Simulação numérica da transferência de calor e massa em sistema bifásico multicomponente: uma abordagem baseada nas equações de Maxwell-Stefan

Abstract

Esta dissertação de mestrado originou-se da necessidade de avaliação de estratégias numéricas que permitam uma adequada predição in silico dos fenômenos de transferência de calor e massa em sistemas multicomponentes e multifásicos. Em particular, o foco do trabalho consistiu na implementação de modelos robustos em ferramenta de CFD. Para tanto, as equações de Maxwell-Stefan em conjunto com a lei de Fick generalizada foram codificadas na linguagem de programação C e o código gerado foi dinamicamente acoplado ao código comercial ANSYS® CFD (FLUENT®), versão 14.0. Determinou-se, então, a composição e a temperatura de equilíbrio em um sistema vapor-líquido, sendo cada fase composta por uma mistura de quatro hidrocarbonetos puros (metano, n-pentano, n-hexano e n-octano). Levou-se em consideração todas as características inerentes a misturas multicomponentes (a exemplo da correção para altas taxas e da contribuição de todos os gradientes de composição para a taxa de transferência da espécie i), o que introduz uma complexidade considerável ao sistema quando comparada à solução de escoamentos envolvendo misturas binárias. Os resultados obtidos nos estudos com a ferramenta de CFD foram verificados com predições obtidas do simulador de processos comercial em estado estacionário denominado PRO/II®, versão 8.2. Um estudo preliminar com a mistura binária água/ar foi conduzido com o objetivo de validar os resultados obtidos com o código CFD por meio de comparação direta com dados fornecidos pela carta psicrométrica padrão. <br>

Abstract : This dissertation was originated from the need of the evaluation of numerical strategies that may allow an adequate prediction in silico of heat and mass transfer phenomena in multicomponent and multiphase systems. In particular, the aim of the work has been to implement robust models in a CFD tool. Therefore, the Maxwell-Stefan's equations in conjunction with the generalized Fick's law have been codified in the C programming language and the code generated has been dynamically coupled to the commercial code ANSYS® CFD (FLUENT®), version 14.0. It has been determined, then, the equilibrium composition and temperature in a vapor-liquid system, in which each phase has been composed by a mixture of four pure hydrocarbons (methane, n-pentane, n-hexane and octane). All the inherent characteristics of multicomponent mixtures (e.g., the high flux correction and the contribution of all composition gradients to the transport rate of species i) have been taken into account, which introduces considerable complexity to the system when compared to the solution of flow involving binary mixtures. The results obtained in the studies conducted with the CFD code have been verified with predictions obtained from the steady state process simulator named PRO/II®, version 8.2. A preliminary study with the binary mixture water/air has been carried out with the aim to validate the results obtained with the CFD code by means of direct comparison with data provided by standard psychrometric chart.