Dynamic numerical simulation of thermally induced crystallization fouling

Abstract

A incrustação, ou fouling, corresponde ao acúmulo indesejado de materiais sobre superfícies sólidas, provocando a degradação progressiva do desempenho operacional de equipamentos industriais. Em sistemas de transferência de calor, esse fenômeno é particularmente crítico, pois a camada depositada introduz uma resistência térmica adicional, reduz o coeficiente global de transferência de calor, aumenta a perda de carga e, em casos severos, pode ocasionar a restrição parcial ou total da área de escoamento. Tais efeitos resultam em penalidades energéticas, hidráulicas, econômicas e operacionais, incluindo o superdimensionamento de trocadores de calor, o aumento do consumo de energia, a redução da eficiência térmica e a necessidade de paradas periódicas para limpeza e manutenção. Entre os diversos mecanismos de incrustação, destaca-se a incrustação por cristalização induzida termicamente, também denominada scaling, que ocorre quando soluções aquosas contendo sais de solubilidade inversa entram em contato com superfícies aquecidas. Nesse contexto, o sulfato de cálcio (CaSO4) constitui um sistema de referência relevante, pois sua solubilidade diminui com o aumento da temperatura, favorecendo a supersaturação local e a consequente precipitação junto à interface sólido?fluido. O objetivo principal deste trabalho é desenvolver e validar uma estrutura matemática e computacional capaz de prever a formação e o crescimento transiente da incrustação por cristalização de CaSO4 em superfícies de transferência de calor. A proposta central da tese consiste em superar as limitações dos modelos empíricos tradicionais de parâmetro concentrado, usualmente zero-dimensionais, por meio de uma abordagem multidimensional, multifísica e baseada em Dinâmica dos Fluidos Computacional (Computational Fluid Dynamics? CFD). A metodologia proposta busca representar explicitamente o acoplamento entre os fenômenos de transporte localizados ? escoamento, transferência de calor, transporte de espécies e cinética de deposição ? e as alterações geométricas decorrentes do crescimento da camada incrustada. Desse modo, o trabalho enfatiza a necessidade de tratar a incrustação como um fenômeno essencialmente transiente, local e fortemente acoplado, em oposição às abordagens clássicas que assumem resistências térmicas fixas ou correlações globais incapazes de capturar a evolução espacial e temporal do depósito.

Abstract: The deposition of undesirable materials on heat transfer surfaces, commonly known as fouling, represents a major operational, energetic, and economic challenge in the process industry. Among the various mechanisms, thermally-induced crystallization fouling is particularly complex, driven by the precipitation of inverse solubility salts, such as calcium sulfate (CaSO4), under thermal gradients. Accurate modeling of this phenomenon requires a multidisciplinary approach, as the deposition continuously modifies the system?s geometry. Therefore, this work aims to develop a comprehensive mathematical model and a robust computational simulation to predict the growth of CaSO4 crystallization fouling, explicitly incorporating an advancing deposition interface. The proposed methodology moves beyond traditional zero-dimensional (0-D) empirical approaches by employing multidimensional and multiphysics Computational Fluid Dynamics (CFD). Simultaneously, the physical growth of the fouling layer is captured using dynamic mesh (moving mesh) techniques, allowing for the explicit temporal tracking of the evolving solid-fluid boundary. The two-way coupling implemented in the numerical model successfully captures the complex interactions among turbulent flow, heat transfer, and crystallization kinetics. Consequently, the simulation can predict crucial phenomenological mechanisms such as auto-retardation: the narrowing of the channel cross-section due to deposition accelerates the fluid, altering local shear stresses and convective heat transfer coefficients, which subsequently acts as a limiting factor for the continuous growth of the fouling layer. In conclusion, dynamic interface simulations in a CFD environment provides an advanced predictive tool. This research significantly contributes to the fundamental understanding of transport phenomena in mutating geometries coupled with surface reactions, offering new insights and guidelines for the design and optimization of heat exchangers subjected to severe inorganic fouling conditions.