Metodologia de automação para simulação em CFD: aplicação na degradação de tricloroetileno via fotocatálise heterogênea

Abstract

A simulação fluidodinâmica computacional (CFD) tem se consolidado como uma ferramenta essencial para a otimização de processos químicos e ambientais, permitindo modelar e analisar fenômenos complexos de forma controlada e eficiente. No contexto da degradação de poluentes gasosos, a fotocatálise surge como uma tecnologia promissora, sendo aplicada na remoção de compostos tóxicos, como o tricloroetileno (TCE), utilizando catalisadores como o dióxido de titânio (TiO2). No entanto, a otimização dos reatores fotocatalíticos ainda representa um desafio, exigindo metodologias avançadas para análise e aprimoramento dos sistemas. Este trabalho propõe uma metodologia automatizada para simulações CFD, focada na otimização paramétrica do reator fotocatalítico NETmix aplicado à degradação do tricloroetileno. A abordagem automatizada possibilitou a geração de geometrias diversas, além de malha numérica e configuração do solver de maneira eficiente, reduzindo significativamente o tempo de processamento e minimizando erros humanos. Foram avaliadas variações geométricas do reator, considerando parâmetros como número de linhas, raio das câmaras e diâmetro dos canais, com o objetivo de identificar a configuração mais eficiente para a conversão do poluente. Os resultados evidenciaram que a distribuição da irradiância e a degradação do tricloroetileno são diretamente influenciadas pelos parâmetros geométricos. Modelos com menor número de linhas apresentaram maior irradiância média, enquanto configurações com 29 linhas demonstraram melhor eficiência na conversão do poluente devido ao tempo de residência adequado. Além disso, modelos com canais horizontais (CH) apresentaram maior eficiência global e distribuição de luz de forma mais homogênea, favorecendo o processo fotocatalítico. A degradação do TCE mostrou-se mais sensível ao raio das câmaras do que ao diâmetro dos canais, reforçando a importância do equilíbrio entre irradiância e tempo de residência na otimização da geometria do reator. A metodologia desenvolvida aprimora o processo de modelagem e simulação e também fornece diretrizes valiosas para o desenvolvimento de reatores fotocatalíticos mais eficientes. Os achados deste estudo podem ser aplicados em investigações futuras, contribuindo para a inovação em processos fotocatalíticos e para o avanço de soluções sustentáveis na mitigação da poluição ambiental.

Abstract: Computational fluid dynamics (CFD) simulation has become an essential tool for optimizing chemical and environmental processes, enabling the controlled and efficient modeling and analysis of complex phenomena. In the context of gaseous pollutant degradation, photocatalysis emerges as a promising technology, applied to the removal of toxic compounds such as trichloroethylene (TCE) using catalysts like titanium dioxide (TiO2). However, optimizing photocatalytic reactors remains a challenge, requiring advanced methodologies for system analysis and improvement. This study proposes an automated methodology for CFD simulations, focusing on the parametric optimization of the NETmix photocatalytic reactor applied to trichloroethylene degradation. The automated approach enabled the efficient generation of geometries, numerical meshing, and solver configuration, significantly reducing processing time and minimizing human errors. Geometric variations of the reactor were evaluated, considering parameters such as the number of lines, chamber radius, and channel diameter to identify the most efficient configuration for pollutant conversion. The results showed that irradiance distribution and trichloroethylene degradation are directly influenced by geometric parameters. Models with fewer lines exhibited higher average irradiance, while configurations with 29 lines demonstrated better pollutant conversion efficiency due to the appropriate residence time. Additionally, models with horizontal channels (CH) presented higher overall efficiency and more homogeneous light distribution, favoring the photocatalytic process. TCE degradation was more sensitive to chamber radius than to channel diameter, reinforcing the importance of balancing irradiance and residence time when optimizing reactor geometry. The developed methodology enhances the modeling and simulation process and also provides valuable guidelines for developing more efficient photocatalytic reactors. The findings of this study can be applied in future research, contributing to innovation in photocatalytic processes and advancing sustainable solutions for environmental pollution mitigation.