Termofluidodinâmica
A área de Termofluidodinâmica caracteriza-se como uma área de pesquisa da Engenharia Química, que visa ao desenvolvimento teórico e experimental do estudo do comportamento dinâmico dos fluidos e dos fenômenos associados de transferência de calor e massa em equipamentos de separação, mistura ou reação. Especialmente incluídos nesta área de pesquisa estão os sistemas multifásicos uma vez que ocorrem em um grande número de processos. Outros tópicos de interesse, pela sua interface com processos multifásicos, são métodos numéricos, radiação térmica e combustão. As linhas de pesquisa da área, algumas em andamento desde 1970, englobam estudos avançados que visam à elaboração de teses de mestrado e doutorado, possibilitando também o desenvolvimento de projetos científico-tecnológicos inovadores.
A área de Termofluidodinâmica atua através de seus laboratórios associados.
O Laboratório de Termofluidodinâmica, criado em 1970, vem desenvolvendo atividades de pesquisa em fluidodinâmica e transferência de calor e massa em sistemas multifásicos, tanto através de estudos experimentais quanto teóricos-computacionais. Estudos recentes incluem a análise de evaporadores por contato direto, colunas de borbulhamento, colunas de esgotamento, escoamento polidisperso de emulsões, reatores de Fischer-Tropsch, etc.
O LTFD está instalado no prédio CETER, anexo ao bloco I-2000 da COPPE, inaugurado em 2001. O LTFD está equipado atualmente com uma unidade multipropósito de bancada em coluna de borbulhamento e uma unidade piloto em evaporação por contato direto para análises experimentais, além de equipamentos de apoio. O LTFD possuiu uma área própria de trabalho para os alunos.
Unidade em Coluna de Borbulhamento na área
experimental. |
Medida de tamanho de bolhas por via fotográfica. |
Com o aumento da utilização de simulação computacional no LTFD, foi criado em 2005 o Laboratório de Fluidodinâmica Computacional e Computação Paralela (LFCCP), na expansão do prédio CETER, para concentrar as atividades de pesquisa e ensino associadas à simulação computacional de escoamentos (CFD) e à computação científica em paralelo. Além de espaço adequado ao ensino de computação científica, o LFCCP possui infraestrutura para a simulação computacional, que pode ser realizada com o desenvolvimento de códigos próprios ou utilizando softwares livres (OpenFOAM da NABLA) ou comerciais de CFD (CFX da ANSYS). O LFCCP conta com dois clusters tipo beowulf para processamento paralelo. Um deles, em rede Gigabit, está sendo expandido de 16 para 24 CPUs, com a adição de 8 novas unidades baseadas em Pentium 4.
Área dos alunos, com um cluster ao fundo. |
Outra vista da área dos alunos. |
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Paulo Laranjeira da Cunha Lage,
D. Sc. (1992), (coordenador da área e pesquisador principal)
- Luiz Fernando Lopes Rodrigues Silva (doutorando)
- Raphael Moura L. Coelho (doutorando TP - PETROBRAS) (EQ)
- Ricardo Carvalho Rodrigues (doutorando)
- João Felipe Mitre (mestrando)
-
Alexander
Cramer Von Clausbruch (mestrando TP - Chemtech)
- Ricardo Barbosa Damian (mestrando TP - ESSS )
- Umberto Sansoni Jr. (mestrando TP - PETROBRAS) (PEM)
- Bruno Rogerro Guimarães (mestrando)
- Antônio Gonçalves Neto (técnico)
Além de diversos alunos de realizando programas de iniciação científica, estágio e projeto final de graduação
- Carlos Eduardo Fontes Costa e Silva (Chemtech, ex-doutorando)
- Cláudio Patrício Ribeiro Jr. (Universidade de Hannover ex-doutorando, ex-pós-doutor)
- Flávio Barboza Campos (CENPES, PETROBRAS, ex-doutorando)
- Jorge Palomino Monteagudo (ConocoPhillips, Bartlesville, USA, ex-doutorando)
- Victor Ruiz Ahón (CENPES, PETROBRAS, ex-pós-doutor)
- Formação de recursos humanos na área de Termofluidodinâmica, aos níveis de mestrado e doutorado.
- Modelagem físico-química e matemática, simulação e análise dos processos multifásicos.
- Simulação e projeto de equipamentos industriais envolvendo processos multifásicos.
A área de Termofluidodinâmica desenvolve-se atualmente em uma grande linha de pesquisa:
o Processos Multifásicos. Esta linha desenvolve temas de pesquisa sobre diversos processos onde ocorre a transferência de calor e/ou massa entre diferentes fases, com ou sem a presença de reação química. Atualmente, estão em desenvolvimento diversas sublinhas de pesquisa:
- Evaporação por Contato Direto: desenvolvimento de modelos de vaporização em bolhas, simulação do evaporador por contato direto, sua análise experimental e aplicação à concentração de sucos de frutas.
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Unidade de
Coluna em Borbulhamento com Suco de Laranja |
Esquema de Evaporador
por Contato Direto |
- Colunas de Borbulhamento Esgotadoras: simulação usando CFD para scale-up, aplicação à separação de aromas de sucos de frutas.
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Campo instantâneo da fração mássica de acetato de etila
em uma seção vertical de uma coluna de borbulhamento esgotadora. |
Campo transiente de fração volumétrica de gás em uma
seção vertical de uma coluna de borbulhamento para diversos instantes de
tempo. Perfil de velocidade mostrado no último instante. |
- Colunas de Borbulhamento e Colunas em Lama: análise experimental e simulação fluidodinâmica.
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Coluna de borbulhamento operando em regime homogêneo |
Coluna de borbulhamento operando em regime
heterogêneo |
- Escoamentos Multifásicos Polidispersos: desenvolvimento de métodos numéricos para a solução do balanço populacional, estudo de modelos de quebra e coalescência, simulação CFD.
Região de quebra de gotas no escoamento de uma emulsão
água em óleo através de um acidente. |
Funções de distribuição de tamanho de bolhas em uma
coluna de borbulhamento não isotérmica - análise de modelos de quebra e
coalescência. |
- Escoamentos Multifásicos em Dutos: métodos numéricos para solução de escoamentos unidimensionais, modelos 1-D para escoamentos gás-líquido, modelagem do escoamento de emulsões.
Avaliação de métodos numéricos para a simulação de escoamento
compressível em dutos (tubo de choque). |
- Escoamentos Multifásicos Estratificados: métodos para o acompanhamento acompanhamento de frentes livres.
Simulação bidimensional de escoamento de frente livre
no problema de quebra de dique (usando o OpenFOAM). |
Simulação da frente livre no escoamento em canal com
expansão abrupta (usando a técnica RCM). |
- Escoamentos em Meios Porosos: modelagem de meios porosos usando modelos de percolação, escoamento em meios porosos com precipitação de sólidos.
Rede de percolação de Matthews. |
Esquema de simulação de dano a poço de petróleo. |
Como linhas auxiliares ao desenvolvimento da linha de Processos Multifásicos, temos:
o Métodos Numéricos. Esta linha desenvolve temas de pesquisa que gerem avanços nos métodos numéricos utilizados para a simulação de processos multifásicos modelados, estudando os Métodos dos Volumes Finitos e das Diferenças Finitas e o Método da Transformada Integral Generalizada e métodos para solução de problemas de Balanço Populacional.
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Solução da equação de balanço populacional unidimensional
com quebra e absorção (perfil da massa da partícula, m, na altura,
z, no instante t = 1). |
Livro
baseado no curso homônimo da Escola Piloto Online (E-papers) |
o Fluidodinâmica Computacional. Esta linha desenvolve estudos aplicados em processos de transporte de calor e/ou massa utilizando a Fluidodinâmica Computacional.
Simulação
do escoamento com transferência de calor em canal com aletas. |
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Contorno de velocidade em
um canal com aletas cilíndricas em arranjo desencontardo. |
Vetores de velocidade em canal
com aletas cúbicas em arranjo em linha.. |
Simulação
2D transiente da transferência de calor em escoamento cruzado sobre um
cilindo a Re = 105. |
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Linhas de corrente e campo
de pressão instantâneos. |
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o Combustão. Esta linha desenvolve temas de pesquisa envolvendo processos de combustão, principalmente de gotas e “sprays”.
o Radiação Térmica. Inclui temas de pesquisa relacionados às linhas de pesquisa de Combustão e Processos Multifásicos, incluindo normalmente estudos de Radiação Térmica em Meios Participantes.
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Perfil de absorção de radiação térmica dentro de uma
gota (múltiplas exposições). |
Inúmeras operações industriais ocorrem com a presença de duas ou mais fases trocando massa e energia entre si. Quando estas trocas são desejadas, aumenta-se a área interfacial provocando a dispersão de uma fase na outra. Existem, pois, diversos processos de importância industrial que operam com uma fase dispersa: a absorção de um composto de uma corrente gasosa (reativa ou não), a extração gás-líquido (esgotamento), a extração líquido-líquido, reações trifásicas em reatores em lama, a evaporação por contato direto, a destilação (reativa ou não), a combustão em atomizadores (combustão “spray”), a secagem por atomização (“spray drying”), entre outros. O projeto e a otimização destes processos industriais e de seus equipamentos passa, necessariamente, pelo conhecimento detalhado dos processos de transporte e de reações químicas que ocorrem nos mesmos, isto é, pela necessidade de se modelar matematicamente e simular estes escoamentos multifásicos dispersos.
Muito embora a Evaporação por Contato Direto, que tem alta eficiência térmica, tenha sido desenvolvida para a evaporação de líquidos corrosivos e incrustantes, ela é potencialmente vantajosa para a concentração de produtos termolábeis. Isto se deve ao fato da vaporização por contato direto ocorrer a mais baixa temperatura, devido ao transporte termo-mássico simultâneo. A indústria alimentícia é uma usuária potencial desta tecnologia. Atualmente, estuda-se a concentração de sucos de frutas em processo de concentração e recuperação de aromas que permita obter sucos concentrados de qualidade superior. O processo de recuperação de aromas tem três etapas, sendo que a primeira delas consiste na extração dos mesmos por Esgotamento em Colunas de Borbulhamento. A relevância econômica do desenvolvimento deste novo processo de produção de sucos concentrados de melhor qualidade pode ser avaliada pela produção atual mundial que é de US$ 31 bilhões, sendo que um terço dele é produzido pelo Brasil.
Na maioria dos processos multifásicos citados acima, a polidispersão está presente, podendo ser apenas no tamanho dos elementos da fase dispersa, mas usualmente envolve distribuição em outras propriedades que caracterizam a fase dispersa (como concentração de um certo composto ou quantidade de energia térmica armazenada). Assim, a polidispersão afeta os processos de transporte entre as fases pois influenciam não só a área interfacial, mas também os coeficientes de transporte e as diferenças de potenciais (concentração ou temperatura) envolvidas. A polidispersão também afeta o próprio escoamento multifásico pois, na presença de diferença de densidade entre as fases, ocorrem fenômenos de segregação por tamanho do elemento da fase dispersa. No caso de colunas de borbulhamento, o efeito sobre o escoamento é muito maior porque, neste caso, o próprio escoamento é provocado pela diferença de densidade entre as fases (convecção natural). São as alterações na distribuição de tamanho das bolhas, ocasionadas pelos fenômenos de quebra e coalescência, que provocam as transições de regime de escoamento em colunas de borbulhamento. Assim, fica clara a relevância do estudo da polidispersão em colunas de borbulhamento e o seu acoplamento à simulação do escoamento multifásico em questão.
o Área de Processos de Separação com Membranas e Polímeros, PEQ/COPPE
o Área de Modelagem, Simulação e Controle, PEQ/COPPE
o Núcleo de Catálise, PEQ/COPPE
o Laboratório de Mecânica da Turbulência, PEM/COPPE (Núcleo de Excelência em Turbulência)
o Laboratório de Transmissão e Tecnologia do Calor, PEM/COPPE
o Projeto de Pesquisa FAPERJ “Processos Multifásicos”, para o período de Outubro de 1999 a Dezembro de 2001.
o Projeto de Pesquisa FINEP/CT-PETRO “Garantia de Escoamento II – Transferência de Calor”, para o período de Março de 2000 a Fevereiro de 2001.
o Projeto de Pesquisa FINEP/CT-PETRO “Conversão de Gás Natural a Hidrocarbonetos Líquidos por Rota Tradicional”, para o período de Janeiro de 2002 a Dezembro de 2003. (Coordenado pelo Prof. Martin Schmal).
o Projeto de Pesquisa CNPq/Universal, “Simulação de Escoamento em Reatores Multifásicos”, para o período de Novembro de 2003 a Março de 2005.
o Projeto Técnico-Científico COPPETEC/PETROBRAS, “Avaliação técnica do processo de coalescência-redispersão em escoamentos de emulsões água em óleo - Etapa 1”, Novembro de 2004 a Junho de 2005.
o Projeto Técnico-Científico COPPETEC/Chemtech, “Estudo da Modelagem da Troca Térmica em Seções de Spray em Leito Vazio”, Janeiro 2005 a Agosto 2005.
o Projeto de Pesquisa CNPq/Universal, “Modelagem de Processos Multifásicos”, para o período de Setembro de 2005 a Outubro de 2007.
o Projeto CNPq/CT-PETRO, “Análise Teórico-Experimental de Colunas de Borbulhamento operando em Lama”, aprovado em 2005, vigência 2006-2008.
Até a presente data, já foram defendidas cerca de 40 (quarenta) dissertações de mestrado e 10 (dez) teses de doutorado dentro da área de Termofluidodinâmica do PEQ/COPPE. O proponente foi orientador de 8 (oito) dissertações de mestrado e de 4 (quatro) teses de doutorado.
(1) Luiz Fernando Lopes Rodrigues Silva, Modelagem e simulação da absorção reativa em colunas de borbulhamento, Dissertação de Mestrado, Programa de Engenharia Química, COPPE/UFRJ, Abril de 2004.
(2) Ricardo Carvalho Rodrigues, Estudo do aumento de escala do processo de esgotamento de aromas em colunas de borbulhamento usando fluidodinâmica computacional, Dissertação de Mestrado, Programa de Engenharia Química, COPPE/UFRJ, Março de 2005.
(1) Jorge Eduardo Palomino Monteagudo, Simulação do Escoamento em Meios Porosos sob precipitação de Asfaltenos, Tese de Doutorado, Programa de Engenharia Química, COPPE/UFRJ, Dezembro de 2001.
(2) Carlos Eduardo Fontes da Costa e Silva, Estudo da Polimerização em Injeção Reativa, Tese de Doutorado, Programa de Engenharia Química, COPPE/UFRJ, Junho de 2002.
(3) Flávio Barboza Campos, Modelagem de Colunas de Borbulhamento incluindo a Polidispersão das Bolhas, Tese de Doutorado, Programa de Engenharia Química, COPPE/UFRJ, Junho de 2002.
(4) Cláudio Patrício Ribeiro Júnior, Desenvolvimento de um Processo Combinado de Evaporação por Contato Direto e Permeação de Vapor para Tratamento de Sucos, Tese de Doutorado, Programa de Engenharia Química, COPPE/UFRJ, Janeiro de 2005.
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(27) Ribeiro Jr., Lage, P. L. C. (2005)
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(5) Ribeiro Jr., C. P., Campos, F. B., Lage, P. L. C., Pinto, J. C. (2001) “Modelos de Quebra e Coalescência de Bolhas em Colunas de Borbulhamento: Estimação de Parâmetros”, Anais do XXIX Congresso Brasileiro de Sistemas Particulados (ENEMP 2001), São João del Rey, outubro de 2001 (em CD-ROM), 8 páginas.
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(13) Ribeiro Jr., C. P.; Borges, C. P.; Lage, P. L. C. (2004) “Evaporação por contato direto: uma alternativa para concentração de sucos de fruta”, XIX Congresso Brasileiro de Ciência e Tecnologia de Alimentos, Recife, 7-10 de Setembro, em CD-ROM, 4 pp.
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(16) Mitre, J. F., Ribeiro Jr., C. P.; Lage, P. L. C.; Pinto, J. C. (2004) Estimação de Parâmetros de Modelos de Quebra e Coalescência de Bolhas Aplicados a um Evaporador por Contato Direto, XXXI Congresso Brasileiro de Sistemas Particulados (ENEMP 2004), 24 a 27 de Outubro, Uberlândia, MG, 8 pp. (aceito para publicação).
(17) Rodrigues, R. C., Lage, P. L. C. (2004) Simulação Fluidodinâmica de Esgotamento de Voláteis em Colunas de Borbulhamento, XXXI Congresso Brasileiro de Sistemas Particulados (ENEMP 2004), 24 a 27 de Outubro, Uberlândia, MG, 10 pp. (aceito para publicação).
(18) Ribeiro Jr., C. P., Borges, C. P., Lage, P. L. C. (2004) Concentração de Sucos de Fruta Sintéticos pela Técnica de Evaporação por Contato Direto, Colóquio Anual de Engenharia Química, Programa de Engenharia Química, Rio de Janeiro, RJ, em CDROM, 2 pp., 2 e 3 de Dezembro de 2004.
(19) Sansoni Jr., U., Damian, R. B., Brum, N. C. L., Lage, P. L. C. (2005) Cutting Transport Simulation in a Simple Bit Geometry with Reverse Circulation Drilling, 1o Workshop Latino Americano de CFD Aplicado à Indústria do Petróleo, 9 a 11 de Março de 2005, Rio de Janeiro, RJ, (em CDROM), 22 pp.
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