Análise comparativa das laternativas para simulação CFD de tanque de mistura operando em regime turbulento

Abstract

Os tanques de mistura são amplamente utilizados nos processos industriais: químicos, petroquímicos, farmacêuticos, alimentícios e nas estações de tratamento de efluentes. O comportamento de um sistema de agitação tem um grande impacto na qualidade do produto e no custo de produção. O projeto adequado de um sistema de mistura pode minimizar os gastos energéticos do equipamento e seu tempo de processamento, além de melhorar a uniformidade do produto. O número de Potência é um parâmetro fundamental para o dimensionamento do tanque e também para estimar o consumo energético. Nas aplicações industriais de mistura, o consumo de potência por unidade de volume é um dos parâmetros mais utilizados para aumento e diminuição de escalas (scale-up e scale-down) de projeto. A CFD (Computational Fluid Dynamics) tem apresentado um papel importante para ajudar a entender o complexo comportamento do escoamento no interior do tanque agitado. O presente trabalho apresenta uma comparação dos diferentes modelos para tratamento do domínio rotativo utilizados na simulação CFD de tanques de mistura. As simulações foram realizadas para um impelidor do tipo pás inclinadas 45°, operando em regime turbulento. Além disso, é proposto um procedimento para o cálculo do número de Bombeamento no interior do tanque agitado. Os resultados obtidos através das simulações numéricas são validados através da comparação com resultados experimentais disponíveis na literatura. Os resultados obtidos mostraram que os números de Potência obtidos pelo modelo Frozen Rotor são bastante próximos aos resultados obtidos pelo modelo Stage, mostrando que o número de Potência permanece praticamente constante em função do número de Reynolds. Conseqüentemente, os modelos ofereceram resultados próximos para a estimativa de consumo energético do sistema de agitação. Os diferentes modelos para tratamento do domínio rotativo apresentaram diferenças nos resultados para o número de Bombeamento, linhas de corrente e relação número de Potência / número de Bombeamento (Np/NB), mostrando que a qualidade dos resultados é influenciada pelo modelo escolhido.

Stirred vessels are widely used in the industries process: chemicals, petrochemicals pharmaceuticals, as well as wastewater treatment. Stirred vessel behavior has a great impact in the product s production cost and quality. The optimized project of a mixing system can minimize the equipment power consumption and its processing time, improving product s uniformity. The power number is one of the most widely used design parameters in the mixing operation and has proven to be a reliable predictor of power consumption. In industrial mixing applications, the power consumption per unit volume of fluid is a parameter used extensively for scale-up, scale-down and design. Computational fluid dynamics (CFD) is playing a key role in helping to understand the highly complex flow inside stirred vessels. The present work shows a comparison through different models used to treat rotating frame used in CFD simulation. The simulation was done for 45° pitched blade turbine in a turbulent flow. Moreover it is proposed a procedure to estimate the pumping number inside stirred reactor. The results obtained by numerical simulations are validated by comparison with experimental results published in the literature. The results have shown that power numbers obtained using Frozen Rotor model are closely with Stage model. Both models produce results for the power number practically constant in the turbulent regime. Consequently, different models have shown results with great agreement to estimate the equipment power consumption. The different models used to treat rotating frame used in CFD simulation have presented different results in flow number, flow patterns inside stirred reactor (streamlines) and power number / flow number relation, showing that the quality of results is influenced by the rotating frame model