Mixer Module

Para Modelar Misturadores, Reatores Agitados e Máquinas Rotativas Com Escoamento

Mixer Module

A mistura é realizada nesse misturador turbulento através de um rotor de três pás e do posicionamento das duas hastes para perturbar o fluxo. O modelo também resolve a superfície livre.

Atenda Requisitos de Produto Por Meio de Projeto e Otimização Respaldados Por Simulação

Como complemento para o CFD Module, o Mixer Module permite analisar misturadores de fluido e reatores agitados. Respaldado por uma funcionalidade dedicada para simular o escoamento em máquinas rotativas, o Mixer Module também oferece um conjunto de dados de materiais para a modelagem de diferentes tipos de fluidos e superfície livre.

Misturadores com partes rotativas são usados em muitos processos industriais, como na produção de bens de consumo, remédios, comida e produtos químicos finos. Geralmente, um misturador pode ser usado em processos em batelada para várias finalidades diferentes, até mesmo diariamente, onde os produtos são produzidos a volumes baixos e vendidos a preços altos. Algo que todos os processos de mistura têm em comum é que a qualidade, a reprodutibilidade e a uniformidade dos produtos é de suma importância. Uma forma de garantir que esses requisitos de produto sejam atendidos é realizar simulações a fim de projetar e otimizar a operação do processo de mistura e do misturador em si. Modelos e simulações são particularmente úteis quando podem ser validados por um processo piloto e, então, usados para computações de aumento de escala. Depois de validados, esses modelos podem ser usados para evitar os custos envolvidos em construir e executar processos de escala piloto e, em vez disso, passar diretamente da escala de laboratório para uma produção em escala total.

Outras imagens:

  • MISTURA NÃO ISOTÉRMICA: Modelo de um fluido misturado e aquecido usando a interface Máquinas Rotativas,     Escoamento Não-Isotérmico. O campo de temperatura é mostrado nos cortes e a direção do escoamento é representada pelas setas.

    MISTURA NÃO ISOTÉRMICA: Modelo de um fluido misturado e aquecido usando a interface Máquinas Rotativas, Escoamento Não-Isotérmico. O campo de temperatura é mostrado nos cortes e a direção do escoamento é representada pelas setas.

  • MISTURADOR COM DEFLETORES: Linhas de escoamento e a amplitude de velocidade na seção transversal de um misturador com defletores de fundo abaulado com um rotor de quatro pás. A escala colorida nos defletores representa a pressão, o gráfico no corte ilustra o módulo do vetor de velocidade, ao passo que as linhas de escoamento ilustram a direção do escoamento. MISTURADOR COM DEFLETORES: Linhas de escoamento e a amplitude de velocidade na seção transversal de um misturador com defletores de fundo abaulado com um rotor de quatro pás. A escala colorida nos defletores representa a pressão, o gráfico no corte ilustra o módulo do vetor de velocidade, ao passo que as linhas de escoamento ilustram a direção do escoamento.
  • ROTOR "CONGELADO": O recurso de rotor "congelado" é usado para simular a mistura de um fluido não-newtoniano. Esse recurso pode ser usado em misturadores sem obstáculos geométricos como flanges visto que requer bem menos recursos computacionais. ROTOR "CONGELADO": O recurso de rotor "congelado" é usado para simular a mistura de um fluido não-newtoniano. Esse recurso pode ser usado em misturadores sem obstáculos geométricos como flanges visto que requer bem menos recursos computacionais.

Simulações de Mistura de Fluidos

Misturas químicas e fluidas podem ser necessárias para uma variedade de finalidades que incluem misturar espécies, para promover reações químicas em batelada e reatores-tanque de agitação contínua, ou para permitir um processo uniforme de dissolução, cristalização, precipitação, absorção ou extração. Misturadores à base de máquinas rotativas contêm um rotor e um recipiente que pode incluir componentes como defletores. Esses componentes normalmente estão prontamente ao dispor, e a escolha do rotor e do recipiente dependerá do processo pretendido. Geralmente, os rotores são intercambiáveis e usados para diferentes fluidos ou necessidades de mistura no mesmo recipiente.

Modelando o Escoamento Com Máquinas Rotativas

Escoamento Laminar

O Mixer Module contém interfaces físicas flexíveis e robustas para modelar o escoamento afetado por máquinas rotativas. Incluindo uma interface específica para escoamento laminar, usada para modelar escoamentos com misturas que possuem números de Reynolds baixos e intermediários através da resolução das equações de Navier-Stokes. Pode-se fazer isso para escoamentos incompressíveis e fracamente compressíveis (até Mach 0,3) e também há recursos que possibilitam simulações de escoamento de fluidos não-Newtonianos.

Escoamento turbulento

As interfaces físicas para modelar o escoamento turbulento conforme afetado por máquinas rotativas o fazem resolvendo as equações de Navier-Stokes com média de Reynolds (RANS) para os campos de velocidade e pressão médias. Três modelos de turbulência estão disponíveis e incluem o modelo k-épsilon, o modelo k-ômega e o modelo k-épsilon para baixo número de Reynolds. O modelo k-épsilon geralmente oferece um bom meio-termo entre precisão e requisitos computacionais, ao passo que o modelo k-épsilon com baixo número de Reynolds, que demanda mais dos recursos computacionais, é mais preciso, especialmente para resolver o escoamento próximo a paredes. O modelo k-ômega também produz resultados mais precisos, em especial em regiões de recirculação próximas a paredes, embora seja menos robusto que o modelo k-épsilon. Assim como a interface física de escoamento laminar, os escoamentos incompressível e compressível (Mach < 0,3) podem ser simulados no regime turbulento.

Escoamento Não-Isotérmico

Os escoamentos não isotérmicos e regidos por flutuação ocorrem quando um fluido é afetado por gradientes de temperatura. O Mixer Module contém interfaces físicas para admitir isso. As interfaces "Non-Isothermal Flow" oferecem uma funcionalidade predefinida que acopla totalmente os campos de temperatura e escoamento ao mesmo tempo em que também permite a simulação do escoamento afetado por máquinas rotativas até Mach 0,3. Também é incluída nessas interfaces a possibilidade de modelar a transferência de calor entre fluidos e sólidos. As interfaces Máquinas Rotativas, Escoamento Não Isotérmico são disponibilizadas tanto para escoamentos laminares quanto para escoamentos turbulentos, usando os modelos de turbulência descritos previamente.

Escoamento com Reações

Variações na densidade e na composição dos escoamentos em máquinas rotativas também podem decorrer de reações químicas. O Mixer Module contém uma interface física para admitir esses escoamentos com reações. Essa interface acopla automaticamente as equações de escoamento à densidade de mistura, conforme resolvida pela interface Transport of Concentrated Species. O escoamento com reações, conforme regido por máquinas rotativas, pode ser simulado considerando um escoamento turbulento, usando os modelos de turbulência descritos previamente, bem como considerando o escoamento laminar.

Fluxo de Trabalho ao Simular Misturadores e Reatores Agitados

A escolha da interface física certa para usar geralmente depende da experiência, de resultados experimentais e de outras análises qualitativas. A exclusão de físicas relevantes leva a resultados errados, ao passo que a inclusão de todos os fatores contribuintes possíveis geralmente leva a tempos de computação excessivos. As interfaces de Máquinas Rotativas disponíveis no Mixer Module ajudam a definir simulações de complexidade variável. Se as espécies sendo misturadas não afetarem o fluido que as contém, então uma forma de modelagem pode envolver resolver o escoamento e, então, o transporte de espécies usando o campo de velocidade como entrada. Misturas concentradas, reações e variações térmicas geralmente afetarão as quantidades constitutivas, como densidade e viscosidade, do fluido. Quando esses efeitos tornam-se apreciáveis, você pode mudar para a interfaceRotating Machinery, Reacting Flow ou para a interface Rotating Machinery, Non-Isothermal Flow, respectivamente. Indo um passo adiante, o COMSOL permite que você adicione outras interfaces, como a que descreve mecânica estrutural, às preexistentes a fim de personalizar suas simulações.

As Interfaces do Mixer Module

O Mixer Module contém uma série de interfaces físicas baseadas nas leis de conservação do momento, da massa e da energia, bem como dos balanços das espécies em fluidos. Diferentes combinações e expressões das leis de conservação, aplicáveis às físicas relevantes do campo de fluxo, resultam em diferentes equações e definições que podem ser acessadas através das interfaces físicas integradas disponíveis no Mixer Module.

Essas interfaces físicas possibilitam simulações avançadas com máquinas rotativas atuando sobre os fluidos. Isso inclui escoamentos laminares e turbulentos, escoamentos incompressíveis e fracamente compressíveis, além de escoamentos não Newtonianos. São disponibilizadas outras interfaces físicas, que incluem termos e equações para descrever os efeitos da temperatura, de espécies reagentes e de superfícies livres sobre as equações de escoamento. As interfaces físicas para esses tipos de escoamento permitem que você simule, em 2D e 3D, modelos dependentes do tempo que levam em conta uma descrição completa da rotação do rotor ou através do uso da aproximação com rotor "congelado".

Usando o Estudo Dependente do Tempo ou o Recurso do Rotor "Congelado"

Um estudo totalmente dependente do tempo para o escoamento afetado por máquinas rotativas leva em conta o movimento das partes geométricas em relação umas às outras e corresponde à maneira mais precisa de simular processos de mistura. O COMSOL define um domínio de modelagem que abrange o rotor ou impulsor e outro domínio, além deste, no qual as paredes e artefatos como defletores são encontrados. Então o software usa a tecnologia de malha deslizante para levar em conta a interação entre os dois domínios. A precisão proporcionada por esse processo de solução é uma necessidade quando a modelagem das condições iniciais dos misturadores deve ser investigada. Geralmente, contudo, esse método é computacionalmente dispendioso quando o resultado desejado é simular como o misturador desempenhará após um período de tempo e durante a operação normal sob condições de regime pseudo-permanentes.

O Mixer Module também traz um recurso Rotor "Congelado" que ajuda a economizar tempo e recursos computacionais. Esse recurso simula o escoamento rotativo pressupondo que a topologia do sistema relativa ao sistema de referência rotativo é fixa, ou "congelada", e diminui significativamente os recursos computacionais necessários para simular a condição pseudo-permanente. Usar esse recurso equivale a resolver as equações de Navier-Stokes para regime permanente, quando as forças centrífuga e de Coriolis são adicionadas aos domínios rotativos. Usar a aproximação com rotor "congelado" é adequado para misturadores sem defletores e outros obstáculos, ou quando o sistema inteiro gira, tal como na separação centrífuga em microfluídicos.

No entanto, quando os sistemas são geometricamente tais que uma descrição completa da rotação do rotor em relação às partes estacionárias seja necessária, tal como um misturador com defletores, o recurso Rotor "Congelado" ainda pode ser útil para diminuir a necessidade de tempo e recursos computacionais. Embora, nessas configurações geométricas, ele não chegue à solução exata, o uso do recurso Rotor "Congelado" ainda proverá uma solução aproximada satisfatória, onde sua qualidade depende da proximidade dos componentes "congelados" e estacionários uns dos outros. Então, usando essa solução como condição inicial para o campo de velocidade e outros parâmetros para uma simulação transiente, o estudo dependente do tempo atingirá suas condições de regime pseudo-permanente em um tempo muito menor.

Modelando Superfícies Livres em Misturadores

O Mixer Module oferece funcionalidade especializada para modelar superfície livre de fluido em misturadores. Essa funcionalidade permite incluir os efeitos de forças de tensão superficial e ângulos de contato entre a superfície livre e as paredes. Usando a tecnologia de malha móvel, o Mixer Module permite que o formato da superfície livre seja simulado permitindo que a linha de contato entre o fluido sendo misturado, o fluido acima da superfície livre e as superfícies sólidas das paredes e do rotor se movam livremente ao longo das superfícies sólidas.

Ser capaz de modelar superfícies livres consiste, em parte, em especificar o coeficiente de tensão superficial nas equações que descrevem o movimento da superfície livre. O Mixer Module oferece um conjunto de bibliotecas predefinias de coeficientes de tensão superficial entre alguns líquidos comuns e outros líquidos, bem como entre líquidos e alguns gases comuns. Ele inclui:

Líquido/Gás Líquido/Líquido
Água/Ar Benzeno/Água
Acetona/Ar Óleo de Milho/Água
Ácido Acético/Ar Éter/Água
Etanol/Ar Hexano/Água
Etileno Glicol/Vapor de Etileno Glicol Mercúrio/Água
Éter Dietílico/Ar Azeite de Oliva/Água
Glicerol/Ar
Heptano/Nitrogênio
Mercúrio/Vapor de Mercúrio
Tolueno/Ar

Non-Isothermal Flow in a 2D Mixer

Behavior of Power Law Fluids in a Mixer