Application of Different Low-Reynolds k-ɛ Turbulence Models to Model the Flow of Concentrated Pulp Suspensions in Pipes

AbstractIn the pulp and paper industry, the design of industrial equipment based on empirical correlations can be avoided using Computational Fluid Dynamics (CFD) tools. The present study aims at investigation of the turbulent pipe flow of concentrated Eucalyptus pulp suspension using the ANSYS FLUENT® CFD software package. The modelling strategy was a pseudo-homogeneous approach. The non-Newtonian behavior of the pulp suspension was introduced into the CFD code considering its viscosity as a function of a shear rate. Additionally, the existence of a water annulus at the pipe wall surrounding the core flow was taken into account. Four low-Reynolds k-ɛ turbulence models were selected in the present study aiming at describing the presence of a drag reduction effect. All the models used were able to reproduce the drag reduction effect. Additionally the Lam-Bremhorst model was modified taking into account alterations applied successfully by other authors for the turbulent flow of polymer solutions. A good correspondence between the peculiar S-shaped profile near the wall, for the dimensionless velocity, reported in literature for these systems and those obtained numerically was achieved. The approach followed was validated by comparing the numerical results of pressure drop with those from literature

PPCPs abatement using TiO2-based catalysts by photocatalytic oxidation and ozonation: the effect of nitrogen and cerium loads on the degradation performance and toxicity impact

Pharmaceutical and personal care products (PPCPs) have been consumed in great extension and most of these are found in water bodies, owing to the inefficiency of conventional wastewater treatments. To face against these recalcitrant contaminants, advanced oxidation processes such as photocatalysis and ozonation have been studied. Moreover, the combination of these technologies can improve the degradation of PPCPs, reducing the ozone consumption and the effluent toxicity with the presence of photocatalysts. In particular, this study aimed to evaluate the effects of different N and Ce loads in co-doping TiO2 catalysts on the efficiency of photocatalytic oxidation and photocatalytic ozonation for PPCPs abatement, as well as on the resultant toxicity to aquatic species. Different radiation sources (UVA and solar radiation) were considered for the photocatalytic oxidation. A mixture of 5 PPCPs: paracetamol, sulfamethoxazole, carbamazepine, methylparaben and propylparaben was used as a model synthetic effluent. Photocatalysis showed a low efficiency on the PPCPs removal (<20 %), which was not affected by the radiation source. In general, the tested catalysts showed no or low added-value for reducing the toxicity of the synthetic effluent. Concerning photocatalytic ozonation, the lowest N amount (2.5 % w/w) promoted the best results for PPCPs removal, achieving values up to 100 % with significant reduction of ozone dose compared to photolytic ozonation. In general, photocatalytic ozonation showed better ecotoxicological performance than single photocatalysis. Compared to single photolytic ozonation, a benefitial effect was observed for two aquatic species, using a specific catalyst. This catalyst, prepared by doping TiO2 with 2.5 % w/w N and 1.2 % w/w Ce, showed to be the most promisong one, with potential to be used in photocatalytic ozonation. Hence, this work highlights the potential role of N and Ce co-doped TiO2-based catalysts in photocatalytic ozonation for wastewater treatment.publishe

Effect of carrageenans on vegetable jelly in humans with hypercholesterolemia

Changes in lipid profile constitute the main risk factor for cardiovascular diseases. Algae extracted carrageenans are long-chain polysaccharides and their ability to form gels provides for the formation of vegetable jelly. The objective was to evaluate the bioactive potential of carrageenan (E407) in the lipid profile, after ingestion of jelly. A total of 30 volunteers of both sexes, aged 20-64 years and with total cholesterol (TC) values ≥200 mg/dL, who ingested 100 mL/day of jelly for 60 days, were studied. All had two venous blood collections: before starting the jelly intake and after 60 days. At both times, TC, high density lipoprotein cholesterol (HDL-C), low density lipoprotein cholesterol (LDL-C) and triglycerides (TG), were evaluated using commercial kits and spectrophotometer. The statistics were performed using the SPSS 25.0 software and p < 0.05 were considered statistically significant. Serum values after 60 days of jelly intake revealed a statistically significant decrease in TC levels (5.3%; p = 0.001) and LDL-C concentration (5.4%; p = 0.048) in females. The daily intake of vegetable jelly for 60 days showed a reduction in serum TC and LDL-C levels in women, allowing us to conclude that carrageenan has bioactive potential in reducing TC concentration.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Simulação do escoamento de suspensões de fibras em condutas

Tese de doutoramento em Engenharia Química, apresentada ao Departamento de Engenharia Química da Faculdade de Ciências e Tenologia da Universidade de CoimbraO estudo desenvolvido no âmbito desta tese foi realizado com o intuito de investigar o escoamento de suspensões fibrosas. Os custos energéticos no processo de produção de pasta e papel são sempre muito elevados. Uma parte significativa destes custos tem a ver com os sitemas de transporte/admissão da pasta e o seu valor é mais elevado em parte devido ao incorrecto dimensionamento dos equipamentos industriais, como seja o caso de sistemas de transporte das suspensões fibrosas. A aplicação de correlacções empíricas para condições operatórias que se situam fora da gama de aplicabilidade para as quais estas foram desenvolvidas resulta, geralmente, no sobredimensionamento das unidades de transporte. As características do produto final dependem das condições processuais, e as condições operatórias são seleccionadas de acordo com a aplicação do produto final. O correcto e completo conhecimento das características do escoamento das suspensões fibrosas é importante quer ao nível das propriedades do produto final quer ao nível da selecção das melhores condições operatórias e dimensionamento das unidades. Este conhecimento pode ser conseguido tanto através de estratégias experimentais como de estratégias computacionais. Assim, com este trabalho pretende-se contribuir para um melhor conhecimento do escoamento de suspensões de fibras celulósicas recorrendo a ferramentas computacionais baseadas na utilização da dinâmica de fluidos computacional (CFD). Neste trabalho foram testadas diferentes estratégias tendo como ponto de partida o modelo Newtoniano e homogéneo. Esta estratégia foi aplicada uma vez que se pretendia estudar o escoamento de suspensões fibrosas para diferentes gamas de consistência, suspensões diluídas e concentradas, em condutas de secção circular. Apesar das suspensões fibrosas serem classificadas como sistemas multifásicos, o comportamento não-Newtoniano e a atenuação de turbulência verificada durante o escoamento, tornam estes sistemas complexos e diferentes dos outros sistemas multifásicos. Numa primeira etapa, duas modificações foram introduzidas ao modelo de turbulência k-ε para elevados números de Reynolds. O comportamento não-Newtoniano das suspensões fibrosas foi implementado através da expressão da dependência da viscosidade em ordem à velocidade de corte. Assumindo, que os dados reológicos podem ser ajustados por uma lei de potência, uma expressão para a viscosidade em função da velocidade de corte foi obtida para cada consistência estudada. Uma camada constituída apenas por água, com a espessura igual ao comprimento médio das fibras, foi considerada junto da parede, rodeando a zona central do escoamento. Adicionalmente, as funções de parede para a região turbulenta, lei logarítmica, foram modificadas tendo em conta uma expressão proposta na literatura. Esta expressão traduz matematicamente os perfis de velocidade adimensional, cujo comportamento peculiar em forma de S foi descrito na literatura. Foram realizadas diferentes simulações com vista a optimizar os diferentes parâmetros possíveis de serem relacionados para o escoamento em estudo. Dados experimentais de queda de pressão foram utilizados na validação do modelo desenvolvido. De seguida, um novo modelo foi testado. Uma nova expressão para a viscosidade da suspensão fibrosa foi proposta. Este novo modelo incluiu a dependência da viscosidade em ordem à velocidade de corte, bem como com a consistência da suspensão. Adicionalmente, a influência da inclusão de fibras numa camada de espessura igual ao comprimento médio das fibras junto da parede, lubrication layer, foi testada. Como reportado na literatura para casos em que o escoamento envolve a atenuação de turbulência, foram considerados modelos de turbulência k-ε para baixos números de Reynolds. Adicionalmente, a função de amortecimento da viscosidade turbulenta foi modificada de acordo com informação da literatura em que a atenuação da turbulência foi correctamente representada numericamente. Estes casos incluíram o escoamento de partículas e fluidos em que a reologia é traduzida por uma lei de potência. Contudo, verificou-se que alterar o modelo base de baixo Reynolds com as novas funções de amortecimento para fluidos não-Newtonianos não conduzia resultados suficientemente bons. Porém, melhorias significativas foram observadas quando novas simulações foram realizadas com novos valores para as constantes nas funções de amortecimento. Melhorias significativas, tanto para a suspensão mais diluída como concentrada, foram verificadas quando a função de amortecimento base seleccionada foi a desenvolvida por outro autor para lidar com o escoamento de partículas, a qual foi modificada neste trabalho com um termo adicional relacionado com as características das fibras, a relação comprimento/diâmetro da fibra (aspect-ratio). Numa última etapa, previsões numéricas com o modelo de CFD desenvolvido foram comparadas com dados experimentais obtidos numa instalação piloto, cuja secção de teste está equipada com um sistema de tomografia de impedância eléctrica (EIT) desenvolvido internamente. Os dados recolhidos experimentalmente serviram para validar o modelo numérico através dos valores de queda de pressão, assim como foram utilizados para validar o tipo de escoamento. Adicionalmente, as imagens reconstruídas da distribuição radial de conductividade eléctrica permitiram inferir acerca da distribuição radial das fibras e sobre a evolução do plug de fibras. As diferentes modificações ao modelo inicial, modelo Newtoniano e homogéneo, testadas e apresentadas neste trabalho foram validadas quantitativamente por comparação dos valores numéricos e experimentais da queda de pressão. Os perfis de velocidade e velocidade adimensional foram comparados qualitativamente com dados reportados na literatura. De um ponto de vista geral, boas previsões foram obtidas com o modelo proposto neste trabalho para dois tipos de suspensões de fibras, fibras longas e fibras curtas, pinho e eucalipto respectivamente, quando se aplicou o modelo para diferentes consistências e diferentes velocidades médias de escoamento. Adicionalmente, o modelo mostrou previsões coerentes quando aplicado na simulação de dados experimentais obtidos numa conduta de maior diâmetro e regimes de escoamento diferentes do regime para o qual foi desenvolvido. Em resumo, o modelo CFD desenvolvido pode ser aplicado na previsão do escoamento de suspensões fibrosas permitindo obter informação ainda não disponível experimentalmente.In this thesis the flow behaviour of pulp fiber suspensions is investigated. A central issue in pulp and paper mills is related to high energy costs, some of them due to not proper equipment design. One of the main source is related to the pulp transport systems and the main reason for that is the use of empirical correlations out of their range of applicability. Additionally, different grades of pulp consistency as well as mean flow velocity are present during the industrial process. Even if the process stages are based on the same principles, the final product can have different properties depending on process conditions. Therefore, experimental and numerical methods in the area of flow monitoring of pulp fibre suspensions are increasingly important. Aiming to gain more knowledge concerning flow of pulp suspensions, the applicability of Computational Fluid Dynamics (CFD) strategies to predict pulp’s flow was the main motivation for this work. In this context, a Newtonian homogeneous single-phase model was chosen as start point. Additionally, a pseudo-homogeneous strategy was followed since high consistency range is of interest. In general, two main factors contribute for the complex behaviour of pulp suspensions in relation to other multiphase systems: fiber suspensions behave as non-Newtonian fluids and the presence of fibers in the flow induces a drag reduction effect. As a first approach, the non-Newtonian behaviour of pulp suspensions was implemented by relating viscosity to shear rate as a power-law. A very thin pure water annulus surrounding the flow core region was considered. Also, the CFD model took into account new logarithmic wall functions for the standard high Reynolds k-ε turbulence model. Several computational runs were performed in order to optimize different parameters on the wall functions, related to the S-shaped profile of dimensionless velocity presented in the literature for the flow conditions of pulp suspension under analysis. CFD model predictions were validated with pressure drop measurements. By combining a new viscosity model with low-Reynolds-number k-ε turbulence models, turbulent flow of pulp suspensions was also investigated. It was found that a new viscosity expression could be applied to describe the non-Newtonian behaviour of pulp suspensions. The influence of pulp consistency as well as shear rate could be included in the viscosity expression. In this way, the presence of a pure water annulus or a lubrication layer was tested. The presence of a few number of fibers in the lubrication layer was taken into account by considering consistency in that region as a function of the distance to the pipe wall. The attenuation of turbulence, by modifying the turbulence model, considering new damping functions of turbulent viscosity was investigated. The influence of damping functions applied successfully by other authors to deal with the flow of power-law fluids as well as particles was tested. Whereas the implementation considering the standard version of those functions were not leading to good enough predictions, improvements on numerical results were observed when testing new constant values on those functions. The CFD predictions were found to fit well with experimental data, when an additional term related to fiber aspect-ratio was included on the damping function adapted from literature to deal with the flow of particles. It was also investigated the applicability of an experimental visualization technique, electrical Impedance Tomography - EIT system, to evaluate the flow regimes of pulp suspensions. Conductivity images were reconstructed which allowed one to conclude about plug evolution and fibers radial distribution. Moreover, pressure drop measurements together with EIT images gave information about pulp flow regime. The efficiency of the CFD pseudo-homogeneous model developed on the simulation of the experimental data obtained for the two higher mean pulp flow velocity attained experimentally was evaluated. The different stages on the CFD model development were validated for different pulp consistencies, dilute and high concentration range, flow velocities and two types of fibers, short and long fibers (Eucalyptus and Pine pulp fibers). Additionally, the applicability of the final model developed was tested for the prediction of pulp flow data corresponding to a different pulp flow regime. CFD can represent a powerful tool to obtain flow characteristics of pulp suspensions, in order to give useful information to optimize pulp and paper industrial processes

Simulação do escoamento de suspensões de fibras em condutas

Tese de doutoramento em Engenharia Química, apresentada ao Departamento de Engenharia Química da Faculdade de Ciências e Tenologia da Universidade de CoimbraO estudo desenvolvido no âmbito desta tese foi realizado com o intuito de investigar o escoamento de suspensões fibrosas. Os custos energéticos no processo de produção de pasta e papel são sempre muito elevados. Uma parte significativa destes custos tem a ver com os sitemas de transporte/admissão da pasta e o seu valor é mais elevado em parte devido ao incorrecto dimensionamento dos equipamentos industriais, como seja o caso de sistemas de transporte das suspensões fibrosas. A aplicação de correlacções empíricas para condições operatórias que se situam fora da gama de aplicabilidade para as quais estas foram desenvolvidas resulta, geralmente, no sobredimensionamento das unidades de transporte. As características do produto final dependem das condições processuais, e as condições operatórias são seleccionadas de acordo com a aplicação do produto final. O correcto e completo conhecimento das características do escoamento das suspensões fibrosas é importante quer ao nível das propriedades do produto final quer ao nível da selecção das melhores condições operatórias e dimensionamento das unidades. Este conhecimento pode ser conseguido tanto através de estratégias experimentais como de estratégias computacionais. Assim, com este trabalho pretende-se contribuir para um melhor conhecimento do escoamento de suspensões de fibras celulósicas recorrendo a ferramentas computacionais baseadas na utilização da dinâmica de fluidos computacional (CFD). Neste trabalho foram testadas diferentes estratégias tendo como ponto de partida o modelo Newtoniano e homogéneo. Esta estratégia foi aplicada uma vez que se pretendia estudar o escoamento de suspensões fibrosas para diferentes gamas de consistência, suspensões diluídas e concentradas, em condutas de secção circular. Apesar das suspensões fibrosas serem classificadas como sistemas multifásicos, o comportamento não-Newtoniano e a atenuação de turbulência verificada durante o escoamento, tornam estes sistemas complexos e diferentes dos outros sistemas multifásicos. Numa primeira etapa, duas modificações foram introduzidas ao modelo de turbulência k-ε para elevados números de Reynolds. O comportamento não-Newtoniano das suspensões fibrosas foi implementado através da expressão da dependência da viscosidade em ordem à velocidade de corte. Assumindo, que os dados reológicos podem ser ajustados por uma lei de potência, uma expressão para a viscosidade em função da velocidade de corte foi obtida para cada consistência estudada. Uma camada constituída apenas por água, com a espessura igual ao comprimento médio das fibras, foi considerada junto da parede, rodeando a zona central do escoamento. Adicionalmente, as funções de parede para a região turbulenta, lei logarítmica, foram modificadas tendo em conta uma expressão proposta na literatura. Esta expressão traduz matematicamente os perfis de velocidade adimensional, cujo comportamento peculiar em forma de S foi descrito na literatura. Foram realizadas diferentes simulações com vista a optimizar os diferentes parâmetros possíveis de serem relacionados para o escoamento em estudo. Dados experimentais de queda de pressão foram utilizados na validação do modelo desenvolvido. De seguida, um novo modelo foi testado. Uma nova expressão para a viscosidade da suspensão fibrosa foi proposta. Este novo modelo incluiu a dependência da viscosidade em ordem à velocidade de corte, bem como com a consistência da suspensão. Adicionalmente, a influência da inclusão de fibras numa camada de espessura igual ao comprimento médio das fibras junto da parede, lubrication layer, foi testada. Como reportado na literatura para casos em que o escoamento envolve a atenuação de turbulência, foram considerados modelos de turbulência k-ε para baixos números de Reynolds. Adicionalmente, a função de amortecimento da viscosidade turbulenta foi modificada de acordo com informação da literatura em que a atenuação da turbulência foi correctamente representada numericamente. Estes casos incluíram o escoamento de partículas e fluidos em que a reologia é traduzida por uma lei de potência. Contudo, verificou-se que alterar o modelo base de baixo Reynolds com as novas funções de amortecimento para fluidos não-Newtonianos não conduzia resultados suficientemente bons. Porém, melhorias significativas foram observadas quando novas simulações foram realizadas com novos valores para as constantes nas funções de amortecimento. Melhorias significativas, tanto para a suspensão mais diluída como concentrada, foram verificadas quando a função de amortecimento base seleccionada foi a desenvolvida por outro autor para lidar com o escoamento de partículas, a qual foi modificada neste trabalho com um termo adicional relacionado com as características das fibras, a relação comprimento/diâmetro da fibra (aspect-ratio). Numa última etapa, previsões numéricas com o modelo de CFD desenvolvido foram comparadas com dados experimentais obtidos numa instalação piloto, cuja secção de teste está equipada com um sistema de tomografia de impedância eléctrica (EIT) desenvolvido internamente. Os dados recolhidos experimentalmente serviram para validar o modelo numérico através dos valores de queda de pressão, assim como foram utilizados para validar o tipo de escoamento. Adicionalmente, as imagens reconstruídas da distribuição radial de conductividade eléctrica permitiram inferir acerca da distribuição radial das fibras e sobre a evolução do plug de fibras. As diferentes modificações ao modelo inicial, modelo Newtoniano e homogéneo, testadas e apresentadas neste trabalho foram validadas quantitativamente por comparação dos valores numéricos e experimentais da queda de pressão. Os perfis de velocidade e velocidade adimensional foram comparados qualitativamente com dados reportados na literatura. De um ponto de vista geral, boas previsões foram obtidas com o modelo proposto neste trabalho para dois tipos de suspensões de fibras, fibras longas e fibras curtas, pinho e eucalipto respectivamente, quando se aplicou o modelo para diferentes consistências e diferentes velocidades médias de escoamento. Adicionalmente, o modelo mostrou previsões coerentes quando aplicado na simulação de dados experimentais obtidos numa conduta de maior diâmetro e regimes de escoamento diferentes do regime para o qual foi desenvolvido. Em resumo, o modelo CFD desenvolvido pode ser aplicado na previsão do escoamento de suspensões fibrosas permitindo obter informação ainda não disponível experimentalmente.In this thesis the flow behaviour of pulp fiber suspensions is investigated. A central issue in pulp and paper mills is related to high energy costs, some of them due to not proper equipment design. One of the main source is related to the pulp transport systems and the main reason for that is the use of empirical correlations out of their range of applicability. Additionally, different grades of pulp consistency as well as mean flow velocity are present during the industrial process. Even if the process stages are based on the same principles, the final product can have different properties depending on process conditions. Therefore, experimental and numerical methods in the area of flow monitoring of pulp fibre suspensions are increasingly important. Aiming to gain more knowledge concerning flow of pulp suspensions, the applicability of Computational Fluid Dynamics (CFD) strategies to predict pulp’s flow was the main motivation for this work. In this context, a Newtonian homogeneous single-phase model was chosen as start point. Additionally, a pseudo-homogeneous strategy was followed since high consistency range is of interest. In general, two main factors contribute for the complex behaviour of pulp suspensions in relation to other multiphase systems: fiber suspensions behave as non-Newtonian fluids and the presence of fibers in the flow induces a drag reduction effect. As a first approach, the non-Newtonian behaviour of pulp suspensions was implemented by relating viscosity to shear rate as a power-law. A very thin pure water annulus surrounding the flow core region was considered. Also, the CFD model took into account new logarithmic wall functions for the standard high Reynolds k-ε turbulence model. Several computational runs were performed in order to optimize different parameters on the wall functions, related to the S-shaped profile of dimensionless velocity presented in the literature for the flow conditions of pulp suspension under analysis. CFD model predictions were validated with pressure drop measurements. By combining a new viscosity model with low-Reynolds-number k-ε turbulence models, turbulent flow of pulp suspensions was also investigated. It was found that a new viscosity expression could be applied to describe the non-Newtonian behaviour of pulp suspensions. The influence of pulp consistency as well as shear rate could be included in the viscosity expression. In this way, the presence of a pure water annulus or a lubrication layer was tested. The presence of a few number of fibers in the lubrication layer was taken into account by considering consistency in that region as a function of the distance to the pipe wall. The attenuation of turbulence, by modifying the turbulence model, considering new damping functions of turbulent viscosity was investigated. The influence of damping functions applied successfully by other authors to deal with the flow of power-law fluids as well as particles was tested. Whereas the implementation considering the standard version of those functions were not leading to good enough predictions, improvements on numerical results were observed when testing new constant values on those functions. The CFD predictions were found to fit well with experimental data, when an additional term related to fiber aspect-ratio was included on the damping function adapted from literature to deal with the flow of particles. It was also investigated the applicability of an experimental visualization technique, electrical Impedance Tomography - EIT system, to evaluate the flow regimes of pulp suspensions. Conductivity images were reconstructed which allowed one to conclude about plug evolution and fibers radial distribution. Moreover, pressure drop measurements together with EIT images gave information about pulp flow regime. The efficiency of the CFD pseudo-homogeneous model developed on the simulation of the experimental data obtained for the two higher mean pulp flow velocity attained experimentally was evaluated. The different stages on the CFD model development were validated for different pulp consistencies, dilute and high concentration range, flow velocities and two types of fibers, short and long fibers (Eucalyptus and Pine pulp fibers). Additionally, the applicability of the final model developed was tested for the prediction of pulp flow data corresponding to a different pulp flow regime. CFD can represent a powerful tool to obtain flow characteristics of pulp suspensions, in order to give useful information to optimize pulp and paper industrial processes

The Evolution Road of Seaweed Aquaculture: Cultivation Technologies and the Industry 4.0

Seaweeds (marine macroalgae) are autotrophic organisms capable of producing many compounds of interest. For a long time, seaweeds have been seen as a great nutritional resource, primarily in Asian countries to later gain importance in Europe and South America, as well as in North America and Australia. It has been reported that edible seaweeds are rich in proteins, lipids and dietary fibers. Moreover, they have plenty of bioactive molecules that can be applied in nutraceutical, pharmaceutical and cosmetic areas. There are historical registers of harvest and cultivation of seaweeds but with the increment of the studies of seaweeds and their valuable compounds, their aquaculture has increased. The methodology of cultivation varies from onshore to offshore. Seaweeds can also be part of integrated multi-trophic aquaculture (IMTA), which has great opportunities but is also very challenging to the farmers. This multidisciplinary field applied to the seaweed aquaculture is very promising to improve the methods and techniques; this area is developed under the denominated industry 4.0