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Doctoral Thesis
DOI
https://doi.org/10.11606/T.3.2020.tde-17052021-143529
Document
Author
Full name
Fabio Coffani dos Santos de Siqueira
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2020
Supervisor
Committee
Vianna Junior, Ardson dos Santos (President)
Baliño, Jorge Luis
Cekinski, Efraim
Nunhez, José Roberto
Paiva, José Luis de
Title in Portuguese
Estudo da fluidodinâmica da formação de gotas em microcanais: um estudo experimental e computacional.
Keywords in Portuguese
Fluxo laminar dos fluidos
Geometria e modelagem computacional
Reatores químicos
Abstract in Portuguese
Tanques com impulsores são usados para criação de emulsão e gotas, porém esse processo necessita de grande quantidade de energia e a microfluídica pode otimizar esse processo. Dispositivos microfluídicos além de reduzir o custo energético, também possuem a vantagem do controle da distribuição de diâmetros das gotas obtidas.Um microrreator Syrris de 250 µL com misturador do tipo cruzado com canais ovais foi utilizado. Este microrreator se diferencia dos equipamentos mais utilizados na literatura, que são misturadores tipo T com linhas retas e canais cruzados. Os equipamentos tipo T possuem menor complexidade para serem construídos, por conta disto são mais utilizados. Os componentes utilizados para obtenção das gotas foram: estireno, água e emulsificante. Foram realizados estudos para 4 relações de vazão estireno: água - QD:QC, sendo elas: 1:1, 1:10, 1:20 e 1:80. Em todos os experimentos foi usado 1% em massa de emulsificante. Para a relação de fluxos 1:1 não houve formação de gotas, o fluxo de estireno escoou no centro da tubulação, como previsto nas simulações. Já para a relação de vazões 1:10 foi observada a formação de gotas, apresentando média de 203 µm, mediana de 201 µm e moda de 200 µm. Para a relação de vazão 1:20, a média foi de 165 µm, mediana de 164 µm e moda de 161 µm. Com fluxo contínuo 80 vezes, o fluxo disperso é possível observar que as gotas diminuíram significativamente, média de 59 µm, mediana de 53 µm e moda de 89 µm. Foi identificado influência do ciclo da bomba no padrão de formação de gotas, sendo capturada uma foto das gotas geradas na mudança de ciclo. Estas gotas variavam em seu diâmetro, sendo algumas tendo diâmetro maior que a tubulação, gerando seu alongamento. As simulações em CFD representaram, satisfatoriamente, os diâmetros de gotas obtidas experimentalmente para relações de vazão (QD:QC) de 1:10 e 1:80. A ferramenta utilizada foi o ANSYS FLUENT 17.0.V Com isso, é possível concluir que o sistema de microrreator é capaz de gerar gotas de diâmetro controlado, porém deve se levar em consideração o tipo de bomba a ser utilizado e as vazões a serem utilizadas no processo, já que essas variáveis afetam diretamente o desvio padrão dos valores de diâmetro obtido. O modelo de CFD apresentou baixa porcentagem de erro, mesmo não simulando a variação de velocidade devido o ciclo da bomba.
Title in English
Fluidodynamic study of droplets formation in microchannels: an experimental and computational study.
Keywords in English
Computational modeling
Double T joint
Laminar flow
Microfluidic
Multiphase flow
Abstract in English
Stirred tanks are used to create emulsion and drops, but this process requires a lot of energy and microfluidics can optimize this process. Microfluidic devices, besides reducing the energy cost, also have the advantage of controlling the diameter distribution of the obtained drops.A 250 µL Syrris micro-reactor with a double T mixer with oval channels was used. This micro-reactor differs from the most used equipment in the literature, which is T-type mixers with straight lines and crossed channels. Type T equipment has less complexity to be built, because of this they are more used. The components used to obtain the drops were: styrene, water, and emulsifier. Studies were carried out for 4 flow rates of styrene: water - QD: QC, which are: 1:1, 1:10, 1:20, and 1:80. In all experiments, 1% of emulsifier mass was used. For the flow ratio 1:1 there was no drop formation, the flow of styrene flowed in the center of the pipe, as predicted in the simulations.For the 1:10 flow rate, the formation of droplets was observed, with 103 droplets counting in the microreactor pipes, with an average of 203 µm, median of 201 µm, and 200 µm mode. For the 1:20 flow rate, 79 drops were collected in the microreactor pipes, with an average of 165 µm, a median of 164 µm, and 161 µm mode. With continuous flow 80 times the dispersed flow it is possible to observe that the drops have decreased significantly. 86 drops were counted in the microreactor tubes, with an average of 59 µm, median of 53 µm and mode of 89 µm.The influence of the pump cycle on the pattern of droplet formation was identified, and a photo of the droplets generated in the cycle change was captured. These droplets varied in diameter, with some having a larger diameter than the pipe, generating its elongation.The CFD simulations represented, satisfactorily, the droplet diameters obtained experimentally for flow ratios (QD: QC) of 1:10 and 1:80. The CFD tool used was the ANSYS FLUENT 17.0.VII Thus, it is possible to conclude that the micro-reactor system is capable of generating drops of controlled diameter, however, the type of pump to be used and the flow rates to be used in the process must be taken into account, as these variables directly affect the deviation diameter values obtained. The CFD model presented a low percentage of error, even though it did not simulate the speed variation due to the pump cycle.
 
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Publishing Date
2021-05-17
 
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