Combustão do Gás Natural

Combustão do Gás Natural

(Parte 1 de 7)

DISERTAÇÃO DE MESTRADO
Orientador: ProfDr.. Mohand Benachour

Aluno: Julierme Gomes Coreia de Oliveira

RECIFE//PE MARÇO,, 209

CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química

PPEQ - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química CEP. 50740-521 – Cidade Universitária- Recife - PE Telefax: 0-x-81- 21267289

Dissertação apresentada ao Curso de Pós-Graduação em Engenharia Química do Departamento de Engenharia Química da Universidade Federal de Pernambuco, como requisito parcial à obtenção do título de Mestre em Engenharia Química.

Linha de Pesquisa: Tecnologia de Petróleo e Gás natural

Orientador: Prof. Dr. Mohand Benachour

Recife - PE Março, 2009

O48e Oliveira, Julierme Gomes Correia de.

Estudo teórico-computacional por via CFD e experimental da combustão do gás natural para tratamento de efluentes orgânicos líquidos aplicando a nova tecnologia DICTT / Julierme Gomes Correia de Oliveira. - Recife: O Autor, 2009. xi, 165 folhas, il : tabs.,grafs., figs.

Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal de Pernambuco. CTG. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, 2009.

Inclui Bibliografia e Anexos.

1. Engenharia Química. 2. Efluentes líquidos industriais 3.

Oxidação termoquímica 4.Radicais livres. 5.Fenóis.6. Combustão. 7. Gás natural. I. Título UFPE

660.2 BCTG/ 2009-082

Este trabalho é dedicado ao meu Pai. Este trabalho é dedicado ao meu Pai.

Agradecimentos

Externo meus agradecimentos a todos os que contribuíram para tornar este trabalho uma realidade.

À minha família pelo amor, apoio e incentivo;

À Ketery de Farias Lino, um exemplo de companheira, obrigado por todo carinho e apoio;

Ao Professor Dr. Mohand Benachour, agradeço por ter compartilhado comigo de seus conhecimentos, por todo o aprendizado construído, pela confiança, por toda paciência e compreensão;

Aos Professores Luiz Stragevitch e Maurício Alves da Motta Sobrinho pelas correções;

A Valdério Cavalcanti de Oliveira Filho no apoio no desenvolvimento das metodologias das simulações numéricas, e a toda equipe do projeto de pesquisa, Yana Batista Brandão, Jailson Rolim Teodosio, Tatiana Almeida de Oliveira, e ao Phd. Pedro Anselmo Filho obrigado por toda a ajuda e apoio;

Aos amigos do PPEQ, Professora Sandra Sarmento, Abrahão Severo Ribeiro, Hilário Jorge Bezerra de Lima Filho, Isaías Barbosa Soares, Jorge Vinícius Fernandes de Lima, Lígia Martinelli, Leonardo Arshoff Diniz Sobreira, Livia Almeida, Deivison César Silva Sales, Rodrigo Gomes Martins, pelos conselhos, companheirismo e pela ajuda;

À POLICOM - Laboratório de Combustíveis e Energia da Universidade de Pernambuco, nos nomes do Professor Phd. Sérgio Peres Ramos da Silva, ao Mst. Carlos Henrique Teixeira de Almeida e Guilherme Guimarães da Silva, por todo o suporte técnico durante o processo da pesquisa;

Meus agradecimentos especiais aos colegas, professores e funcionários da PPEQ, ao Departamento de Engenharia Química e a Universidade Federal de Pernambuco.

“O inimigo mais perigoso que você poderá encontrar será sempre você mesmo" Friedrich Nietzsche

A remediação dos efluentes líquidos orgânicos oriundos dos processos da indústria química e Petroquímica é de suma importância para a redução dos impactos ambientais e a proteção da saúde humana. O presente trabalho de pesquisa apresenta um novo e moderno processo de tratamento por oxidação termoquímica em fase aquosa por contato direto, visando a degradação de compostos orgânnicos da família dos fenóis. Procurou-se reduzir as desvantagens encontradas com os processos convencionais que operam a pressões elevadas (5-15 MPa) e tempos de residência longos (acima de 1h). O processo de tratamento proposto envolve o uso da combustão de gás natural como fonte geradora de radicais livres hidroxila que juntamente com o oxigênio molecular residual da combustão, migram para a fase líquida promovendo a oxidação avançada dos poluentes orgânicos. Os estudos desenvolvidos contemplaram uma análise teórico-computacional da dinâmica do reator usando a técnica de fluidodinâmica computacional (CFD), além dos estudos experimentais na planta piloto, visando a validação e otimização das condições operacionais do processo. Os estudos decorrentes da fluidodinâmica computacional foram realizados com o uso do software comercial FluentTM , apresentando resultados satisfatórios na predição do comprimento da chama, dos perfis de temperatura dos gases ao longo do reator e da concentração dos radicais hidroxila envolvidos na combustão. Foi evidenciado que a natureza do fluido combustível (metano e gás natural) não apresenta forte influência na distribuição da temperatura, porém, interfere sensivelmente na formação e distribuição dos radicais hidroxilas na parede do reator. Os aumentos da vazão de combustível, em razões estequiométricas, e nas condições de operação, não apresentaram efeitos significativos na distribuição da temperatura ao longo do reator. Todavia a razão combustível/comburente teve uma forte influência na formação da chama, diminuindo as zonas de altas temperaturas e as deslocando para a região superior do reator. Foi estudado o comportamento do escoamento do líquido ao longo da ranhura helicoidal utilizando também a fluidodinâmica computacional, mostrando que a fase líquida transborda da ranhura molhando a parede do reator. Os ensaios experimentais realizados na planta piloto validaram de forma qualitativa as distribuições térmicas da fase gasosa e a hidrodinâmica da fase líquida preestabelecidas pelos estudos de simulação por via de CFD, além de mostrar que a taxa de evaporação do processo se manteve abaixo do 5%, onde a temperatura da fase líquida alcançou temperaturas inferiores a 70°C na saída do reator. Foram identificadas as faixas de melhores condições de operação do processo, 4 m3/h de gás natural e excesso de ar de 40%.

Palavras-Chave: Efluentes Líquidos Industriais, Oxidação Termoquímica, Radicais Livres, Fenóis, Combustão, Gás natural.

i ABSTRACT

The abatement of organic pollutants in liquid effluents of chemical and petrochemical industries is extremely relevant for lessen their environment impact and to protect human health. This research work introduces a novel process of thermochemical oxidation in liquid phase through direct contact, aiming to degrade phenolic compounds from industrial waste water. This technique was developed to overcome the major disadvantages of well established processes for phenol conversion, e.g. high pressures (5 – 19 MPa) and long residence times (greater than one hour). The studied process uses the natural gas combustion products as a source of free radicals, i.e. hydroxyl and molecular oxygen, which oxidise the phenolic compounds via a bi-phasic mass transfer phenomenon. This investigation is comprised of theoretical and numerical studies of the rector dynamics using Computational Fluid Dynamics (CFD), in which the optimum operational conditions were evaluated. The commercial software FLUENTTM was employed for carrying on the CFD simulations and presented satisfactory results for predicting the flame length, temperature profiles along the reactor axis, and the molar concentrations of the hydroxyl radical resultant from the combustion products. The CFD results were later validated by an experimental investigation. It was noted that different fuels (methane or natural gas) did not affect the temperature profiles. On the other hand, the chosen fuel will change considerably the molar concentrations of hydroxyl radical, especially closer to the reactor walls. Also, an increase of the fuel flow rate at stoichiometric conditions, within the operation range, does not influence the temperature profile significantly. However, the fuel/air ratio has shown a strong effect to the flame profile, shrinking high temperature zones and moving then to the upper half of the reactor. The liquid flow through the helicoidal groove was also studied via CFD. This study demostrated that the liquid flowed over the groove, wetting the reactor’s wall. The results obtained from the CFD simulations for the reactor hydrodynamics and temperature profiles of the gaseous phase were validated by some experiments executed at the pilot plant and revealed that the effluent evaporation rate was below 5% and the its temperature was kept below 70°C at the reactor’s outlet. Hence, it was indentified that the optimum operational conditions for the process are four cubic meter per hour of natural gas and an excess air of fourty percent.

Keywords: Industrial Liquid Effluents, Thermochemical Oxidation, Free Radicals, Phenols, Combustion, Natural Gas

AOPs – Processos de Oxidação Avançada, do inglês, Advanced Oxidation Process;

CFD – Fluidodinâmica Computacional, do inglês, Computational Fluid Dynamic;

– Conselho Nacional do Meio Ambiente;

DiCTT – Tratamento Térmico de Contato Direto, do ingês, Direct Contact Thermal Treatment;

DO – Discreta Ordinária, do inglês, Discrete Ordinary;

DNS – Simulação numérica direta, do inglês, Direct Numeric Simulations;

EPO – Oxidação Eletro-plasma, do inglês, Electrolytic Plasma Oxidation;

LES – Simulações dos Grandes Vórtices ou Escalares, do inglês, Large Eddy Simulations;

PDF – Função de Probabilidade de Densidade, do Inglês, Probability Density Function;

RANS – Médias de Reynolds das equações de Navier Stokes, do inglês, Reynolds Averaged Navier Stokes;

RTE – Equação de Transferência Radiativa, do inglês, Radiative Transfer Equation;

U.S.EPA – Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos da

América, do inglês, Environmental Protection Agency of the United States;

US – Ultra-Som;

UV – Radiação Ultravioleta;

VC – Volume de Controle;

VOF – Modelo da Fração de Volume, do inglês, Volume of Fraction Model;

WO – Oxidação Úmida, do inglês, Wet Oxidation.

WSGGM – Modelo da Soma Ponderada dos Gases Cinza, do inglês, Weighted-sum-of-the-gray-gases Model.

(Parte 1 de 7)

Comentários