Publicação: Avaliação de alterações na seção transversal do duto de alimentação
de um hidrociclone
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CNPQ::CIENCIAS AGRARIAS::CIENCIA E TECNOLOGIA DE ALIMENTOS::ENGENHARIA DE ALIMENTOS
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Orientador
Coorientador
Vieira, Luiz Gustavo Martins
Resumo
Hidrociclones fazem parte de um relevante grupo de equipamentos utilizados para a separação
de partículas em campo centrífugo. A previsão e descrição do escoamento no interior destes
equipamentos pode ser obtida por meio de simulações em fluidodinâmica computacional
(CFD). Alguns estudos indicam que os parâmetros operacionais e geométricos podem
influenciar diretamente o desempenho de separação de um hidrociclone. Diante disto, uma
alternativa para esta melhoria, proposta na literatura, sugere realizar a alteração da seção
transversal do duto de alimentação de circular para retangular. O objetivo do presente trabalho
foi avaliar, por meio das técnicas de CFD, a modificação do duto de alimentação de circular
para quadrado (7x7 mm) e retangular (8x6 mm e 9x5,3 mm) de um hidrociclone de geometria
otimizada (HCOT1), mantendo-se aproximadamente a mesma área de seção transversal (47,78
mm²). Além destas alterações, realizou-se o acoplamento de mais um duto de alimentação,
ambos com seções transversais retangulares (8x3 mm), esta modificação foi efetuada
considerando um trabalho disponível na literatura, que relata a possibilidade de melhora na
eficiência de separação de partículas ao aumentar o número de entradas e diminuir a largura das
mesmas. Todas as malhas foram confeccionadas com o auxílio do software GAMBIT®,
utilizando elementos de malha do tipo hexaédrico. As simulações tridimensionais em
escoamento monofásico foram conduzidas por meio do solucionador numérico FLUENT®
Academic utilizando-se o modelo de turbulência RSM, em regime transiente, adotando-se como
critério de convergência um resíduo máximo de 1.10-4, sendo consideradas estáveis a partir de
2 s. Posteriormente, foram realizados testes experimentais em um dos hidrociclones propostos,
denominado STQ (7x7), utilizando uma suspensão aquosa de quartzito em quatro diferentes
quedas de pressão. Ressalta-se que a escolha deste hidrociclone foi realizada com base nas
descrições fornecidas pelos perfis fluidodinâmicos, em que foi possível observar maiores
valores de velocidade axial e tangencial para este equipamento em comparação ao HCOT1. Por
meio das simulações realizadas foi possível analisar as diferenças e similaridades dos
equipamentos avaliados, utilizando-se das previsões do número de Euler (Eu) e razão de
líquido (RL). Apesar de as simulações indicarem razões de líquido (RL) similares para todos os
hidrociclones, o resultado foi ligeiramente superior para as novas configurações; ainda de
acordo com as simulações, a geometria denominada HCOT1 apresentou o menor consumo
energético (Eu = 2604). Ressalta-se que o hidrociclone HCOT1 é uma geometria já otimizada,
obtida por pesquisadores da Faculdade de Engenharia Química da UFU, e qualquer melhoria,
por menor que possa parecer, é importante. De fato, diante dos resultados obtidos
experimentalmente, uma das geometrias propostas neste estudo, denominada de STQ (7x7);
comparada ao HCOT1 apresentou, em média, valores de RL 3,19 pontos percentuais maiores;
diâmetro de corte 32% menor em média; e número de Euler 12,49% maior em média, ou seja,
um consumo energético maior. Portanto, dependo da finalidade da utilização do equipamento
STQ (7x7), se este aumento no consumo energético não for significativo, um menor diâmetro
de corte na operação deste pode ser uma alternativa interessante.
Abstract
Hydrocyclones are part of an important group of equipment used for separation of particles in
centrifugal field. The flowfield prediction inside this equipment can be obtained by
computational fluid dynamics (CFD) simulation. Some studies indicate that the operational and
geometric parameters can directly influence the separation performance of a hydrocyclone.
Therefore, an alternative to this improvement, according to the literature, is a possibility to
change the cross section of the circular feed duct to rectangular. The objective of the present
work was to evaluate, using CFD techniques, the modification of the cross section of the duct
feed from circular to square (7x7 mm) and rectangular (8x6 mm and 9x5,3 mm) of an optimized
hydrocyclone (HCOT1), keeping the same transversal area (around 47,78 mm²). In addition, it
was simulated the coupling of another feed duct, both with rectangular transversal section
(8x3 mm), this modification was performed considering a study available in the literature,
which reports the possibility of improvement in particle separation efficiency by increasing the
number of entrances and reducing their widths. All meshes were made with the aid of
GAMBIT® software, using mesh elements of the hexahedral type. The three-dimensional
single-phase flow simulations were conducted using the FLUENT® Academic numerical solver
applying the RSM turbulence model, in transient regime, adopting a maximum residue of 1.10-
4 as convergence criteria, being considered stable from 2 s. Thereafter, experimental tests were
performed on one of the proposed hydrocyclones, denominated STQ (7x7), using an aqueous
suspension of quartzite in four different pressure drops. It is emphasized that the choice of this
hydrocyclone was made based on the descriptions of the fluid dynamics profiles, in which it
was possible to observe higher values of axial and tangential velocities for this equipment in
comparison to HCOT1. Through the carried out of simulations, was possible to analyze the
differences and similarit of the evaluated equipment, using the predictions of Euler number (Eu)
and liquid-to-throughput ratio (RL). Despite the simulations indicate RL being similar for all
hydrocyclones, it was superior for the new configurations, but the geometry called HCOT1
presented the lowest energy consumption (Eu = 2604). It should be noted that the hydrocyclone
HCOT1 is an already optimized geometry, obtained by researchers of the School of Chemical
Engineering of UFU, and any small improvement is important. In fact, in view of the
experimental results, one of the geometries proposed in this study, called STQ (7x7), compared
to HCOT1 presented, in general: RL values 3,19 percentual dots higher (in average); cut size
diameter 32% smaller in average; and Euler number 12,49% higher in average, that is, a higher
energy consumption. Therefore, depending on the purpose of the use of the STQ (7x7)
equipment, if this increase in energy consumption is not significant, a smaller cut size diameter
in the operation of this equipment can be an interesting alternative.
Palavras-chave
Alimentos - Indústria, Food - Industry, Hidrociclone, Hydrocyclone, Partículas, Particles, Separação, Separation, Alteração geométrica, Separação sólido-líquido, CFD, Geometric change, Solid-liquid separation
Citação
ROCHA, Clara de Assis Oliveira da. Avaliação de alterações na seção transversal do duto de alimentação de um hidrociclone. 2019. 61 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Alimentos) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2019. DOI http://dx.doi.org/10.14393/ufu.di.2019.359