Aplicação do método SPH para estudar a separação de substâncias sólidas do fluido num hidrociclone

Abstract

Os hidrociclones são equipamentos amplamente utilizados nos processos de separação sólido-líquido, devido a sua alta eficiência de separação, aliada à demanda por processos rápidos e baixos custos de instalação, operação e manutenção. Estes equipamentos apresentam geometrias compactas, compostas essencialmente por um corpo com uma secção superior cilíndrica e uma secção inferior cónica, uma entrada e duas saídas (bocal de saída inferior e superior). O escoamento nos hidrociclones apresenta uma estrutura complexa com vórtices de diferentes escalas e orientações. No campo de escoamento existe a reação das partículas e também interação sólido-sólido (i.e., interações partícula-partícula e partícula-parede do hidrociclone). No entanto, a maioria dos modelos numéricos (computational fluid dynamics - CFD) desprezam estes efeitos. O objetivo principal desta dissertação é validar e demonstrar a aplicabilidade do método smoothed particle hydrodynamics (SPH) no estudo da separação de substâncias sólidas do líquido num hidrociclone. A interação sólido-sólido é resolvida aplicando o método distributed contact discrete-element method (DCDEM). O código numérico utilizado é o DualSPHysics. Este código baseia-se no método SPH para resolver as equações que gerem a dinâmica dos fluidos. O fluido é considerado como sendo um conjunto de partículas. As trajetórias e as velocidades das partículas do fluido em função da sua posição inicial e do tempo são dadas pelo seguimento de cada partícula durante um determinado período de tempo. Portanto, neste método para descrever a dinâmica dos fluidos não é necessário uma malha de cálculo. O movimento individual de cada partícula é obtido a partir do movimento das partículas que estão à sua volta (partículas vizinhas). Numericamente as interações entre as partículas são asseguradas por um kernel de interpolação. A validação do modelo numérico é feita através da comparação dos resultados numéricos com resultados numéricos e experimentais da literatura. Esta validação é feita em duas etapas. Na primeira etapa verifica-se o acoplamento do método DCDEM e do método SPH. A comparação entre os resultados numéricos e os dados experimentais mostra que o modelo numérico permite simular com precisão as interações sólido-líquido e sólido-sólido, com um erro relativo de aproximadamente 3%. Na segunda etapa analisa-se o escoamento no interior de um hidrociclone. O modelo revelou-se capaz de reproduzir as componentes axial, tangencial e radial da velocidade. Posteriormente, o código numérico é aplicado para estudar a influência do diâmetro do bocal de saída inferior, do comprimento do localizador de vórtice e do comprimento da câmara de separação de secção cônica na eficiência de separação de um hidrociclone comercial. A diminuição do diâmetro do bocal inferior de saída provoca um aumento da eficiência de separação do hidrociclone. Em sentido contrário, o aumento do comprimento do localizador de vórtice, para além do comprimento da camara de secção cilíndrica, promove a diminuição de eficiência da separação do hidrociclone. O aumento do comprimento da camara de separação cônica até 0.925 m denota pouca influência na eficiência de separação do hidrociclone. Contudo, valor superior a 0.925 provoca uma diminuição considerável da eficiência de separação.