Desenvolvimento de um modelo numérico para a transferência de massa em bolhas isoladas de CO2/CH4 através de uma abordagem Euleriana - Lagrangeana

Abstract

Este trabalho apresenta o desenvolvimento e a aplicação de um modelo numérico para avaliar a hidrodinâmica e a transferência de massa de uma bolha de gás, composta por CO2 e CH4, ascendendo em água sob condições de alta pressão e baixa temperatura, simulando o ambiente submarino para a separação de gases. Utiliza-se a abordagem Euler-Lagrange, implementada na biblioteca de código aberto OpenFOAM, na qual a fase líquida é tratada como um contínuo euleriano e a bolha como uma fase discreta lagrangeana. Para alcançar os objetivos propostos, desenvolve-se um submodelo customizado para simular a dissolução do CO2 na fase contínua, considerando a transferência de massa na interface, regida pela Lei de Henry, e o consequente encolhimento da bolha. O modelo descreve a dinâmica da bolha a partir das forças de arrasto, empuxo e massa virtual. As simulações analisam o efeito de variações no diâmetro e concentração de CO2 iniciais da bolha. Os resultados quantificam a taxa de dissolução do gás e a evolução temporal da velocidade e do tamanho da bolha, fornecendo dados fundamentais sobre a física do processo. O estudo estabelece uma base teórica para futuras simulações de colunas de bolhas.

This work presents the development and application of a numerical model to evaluate the hydrodynamics and mass transfer of a gas bubble, composed of CO2 and CH4, rising in water under high-pressure and low-temperature conditions, simulating the submarine environment for gas separation. The Euler-Lagrange approach is used, implemented in the open-source library OpenFOAM, in which the liquid phase is treated as an Eulerian continuum and the bubble as a Lagrangian discrete phase. To achieve the proposed objectives, a custom submodel is developed to simulate the dissolution of CO2 into the continuous phase, considering mass transfer at the interface, governed by Henry's Law, and the consequent bubble shrinkage. The model describes the bubble's dynamics based on drag, buoyancy, and virtual mass forces. The simulations analyze the effect of variations in the initial bubble diameter and CO2 concentration. The results quantify the gas dissolution rate and the temporal evolution of the bubble's velocity and size, providing fundamental data on the process physics. The study establishes a theoretical basis for future simulations of bubble columns.