Desenvolvimento de reator fotoquímico para tratamento de efluentes e avaliação fluidodinâmica através da distribuição do tempo de residência

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Data
2020-09-25
Autores
Braga, Vanessa De Macedo [UNIFESP]
Orientadores
Ribeiro, Katia [UNIFESP]
Tipo
Dissertação de mestrado
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Resumo
Advanced oxidative process (AOP) has been extensively studied to treat wastewater containing persistent organic pollutants. The mixture provided by the photochemical reactor has influence on the process mass transfer rate and photon absorption. Thus, photochemical reactors improvement contributes to AOP good performance. This work aimed the fluid dynamics assessment of a tubular photochemical reactor, developed for effluent treatment using AOP, through the experimental and simulated residence time distribution (RTD). The photoreactor has axial fluid inlet and outlet in flanges with 18 internal orifices through which fluid is distributed within the reactor. RTD was experimentally determined by tracer method. Experimental data were used to validate with good agreement (R=0.9841) the distribution curve obtained by simulation in computational fluid dynamics (CFD) applying the k-ε model. The flow pattern was evaluated applying axial dispersion, tanks-in-series and pure convection models. RTD showed 72% of the reactor useful volume is active and 28% are stagnation zones mainly caused by predominantly laminar flow. Axial dispersion model best fitted the equipment RTD. The flow presented high dispersion (Pe = 2.41 and n = 3.81) and significant deviation of the plug flow. The inlet flange has an orifice plate behavior that induced fluid recirculation at the inlet, but the flow is mainly laminar. The introduction of distribution plates inside the reactor increased tracer recirculation. Although they showed no significant influence on turbulence, they can provide a constant fluid changing closer to the lamp.
O tratamento de efluentes contaminados com poluentes orgânicos persistentes com o uso de processo oxidativo avançado (POA) tem sido bastante estudado. A mistura do reator fotoquímico utilizado nesses processos influencia na taxa de transferência de massa e na absorção de fótons do processo. Desta forma, o desenvolvimento dos reatores fotoquímicos contribui para tornar o POA mais eficiente. Neste trabalho um reator fotoquímico do tipo tubular para tratamento de efluentes por meio de processo oxidativo avançado foi construído, e seu comportamento fluidodinâmico foi avaliado através da distribuição do tempo de residência (DTR) experimental e simulada em fluidodinâmica computacional (CFD). O reator tubular tem entrada e saída de fluido axiais em flanges com 18 orifícios internos por onde o fluido é distribuído no reator. A DTR obtida experimentalmente através do método do traçador foi utilizada para validar a distribuição obtida pela simulação em CFD aplicando o modelo k-ε (R = 0,9841). O padrão de escoamento foi avaliado através dos modelos de dispersão axial, tanques em série e convecção pura. A DTR demonstrou que 72% do volume útil do reator é ativo e que outros 28% são zonas de estagnação formada principalmente pelo escoamento predominantemente laminar. O modelo de dispersão axial (MDA) apresentou o melhor ajuste à DTR do equipamento, com uma distribuição de comportamento semelhante a DTR do reator e menor erro médio. O escoamento apresentou alta dispersão com Pe = 2,41 e n = 3,81 e desvio significativo do escoamento pistonado. A flange de entrada se comportou como uma placa de orifício que induziu a recirculação do fluido na entrada do reator após a qual, o escoamento segue laminar. A proposta de modificação da geometria com a introdução de distribuidores dentro reator aumentou a recirculação do traçador, embora não tenha impactado na turbulência, pode promover uma constante renovação de fluido mais próximo à fonte de luz.
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