Please use this identifier to cite or link to this item: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/27279
ORCID:  http://orcid.org/0000-0003-3723-6474
Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Otimização geométrica e análise operacional em hidrociclones modulares utilizando fluidos newtonianos
Alternate title (s): Geometric optimization and operational analysis in modular hydrocyclones using Newtonian fluids
Author: Quintino, Davi Batista
First Advisor: Ataíde, Carlos Henrique
First coorientator: Bicalho, Isabele Cristina
First member of the Committee: Duarte, Cláudio Roberto
Second member of the Committee: Lima, Euclides Antônio Pereira de
Third member of the Committee: Souza, Francisco José de
Fourth member of the Committee: Santana Júnior, José Alair
Fifth member of the Committee: Malagoni, Ricardo Amâncio
Summary: A separação de partículas sólidas presentes em misturas fluidas de alta viscosidade é requerida em várias operações industriais, como nas produções de petróleo, alimentos e beneficiamento de minérios. Nas indústrias de petróleo, além da preocupação ambiental, há a necessidade de remoção de partículas sólidas da fase fluida para eliminar interferências no funcionamento de equipamentos e controles. A viscosidade da suspensão é uma variável operacional não muito abordada no processo de separação por hidrociclones, e estudos envolvendo sólidos em fluidos newtonianos são comumente limitados às suspensões sólido-água. A fim de contribuir com o conhecimento da influência da reologia do fluido aplicado ao processo de separação em hidrociclones, objetivou-se, neste trabalho, realizar a separação de partículas em soluções de sacarose com diferentes viscosidades via hidrociclonagem. Para tanto, avaliou-se primeiramente a melhor configuração que, concomitantemente, produzisse elevada taxa de coleta de sólidos e reduzida perda de líquido pelo underflow. Neste primeiro estudo, analisaram-se duas variáveis geométricas, diâmetro de underflow e angulação da região cônica, que foram avaliadas em cinco níveis, totalizando 25 experimentos. Através de regressões múltiplas das respostas obtidas para eficiência de separação e razão de líquido, obteve-se correlações empíricas e foram geradas superfícies de respostas. Após seleção da melhor configuração de separação, esta geometria foi utilizada em um Planejamento Composto Central (PCC) constituído de 17 experimentos, os quais visavam analisar a influência de três variáveis: viscosidade, pressão e concentração de sólidos. Os níveis de viscosidade estudados variaram de 9,88 a 26,12 cP, os valores de pressão de 19,18 a 40,82 psi, para níveis de concentração de sólido na suspensão, de 1,65 a 4,35% em volume. Neste segundo planejamento, foram obtidos altos valores de eficiência global de separação (73,1 a 93,3%), mantendo-se ainda, baixas razões de líquido (valor médio de 19,8%). Foram também avaliados a capacidade de operação, eficiência reduzida de separação, número de Euler e diâmetro de corte. Por meio de análise estatística, constatou-se que a maximização da separação foi associada às altas pressões e menores valores de viscosidade, sendo esta última variável, a mais significativa nas respostas analisadas. Por fim, foram aplicadas técnicas de CFD com o intuito de simular o escoamento interno do hidrociclone utilizado no PCC. Nas simulações, foram analisados os perfis de velocidade tangencial e axial em quatro posições do separador, nas quais pôde-se observar alta influência da viscosidade no perfil de velocidade tangencial.
Abstract: The separation of solid particles present in high viscous fluid mixtures is required in several industrial operations, such as in petroleum production, food and mineral processing. In the oil and gas industries, in addition to the environmental concern, there is also the need to remove solid particles from the fluid phase to eliminate interferences in the operation of equipment and controls. Suspension viscosity is an operational variable not widely addressed in the hydrocyclone separation process, and studies involving solids in Newtonian fluids are commonly limited to solid-water suspensions. In order to contribute to the knowledge of the rheology of the fluid applied to the separation process in hydrocyclones, the present work had the aim of separating particles of sucrose solutions with different viscosities by hydrocyclone. For this, the best configuration was firstly evaluated, which concomitantly produced a high rate of collection of solids and reduced loss of liquid by underflow. In this first part, two geometric variables, underflow diameter and angulation of the conical section, were analyzed in five levels, totalizing 25 trials. Through multiple regression of the responses obtained for separation efficiency and split ratio, empirical mathematical models and response surfaces were generated. After selecting the best separation configuration, this geometry was used in a Central Composite Design, consisting of 17 trials, which aimed to analyze the influence of three variables: viscosity, pressure and solids concentration. The viscosity levels studied ranged from 9.88 to 26.12 cP, the pressure values from 19.18 to 40.82 psi, and the suspension solid concentration levels from 1.65 to 4.35% in volume. With the accomplishment of the Central Composite Design, it was obtained high values of global separation efficiency (73.1 to 93.3%), still maintaining low split ratios (average value of 19.8%). The operating capacity, reduced efficiency, Euler number and cutting diameter were also evaluated. Through statistical analysis and model equations, the maximization of the separation was associated with high pressures and lower values of viscosity, the latter being the most significant variable in the analyzed responses. Lastly, CFD techniques were applied in order to simulate the internal flow of the "optimal" hydrocyclone. In the simulations, the tangential and axial velocity profiles were analyzed in four positions of the separator, in which a high influence of the viscosity could be observed in the tangential velocity profile.
Keywords: Hidrociclonagem
Otimização
Planejamento de Experimentos
Separação sólido-líquido
Viscosidade
Hydrocyclone
Optimization
Experimental design
Solid-liquid separation
Viscosity
Engenharia Química
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES DE SEPARACAO E MISTURA
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Química
Quote: QUINTINO, Davi Batista. Otimização geométrica e análise operacional em hidrociclones modulares utilizando fluidos newtonianos. 2019. 130 f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2019. Disponível em: http://dx.doi.org/10.14393/ufu.te.2019.2092
Document identifier: http://dx.doi.org/10.14393/ufu.te.2019.2092
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/27279
Date of defense: 28-Jun-2019
Appears in Collections:TESE - Engenharia Química

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
OtimizaçãoGeométricaAnálise.pdfTese5.55 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons