Title

MODELAMENTO MATEMÁTICO EM 3D DA FLUIDODINÂMICA DAS FASES GÁS-SÓLIDO EM REATOR DE LEITO FLUIDIZADO

3D MATHEMATICAL MODELING OF GAS-SOLID PHASES FLUIDDYNAMICS IN FLUIDIZED BED REACTOR

Authorship

Baltazar, Anderson Willian de Souza; Castro, Jose Adilson de; Silva, Alexandre Jose da

Baltazar, Anderson Willian de Souza

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Castro, Jose Adilson de

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Silva, Alexandre Jose da

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DOI

10.5151/2594-357x-12858

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Abstract

Processos utilizando leito fluidizado são conhecidos desde 1920, no entanto só se popularizaram nas décadas de 80 e 90 com a aplicação deste equipamento para geração elétrica. O uso do leito fluidizado torna possível o uso de matérias-primas de qualidade inferior as normalmente usadas em processos similares. Esta técnica ainda não está muito difundida no Brasil, onde problemas com a matriz energética têm aberto a opção para o uso de novas tecnologias de geração elétrica. Geração térmica é uma das opções que pode usar reator de leito fluidizado para a combustão de materiais como carvão e biomassas. O carvão nacional apresenta um alto teor de cinzas e enxofre, fato que o torna impróprio para o uso direto em termelétricas convencionais. No entanto, o uso do leito fluidizado para produção de gás para geração elétrica é uma técnica promissora para o uso de matérias-primas impuras com alta eficiência de combustão e energia. Os modelos matemáticos têm provado sua eficiência para investigar condições operacionais de processos industriais virtualmente. O objetivo deste estudo é o desenvolvimento de um modelo para simular o fenômeno de fluidização considerando duas fases. O modelo utiliza-se do conceito de multifases para simular o escoamento em um reator de leito fluidizado em 3D. As equações de transporte de massa, momentum e energia são resolvidas pelo método de volumes finitos implementado em um código escrito em Fortran 90/95. As fases são modeladas usando princípios da mecânica do contínuo, onde uma coleção de partículas idênticas é considerada como tendo diâmetro e densidade representativos. Este modelo se apresenta como uma inovação na simulação de leitos fluidizados por considerar três dimensões em um processo transiente. Os resultados obtidos mostram-se em concordância com resultados experimentais e computacionais previamente investigados para validar o modelo. Após a validação o modelo foi expandido para a geometria de um reator em escala industrial para verificar o comportamento em processo industriais, apresentando resultados compatíveis.

Processes using fluidized bed reactors are well known since 1920, although in some processes like combustion, this equipment only started to be used in the 80-90’s with special application to installations for electric generation. Fluidized bed process makes possible the use of raw materials with quality lower than the materials normally used in similar processes. The fluidized bed technics is not spread out in Brazil, where the problems with energetic matrix have opened the options to use new processes to electric generation. Thermal generation is one of this options that can use fluidized bed reactor to burn materials like coals and biomasses. The Brazilian coals presents high ash and sulfur content which is impossible to directly use in conventional thermoelectric facilities. Therefore, the use of fluidized bed to produce hot gas for power generation is a promising technique to overcome the use of impure raw materials with high combustion efficiency and energy savings. Mathematical models have proved their efficiency to investigate optimum operational conditions and reproduce virtually the industrial process. The objective of this work is to develop a computational model that simulates the fluidized bed phenomena considering two phases. The model uses the multiphase concept to simulate the flow in a 3D fluidized bed reactor. Transport equations of mass, momentum and energy are solved by the finite volume method for non-orthogonal system implemented in a complex computational code written in Fortran 90/95. The phases are modeled using continuum mechanics principles where collection of particles is considered identical having a representative diameter and density. This model has been an innovation of fluidized bed study by considering 3D, transient features. The results shown good agreements with experimental and computational results previously investigated. After validation of model, the model was expanded to industrial scale reactor geometry to verify the behavior of model in industrial process, showing compatible results.

Keywords

Escoamento multi-fásico; Modelamento matemático; Simulação computacional; Três dimensões; Transiente.

Multiphase flow; Mathematical modeling; Computational simulation; Three dimensions; Transient.