Estudo de modelagem numérica tridimensional de ciclones do tipo Lapple para separação gás-solido

Abstract

Ciclones são equipamentos que empregam uma resultante entre as forças de arraste, força peso, centrífuga e inércia para separar partículas. Por possuir simples desenho e baixo custo de manutenção, eles são ideais para serem usados como pré-limpadores de efluentes com material particulado em suspensão. A técnica de CFD (Computational Fluid Dynamics) aparece como uma importante ferramenta para a pesquisa e desenvolvimento de processos de engenharia. Neste trabalho foi desenvolvido um estudo de modelagem tridimensional de ciclones do tipo Lapple a partir dos modernos recursos de CFD. O trabalho foi dividido em três partes: análise do escoamento e avaliação do desempenho de um ciclone de diâmetro similar aos utilizados em plantas de FCC (fluid catalytic cracking); estudo de refino da malha numérica visando diminuir os efeitos de difusão numérica de forma a obter resultados mais acurados; e, finalmente, a validação do modelo proposto através de uma curva empírica de eficiência de coleta e também de critérios numéricos. Todas as simulações foram realizadas considerando o escoamento bifásico, com o modelo de turbulência RSM (Reynolds stress model), e esquema de interpolação upwind de segunda ordem para as variáveis descritivas. Na primeira parte do estudo, os testes foram feitos com um ciclone de diâmetro igual a 0,254m, sendo as demais medidas de acordo com as relações propostas por Lapple (1951). Os resultados preliminares obtidos para os campos de pressão, velocidade e concentração de partículas se mostraram qualitativamente coerentes com os da literatura, entretanto, a malha numérica utilizada necessitou de um refinamento a fim de melhorar os resultados de simulação, visto que as eficiências obtidas apresentaram desvios em relação àquelas indicadas por Lapple (1951). Foram colocadas camadas de prismas junto às paredes do ciclone e do finder. Os resultados obtidos com a malha refinada passaram a prever corretamente o desempenho de coleta, como também descreveram adequadamente o comportamento do escoamento no ciclone. Para a validação do modelo, as simulações foram feitas com um ciclone de diâmetro de 0,127m. As eficiências de coleta para diferentes diâmetros de partículas coincidiram aproximadamente com as de Lapple (1951). Desta forma, pode-se afirmar que o modelo tridimensional proposto é válido para simular o escoamento gás-sólido em ciclones, assim como prever adequadamente a eficiência de separação.