Bolhas finas geradas por novo sistema de vazão pulsada de gás e o seu papel em processos de transferência de massa

dc.contributor.advisor-co1Cruz, Antonio José Gonçalves
dc.contributor.advisor-co1Latteshttp://lattes.cnpq.br/1812806190521028por
dc.contributor.advisor-co1orcidhttps://orcid.org/0000-0001-6830-9512por
dc.contributor.advisor1Badino, Alberto Colli
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/6244428434217018por
dc.contributor.advisor1orcidhttps://orcid.org/0000-0001-8350-9846por
dc.contributor.authorPereira, Rauber Daniel
dc.contributor.authorlatteshttp://lattes.cnpq.br/2031656531545882por
dc.contributor.authororcidhttps://orcid.org/0000-0001-6002-5523por
dc.date.accessioned2024-10-29T18:25:46Z
dc.date.available2024-10-29T18:25:46Z
dc.date.issued2023-08-28
dc.description.abstractThe use of small-sized bubbles, known as fine bubbles or microbubbles, in mass transfer operations has been extensively discussed, and various bubble generation methods have been developed and applied. However, methods involving the generation of small-sized bubbles at pilot or industrial scale remain unexplored, as well as the role these bubbles play in mass transfer operations. This study aimed to develop a new system for generating fine bubbles, referred to as the Fine Bubble Generator (FBG), within a bubble column reactor. This system comprises a high-frequency (>70 Hz) solenoid valve for generating pulsed gas flow and machined spargers with conventional perforations, i.e., perforations that can be commercially produced (orifices diameters above 0.3 mm). The system was developed and characterized in a pilot-scale bubble column reactor (173 L) by determining the bubble diameters generated under different operational conditions of gas flow, operational frequency, and liquid medium composition. An optimal operating region was observed in the range of 100 to 150 Hz in non-coalescent media, where reductions in bubble diameter of around 33% compared to conventional aeration were achieved. Subsequently, the system was applied to a 10.0 L bubble column reactor to evaluate the volumetric oxygen transfer coefficient (kLa) in coalescent and non-coalescent liquid media. In those operations, spargers with conventional perforations (R8H) and sintered-type spargers (SSD), which naturally generate microbubbles (db < 1000 μm), were used. The pulsed flow system combined with the R8H sparger led to increases in kLa values of approximately 50% and 80% compared to conventional aeration (continuous flow), for non-coalescent and coalescent media, respectively. However, for the SSD sparger, no significant change in kLa was observed, supporting the hypothesis of a minimum natural frequency of bubble formation that needs to be surpassed for premature detachment to occur. Furthermore, the FBG system was employed in ethanol stripping operations within 10.0 L bubble column reactors (using both R8H and SSD spargers) and a 50.0 L bubble column reactor (using a PS3 sparger - conventional perforations of 0.3 mm, scaled in number of orifices for a 50.0 L volume). At this stage of the study, bubble saturation was confirmed under various operational conditions of gas flow rate and bubble diameter. A mathematical model was developed to quantify the fraction of ethanol removed through thermodynamic-driven entrainment (or vaporization) and mechanical entrainment. The latter was found to enrich the gas phase with ethanol concentrations surpassing those achieved through thermodynamic equilibrium selectivity, reaching up to 15 times the liquid phase concentration. This demonstrates the complexity of mechanical entrainment, which depends on bubble diameter, in operations involving the removal of volatile solvents. It also illustrates that, under the right operational conditions, this phenomenon can enhance the efficiency of the stripping process. The final phase of the study involved applying the FBG system to extractive alcoholic fermentation in 10.0 L and 50.0 L bubble column reactors, achieving a productivity increase of around 15% compared to conventional batch fermentation using a specific CO2 flow rate of 0.4 vvm.eng
dc.description.resumoA utilização de bolhas de tamanho reduzido (bolhas finas ou microbolhas) em operações de transferência de massa tem sido amplamente discutida, e diversos métodos de geração dessas bolhas têm sido desenvolvidos e aplicados. Porém, métodos que envolvam a geração de bolhas de tamanho reduzido em escala piloto ou industrial continuam inexplorados, bem como o papel que essas bolhas desempenham nas operações de transferência de massa. Esse trabalho teve por objetivo desenvolver um novo sistema de geração de bolhas finas (Fine Bubble Generator, "FBG") em reator tipo coluna de bolhas. Esse sistema é composto por válvula solenoide operada em alta frequência (>70 Hz) para geração de vazão pulsada de gás e por aspersores usinados com furações convencionais, ou seja, furações que podem ser realizadas de maneira comercial (diâmetros de orifícios acima de 0,3 mm). O sistema foi desenvolvido e caracterizado em reator tipo coluna de bolhas em escala piloto (173 L), a partir da determinação dos diâmetros das bolhas geradas sob diferentes condições operacionais de vazão de gás, frequência operacional e composição do meio líquido. Observou-se uma região ótima de operação na faixa de 100 a 150 Hz em meios não-coalescentes, na qual reduções de diâmetro de bolha na ordem de 33% em relação à aeração convencional foram alcançados. O sistema foi então empregado em reator tipo coluna de bolhas de 10,0 L para avaliação do coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio (kLa) em meio líquido coalescente e não-coalescente. Utilizou-se nessas operações aspersores com furações convencionais (R8H) e do tipo sinterizado (SSD), o qual naturalmente gera microbolhas (db < 1000 μm). O sistema de vazão pulsada em conjunto com o aspersor R8H gerou aumentos no valor de kLa da ordem de 50 e 80% em comparação com a operação de aeração convencional (vazão contínua), para os meios não-coalescente e coalescente, respectivamente. Já para o aspersor SSD não foi observada alteração significativa no kLa, o que corrobora a hipótese de haver uma frequência natural mínima de formação das bolhas a ser superada para que ocorra o seu desprendimento prematuro. Por fim, o sistema FBG foi aplicado na operação de esgotamento (stripping) de etanol, em reatores tipo coluna de bolhas de 10,0 (aspersores R8H e SSD) e 50,0 L (aspersor PS3 – furações convencionais de 0,3 mm, em maior quantidade para reator de 50,0 L). Nesse ponto do trabalho foi possível comprovar a saturação das bolhas em diversas condições operacionais de vazão e diâmetro de bolha, e desenvolver uma modelagem matemática que quantificou a parcela de etanol removida por arraste termodinâmico (ou vaporização) e mecânico. Esse último mostrou-se como sendo capaz de enriquecer a fase gasosa em etanol em valores acima da seletividade promovida equilíbrio termodinâmico, chegando a alcançar 15 vezes a concentração da fase líquida. Esse fato evidencia a complexidade do arraste mecânico, que depende do diâmetro das bolhas, nas operações de remoção de solventes voláteis e demonstra que, sob as corretas condições operacionais, esse fenômeno pode favorecer a eficiência do processo de stripping. A última etapa do estudo consistiu na aplicação do sistema FBG na fermentação alcoólica extrativa em reatores de 10,0 e 50,0L, nas quais foi possível alcançar um aumento de produtividade na ordem de 15% em relação à fermentação batelada convencional utilizando uma vazão específica de CO2 de 0,4 vvm.por
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)por
dc.description.sponsorshipFundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)por
dc.description.sponsorshipIdProcesso nº 2018/24460-4, Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)por
dc.description.sponsorshipIdProcesso nº 2021/06659-0, Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)por
dc.description.sponsorshipIdCódigo de Financiamento: 309728/2021-5, Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior – Brasil (CAPES)por
dc.description.sponsorshipIdCódigo de Financiamento: 305919/2021-0, Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior – Brasil (CAPES)por
dc.identifier.citationPEREIRA, Rauber Daniel. Bolhas finas geradas por novo sistema de vazão pulsada de gás e o seu papel em processos de transferência de massa. 2023. Tese (Doutorado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2023. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/20892.*
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/20892
dc.language.isoengpor
dc.publisherUniversidade Federal de São Carlospor
dc.publisher.addressCâmpus São Carlospor
dc.publisher.initialsUFSCarpor
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQpor
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil*
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/*
dc.subjectProcessos de transferência de massapor
dc.subjectTransferência de oxigêniopor
dc.subjectArraste gasosopor
dc.subjectGeração de bolhas finaspor
dc.subjectArraste por vaporizaçãopor
dc.subjectArraste mecânicopor
dc.subjectMass transfer processespor
dc.subjectOxygen transfereng
dc.subjectGas strippingeng
dc.subjectFine bubble generationeng
dc.subjectVaporization entrainmenteng
dc.subjectMechanical entrainmenteng
dc.subject.cnpqENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICApor
dc.subject.cnpqENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICApor
dc.titleBolhas finas geradas por novo sistema de vazão pulsada de gás e o seu papel em processos de transferência de massapor
dc.title.alternativeFine bubbles generated by a new pulsed gas flow rate system and their role in mass transfer processeseng
dc.typeTesepor

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