Condensação em superfícies expostas a fluxo de vapor de água ascendente na presença de gases não condensáveis

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2011O presente trabalho visa estudar os aspectos fundamentais da aplicação de uma placa refrigerada, fixa na saída das bocas das torres de resfriamento empregadas em plantas industriais, para desumidificação do ar. Ar umedecido é subproduto resultante do resfriamento da água empregada nos processos industriais. A condensação de vapor de água na presença de gases não condensáveis é investigada para superfícies sujeitas a fluxos ascendentes em escoamento livre, em contra corrente ao escoamento do filme condensado. Os comportamentos das taxas de transferência de calor e taxas de condensação obtidas experimentalmente são analisados em função das variáveis: concentração de gases não condensáveis para a mistura a ser condensada, temperatura de parede, ângulo de inclinação da superfície condensadora, material e geometria da placa condensadora. Os resultados experimentais obtidos foram comparados com o modelo matemático de Nusselt, para condensação de vapor puro, e com o modelo de Rose, para condensação de vapor na presença de gases não condensáveis. Os resultados mostram que as condições físicas do escoamento exercem influência dominante na taxa de transferência de calor, tanto na situação de vapor puro quanto na presença de gases não condensáveis. Neste caso, para uma dada condição de mistura, a diferença na transferência de calor entre o caso com vapor puro e com gases não condensáveis foi de 15%, enquanto para a situação de mistura estagnada seria de 50%This work aims the study of fundamental aspects of the application of cooling surfaces in the outlet air humid stream of cooling towers, with the purpose to remove moisture. Vapor was released to the air during the cooling of industrial hot water. The condensation of water vapor in the presence of noncondensable gases is studied for cooling surfaces facing downward under free vertical flow in counter current with the condensation film. The behavior of the heat transfer rates experimentally obtained are analyzed from the point of view of the parameters: noncondensable gas concentration, surface temperature and inclination, material and geometry of the surface. The results were compared with the Nusselt mathematical model, for pure vapor condensation, and with Rose model for condensation in the presence of noncondensable gases. The results showed that the physical characteristics of the flow exert dominant influence in the heat transfer rates both in the pure vapor and in the presence of noncondensable gases. In this case, for the same condition, the difference in the heat transfer between the pure vapor case and with the presence of noncondensable case were around 15% while in stagnant mixture condition would be around 50%

Exhaust gases reuse in natural gas compression stations for electricity generation

En vista de la preocupación mundial por el aumento del consumo energético, así como, la aplicación de alternativas viables que permitan un mejor aprovechamiento de las fuentes energéticas disponibles, los residuos térmicos surgen como una alternativa energética en aplicaciones industriales en las cuales se generan.  En este sentido, el presente trabajo analiza el potencial energético de los gases de combustión emitidos por una estación de compresión, los cuales pueden utilizarse como fuente de calor para un ciclo Rankine de potencia el cual opera con varios fluidos de trabajo incluyendo nueve de tipo orgánico y el dióxido de carbon (CO2). Las simulaciones demostraron la capacidad de los fluidos de trabajo para incrementar la eficiencia energética de la instalación a partir de los gases de escape de la estacion de compresión, siendo que el tolueno y el CO2 se destacan por presentar los mayores niveles de eficiencia, 21 y 20%, respectivamente. Con el objetivo de generación de potencia del ciclo, se concluye que los fluidos refrigerantes considerados en el análisis no son aptos para el ciclo en los niveles de temperatura evaluados.In view of worldwide concern for the increase in energy consumption, as well as the application of viable alternatives that allow a better use of available energy sources, thermal waste has emerged as an energy alternative in industrial applications in which it is generated. In this sense, the present work analyses the energy potential of combustion gases emitted by a compression station, which can be used as heat source for a Rankine power cycle, which operates with different working fluids, including nine of organic type and the carbon dioxide (CO2). The simulations demonstrated the capacity of the working fluids to increase the energy efficiency of the installation from the exhaust gases of the compression station, where toluene and CO2 stand out for presenting the highest efficiency levels, 21 and 20%, respectively. With the target of generating power, the results showed that refrigerant fluids considered in this analysis are not suitable at the temperature levels evaluated

Estudo de aplicação de um resíduo líquido industrial à base de alumínio como reagente coagulante

O presente projeto tem o objetivo de estudar a viabilidade de utilização de um resíduo proveniente deprocesso petroquímico como reagente coagulante em processos de tratamento de efluentes líquidos industriaiscontendo íons dissolvidos. Como metodologia experimental, foram realizados ensaios em Teste deJarros, com o objetivo de verificar as condições ótimas (concentração, pH, remoção de íons) de aplicaçãodo subproduto (resíduo a base de alumínio e sódio) no processo de coagulação em comparação a reagentesutilizados convencionalmente. Para os ensaios experimentais foram utilizadas amostras de efluentes de umcurtume de Estância Velha (Rio Grande do Sul), provenientes das etapas de recurtimento e piquelagem.Foram avaliados o volume de lodo formado e a eficiência na remoção de cromo e alumínio do produtoclarificado. A utilização do subproduto mostrou ser eficiente, atingindo índice de remoção superior a 90%de cromo (concentração residul de 0,2 mg/L). Os experimentos realizados indicam que o reaproveitamento deste resíduo apresenta potencial tecnológico aplicado ao tratamento de efluentes líquidos industriais,considerando igualmente os aspectos ambientais e econômicos.Palavras-chave: remoção, coagulação, cromo, subproduto industrial

Phase-equilibrium and dynamic viscosity of gas mixtures at high pressures and liquid mixtures of heavy oils and liquefied gases

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2019.O conhecimento acerca do equilíbrio de fases e da viscosidade de misturas de gases a altas pressões e de misturas de gases liquefeitos em óleos pesados é de grande importância em aplicações nas áreas de motores e combustíveis, refrigeração (lubrificação de compres-sores) e na exploração de petróleo. De modo a preencher uma lacuna existente na literatura com relação à disponibilidade de dados experimentais, esta tese se dedica ao estudo dos seguintes sistemas: (i) mistura binária metano-propano xCH4 + (1-x)C3H8, x = 0,8881 (fração molar), 203 < T < 424 K e 2 < p < 31 MPa; (ii) mistura ternária metano-propano-dióxido de carbono xCH4 + yC3H8 + (1-x-y)CO2, x = 0,6511, y = 0,0808 (frações molares), 203 < T < 420 K e 3 < p < 31 MPa; (iii) mistura binária de dióxido de carbono (CO2) e n-dodecano (C12H26) para frações molares de CO2 entre 0,2 e 0,8, 283 < T < 353 K e 1,2 < p < 14 MPa; (iv) mistura binária de propano (R-290) e óleo POE ISO 22 para frações molares de R-290 entre 0,2 e 0,8, 283 < T < 353 K e 0,17 < p < 2,3 MPa; (v) mistura binária de isobutano (R-600a) e óleo LAB ISO 2 para frações molares de R-600a entre 0,15 e 0,9, 293 < T < 353 K e 0,18 < p < 1,3 MPa. Para os sistemas (i) e (ii), a viscosidade dinâmica das misturas gasosas a alta pressão foi avaliada experimentalmente no Laboratory of Fluid Science and Resources do School of Mechanical and Chemical Engineering, da University of Western Australia, por meio da técnica do fio vibrante (vibrating wire viscometer), operando em regime permanente com o fio preso nas duas extremidades. Para os sistemas (iii), (iv) e (v), dados experimentais de equilíbrio de fases (pressão de ponto de bolha) e de viscosidade dinâmica da fase líquida foram obtidos simultaneamente por meio do método estático sintético em uma célula de equilíbrio de volume variável conectada em série com um viscosímetro de alta pressão baseado no método do pistão oscilante. Estes experimentos foram conduzidos no Polo ? Laboratórios de Pesquisa em Refrigeração e Termofísica, no Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Santa Catarina. Para a avaliação do equilíbrio de fases nos sistemas (iii), (iv) e (v), as equações de estado (EoS) de Peng-Robinson, PC-SAFT (Perturbed Chain Statistical Associating Fluid Theory) e PCP-SAFT (Perturbed Chain Polar Statistical Associating Fluid Theory) foram utilizadas para correlacionar as medições de pressão de ponto de bolha. Para a viscosidade de misturas líquidas, foi utilizado o model de Quiñones-Cisneros (baseado na teoria de cisalhamento, f-theory). A viscosidade das misturas gasosas dos sistemas (i) e (ii) foram correlacionadas dois modelos baseados na teoria dos estados correspondentes, ECS (Extended Corresponding State) e SuperTRAPP (modificação do modelo TRAPP ? Transport Proper-ties Predictions), um modelo preditivo baseado em resultados de simulação molecular para moléculas de Lennard-Jones, LJ, e um modelo semi-teórico, VW, que é um extensão para misturas base-ado no modelo de esferas duras de Enskog para gases densos. Os resultados experimentais de equilíbrio de fase para a mistura de R600a/LAB ISO 2 foi correlacionado com as EoS com um average absolute deviation (AAD) de 7,3 %. Para as misturas de CO2/n-C12H26 e R290/POE ISO 22, os AADs foram de 2,2 e 6,56 %, para o equilíbrio de fases, e 8,51 e 24,77 % para a viscosidade, respectivamente. As misturas de gas também foram correlacionadas como os modelos teóricos de viscosidade com AADs de 0,63 % para a mistura binaria e 2,53 % para a mistura ternária.Abstract: The knowledge about phase-equilibrium and dynamic viscosity of gas mixtures under high pressure and mixtures of heavy oils and liquified gases is of great importance in the areas of engines and fuels, refrigeration (compressor lubrication) and oil & gas. In or-der to fulfill some of the experimental data gaps encountered in the literature, the present thesis is focused on the following systems: (i) methane-propane binary mixture xCH4 + (1-x)C3H8, x = 0.8881 (molar fraction), 203 < T < 424 K and 2 < p < 31 MPa; (ii) methane-propane-carbon dioxide ternary mixture xCH4 + yC3H8 + (1-x-y)CO2, x = 0.6511, y = 0.0808 (molar fractions), 203 < T < 420 K and 3 < p < 31 MPa; (iii) binary mixture of car-bon dioxide (CO2) and n-dodecane (n-C12H26) for CO2 mole fraction between 0.2 and 0.8, 283 < T < 353 K and 1.2 < p < 14 MPa; (iv) binary mixture of propane (R-290) and POE ISO 22 lubricating oil for R-290 mole fractions between 0.2 and 0.8, 283 < T < 353 K and 0.17 < p < 2.3 MPa; (v) binary mixture of isobutane (R-600a) and LAB ISO 2 lubricating oil for R-600a mole fractions between 0.15 and 0.9, 293 < T < 353 K and 0.18 < p < 1.3 MPa. For systems (i) e (ii), the dynamic viscosity of the gas mixtures at high pressures was experimentally evaluated in the Fluid Science and Resources Laboratory at the School of Mechanical and Chemical Engineering of the University of Western Australia, by means of a steady-state vibrating wire viscometer with the wire clamped at both ends. For systems (iii), (iv) e (v), the phase-equilibrium (bubble point pressure) and liquid dynamic viscosity data were gathered by means of an oscillating-piston viscometer connected in series with a synthetic variable?volume view PVT cell. These experiments were conducted at Polo ? Research Laboratories for Emerging Technologies in Cooling and Thermophysics at the Mechanical Engineering Department of the Federal University of Santa Catarina. For the theoretical evaluation of the phase-equilibrium in systems (iii), (iv) e (v), the PengRobinson cubic equations of state, EoS, the PC-SAFT (Perturbed Chain Statistical Associating Fluid Theo-ry) and the PCP-SAFT (Perturbed Chain Polar Statistical Associating Fluid Theory) were used to correlate the experimental bubble point pressure. For the liquid mixture viscosities, the theoretical model of Quiñones-Cisneros (based on the classical mechanics and van der Waals fluid theory, f-theory) was used. The viscosity of the gas mixtures in systems (i) and (ii) were correlated with with four theoretical models where two of them are based on the corresponding states theory, the ECS (Extended Corresponding States) and SuperTRAPP (modified TRAPP ? Transport Properties Predictions), the LJ model which is based on molecular dynamics simulations of Lennard Jones fluids and a semi-theoretical model, VW, which is an extension to mixture of the Enskog hard-sphere theory of dense gas. The phase-equilibrium experimental results for the R-600a/LAB ISO 2 system were correlated with an absolute average deviation, AAD, of 7.3%. For CO2/n-C12H26 and R290/POE ISO 22 mixtures, the AADs were 2.2 e 6.56%, for phase-equilibrium, and 8.51 and 24.77% for liquid viscosities, respectively. For the gas mixture viscosities, the AADs were 0.63% for the binary mixture and 2.53% for the ternary system