Please use this identifier to cite or link to this item: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/29026
ORCID:  http://orcid.org/0000-0001-6905-219X
Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: From dilute to dense gas-solid flows simulation: the CFB riser case study
Alternate title (s): Da simulação de escoamentos gás-solido diluídos para densos: o estudo de caso do riser de LFC
Author: Venturi, Diego Nei
First Advisor: Souza, Francisco José de
First member of the Committee: Morales, Rigoberto Eleazar Melgarejo
Second member of the Committee: Vedovoto, João Marcelo
Third member of the Committee: Ataíde, Carlos Henrique
Fourth member of the Committee: Noriler, Dirceu
Summary: A importância dos escoamentos gás-sólido na indústria nunca é superestimada, eles estão presentes em muitos setores produtivos e equipamentos diversos. Na configuração vertical ascendente, estes escoamentos aparecem em diversos regimes, mas os de interesse da presente tese se classificam principalmente como fluidização rápida e transporte pneumático. Na presente tese, o principal objeto de investigação é a modelagem e simulação de \emph{risers} de Leito Fluidizado Circulante (LFC) utilizando CFD. Este equipamento é comumente utilizado para a recuperação de frações pesadas do petróleo em produtos mais usáveis como a gasolina e o diesel, o que desperta muito interesse por parte das companhias de petróleo. Para esta análise, o código UNSCYFL3D é utilizado, o qual é um código computacional já bem estabelecido para simulações de escoamentos gás-solido diluídos. O objetivo desta tese, é consolidar uma nova formulação no UNSCYFL3D que seja também adequada para escoamentos densos, mas enquanto mantendo um custo computacional razoavelmente baixo. Para isto, nota-se da literatura que a formulação matemática da fase gasosa necessita de modificações para levar em conta a fração volumétrica, em vez de utilizar as equações padrões para escoamento monofásico. Outro aspecto importante são as colisões partícula-partícula. É comum que nestes casos abordagens de colisão determinística sejam utilizados, mas o aumento no custo computacional pode tornar esta análise proibitiva para equipamentos maiores. Por esta razão, na presente tese um modelo estocástico que ainda não foi testado em escoamentos densos será utilizado. Duas formulações são sumarizadas e apresentadas na tese, uma para escoamentos diluídos e outra para densos. Ambos estão dentro da estrutura da abordagem Euler-Lagrange, com a consideração de partícula pontual. Um estudo completo em escoamentos diluídos é apresentado antecipadamente para que se avalie algumas implementações recentes, e para se estimar até que ponto a formulação de escoamentos diluídos é válida também para os densos. Seguindo isto, simulações em risers de LFC são conduzidas utilizando-se ambas as formulações para que se mostre a importância da modelagem correta, e a acurácia do modelo de colisão partícula-partícula estocástico nesta condição. Na presente tese, mostrou-se que a formulação para escoamentos gás-sólido diluídos é válida para uma carga mássica de sólidos de até 1 kg_part.\kg_ar em escoamentos horizontais, mas até 8 kg_part.\kg_ar em escoamentos ascendentes verticais bem distribuídos. No entanto, como risers de LFC apresentam uma configuração geométrica que promove a aglomeração dos sólidos em clusters, mesmo em cargas mássicas mais baixas (4 kg_part.\kg_ar) a formulação para escoamentos densos é necessária. Também, uma comparação com dados experimentais e de outras simulações que utilizaram abordagens de colisão determinística, mostrou que a formulação apresentada aqui é capaz de prever corretamente o escoamento gás-sólido denso em risers de LFC até 22 kg_part.\kg_ar.
Abstract: The importance of gas-solid flows in industry is never overestimated, they are present in many different production sectors and equipment. When in the vertical ascending configuration, such flows may appear in many different patterns, but the subjects of study in the present work will lie mainly on the fast fluidization or pneumatic conveying ones. In the present thesis, the main subject of investigation is on the modeling and simulation of gas-solid flows in CFB risers utilizing CFD. This equipment is commonly utilized for the recovery of heavy petroleum fractions into more usable products such as gasoline and diesel, and has a lot of interest from the oil companies. For this analysis, the UNSCYFL3D code is utilized, which is an already established computational code for the simulation of dilute gas-solid flows. The objective of this thesis is to consolidate a new formulation in the UNSCYFL3D that is suitable also for dense flows, but keeping a reasonably cheap computational cost. To do this, first it was noted from the literature that the gas phase formulation has to be changed into accounting the volume fraction, rather than using the standard single-phase equations. Another important aspect are the particle-particle collisions. It is common that in such cases deterministic collision approaches are used, but the increase in the computational cost may prohibit analysis in large equipment. For this reason, in the present thesis a stochastic model that has not been tested before for dense flows is utilized. Two formulations are summarized and presented in the thesis, one for dilute flows and one for dense flows. Both of them are within the Euler-Lagrange framework, with the point-particle approach. A thorough study is carried out beforehand for dilute flows to assess some late implementations, and to evaluate up to which point the dilute formulation is valid for dense flows. Following that, CFB riser simulations are carried out utilizing both formulations to show the importance of the correct modeling, and the accuracy of the stochastic particle-particle collision model in this condition. In the present thesis, we have shown that the dilute formulation is valid for a solids mass loading of up to 1 kg_part.\kg_ar in horizontal flows, but up to 8 kg_part.\kg_ar in well-distributed vertical ascending flows. However, as in CFB risers the configuration of the geometry encourages the agglomeration of the solids into clusters, even lower solids mass loadings (4 kg_part.\kg_ar) are shown to need the dense formulation. Also, a comparison with experiments and other simulations utilizing deterministic collision approaches, show that the the present formulation is able to correctly predict the dense gas-solid flows in CFD risers up to 22 kg_part.\kg_ar.
Keywords: CFB riser
CFD
Gas-solid flow
UNSCYFL3D
Escoamento gás-sólido
Engenharia mecânica
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICA::REATORES QUIMICOS
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS ORGANICOS
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::TECNOLOGIA QUIMICA::PETROLEO E PETROQUIMICA
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::MECANICA DOS FLUIDOS
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::MECANICA DOS SOLIDOS::DINAMICA DOS CORPOS RIGIDOS, ELASTICOS E PLASTICOS
Language: eng
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Quote: VENTURI, Diego Nei. From dilute to dense gas-solid flows simulation: the CFB riser case study. 2020. 158 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2020. Disponível em: https://doi.org/10.14393/ufu.te.2020.112
Document identifier: https://doi.org/10.14393/ufu.te.2020.112
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/29026
Date of defense: 21-Feb-2020
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