Simulação CFD de sistemas multifísico e multiescala de reações gás-sólidas não-catalíticas: aplicação ao processo de redução direta do minério de ferro

• Processo: 21/09343-4
• Modalidade de apoio: Bolsas no Exterior - Estágio de Pesquisa - Doutorado
• Data de Início da vigência: 15 de julho de 2022
• Data de Término da vigência: 14 de julho de 2023
• Área de conhecimento: Engenharias - Engenharia Química - Processos Industriais de Engenharia Química
• Pesquisador responsável: Roberto Guardani
• Beneficiário: Patrícia Metolina
• Supervisor: Anthony G. Dixon
• Instituição Sede: Escola Politécnica (EP). Universidade de São Paulo (USP). São Paulo , SP, Brasil
• Instituição Anfitriã: Worcester Polytechnic Institute (WPI), Estados Unidos
• Vinculado à bolsa: 19/05840-3 - Modelagem matemática e simulação computacional de sistemas de reação gás-sólido em leito móvel: aplicação ao processo de redução direta do minério de ferro, BP.DR
• Assunto(s): Dinâmica dos fluidos computacional Modelagem multiescala Reações heterogêneas Aquecimento global Emissão de gases
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: Computational Fluid Dynamic (CFD) | Modelagem em Multiescala | Processo Midrex | Reações gás-sólidas não-catalíticas | Redução direta do minério de ferro | Shaft furnace | Reações heterogêneas gás-sólidas

Resumo

O aquecimento global é uma das principais preocupações da humanidade. Consequentemente, a necessidade de diminuir as emissões atmosféricas de CO2 no processo de produção de ferro através da redução direta do minério de ferro, usando apenas hidrogênio como gás redutor, tem ganhado cada vez mais destaque. No entanto, o conhecimento sobre o processo necessita ser mais bem explorado para otimizar e disseminar a tecnologia. Esses sistemas são complexos devido à sua natureza essencialmente transiente, envolvendo fenômenos de transporte de massa e calor associados a múltiplas reações químicas e a mudanças estruturais no sólido ao longo do tempo. A maioria dos modelos matemáticos relatados na literatura adota diferentes níveis de simplificações, apresentando uma variedade de resultados e dissimilaridades nos valores estimados dos parâmetros cinéticos. O presente estudo propõe o desenvolvimento de um modelo matemático detalhado baseado em simulação fluidodinâmica computacional para descrever reações não catalíticas gás-sólido em uma abordagem multi-escala (pelota única e escala de reator) para a aplicação na redução direta de minério de ferro (DR) usando hidrogênio. Os modelos para escala de pelotas desenvolvidos neste estudo serão estendidos ao reator de multipartículas para investigar como os mecanismos de transporte afetam o desempenho do DR. O estudo em multiescala, portanto, visa prever os efeitos da heterogeneidade do sistema e avaliar as configurações estruturais da pelota de minério de ferro poroso e as condições de operação do sistema, como temperatura, vazão, composição do gás, entre outras, no processo de redução. Os modelos para ambas as escalas serão validados com dados de experimentos em escala de laboratório e plantas industriais. O plano de colaboração com o grupo de pesquisa do Departamento de Engenharia Química do Worcester Polytechnic Institute é extremamente importante para o avanço desta investigação, devido à grande experiência em modelagem da equipe de pesquisa coordenada pelo Prof. Anthony G. Dixon. (AU)