Análise fluidodinâmica de biorreator destinado à produção de hidrogênio utilizando CFD
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2014-08-22
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Baldasso, Camila
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Devido à crescente preocupação com as questões ambientais envolvendo as emissões de gases que potencializam o efeito estufa e outros problemas associados aos combustíveis fósseis, o hidrogênio aparece como uma fonte de energia alternativa capaz de promover o desenvolvimento de forma sustentável. A produção de hidrogênio via fermentação anaeróbia é uma das rotas mais atraentes atualmente, envolvendo processos físicos, químicos e biológicos com inúmeras interações entre gases, líquidos e sólidos. No entanto, as pesquisas atuais têm dedicado especial atenção às características químicas e biológicas. Muitos reatores em escala real e de laboratório ainda são dimensionados por correlações empíricas, mas a compreensão dos fenômenos hidrodinâmicos envolvidos na produção de hidrogênio é um precursor necessário para a aplicação em projetos de escala industrial. Para otimizar o desempenho do reator, é essencial compreender a dinâmica das fases em seu interior. Neste contexto, o objetivo deste trabalho é empregar técnicas de fluidodinâmica computacional (CFD) para estudar e otimizar o comportamento fluidodinâmico de um reator anaeróbio sequencial em batelada (ASBR). Para tanto, foi adotada uma modelagem bifásica, tridimensional e turbulenta conduzida com o programa computacional OpenFOAM. Diferentes condições operacionais, configurações geométricas, bem como diferentes modelos, foram avaliados. Os resultados obtidos no estudo das forças interfaciais reforçam a importância e a necessidade de validar as simulações com dados experimentais, devido à grande variação nos resultados obtidos em cada caso simulado. Do ponto de vista das configurações geométricas e operacionais, observa-se que modificações na vazão e no sentido da recirculação, bem como alterações na geometria dos distribuidores afetam significativamente a velocidade de mistura e a energia cinética turbulenta no interior do reator. Estas modificações afetam a transferência de massa, a qual influencia diretamente na cinética das reações e possibilita uma maior produção e hidrogênio. Determinar o comportamento do reator de forma precisa é um precursor para propor alterações que melhorem a sua eficiência.
Resumo
Due to the growing concern with environmental issues involving the emission of gases that enhance the greenhouse effect and other problems associated with fossil fuels, hydrogen arises as an alternative source of energy capable of promoting development on a sustainable manner. Hydrogen production via anaerobic fermentation is currently one of the most attractive routes, involving physical, chemical and biological processes with numerous interactions between gas, liquid and solid. However, current research has devoted special attention to chemical and biological characteristics. Many full-scale and laboratory-scale reactors are still dimensioned using empirical correlations, but the understanding of hydrodynamic phenomena involved in the production of hydrogen is a necessary precursor for the application in industrial scale projects. To optimize the performance of the reactor, it is critical to understand the dynamics of the phases inside. In this context, the aim of this work is to employ computational fluid dynamics (CFD) techniques to study and optimize the fluid dynamic behavior of an anaerobic sequential batch reactor (ASBR). Thus, a two-phase, threedimensional and turbulent modeling was adopted, and simulations were conducted with the computer program OpenFOAM. Different operating conditions, geometric configurations and different models were evaluated. The results obtained in the study of interfacial forces reinforce the importance and the need to validate the simulations with experimental data, due to the large variation in the results obtained in each simulated case. Concerning geometric and operational settings, it was observed that changes in flow direction and recirculation, as well as changes in the geometry of distributors, affect significantly the velocity and the turbulent kinetic energy inside the reactor. These changes affect the mass transfer, which directly influences the reaction kinetics and enables greater production of hydrogen. The accurate establishment of the reactor behavior is a precur or to propose changes in order to improve its efficiency.