Numerical simulation and 3D printing of flow distributors for numbering-up of biodiesel synthesis in millireactors

Orientadores: Osvaldir Pereira Taranto, Harrson Silva Santana Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: A microplanta química realiza o aumento da produção pela paralelização de micro/milirreatores. O escalonamento está diretamente relacionado com a distribuição uniforme de fluxo através dos micro/milirreatores, feita pelo distribuidor de vazão. Sendo que uma má distribuição, causada por designs inadequados de distribuidores, reduz a performance da microplanta. Dessa forma, o objetivo desse trabalho foi aplicar impressoras 3D e simulações numéricas no desenvolvimento de distribuidores de vazão e projetar e fabricar uma estrutura de suporte e milirreatores para o escalonamento da síntese de biodiesel. Além de obter dados sobre escoamento, uniformidade de fluxo e rendimento reacional através de ensaios experimentais e computacionais. A metodologia consistiu do design dos distribuidores, da estrutura de suporte e dos milirreatores; da fabricação das peças em impressora 3D; e dos testes experimentais e computacionais de vazão e reação. Nas simulações numéricas, foram utilizadas duas abordagens: escoamento multicomponente (MF) e volume de fluido (VOF). Inicialmente, foram testados nove distribuidores de fluxo, divididos em distribuidor retangular (RD), distribuidor cônico com obstáculo (DCO) e distribuidor cônico sem obstáculo (DCS). Os valores do coeficiente de fluxo de não uniformidade (?) foram obtidos para cada distribuidor em testes com água. O design do distribuidor influenciou na uniformidade de fluxo e os distribuidores DCO com 13 mm de altura (DCO13), o DCO com 52 mm de altura (DCO52) e DCS com 26 mm de altura (DCS26) apresentaram melhor desempenho atingindo ? abaixo de 1%. Nas simulações com água, o VOF foi o mais adequado para representar o escoamento. Os distribuidores DCO13, DCO52 e DCS26 foram testados experimental e computacionalmente para os ensaios com etanol, óleo de girassol e a mistura. De forma geral, as abordagens computacionais não se mostraram adequadas na representação dos dados experimentais. O DCS26 e DCO52 apresentaram melhor desempenho (? < 1%) para o escoamento de etanol e óleo de girassol, respectivamente. Para a mistura foram obtidos altos valores de ? e também foi observada a ocorrência de reação no distribuidor. Portanto, o escalonamento foi realizando utilizando a configuração com dois distribuidores (DCS26 e DCO52). No escalonamento, as tubulações utilizadas para o óleo e para o etanol seguiram a razão L/D (comprimento pelo diâmetro) de 39 e de 113, respectivamente, que ofereceram menor perda de carga. O desvio na uniformidade de fluxo obtido para a microplanta foi de 4,2% e o rendimento reacional global foi de 42%. Biodiesel foi produzido a uma taxa de 126,4 mL min-1. Conclui-se que a microplanta desenvolvida utiliza estratégias eficientes para o escalonamento da produção de biodiesel Abstract: Micro-chemical plants are chemical plants that use micrometrics structures using the numbering-up of microdevices. The flow uniformity distribution through these microdevices are made by the flow distributor. Inadequate designs reduce the micro-chemical plant performance. The present research aims to perform the 3D printing and numerical simulations of flow distributor designs and manufacture a support structure and millireactors for numbering-up of biodiesel synthesis. Also, evaluate the flow uniformity and the reaction yield obtained from experimental and numerical tests. The methodology consists of distributor, support structure and millireactor designs; 3D printing; and experimental tests and numerical simulations of flow and biodiesel synthesis. In the numerical simulations, two approaches were used: single-phase flow and volume of fluid (VOF). Initially, nine flow distributors divided into rectangular distributor (RD), conical distributor with obstacle (CDO) and conical distributor without obstacle (CD) were tested with water flow. The non-uniformity flow coefficient values (?) were obtained for each distributor. The distributor design influenced flow uniformity and DCO with 13 mm height (DCO13), DCO with 52 mm height (DCO52) and DCS with 26 mm height (DCS26) had a better performance, reaching ? below 1%. The VOF was the most adequate to represent the distributors flow. The DCO13, DCO52 and DCS26 distributors were numerically and experimentally tested for ethanol, sunflower oil and mixture. In general, the numerical approaches were not adequate in representation of experimental data. DCS26 and DCO52 presented best performance (?