Recentemente, tem acontecido uma notável aceleração na pesquisa e desenvolvimento de novas tecnologias para alcançar uma transição energética confiável. Nesse contexto, as tecnologias de captura e sequestro de carbono (CCS) surgiram como uma opção transitória. No entanto, em alguns casos, como os reservatórios brasileiros do pré-sal, as tecnologias de separação de dióxido de carbono poderiam aumentar a eficiência e a rentabilidade dos processos, ao mesmo tempo em que reduziam as emissões de dióxido de carbono. Nesse contexto, a utilização de um separador de gás supersônico torna-se relevante, pois permite separar alto teor de dióxido de carbono com baixo consumo de energia e baixa manutenção. No entanto, para melhorar o Nível de Maturidade Tecnológica (NMT), mais trabalhos teóricos e experimentais devem ser realizados. Portanto, essa tese estuda os fenômenos de escoamento compressível mais relevantes dentro do separador, como o escoamento supersônico viscoso e o choque de condensação. Além disso, este trabalho também forneceu ferramentas analíticas para a concepção do dispositivo, como a implementação do método de características para o escoamento supersônico da mistura de gases reais. Adicionalmente, uma bancada experimental foi projetada, construída e comissionada para uma mistura de dióxido de carbono com ar seco. Tal bancada de teste permite a operação em diferentes condições de estagnação (pressão, temperatura e fração molar de dióxido de carbono). Além disso, transdutores de alta precisão de pressão foram usados para garantir uma análise quantitativa sobre os fenômenos, e técnicas ópticas direta e schlieren foram usadas para uma avaliação experimental qualitativa após o uso de uma câmera de alta velocidade. O bocal supersônico foi projetado através do método de característica para garantir um escoamento livre de choque, e para estudar a interação entre a mudança de fase e os fenômenos de cancelamento de ondas que produziram três topologias de choque de condensação (clássica, transição e onda Mach). Finalmente, discute-se a validade do modelo de choque de condensação proposto.

In recent times, a remarkable acceleration in the research and development of new technologies to achieve a reliable energy transition took place. In such a context, carbon capture and sequestration (CCS) technologies have emerged as a transitory option. However, in some cases, such as Brazilian pre-salt reservoirs, carbon dioxide separation technologies could increase process efficiency and profitability, while at the same time reducing the carbon dioxide emissions. In this context, the utilization of a supersonic gas separator becomes relevant, because it allows separating high contents of carbon dioxide with low energy consumption and low maintenance. However, to improve the technology readiness level of (TRL), further theoretical and experimental work must be performed. Therefore, this thesis studies the more relevant gas dynamic phenomena inside the separator such as the viscous supersonic flow deployment and the condensation shock, in addition, this work also provided analytical tools for the device designing, as the implementation of the method of characteristics for real gas mixture supersonic flow. In addition, a unique experimental test-rig was designed, constructed, and commissioned for a dry air-carbon dioxide mixture. Such a test-rig allows the operation under different stagnation conditions (Pressure, temperature and carbon dioxide molar fraction). Also, high accuracy pressure transducers were used to ensure a quality quantitative insight about the phenomena, and direct and schlieren optical techniques were used for a qualitative experimental evaluation after using a high-speed camera. The supersonic nozzle was designed through the method of characteristic to ensure a shock-free flow, and to study the interaction between the phase change and the wave cancellation phenomena which produced three condensation shock topologies (classical, transition, and Mach wave). Finally, the validity of the proposed condensation shock model was discussed.