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Master's Dissertation
DOI
10.11606/D.74.2014.tde-19092014-090721
Document
Author
Full name
Dayane Cristina Gomes Okiyama
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
Pirassununga, 2014
Supervisor
Committee
Rabi, José Antonio (President)
Ribeiro, Rogers
Zaiat, Marcelo
Title in Portuguese
Simulação numérica da hidrodinâmica de biorreator em leito fixo para tratamento de vinhaça
Keywords in Portuguese
Fluidodinâmica computacional
Meio poroso
Método de Boltzmann em rede
Tempo de detenção hidráulica
Tratamento de efluentes
Abstract in Portuguese
Oriunda da etapa de destilação do caldo do caldo da cana-de-açúcar, a vinhaça é um subproduto da produção de etanol. Apesar de seu difundido uso na agricultura canavieira como fertirrigação, sua disposição no solo tem sido questionada quanto a possíveis riscos ambientais. Uma destinação alternativa à vinhaça e seu tratamento anaeróbio, considerado bastante atrativo haja vista a possibilidade de recuperação de energia na forma de biogás, sem interferir em suas qualidades como biofertilizante. Entre os sistemas de tratamento anaeróbios, os reatores de leito fixo têm sido amplamente utilizados devido à sua estabilidade operacional. A modelagem abrangente destes tipos reatores tende a ser complexa de forma que o estudo dos escoamentos em seu interior do reator é vital. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi analisar e simular numericamente a hidrodinâmica de reator de leito fixo de fluxo ascendente tipo APBR (anaerobic packed bed reactor). Em termos gerais, os resultados obtidos por simulação foram confrontados tanto com os correspondentes valores experimentais como com aqueles obtidos a partir dos modelos uniparamétricos comumente usados para representar reatores não ideais. Para tanto, foram empregados dados pré-existentes de ensaios hidrodinâmicos conduzidos no início e no final da operação, com biorreator alimentado com solução-traçador na forma de degrau a vazões de 4,6 L/dia e 2,3 L/dia. Foram considerados os modelos de dispersão de pequena e grande intensidade bem como o modelo de tanques agitados em série. Quanto às simulações numéricas, foi usado o software de CFD (fluidodinâmica computacional)COMSOL Multiphysics ® 4.3b.As curvas DTR obtidas via simulação e com base nos modelos para reatores não ideais foram confrontadas com as curvas obtidas experimentalmente. Para o reator operando com vazão de 2,3 L/dia, nenhum dos modelos propostos mostrou-se adequado quanto ao final da operação, em razão da incapacidade em representar o surgimento de picos de concentração que podem estar associados ao acúmulo de biomassa no interior do biorreator, mas também ao tipo de traçador utilizado para a realização do experimento. As demais curvas DTR sugerem que o reator em questão aproxima-se do tipo pistonado. O simulador CFD representou de forma bem adequada os dados experimentais em comparação com resultados obtidos a partir dos modelos para reatores não ideais. A simulação numérica de biorreatores para tratamento de efluentes mostrou-se, pois, capaz de fornecer informações mais detalhadas e precisas, geralmente úteis a engenharia do processo. Adicionalmente, foi implementado um simulador com base no método de Boltzmann em rede (lattice Boltzmann method, LBM) capaz de simular escoamento laminar bidimensional em regime permanente no interior de um canal. No escopo de uma linha de pesquisa em simulação LBM de biossistemas agroindustriais, trata-se de um esforço inicial quanto à simulação LBM da hidrodinâmica de biorreatores para tratamento de efluentes em geral.
Title in English
Numerical simulation of hydrodynamics within fixed-bed bioreactor for vinasse treatment
Keywords in English
Computational fluid dynamics
Effluent treatment
Hydraulic retention time
Lattice Boltzmann method
Porous medium
Abstract in English
Resulting from sugarcane juice distillation, vinasse is a by-product from ethanol industry. Despite its widespread use as fertirrigation at crops, direct deposition of vinasse into soils has raised environmental issues. Alternatively, it may undergo anaerobic treatment, which is very attractive in view of energy recovery as biogas while preserving vinasse quality as biofertilizer. Among anaerobic treatment systems, fixed-bed reactors come forward due to their operational stability. Their comprehensive modeling is prone to be complex so that the study of fluid flows prevailing inside is fundamental. Accordingly, the goal of this work was to numerically analyze and simulate the hydrodynamics within a particular upflow fixedbed reactor, namely anaerobic packed bed reactor. In general, results from simulations were compared with experimental counterparts as well as against results from well-known single-parameter models for non-ideal reactors. Existing data from hydrodynamic tests were then used, concerning operation at both start-up and shut-down and bioreactor stepwise feeding with tracer solution flow at 4,6 L/day and 2,3 L/day. Non-ideal reactor models comprised either low or high-dispersion together with continuous stirred-tank reactor model while COMSOL Multiphysics ® 4.3b CFD (computational fluid dynamics) software was employed for simulations. Retention time distribution (RTD) curves from simulations and from model calculations were compared to experimental ones. For operation at 2,3 L/day flow, no models proved to be suitable as far as shut-down operation is concerned, due to biomass accumulation inside the bioreactor. Remaining RTD curves suggested that reactor behavior resembles plug-flow type. Compared to non-ideal reactor models, CFD simulations proved to properly reproduce experimental data while being able to provide detailed and accurate information for process engineering towards effluent treatment. Furthermore, a numerical simulator was implemented as based on the lattice Boltzmann method (LBM) in order to deal with two-dimensional steady-state laminar flow inside a channel. As part of research work on LBM simulation of agroindustrial biosystems, aforesaid simulator contributed to LBM simulation of hydrodynamics within bioreactors for wastewater treatment in general.
 
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ME5627641COR.pdf (2.23 Mbytes)
Publishing Date
2014-09-29
 
WARNING: The material described below relates to works resulting from this thesis or dissertation. The contents of these works are the author's responsibility.
  • OKIYAMA, D. C. G., and RABI, J. A. Lattice-Boltzmann simulation of biospecific affinity chromatography: influence of process parameters on breakthrough curves. In 14th WSEAS International Conference on Mathematics and Computers in Biology and Chemistry, Baltimore, 2013. Mathematics and Computers in Biology and Biomedical Informatics. : WSEAS Press, 2013.
  • OKIYAMA, D. C. G., e RABI, J. A. Dirichlet versus Danckwerts inlet condition for bioaffinity chromatography part 2: comparing results from lattice-Boltzmann simulations. In XIX Simpósio Nacional de Bioprocessos - X Simpósio de Hidrólise Enzimática de Biomassas, Foz do Iguaçu, 2013. XIX SINAFERM - X SHEB: CD-ROM., 2013.
  • OKIYAMA, D. C. G., e RABI, J. A. Dirichlet versus Danckwerts inlet condition for bioaffinity chromatography part 2: comparing results from lattice-Boltzmann simulations. In XIX Simpósio Nacional de Bioprocessos - X Simpósio de Hidrólise Enzimática de Biomassas, Foz do Iguaçu, 2013. XIX SINAFERM - X SHEB: Programação e Resumos., 2013. Resumo.
  • OKIYAMA, D. C. G., and RABI, J. A. Lattice-Boltzmann Simulation of Transport Phenomena in Agroindustrial Biosystems. In Anna Belya Kora. Advances in Computational Modeling Research: Theory, Developments and Applications. Organizador. Nova Science Publishers, 2013{Volume}, p. 79-104.http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/74/74132/tde-19092014-090721/
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