnologias CCS, mudando a forma de lidar com gases como o CO2 e o CH4 que representam um risco para o meio ambiente Abstract: The increase in greenhouse gas emissions (GHG) due to the populational and industrial increment is the major cause of global warming. In the current scenery of climate change governments and industries join efforts to decrease the emissions of GEE through the implementation of Carbon Capture and Storage (CCS) and Carbon Capture, Utilization, and Storage (CCUS) technologies. One of the processes used in the CCS and CCUS technologies is the formation of gas hydrates. Methodologies used in the formation of these crystalline structures present limitations regarding heat and mass transfer. These limitations cause the hydration process to last more time than necessary. This work assessed an innovative technology of microreactors named NetMIX using in the formation of gas hydrates. Experiments were carried out using two devices with different production capacities. One of them is the MicroNetMIX which process 1-2 kg/h of gas, and the other is the LabNetMIX which process 10 kg/h of gas. These two devices are the first prototypes of this technology applied until this moment to study the formation of gas hydrates with CO2, CH4, and CO2 + CH4 mixture. One of the applications of gas hydrates using these devices is in the separation of CO2 from the CO2 + CH4 mixture, representing an innovative form to deal with the gas steamed in petroleum wells. Associated gas in the pre-salt wells normally contains a high amount of CO2, in some cases greater than 40 %. This high quantity of CO2 needs to be removed to commercialize the natural gas, store the CO2 or make available this gas for industrial use. The continuous production of gas hydrates using the NetMIX technology demonstrated that the nucleation and growth processes of hydrates occur in noticeably brief time, develop a rapid and continuous formation. This happens due to the geometrical characteristics of the reactor, allowing enough heat transfer to remove the heat release in the reaction. Also, this reactor presents a mass transfer efficiency allowing enough gas/water contact to promote the dissolution of gas in the aqueous phase. The use of the promoter tetra-n-butyl ammonium bromide (TBAB) allows the hydrate formation in moderate conditions, lower pressures, and higher temperatures. Also, TBAB shows influence in the reaction and production time. Two characterization techniques were used in this work: gas chromatography and infrared spectroscopy. The gas chromatography results allow to estimate the quantity of gas content in the cavities of gas hydrates. In the case of hydrates formed to separate CO2 from a mixture CO2 + CH4 mixture, gas chromatography showed that the crystalline structure separates gases and found a high quantity of CO2 in the hydrate phase compared with the feedstock. Hydrate formation using NetMIX technology is an important strategy applied in the CCS technology to change the form in how to lead with gases such as CO2 and CH4 that represent a substantial risk to the environment Doutorado Engenharia Química Doutora em Engenharia Química CAPES 88887.496308/2020-00

Orientador: José Roberto Nunhez Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: O projeto atual de agitadores industriais é essencialmente dependente de relações empíricas, visto que as leis físicas que regem os fenômenos envolvidos nos processos químicos são expressões cuja solução analíticaainda é desconhecida. Devido a isso, trabalhos experimentais são utilizados como principais referências para o cálculo do consumo de potência dos sistemas de agitação. Dessa forma, este projeto de pesquisa tem por objetivo principal a obtenção de dados de potência (Número de potência em função do Número de Reynolds) dos impelidores tipo pás retas inclinadasutilizando métodosexperimentais em regime turbulento. Posteriormente foi analisado o comportamento do número de potência em função da variação dos parâmetros geométricos (relações Di/T e w/Di) e a potência consumida do impelidor em função da velocidade rotacional do impelidor. Ademais, foram utilizados dois métodos para medição do torque (cálculo do consumo de potência) na unidade piloto de 50 L: 1 - transdutor de torque e 2 - parâmetros elétricos. Foram obtidos dados para configurações do sistema de agitação com e sem chicanas. Os resultados do número de potência em cento e vinte impelidores ensaiados analisaram: seis variações do diâmetro do impelidor (relações Di/T = 0,25; 0,33; 0,40; 0,45; 0,55 e 0,70), cinco variações da largura da pá do impelidor (relações w/Di = 0,14; 0,17; 0,20; 0,25 e 0,30) e quatro variações de ângulos das pás (30°, 45°, 60° e 90°) para cada tipo de configuração adotada. As principais contribuições deste trabalho são a comparação dos dados de pontência com os impulsos elétricos, de muita importância para a indústria química, pois transdutores de torque confiáveis são caros e não são comuns em instalações industriais e, também, o desenvolvimento de uma equação única para um impelidor baseado em suas relações geométricas (relação impelidor/diâmetro do tanque, comprimento da pá e ângulo de ataque). Isto foi sugerido por Nagata, mas em seu livro ele não conseguiu um ajuste realístico para os pontos. Este trabalho mostra que essa idéia funciona e pode ser utilizada para a estimativa de potência Abstract: The current project of industrial missing systems is essentially dependent on empirical correlations, since the physical laws governing the phenomena involved in chemical processes are expressions whose analytical solution is still unknown. Due to this factor, experimental works areused as main references for the estimation of the power consumption of the agitation systems.Thus, this research project has as main objective the acquisition of power data (Power Number as a function of Reynolds Number) of inclined straight-blade impellers using experimental methods in turbulent flow. At a later stage the power number behavior was analyzed as a function of the variation of the geometric parameters (Di/T and w/Di ratios) and the power consumed by the impeller as a function of the rotational speed of the impeller.In addition, two methods were used to measure the torque (power consumption calculation) in the 50 L pilot unit: torque transducer and electrical parameters. Data was obtained for configurations with and without baffles in the agitation system. The results of the power number for one hundred twenty impellers were analyzed. The data comprised six variation for the impeller diameter (Di/T ratios = 0.25, 0.33, 0.40, 0.45, 0.55 and 0, 70), five variations of impeller blade width (ratios w/Di = 0.14, 0.17, 0.20, 0.25 and 0.30) and four blade angular variations (30°, 45°, 60° and 90°) for each type of configuration adopted.The main contributions of this work are the comparison of the transducer results with the electric impulses of a frequency inverter.This is important for chemical industries. Reliable torque transducers are expensive and not common in industrial plants. The other novelty of this work is the development of an equation able to fit the power consumption as a function of the impeller relations (diameter ratio, blade with, and angle of attack). This was first suggested by Nagata. Even though the idea was good, he failed to fit the data and this work shows this equation works and can be used to estimate power consumption of a given impeller Doutorado Engenharia Química Doutor em Engenharia Química FAPESP 2003/08640-7 CNPQ 141232/2002-1

Orientador: José Roberto Nunhez Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: Na atualidade, os processos químicos estão sendo reinventados para aprimorar as técnicas de processamento, aumentar a eficiência e miniaturização das operações unitárias, esta corrente revolucionaria de processos é conhecida como Processos Intensificados (PI). Na Intensificação de Processos os equipamentos tradicionais são reformulados na performance tornando-o flexível considerando a união de operações em um equipamento, na diminuição do tamanho e custo em relação com os processos convencionais. Estas tecnologias resultam de grande potencial para processos de separação e de reações químicas. Nos últimos anos, conceitos de integração interna de calor estão sendo aplicados a operações de separação como proposta de processo intensificado com o intuito de resolver necessidades de consumo energético e necessidades do equilibro. Em consequência, este projeto contempla o estudo do sistema de destilação reativa, tendo como foco a avaliação e inclusão de conceitos de intensificação, visando a diminuição do consumo energético do sistema por meio do aproveitamento do calor gerado através de arranjos internos no sistema. Por tanto, foram desenvolvidas diferentes estudos termoquímicos e configurações de colunas reativas com incorporação de arranjos internos que permitam entender a possibilidade de transferência de calor em sistemas reativos endotérmicos e exotérmicos usando o simulador Aspen Plus V9® na síntese de TAME e Biodiesel. O trabalho apresenta uma inovação no desenvolvimento de uma nova configuração de coluna de destilação reativa modificada com integração interna de calor rM-HIDiC suportada em conceitos do sistema de destilação reativa com integração interna de calor r-HIDiC. O desenvolvimento do sistema intensificado foi atingido usando técnicas de simulação computacional e projeto hidráulico do processo. A disponibilidade de energia no processo foi calculada mantendo o grau de pureza de 98% para o TAME e 95 % para o Biodiesel, atingindo uma redução no consumo energético do 28% e 18% respectivamente da rM-HIDiC em relação com a destilação reativa ¿ RD Abstract: Nowadays, chemical processes are being reinvented to improve processing techniques, increase efficiency and miniaturization of unit operations, this revolutionary process stream is known as Intensified Processes (PI). In Process Intensification, the traditional equipment is reformulated in the performance making it flexible and considering the union of operations in an equipment, in the reduction of size and cost in relation to the conventional processes. These technologies result in great potential for separation processes and chemical reactions. In recent years, concepts of internal heat integration are being applied to separation operations as an intensified process proposal in order to solve energy consumption and balance needs. Consequently, this project contemplates the study of the reactive distillation system, focusing on the evaluation and inclusion of intensification concepts, aiming at reducing the energy consumption of the system by using the heat generated through internal arrangements in the system. Therefore, different thermochemical studies and configurations of reactive columns were developed with the incorporation of internal arrangements to understand the possibility of heat transfer in reactive endothermic and exothermic systems using Aspen Plus V9® simulator in the TAME and Biodiesel synthesis. The work presents an innovation in the development of a new configuration of reactive distillation column modified with internal integration of heat rM-HIDiC supported in concepts of the reactive distillation system with internal heat integration r-HIDiC. The development of the intensified system was achieved using computational simulation techniques and hydraulic process design. The energy availability in the process was calculated maintaining 98% pure for TAME and 95% for Biodiesel, 28% and 18% of reduction in energy consumption for rM-HIDiC relative to reactive distillation - RD Doutorado Engenharia Química Doutor em Engenharia Química

Orientadores: José Roberto Nunhez, Diener Volpin Ribeiro Fontoura Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: Os hidratos de gases tem sido um grande problema nas indústrias de exploração e processamento de petróleo, pois a sua estrutura cristalina formada causa entupimento que pode levar a danos estruturais das tubulações que chegam nas profundezas do mar. Porém a comunidade científica vem pesquisando sobre esse sólido cristalino cada vez mais e tem-se descoberto um outro efeito completamente benéfico para os processos de gerenciamento de gases. Sua estrutura consegue capturar uma grande quantidade de gás, o que se torna interessante do ponto de vista de processos de armazenamento e transporte de gases em baixas temperaturas e pressões moderadas, evitando possíveis acidentes catastróficos nas estações de compressão de gasodutos, atualmente utilizados como meio de transporte de gases. O método mais usual de sintetização de hidratos de gases é via batelada em tanques de mistura a baixas temperaturas e altas pressões, porém esse método é ineficiente do ponto de vista da limitação da nucleação dos cristais de hidratos e da dificuldade de se arrefecer o processo, já que o mesmo é altamente exotérmico. Resolvendo esse gargalo, a tecnologia NETmix® patenteada pela Universidade do Porto, traz uma grande melhoria dos fenômenos de transporte de calor, massa e quantidade de movimento dos fluidos escoando em seu interior, aumentando assim sua eficiência de mistura e síntese dos hidratos. Porém, ainda há a presença de água e uma pequena fração de gases a serem separados do hidrato na saída do reator. Dessa maneira foi estudada a eficiência do hidrociclone na separação dos hidratos formados, assim como a influência dos parâmetros geométricos desse equipamento na recuperação dos hidratos. Foi utilizado a abordagem matemática multifásica Euler-Euler para descrever a dinâmica das fases, com o auxílio do modelo de turbulência RSM. O modelo fluidodinâmico proposto foi validado e mostrou ser adequado para simular o escoamento da suspensão água/hidrato. Foi observado nas simulações que a influência individual de cada parâmetro geométrico não alterou significativamente a performance de separação do hidrato por parte do hidrociclone, porém houve uma conformação geométrica específica em um dos hidrociclones simulados, na qual conseguiu concentrar a suspensão água/hidratos em 24.37% em massa Abstract: Gas hydrates have been a major problem in the oil exploration and processing industries because their crystalline structure causes clogging of pipes used to reach deep oil reservoirs. However, the scientific community has been increased its researching on this crystalline solid since its production may be a promising way to treat the gases stored in the marine wells. Its structure is able to capture a large amount of gas, which is interesting from the point of view of gas storage and transport processes at low temperatures and moderate pressures, avoiding possible catastrophic accidents in gas station compression stations, currently used as a means of transport of gases. The most common method of synthesizing gas hydrates is by batch in mixing tanks at low temperatures and high pressures, but this method is inefficient from the point of view of thermal exchange, since the process is highly exothermic. Experimental studies are being carried out with the use of NETmix®, patented technology by the Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, which brings a great improvement in the phenomena of heat transport, mass and momentum of the fluids within it, which increases the mixing efficiency and synthesis of gas hydrates. As there is in the process the presence of water and a small fraction of gases to be separated from the hydrate at the exit of the reactor, the efficiency of the hydrocyclone in the separation of the formed hydrates was studied, as well as the influence of the geometric parameters of this equipment in the hydrate recovery. The Euler-Euler multiphase mathematical approach was used to describe the dynamics of the phases, with the aid of the RSM turbulence model. The proposed fluid dynamics model was validated and shown to be adequate to simulate the flow of the water/hydrate suspension. It was observed in the simulations that the individual influence of each geometric parameter did not significantly improved the performance of the hydrocyclone to concentrate the hydrate suspention, but there was a specific geometric conformation in one of the simulated hydrocyclones, in which the water/hydrate suspension was concentrated in 24.37% w/w Mestrado Engenharia Química Mestre em Engenharia Química CNPQ 132483/2017-3

Orientador: Milton Mori Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: Muitos processos industriais, onde o escoamento de fluidos se faz presente, incluem fenômenos multifásicos, como é o caso do craqueamento catalítico fluidizado (FCC), presente nas refinarias de petróleo. O processo consiste em craquear as frações pesadas do petróleo e converter em produtos de alto valor agregado. Apesar da sua viabilidade econômica, o processo opera sob condições extremas de temperatura e pressão e se caracteriza por apresentar escoamento multifásico reativo e uma série de fenômenos complexos, o que torna o processo difícil de ser avaliado experimentalmente. Dentro desse contexto, a fluidodinâmica computacional (CFD) tem se mostrado uma poderosa ferramenta para o estudo de muitos problemas práticos de engenharia que apresentam escoamento, pois além do custo reduzido, é possível avaliar equipamentos mesmo com condições extremas de operação. A fluidodinâmica dentro do riser é de carater heterogêneo e com acúmulo de partículas de catalisador na parede. Esse padrão de escoamento conhecido como core-annulus (centro anular) causa queda no rendimento do processo. Nesse sentido, o uso de defletores em risers de FCC tem despertado o interesse dos pesquisadores com o propósito de minimizar o acúmulo de partículas sólidas na parede e garantir uma melhor distribuição e uniformidade entre as fases dentro de um riser de FCC. Desta forma, o principal objetivo deste trabalho consistiu em avaliar a influência de defletores em riser de FCC sobre o escoamento gás-sólido utilizando fluidodinâmica computacional. Foram realizadas simulações numéricas a partir de uma matriz de planejamento variando os parâmetros geométricos: quantidade (Z), comprimento (H) e estrangulamento (E) dos defletores em riser de FCC. Os resultados das simulações numéricas mostraram que defletores em riser de FCC podem ocasionar mudanças no escoamento proporcionando maior homogeneização no sistema. A análise estatística dos resultados apontou os parâmetros que mais influenciam no rendimento da gasolina, coque, frações leves e frações pesadas, bem como o aumento ou redução da queda de pressão Abstract: Many industrial processes with fluids flow include multiphase phenomena, such as fluidized catalytic cracking (FCC), which is present in oil refineries. This process consists of cracking the heavy oil fractions and converting them into high added-value products. Despite its economic viability, this process operates under extreme conditions of temperature and pressure and is characterized by the presence of multiphase reactive flow and a series of complex phenomena, which makes the process difficult to be evaluated experimentally. In this context, computational fluid dynamics (CFD) has proved to be a powerful tool for the study of many practical engineering problems in which a flow pattern is observed because, besides the reduced costs, it is possible to evaluate equipment even under extreme operating conditions. The fluid dynamics inside the riser is heterogeneous and characterized by accumulation of catalyst particles onto the wall. This flow pattern known as core-annulus causes a decrease in process yields. In this sense, the use of baffles in FCC risers has attracted the interest of researchers with the purpose of minimizing the accumulation of solid particles onto the wall and ensuring better distribution and uniformity between the phases within FCC risers. Therefore, the main objective of this work was to evaluate the influence of baffles in FCC riser on the gas-solid flow using computational fluid dynamics. Numerical simulations were performed using a three-level factorial design by varying the geometric parameters: quantity (Z), length (H) and throttling (E) of baffles in the FCC riser. The results of the numerical simulations showed that baffles in FCC riser can cause changes to the flow, providing greater homogenization in the system. The statistical analysis of the results pointed out the parameters that most influenced the yields of gasoline, coke, light fractions and heavy fractions, as well as the increase or decrease of pressure Mestrado Engenharia Química Mestra em Engenharia Química CAPES 1485585/3-2015

Orientadores: José Roberto Nunhez, Nicolas Spogis Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: O uso de malhas não estruturadas recentemente tem recebido uma considerável atenção para discretização do domínio computacional em simulações CFD (Vakili & Esfahany, 2009; Cabrales, et al., 2011). A malha não estruturada (comumente tetraédricas) permite uma adequada adaptação em geometrias irregulares e uma geração automática na maioria dos softwares comerciais em CFD. Na literatura constantemente tem sido sugerido que as malhas hexaédricas são preferidas as tetraédricas, porém esta última pode ser usada, desde que alguns cuidados sejam tomados para proporcionar uma boa representação do fenômeno físico do problema. Alguns trabalhos recentemente publicados mostram que as malhas tetraédricas quando utilizadas com cuidado, podem obter resultados satisfatórios (Spogis & Nunhez, 2009). A maioria dos trabalhos desenvolvidos com uso da simulação CFD para processos de mistura utilizam malha hexaédrica, enquanto os resultados obtidos com malhas tetraédricas não possuem a mesma aprovação (Joaquim Junior et al., 2007), parte deste trabalho esta focado em mostrar que elas podem fornecer bons resultados em simulações de processos de mistura. Outro objetivo desse trabalho é mostrar o efeito do refinamento em malhas tetraédricas. Investigou-se a influência dos elementos prismáticos perto da parede sobre parâmetros globais, tais como o número de potência e número de bombeamento. Foi também realizada uma análise inicial da sensibilidade de alguns modelos de turbulência e esquemas de discretização sobre o campo de fluxo produzido. Além disso, simulações com diferentes refinamentos de malha foram feitas usando a abordagem de múltiplos sistemas de referência (MFR); enquanto em outros casos foi proporcionada uma abordagem de malhas deslizantes (SG) no impelidor. Os esquemas de discretização foram limitados aos esquemas Upwind, High resolution e blend fator, uma vez que esquemas diferentes não funcionam adequadamente com elementos tetraédricos. O software comercial de CFD CFX 14.0 foi utilizado para simular os resultados. Um impelidor de pás inclinadas (PBT 45°, com bombeamento para baixo) foi simulado em regime turbulento. Os resultados obtidos pelas simulações CFD para o número de potência e bombeamento, e perfil da componente axial da velocidade são discutidos e comparados com dados experimentais (Machado et al. et al., 2011). A velocidade foi medida usando a técnica PIV (Particle Image Velocimetry). Uma significativa influencia foi observada em alguns parâmetros na determinação de importantes variáveis nos processos de mistura. De forma geral, a predição do perfil da velocidade é influenciada, de alguma forma, pela resolução da malha, pelo modelo de turbulência e pelo esquema de discretização Abstract: The use of non-structured meshes has received recently considerable attention for discretization of the computational domain in CFD simulations (Vakili & Esfahany, 2009; Cabrales et al., 2011). The non-structured meshes (the most common are tetrahedral) allow adequate adaptation of irregular geometries and easy use of automated algorithms for mesh generation in most commercial CFD software. It has been consistently suggested in the literature that hexahedral meshes are preferred over tetrahedral. However, they can be used, provided that some care is taken to provide a good representation of the physical phenomena of the problem. Recently published works have been proving that if they are used with care, satisfactory results are obtained (Spogis & Nunhez, 2009). Most of works developed with the use of CFD simulation for mixing processes use hexahedral and to date tetrahedral do not have the same acceptance of hexahedral (Joaquim Junior et al., 2007) and part of this work is aimed at showing that they can provide good results when simulating mixing processes. Another objective of this work is to show the effect of mesh refinement in tetrahedral meshes. It is investigated the influence of the prismatic elements near wall on global parameters such as the Power and Flow numbers. An initial analysis of the sensitivity of some turbulence models (Standard k-? model, the shear stress transport (SST) and BSL-Reynolds stress model) and the discretization scheme on the flow field produced were also carried out in this work. In addition, simulations with different mesh resolutions were made using the multiple reference frame (MFR) approach; whereas other cases a sliding mesh modeling was provided for the impeller. The discretization schemes were limited to upwind, high resolution and blend factor, since other schemes do not work well with tetrahedral. The commercial CFD software CFX 14.0 was used to simulate the results. A pitched blade turbine (PBT 45°, down-pumping), was simulated in turbulent flow. The results obtained for the Power and Flow numbers, the axial velocity profile component of the model in CFD are discussed and compared with experimental data (Machado et al. et al., 2011). The velocity was measured using the PIV technique (Particle Image Velocimetry). A significant influence of some parameters is observed on the determination of some important variable mixing. In general, the predictions of the velocity profile are influenced in some way by the resolution of the mesh, turbulence model and the discretization scheme Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientadores: José Roberto Nunhez, Nicolas Spogis Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: O processo de homogeneização de hidrocarbonetos em tanques de estocagem de grande escala equipados com impelidores de entrada lateral desempenha um papel importante na operação de uma refinaria, visto que a qualidade do produto final depende do desempenho deste processo. A Fluidodinâmica Computacional (CFD) é a técnica mais viável para avaliar e otimizar este processo, no qual o trabalho experimental é tecnicamente complicado e custoso. Neste trabalho, a técnica CFD é empregada para simular um tanque de estocagem de diesel a escala industrial com o uso do pacote comercial ANSYS CFX 13.0. A abordagem com múltiplos sistemas de referência (MFR) é empregada para modelar a movimentação do impelidor. Os efeitos turbulentos foram incorporados mediante o modelo de turbulência Shear Stress Transport (SST). Vários arranjos impelidor(es)/tanque obtidos variando o ângulo de deslocamento horizontal em relação à linha central do tanque são usados para avaliar a influência do número de impelidores e o seu posicionamento no desempenho do processo. Perfis hidrodinâmicos, consumos de potência, tempos de homogeneização e outros parâmetros relevantes para processos de mistura são utilizados para comparar os resultados. Baseando-se nos resultados das simulações, foi possível avaliar os diferentes cenários e determinar a condição mais apropriada para levar a cabo o processo. Considerando o consumo energético, a melhor configuração é utilizando um impelidor desviado 10 º e, levando em conta o tempo de homogeneização, o melhor arranjo é com três impelidores sem deslocamento. Adicionalmente, os prós e contras das alternativas foram discutidos e os resultados mais relevantes foram reportados Abstract: The homogenization process of hydrocarbons in large scale storage tanks equipped with side-entry impellers plays an important role in a refinery operation, since the quality of the final products depends on the performance of this process. Computational Fluid Dynamics (CFD) is the most viable technique to evaluate and to optimize this process, as experimental work is technically complicated and expensive. In this work, the CFD technique is used to simulate an industrial diesel storage vessel using the commercial package ANSYS CFX 13.0. The Multiple Frames of Reference (MFR) approach is used to model the mixer movement. The turbulent effects are incorporated by means of the Shear Stress Transport (SST) turbulence model. Several impeller(s)/tank layouts obtained by varying the horizontal offset angle from the tank center line are used to assess the influence of the number of impellers and their positioning on the performance of the process. Hydrodynamic profiles, power consumptions, homogenization times and other relevant mixing parameters are also used to compare the results. Based on the computer simulation results, it was possible to evaluate the different scenarios and to determine the most appropriate conditions to carry out the process. Considering the power consumption, one impeller deviated 10° is the configuration with the best performance and, using three impellers without deviation is the arrangement that gives the shortest mixing time. In addition, the pros-and-cons of the other alternatives are discussed and the most relevant findings are reported Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientadores: José Roberto Nunhez, Nicolas Spogis Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: Este trabalho propõe um acoplamento entre o método dos elementos discretos (DEM), utilizado para simular o manuseio de materiais particulados, e o método dos elementos finitos (FEM), utilizado para estimar respostas estruturais a uma dada condição de carregamento. O acoplamento é de 1 via, onde as forças na estrutura calculadas pelo software de DEM são passadas ao software de FEM. Foi proposta uma validação numérica a fim de avaliar a precisão do acoplamento em passar as forças do software de DEM para o software de FEM. Apenas efeitos estáticos são avaliados neste primeiro teste. Uma validação experimental foi realizada utilizando-se medidas em um tanque de mistura, permitindo assim a captura de efeitos dinâmicos das partículas. Com o modelo desenvolvido e validado, foram realizadas simulações em um equipamento industrial utilizando os softwares de DEM e FEM e o acoplamento desenvolvido, como parte de um projeto realizado com uma empresa do setor de mineração Abstract: This work proposes a coupling between the discrete element method (DEM), used to simulate bulk materials handling, and the finite element method (FEM), used to simulate structural response to a certain loading condition. It is a one-way coupling, where the forces in the structure calculated by the DEM software are sent to the FEM software. It was proposed a numerical validation in order to evaluate the precision of the coupling to pass the forces from the DEM to the FEM software. Only static effects are evaluated in this initial test. An experimental validation was done using data measured from a mixing tank, allowing dynamic effects to be considered. With the model developed and validated simulations were done in industrial equipment using DEM and FEM software and the developed coupling, as part of a project with a mining sector company Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química