September 23, 2008

Uma revisão sobre colunas de borbulhamento

Desde o início do século XX, o estudo de colunas de borbulhamento têm atraído a atenção de vários pesquisadores. Apesar de tantos estudos na área, o entendimento completo da fluidodinâmica deste equipamento nunca foi alcançado de forma que a modelagem e o aumento de escala de reatores em colunas de borbulhamento ainda não estão bem desenvolvidos. Este fato pode ser atribuído à grande complexidade da hidrodinâmica e sua dependência com as propriedades físicas de transporte destes sistemas.

Colunas de borbulhamento apresentam três tipos de regime de escoamento, chamados de homogêneo, heterogêneo (churn ou turbulento) e em golfada (slug). Basicamente, para cada sistema gás-líquido, a formação e a estabilidade destes regimes dependem das velocidades superficiais do gás e do líquido, do distribuidor de gás e da geometria do reator de borbulhamento. A figura abaixo mostra um esquema qualitativo dos escoamentos homogêneo (bolhas dispersas), heterogêneo (churn) e slug.

Em princípio, a retenção gasosa na coluna cresce com o aumento da velocidade superficial do gás e, no caso de um distribuidor eficiente (placa porosa, distribuidor com vários orifícios, etc.), um valor máximo de retenção pode ser obtido na transição entre os regimes homogêneo e heterogêneo. Usando um distribuidor menos eficiente (por exemplo, distribuidor com único orifício), não se observa um ponto máximo de retenção gasosa e as características do regime heterogêneo prevalecem no sistema, mesmo para baixas velocidades superficiais de gás.

O regime homogêneo é caracterizado por baixas velocidades superficiais de gás (inferior a 4 cm/s), onde o tamanho de bolhas e a retenção gasosa são radialmente uniformes, sendo que as bolhas apresentam pequenos diâmetros e formas esféricas. Neste regime, a velocidade de ascensão das bolhas é praticamente uniforme, com trajetória ascendente quase retilínea. Além disso, as bolhas possuem pouca interação entre si. Desta forma, os fenômenos de quebra e coalescência de bolhas podem ser negligenciados, não havendo uma forte recirculação de líquido na coluna.

Com o aumento da vazão de gás, o escoamento se torna instável e o regime homogêneo não consegue se manter e passa por um estado de transição. A transição ocorre em uma pequena faixa de velocidades superficiais de gás, onde bolhas maiores formadas por coalescência ascendem com uma velocidade maior que a das bolhas menores. Neste regime, um padrão de circulação do líquido começa a se desenvolver. Para velocidades superficiais de gás superiores a 12 cm/s, é possível observar uma tendência a se estabelecer um equilíbrio entre a quebra e a coalescência das bolhas. Neste ponto o regime passa a se chamar de heterogêneo e é caracterizado por bolhas com diferentes formas e tamanhos e uma intensa circulação de líquido no interior da coluna. As bolhas maiores tendem a ascender pelo centro da coluna e as pequenas pela região próxima a sua parede, mas devido à circulação de líquido na coluna as últimas podem até retornar.

Em colunas de pequeno diâmetro, o regime slug pode ser atingido ao aumentar a velocidade superficial do gás. Neste regime, enormes bolhas de gás, chamadas de bolhas de Taylor, ocupam quase toda a seção da coluna, sendo separadas da parede por um fino filme líquido. Normalmente, estas bolhas não se estabilizam em colunas com diâmetros maiores que 15 cm, ocorrendo a sua quebra em bolhas menores, ocorrendo, então, o regime heterogêneo.

Ps.: Ok, ok... Acabei de "puxar sardinha" para a minha área de atuação.

6 comments:

  1. luiz,

    tu usas o 'solver' padrão do FOAM ("bubbleFoam"), ou compilaste uma versão personalizada? (estou supondo que tu usas o FOAM para simulação desse tipo de problema)

    p.s.: tem um [Photo] sobrando no texto... com uma referência 'quebrada'... ;)

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  2. Olá, hã... Anônimo.

    Cara, a melhor opção para a simulação de escoamentos bifásicos usando a abordagem Euleriana no OpenFOAM é o solver twoPhaseEulerFoam. Essa é uma versão estendida do bubbleFoam.

    Contudo, o modelo bifásico presente no OpenFOAM precisa de algumas alterações para simular colunas de borbulhamento. Por exemplo, veja o seguinte trabalho:

    Bannari et al. Three-dimensional mathematical modeling of dispersed two-phase flow using class method of population balance in bubble columns, Computers and Chemical Engineering, in Press.

    Eles mudaram a formulação bifásica original. Só não acredite muito no acoplamento CFD-balanço populacional desse trabalho pois tem alguns furos.

    Cara, não achei esse [Photo] sobrando ao ver o blog aqui no meu computador... Vou verificar em outro lugar tb.

    Obrigado pelo comentário!
    Um abraço,
    Luiz F.

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  3. valeu; vou dar uma olhada nesse trabalho, pois me parece que existe uma documentação escassa sobre isso (i.e., exceto o doxygen ;)

    (é... desconsidere o comentário sobre [photo]: no artigo está legal, mas como o rss linkou direto para a página do 'post a comment', nela apareceu apenas o texto)

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  4. Luiz,

    Estou em breve começarei a trabalhar com colunas de borbulhamento (não sei ao certo ainda o que farei...) e gostaria de saber se você teria alguma bibliografia que você considere essencial (uma vez que, como você mesmo disse, esta é a sua área de atuação...).

    Nós desenvolveremos tanto a modelagem quanto a parte experimental, para que possamos validar o modelo, então eu ficaria muito grato caso você pudesse me indicar alguns livros e/ou artigos.

    Desde já, obrigado!

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  5. Olá André,

    De fato, a literatura sobre escoamentos multifásicos é vasta em termos de artigos cinetíficos, mas ainda fraca em livros. Como artigos podem ser bastante específicos (tudo depende do procedimento de busca), vou me ater aos livros em si.

    - Ishii, Hibiki. Thermo-fluid Dynamics of Two-Phase Flow, Springer, 2007

    - Crowe et al. Multiphase Flows with Droplets and Particles, CRC, 1997

    - Série de 4 livros do Kolev intitulada Multiphase Flow Dynamics.

    - Clift et al. Bubbles, Drops, and Particles, Dover Publications, 2005

    Esses são alguns livros que eu considero interessantes e temas mais gerais. Existem outros mais focados em determinado assunto, mas aí é outra história.

    Obrigado pelo comentário!

    Um abraço!

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  6. Muito obrigado Luiz...

    São todos ótimos livros, agora já tenho diversão pras férias, hehe!!

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