Numerical Analysis of Flow in Microchannels Using The Finite Element Method

Abstract

Os biocombustíveis ganharam popularidade significativa por serem uma fonte de energia limpa e renovável em comparação com os combustíveis fósseis convencionais. O biodiesel é produzido a partir de ésteres monoalquílicos derivados de óleos vegetais, gorduras animais ou outros materiais compostos principalmente de triglicerídeos. Além de várias outras aplicações importantes, o biodiesel é predominantemente utilizado como combustível para veículos, sendo misturado com o diesel derivado de petróleo convencional. A tecnologia de microrreatores, um método essencial para a intensificação de processos, oferece inúmeras vantagens potenciais para as indústrias de processos. Reações bifásicas com limitações de transferência de massa podem ser efetivamente conduzidas em pequena escala em um microrreator bifásico de escoamento lento. Nesse tipo de reator, segmentos alternados e uniformes (golfadas) da mistura de reação bifásica exibem áreas de transferência de massa entre as fases e padrões de escoamento bem definidos. As circulações dentro dessas golfadas não são completamente compreendidas e requerem análises numéricas sistemáticas e o desenvolvimento de modelos matemáticos avançados para melhor entendimento e otimização. Além disso, a aplicação de microrreatores pode levar a uma maior eficiência energética e redução de resíduos na produção de biocombustíveis. Esses reatores compactos permitem um controle mais preciso das condições de reação, o que pode resultar em produtos de maior qualidade e processos mais sustentáveis. O objetivo deste trabalho é estudar o comportamento do escoamento bifásico através de um microrreator capilar para a produção de biodiesel, utilizando o modelo de escoamento homogêneo, onde as duas fases se movem a velocidades iguais e aumentam o nível de mistura, podendo assim ser tratadas como se fossem uma única fase. Uma abordagem de dinâmica dos fluidos computacional (CFD) é então utilizada para simular numericamente esse tipo de escoamento em malhas não estruturadas quadrilaterais. Os escoamentos são modelados pelas equações de Navier-Stokes bidimensionais incompressíveis, escritas utilizando a formulação função corrente-vorticidade, que são aproximadas pelo Método dos Elementos Finitos. A linguagem de programação Python foi utilizada para desenvolver o código computacional. Após a verificação do código, escoamentos característicos em microcanais foram analisados, comparando os resultados numéricos com resultados experimentais da literatura. Bons resultados foram encontrados com essa metodologia.