Campos de fração volumétrica da fase sólida para a geometria sem distribuidor em anel é apresentado na Figura 28, que mostra uma estrutura de escoamento multifásico diferente no início da fluidização.
No caso do resfriador de catalisador sem distribuidor anular, os sólidos se aglomeram na região central do resfriador, enquanto que a canalização de gás aconteceu para a região das paredes.
A comparação entre ambas as estruturas de escoamento na partida do processo (casos 1.1 e 1.2) indica que a presença do anel é determinante para o comportamento do escoamento gás-sólido. O gás foi desviado para a parede quando não havia nenhum distribuidor anelar porque o fluxo de ar que entra encontra uma massa de sólidos estáticos (leito). Este processo dinâmico pode ser visto na Figura 28, quando se olha para a parte inferior do domínio para as geometrias simuladas sem distribuidor em anel. Naturalmente, a acumulação de sólidos não acontece na mesma região que foi observada na Figura 27 para o caso 1.1.
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FIGURA 28 - Campo de fracção de sólidos ao longo do tempo no escoamento gás- sólido para o resfriador de catalisador sem distribuidor em anel.
Fonte: AUTOR (2016).
Como consequência, os sólidos permaneceram mais concentrados no centro do domínio computacional (Figura 28). No entanto, o desenvolvimento do escoamento gás- sólido levou à maior uniformidade e as estruturas foram dissipadas. Depois de 14 segundos, a fração volumétrica de sólidos é razoavelmente uniforme na parte inferior do equipamento simulado.
O gás foi desviado a partir do centro para as paredes, mas o desenvolvimento do escoamento gás-sólido levou a velocidades mais elevadas no centro do resfriador de catalisador. O comportamento após o desenvolvimento era esperado, uma vez que o sistema foi diluído ao longo do tempo.
É importante destacar que o resfriador de catalisador industrial opera continuamente. Os sólidos são alimentados e retirados para entrar no riser. O próximo passo para simulações de CFD foi então construir uma UDF (User Defined Function) como uma abordagem para calcular a vazão mássica de sólidos na saída e alimentar a mesma quantidade, para manter a carga de sólidos durante as simulações. Esta
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implementação tornou possível obter informações sobre as condições constantes da operação do equipamento, similar ao que ocorreu nos ensaios experimentais de YAO et al. (2014b).
4.2. Caso 2: Resultados das simulações de geometrias de Resfriador de catalisador de FCC com realimentação de sólidos
As geometrias foram novamente baseadas nos trabalhos de YAO et al. (2015) e iniciadas com um leito estático no sistema como uma condição inicial. O leito, também era expandido ao longo do tempo até que as partículas fossem ejetadas do domínio computacional. Porém, com a incorporação da realimentação de sólidos mediante uma função definida pelo usuário, compilada dentro do programa computacional ANSYS FLUENT v14.5, o inventário de sólidos era mantido constante no domínio computacional. O tempo de escoamento real das simulações foi de 35,0 segundos em ambas situações.
Devido à incorporação de uma função definida pelo usuário (UDF) para caracterizar a realimentação dos sólidos, o comportamento do sistema pode ser dividido em duas etapas: a primeira etapa que implica a partida do (startup do processo), e a segundo etapa que focou na estabilização do sistema após a realimentação.
Os resultados apresentados nesta seção correspondem somente à estabilização do processo, pois essa etapa representa a operação normal e contínua do equipamento na indústria.
4.2.1. Teste de malhas e análise da expansão do leito e da UDF
No caso 2.1, o estado de estabilização (quase estacionário) foi obtido em aproximadamente 25,0 segundos de escoamento. A Figura 29a mostra os campos médios de fração volumétrica dos sólidos em simulação realizada sobre a operação transiente após a estabilização do sistema. Um comportamento similar é apresentado para as malhas intermediária e mais refinada, visando que a resposta em indica a independência da malha quanto mais o número de células é acrescentada. De fato, a malha menos refinada foi descartada do análise, por conseguinte, a malha intermediária foi tomada como referência para o análise e apresentação dos resultados.
A Figura 29b apresenta a análise da queda de pressão total no interior do resfriador, para cada refinamento da malha considerada nos testes. O resultados
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mostraram que malhas mais refinadas indicaram estabilização da queda de pressão com o número de células, indicando que é possível aplicar a malha intermediária ao evitar grandes influências do erro numérico no problema.
FIGURA 29 – Teste de Malhas após atingir o estado quase estacionário. A) Campo médio de fração volumétrica de sólidos em cada uma das três malhas (caso 2.1). B)
Pressão total em Kpa para cada refinamento da malha.
Fonte: AUTOR (2016).
No caso 2.2, para os três testes de malha, pode se inferir que o estado de estabilização ou também chamado de estado quase estacionário é atingido aproximadamente aos 25.0 segundos após o início do processo. Uma vez que alcança o estado de estabilização, nota-se que o comportamento tanto do campo de fração volumétrica (Figura 30a) quanto a queda de pressão (Figura 30b) são mantidos a partir da malha intermediária, o que indica independência dos resultados a partir dela.
Sendo assim, a malha intermediária foi adotada para descrever os resultados para os casos 2.1 e 2.2.
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FIGURA 30 - Teste de Malhas após atingir o estado quase estacionário. A) Campo médio de fração volumétrica de sólidos em cada uma das três malhas (caso 2.1). B)
Pressão total em Kpa para cada refinamento da malha.
Fonte: AUTOR (2016).
4.2.2. Resultados e análise das simulações para a malha intermediária
Nesta seção são apresentados os resultados obtidos das simulações para os casos 2.1 e 2.2, para os quais também foram tomados como referência as malhas intermediárias. Cabe ressaltar que a realimentação de sólidos foi realizada para manter constante um inventário de sólidos.
Caso 2.1: Resfriador de catalisador com distribuidor de prato perfurado central,