Preliminary Computational Fluid Dynamics Study Of A Multiphase Reactor

Abstract

A presença de fármacos e de produtos de higiene pessoal em água doce e potável tem despertado interesse e preocupação na comunidade científica. Muitas destas substâncias em concentrações muito baixas são tóxicas para os seres humanos e para o meio ambiente. Portanto, a sua remoção/eliminação é importante. Uma das estratégias capaz de degradar tais substâncias é a oxidação fotossensibilizada usando singleto de oxigénio. Neste estudo, a degradação de benzilparabeno por esta abordagem foi estudada através de simulação CFD (Computational Fluid Dynamics).Na simulação do reator laboratorial em CFD usou-se uma formulação Euler-Euler, tendo esta sido descrita em detalhe. Para além disso, apresentaram-se as principais equações, bem como os modelos de interação entre interfases: transferência de massa, de momento, reações e turbulência. As simulações numéricas computacionais foram realizadas em OpenFOAM, usando dois solvers: twoPhaseEulerFoam e reactingTwoPhaseEulerFoam. A estrutura utilizada para estes solvers foi explicada. No OpenFOAM foi adicionada uma nova equação para os coeficientes de velocidade de reação.O processo de oxidação avançada anteriormente mencionado foi simulado para dois casos. O primeiro consistiu no estudo da hidrodinâmica do sistema numa geometria baseada no reator laboratorial usado experimentalmente na degradação de PPCPs. Neste estudo realizou-se um teste de malha, tendo para o efeito sido usadas três malhas com diferentes resoluções. O movimento dos fluidos em certas partes do reator não foi capturado pelos resultados da malha mais grossa. As variáveis estudadas para a malha mais fina mostraram maiores e menores magnitudes do que as outras malhas. Para além disso, foram efetuadas simulações com os solvers supra-citados, em que os resultados para a primeira metade do reator tinham diferenças em magnitude.No segundo caso, foi avaliada uma geometria mais simples para minimizar o tempo despendido em simulação, uma vez que eram necessários 3600 s de tempo de simulação. Neste caso, a hidrodinâmica e a concentração de benzilparabeno ao longo do tempo foram discutidas. Para além disso, foram estudados dois conjuntos de parâmetros para os coeficientes da velocidade de reação, correspondentes a pH 7 e pH 10.8. Os resultados da simulação de pH 7 estavam de acordo com os dados experimentais disponíveis, para os primeiros 500 s de simulação/experiência. A simulação para pH 10.8 mostrou uma degradação de benzilparabeno mais rápida do que para pH 7, como reportado na literatura.

Pharmaceuticals and personal care products presence in freshwater and drinking water sparked both interest and concern in the scientific community. Many of these substances are toxic to humans and the environment in very low concentrations, thus their removal/elimination is important. Photosensitised oxidation using singlet oxygen is a novel process capable of degrading such compounds. Benzylparaben degradation was studied in the present work.An Euler-Euler approach for the simulation of a laboratorial reactor was extensively described. The main equations were presented, as well as interphase interaction models, including mass and momentum transfer, reactions and turbulence models. The computational numerical simulations were carried out in OpenFOAM, using two solvers: twoPhaseEulerFoam and reactingTwoPhaseEulerFoam. Cases structure for these solvers was explained. A new equation for the reaction rate coefficients was implemented in OpenFOAM.The mentioned advanced oxidation process was simulated in two instances. The first instance consisted in studying the hydrodynamics in a geometry based on a real laboratorial reactor for the study of the process. A grid test using three grids with different resolutions was performed. Flow motions in certain parts of the reactor were not captured by the coarsest grid. While fine grid results showed greater and lower studied variables magnitudes than the other grids. Also, simulations using the mentioned solvers were compared, showing differences in the first half of the reactor.In the last instance, a simpler geometry was used to save time, because 3600 s of simulation time was needed. The hydrodynamics and the benzylparaben concentration over time were discussed. Two sets of parameters for the reaction rate coefficients corresponding to pH 7 and pH 10.8 were studied. Results from the pH 7 simulation were in agreement with available experimental data for the first 500 s of simulation/experiment. The pH 10.8 simulation showed faster degradation of BeP than in pH 7, as reported in the literature. Ultimately, the methodology used in this work is validated and proven to be accurate for the simulation of a two-phase bubbly flow photosensitised oxidation reactor with several gas diffusers disposed along the reactor.