Acoplamento dos modelos de balanço populacional e fluidodinâmica computacional para a simulação de escoamentos bifásicos com distribuição no tamanho de partículas utilizando o software openfoam
Autor: Lauren Francine Irigoite Farias (Currículo lattes)
Resumo
Cristalizadores são equipamentos muito utilizados na indústria química e farmacêutica para produzir cristais de alto valor agregado, alta pureza e com tamanho e forma desejados. Uma maneira de estudar este tipo de equipamento é através do uso da técnica de fluidodinâmica computacional (CFD, do inglês Computatinal Fluid Dynamics). No entanto, na modelagem e simulação de cristalizadores é necessário, além das equações de conservação de massa e quantidade de movimento, o uso de equações de balanço populacional (PBE, do inglês Population Balance Equation) para possibilitar a previsão da distribuição do tamanho dos cristais (CSD, do inglês Cristal Size Distribuition). Portanto, neste trabalho utilizou-se a técnica de fluidodinâmica computacional como ferramenta para modelar escoamentos bifásicos com distribuição no tamanho de partículas através do acoplamento CFD-PBE. O modelo foi implementado no software livre OpenFOAM 3.0 através do uso da linguagem C++ orientada à objeto. O desenvolvimento do solver foi baseado no modelo Euleriano-Euleriano já implementado no OpenFOAM reactingTwoPhaseEulerFoam, no qual as forças de interface entre fluido-partícula, foram descritas utilizando o modelo proposto por Gidaspow (1992) e as tensões entre sólidos pela teoria cinética granular proposta por Lun et al. (1984). Adaptações no código e a implementação de uma nova classe para o cálculo do diâmetro deram origem ao solver reactingTwoPhasePbeFoam, o qual integra as PBEs ao modelo bifásico. O modelo implementado foi empregado na simulação de cristalizadores antisolvente com geometria coaxial. Duas diferentes condições de vazão mássica total, 1kg/s e 0,66 kg/s, foram investigadas, mantendo-se a razão de alimentação solvente/antisolvente constante. O solver desenvolvido mostrou-se estável e promissor, podendo ser aplicado em diversos equipamentos que funcionem com sistemas bifásicos e necessitem da modelagem da distribuição de tamanho de partículas. No caso de cristalizadores coaxiais, o solver demonstrou a capacidade de simular os efeitos de transferência de massa entre as fases, devido a cristalização. Além disso, a distribuição granulométrica pôde ser observada, juntamente com os processos de nucleação, crescimento e deposição dos cristais através de análises quantitativas e qualitativas referentes ao pós-processamento da simulação.