Three-dimensional numerical modeling and analysis of multiphase distribution in a UASB reactor with experimental validation of biogas volumetric flow rate

Resumo

Pesquisas envolvendo simulação numérica para modelar processos físicos, como o comportamento do escoamento multifásico em reator anaeróbio de fluxo ascendente e manta de lodo (UASB), requerem uma etapa de validação dos dados numéricos, a fim de assegurar a adequação do modelo para representar a dinâmica física do processo estudado. Neste contexto, esta pesquisa teve como objetivo desenvolver uma modelagem matemática e realizar simulações numéricas para investigar o comportamento do escoamento multifásico em um reator UASB , validando os dados numéricos relativos à vazão volumétrica de biogás por meio de dados reais captados no separador trifásico. Utilizando o software Ansys® CFX, foram simulados casos trifásicos, turbulentos, transientes, Eulerian-Eulerian, considerando diferentes frações volumétricas de gás (FVG de 0,026; 0,130 e 0,260) na entrada do modelo, para investigar sua influência na distribuição e velocidade das fases e na taxa de deformação dos sólidos. Para validação do modelo, dados experimentais da vazão volumétrica de biogás na interface líquido-gás foram comparados com os resultados numéricos, ocorrendo um erro relativo de 4,2% no caso simulado com a FVG de 0,026. Nos casos estudados, o comportamento da distribuição das fases permaneceu constante. As velocidades mostraram que o gás se movia cerca de 200 vezes mais rápido que o líquido, enquanto os sólidos alcançaram velocidades de 10 a 30 vezes superiores às do líquido, porém no sentido contrário ao fluxo. Constatou-se ainda que uma maior FVG resulta em uma taxa mais elevada de deformação dos sólidos por tensões de cisalhamento. O modelo validado é adequado para investigações futuras visando melhorias no escoamento de reatores UASB.