Scale-up de reatores de mistura em cosméticos: um estudo com fluidodinâmica computacional

• Autor(a) principal: Conrado, Bruna Gomes Muxagata
• Data de Publicação: 2021
• Tipo de documento: Trabalho de conclusão de curso
• Idioma: por
• Título da fonte: Repositório Institucional da UFRJ
• Texto Completo: http://hdl.handle.net/11422/14102
• topic: Fluidodinâmica computacional; Fluido não-newtoniano; Reatores de mistura; CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICA

Entender o escoamento de fluidos em um sistema é de grande importância para a modelagem de diversos processos da indústria química como, por exemplo, a passagem de fluidos através de tubulações e a interação em misturas multifásicas. Há ainda o caso da homogeneização em um reator de mistura, onde este fenômeno é amplamente estudado para modelar e compreender diversos processos, sobretudo nas indústrias farmacêutica e de petróleo. Entretanto, esses estudos parecem ater-se apenas a estas indústrias, sendo muito pouco encontrados quando se fala de indústrias alimentícias, cosméticas e de insumos. Nestas indústrias, os estudos de processo parecem estar ainda muito baseados em etapas experimentais de tentativa e erro, que não são capazes de acomodar peculiaridades intrínsecas, quando se tratam de emulsões ou reologias complexas. A técnica presente neste trabalho visa a mudar essa abordagem, baseando-se na suposição de que emulsões com tamanhos de partícula similares resultarão em um produto com viscosidades similares. Sendo conhecido o fato de que emulsões cosméticas são fluidos não-newtonianos, o objetivo deste projeto visa a determinar a velocidade de rotação de turbina necessária em escala piloto para reproduzir fielmente uma mesma emulsão obtida em escala de laboratório. Para isso, foram empregados métodos em fluidodinâmica computacional (CFD) para quantificar a taxa de cisalhamento envolvida no processo, bem como a sua influência no valor dos índices de escoamento que definem fluidos não-newtonianos. O trabalho envolveu uma etapa de coleta de dados reológicos experimentais, através de fabricações em escala de laboratório. O processo de fabricação foi realizado variando gradualmente a taxa de rotação da turbina, com a retirada de alíquotas a cada mudança de velocidade angular. O processo de mistura do fluido no reator de laboratório foi então reproduzido computacionalmente através do programa de CFD Fluent 2019 R3, onde pôde-se quantificar, via simulação, a taxa de cisalhamento média envolvida na fabricação. Correlações entre taxa de cisalhamento, velocidade de turbina e as constantes K e n, de caracterização do fluido como pseudoplástico pela lei de potência, foram determinadas. Estas correlações foram então utilizadas nas simulações do processo em escala piloto, que permitiram o cálculo da taxa de cisalhamento média e das duas constantes de caracterização do fluido, para cada velocidade de turbina estudada. Dessa forma, foi possível determinar a taxa de rotação da turbina do reator piloto que fornece a mesma taxa de cisalhamento média que aquela testada em laboratório. Simulações numéricas adicionais, com taxas de rotação não utilizadas experimentalmente foram conduzidas para comprovar a consistência do método. A validação do mesmo deu-se comparando os valores de K e n obtidos experimentalmente em escala piloto com aqueles previstos pela simulação numérica no mesmo reator.