Método da quadratura de momentos aplicado à simulação da distribuição de tamanho de bolhas em um biorreator pneumático por CFD
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Data de Publicação: | 2023 |
Tipo de documento: | Dissertação |
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Título da fonte: | Repositório Institucional da UFSCAR |
Texto Completo: | https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/17454 |
Resumo: | Aeration is crucial for the functioning of pneumatic bioreactors, as injecting gas into the system allows to perform agitation of the medium and as well as to improve mass transfer with lower energy consumption. Bubble distribution and flow regime in these devices directly affect the performance of global parameters, such as the gas hold-up (εG) and the volumetric mass transfer coefficient (kLa). Thus, understanding their behavior and their interaction phenomena between the liquid and gas phases are important to evaluate the fluid dynamics and performance of these bioreactors. In this context, computational fluid dynamics (CFD) simulation stands out as an alternative tool for the study and evaluation of these global parameters under different operating conditions and geometries, allowing these evaluations to not be limited by the time and costs of building prototypes necessary for experimental evaluations. However, among the studies found in the literature, few are those that evaluate the influence of gas flow in the medium considering the existence of a bubble size distribution in its modeling, which is observable in practice. Such consideration is important so that coalescence phenomena and bubble breakage are accounted for in the problem, making it possible to refine the fluid dynamic behavior modeling of these devices. Therefore, this work aims to incorporate the bubble size distribution in CFD simulations of pneumatic bioreactors through population balance equations (PBE) using the Quadrature Method of Moments (QMOM), in order to evaluate the influence of this inclusion on the simulated response of the main performance global parameters. The simulations were performed using the Ansys Fluent software, versions 14.5 and 2022 R2, considering the Eulerian-Eulerian model for the description of the 3D air-water multiphase flow for the bubble column (CB) geometry studied by Mendes (2016). A Python routine was implemented and applied to assist in the simulations, with the goal of evaluating different coalescence and breakage models incorporated into the population balance. From this routine, the constants used in the 3D simulation for different collision frequency models were determined. Simulations were performed for specific airflow rates (ϕar) of 1 to 5 vvm, and contours for the bubble diameter and its Sauter mean diameter value were obtained. The results showed that the QMOM were able to describe the bubble size distribution and its evolution, with a maximum relative error of 9% obtained in the estimation of the Sauter mean diameter. It was also possible to estimate the value of kLa, with the lowest relative error obtained being 12% for ϕar equal to 1 vvm. |
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Thus, understanding their behavior and their interaction phenomena between the liquid and gas phases are important to evaluate the fluid dynamics and performance of these bioreactors. In this context, computational fluid dynamics (CFD) simulation stands out as an alternative tool for the study and evaluation of these global parameters under different operating conditions and geometries, allowing these evaluations to not be limited by the time and costs of building prototypes necessary for experimental evaluations. However, among the studies found in the literature, few are those that evaluate the influence of gas flow in the medium considering the existence of a bubble size distribution in its modeling, which is observable in practice. Such consideration is important so that coalescence phenomena and bubble breakage are accounted for in the problem, making it possible to refine the fluid dynamic behavior modeling of these devices. Therefore, this work aims to incorporate the bubble size distribution in CFD simulations of pneumatic bioreactors through population balance equations (PBE) using the Quadrature Method of Moments (QMOM), in order to evaluate the influence of this inclusion on the simulated response of the main performance global parameters. The simulations were performed using the Ansys Fluent software, versions 14.5 and 2022 R2, considering the Eulerian-Eulerian model for the description of the 3D air-water multiphase flow for the bubble column (CB) geometry studied by Mendes (2016). A Python routine was implemented and applied to assist in the simulations, with the goal of evaluating different coalescence and breakage models incorporated into the population balance. From this routine, the constants used in the 3D simulation for different collision frequency models were determined. Simulations were performed for specific airflow rates (ϕar) of 1 to 5 vvm, and contours for the bubble diameter and its Sauter mean diameter value were obtained. The results showed that the QMOM were able to describe the bubble size distribution and its evolution, with a maximum relative error of 9% obtained in the estimation of the Sauter mean diameter. It was also possible to estimate the value of kLa, with the lowest relative error obtained being 12% for ϕar equal to 1 vvm.A aeração é fundamental para o funcionamento de biorreatores pneumáticos, pois a partir da injeção de gás no sistema é possível realizar a agitação do meio, bem como melhorar a transferência de massa com um menor consumo energético. A distribuição de bolhas e o regime de escoamento nesses equipamentos afetam de maneira direta o desempenho de parâmetros globais, como a retenção gasosa (εG) e o coeficiente volumétrico de transferência de massa (kLa). Dessa forma, entender o seu comportamento e seus fenômenos de interação entre as fases líquida e gasosa são importantes para avaliar a fluidodinâmica e o desempenho desses biorreatores. Neste contexto, a simulação por fluidodinâmica computacional (CFD - Computational Fluid Dynamics) destaca-se por ser uma ferramenta alternativa para o estudo e avaliação desses parâmetros globais em diferentes condições de operação e geometrias, permitindo que essas avaliações não se limitem devido ao tempo e a custos de construção de protótipos necessários para avaliações experimentais. No entanto, dentre os estudos encontrados na literatura, poucos são aqueles que avaliam a influência do escoamento do gás no meio considerando a existência de uma distribuição de tamanho de bolhas em sua modelagem, a qual é observável na prática. Tal consideração é importante para que os fenômenos de coalescência e a quebra de bolhas sejam contabilizados no problema, sendo possível, a partir disso, refinar a modelagem do comportamento fluidodinâmico desses equipamentos. Assim, este trabalho tem como objetivo incorporar a distribuição de tamanho de bolhas em simulação CFD de biorreatores pneumáticos por meio de equações de balanço populacional (EBP) utilizando-se do Método de Quadratura de Momentos (QMOM), de modo a avaliar a influência dessa inclusão na resposta simulada dos principais parâmetros globais de desempenho. As simulações foram realizadas utilizando o software Ansys Fluent, versões 14.5 e 2022 R2, considerando o modelo Euleriano-Euleriano para a descrição do escoamento 3D multifásico ar-água para a geometria coluna de bolhas (CB) estudada por Mendes (2016). Uma rotina Python foi implementada e aplicada para auxiliar nas simulações, com objetivo de avaliar diferentes modelos de coalescência e quebra incorporados ao balanço populacional. A partir dessa rotina determinou-se as constantes utilizadas na simulação 3D para diferentes modelos de frequência de colisão. Foram realizadas simulações para vazões específicas de ar (ϕar) de 1 a 5 vvm, tendo sido obtido contornos para o diâmetro de bolha bem como o diâmetro médio de Sauter. Os resultados demonstraram que o QMOM foi capaz de descrever a distribuição de tamanho de bolhas e sua evolução, tendo sido obtido um erro relativo máximo de 9% na estimativa do diâmetro médio de Sauter. Foi possível estimar também o valor de kLa, sendo que o menor erro relativo obtido foi de 12% para ϕar igual a 1 vvm.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQUFSCarAttribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessCFDEquações de balanço populacional (EBP)Método de Quadratura de Momentos (QMOM)Distribuição de tamanho de bolhasCoalescênciaQuebraPopulation Balance Equation (PBE)Quadrature Method of Moments (QMOM)CoalescenceBreakageENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICAMétodo da quadratura de momentos aplicado à simulação da distribuição de tamanho de bolhas em um biorreator pneumático por CFDQuadrature method of moments applied to the CFD simulation of bubble size distribution for a pneumatic bioreactorinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesis600600a8b181e8-2587-4ff2-986f-7c9d09fddee3reponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALDissertacao_Alexandre_Teixeira_Borges_Versao_Final.pdfDissertacao_Alexandre_Teixeira_Borges_Versao_Final.pdfapplication/pdf21958308https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/17454/1/Dissertacao_Alexandre_Teixeira_Borges_Versao_Final.pdf980d0578b5cac30448478355d1f67c96MD51CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-81036https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/17454/2/license_rdf36c17387d15ae3a457ba8815a26942c5MD52TEXTDissertacao_Alexandre_Teixeira_Borges_Versao_Final.pdf.txtDissertacao_Alexandre_Teixeira_Borges_Versao_Final.pdf.txtExtracted texttext/plain151736https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/17454/3/Dissertacao_Alexandre_Teixeira_Borges_Versao_Final.pdf.txt97688f6c59866b911c7246fef4c28152MD53THUMBNAILDissertacao_Alexandre_Teixeira_Borges_Versao_Final.pdf.jpgDissertacao_Alexandre_Teixeira_Borges_Versao_Final.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg6760https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/17454/4/Dissertacao_Alexandre_Teixeira_Borges_Versao_Final.pdf.jpg89071536922e2c54997c29bcaa8d9592MD54ufscar/174542023-09-18 18:32:34.603oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/17454Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestopendoar:43222023-09-18T18:32:34Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false |
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