Simulação de um forno rotativo experimental para a produção de gipsita usando fluidodinâmica computacional – CFD

Resumo

O Pólo Gesseiro do Araripe é responsável por cerca de 97% da produção do gesso nacional, o qual é obtido a partir da calcinação de um mineral chamado gipsita, encontrado em abundância na região. O processo calcinação dá-se, em sua grande maioria, em fornos industriais do tipo marmita rotativo horizontal fabricados de forma empírica por experientes profissionais da região, cujo projeto é uma cópia adaptada de equipamentos franceses, adquiridos pelos maiores produtores de gesso da região. Uma das grandes modificações sofridas pelos fornos fabricados no Araripe é sua fonte de energia, que por diversas razões, relacionadas a custo e logística, é basicamente restrita à queima de lenha. Esses fornos, além de contribuírem fortemente para devastação da mata nativa, apresentam uma baixa eficiência energética. O objetivo deste trabalho é criar um modelo físico computacional de um forno piloto, que permita compreender como acontece a distribuição de calor e temperatura ao longo do forno, em diferentes fases do processo de calcinação. Isso permitirá, não só desenvolver fornos energeticamente mais eficientes, reduzindo consideravelmente o consumo de lenha por tonelada de gipsita produzida, como também, facilitará o desenvolvimento de novos projetos em tempo e com custo reduzidos. O modelo, aqui trabalhado vem sendo construído utilizando as técnicas de Computacional Fluid Dynamics (CFD), a qual permite fazer a simulação, em tempo real, da distribuição de calor, da fração volumétrica e de outros fenômenos correlacionadas ao processo de calcinação (ANSYS, 2017). O software disponibilizado pela empresa ANSYS™ é o mais amplamente utilizado na indústria para obter tais soluções. Durante a pesquisa, foram realizados estudos para definição dos tipos de malhas mais adequados, dos passos de tempo (time step) e, finalmente, da utilização da abordagem Euler-Euler, para modelagem do forno piloto. O projeto foi iniciado com um desenho em 2D gerado em Computer-Aided Design (CAD), simplificado para otimizar a modelagem. Em seguida, foi gerada uma malha estruturada com o menor número de elementos possíveis, afim de reduzir o esforço computacional. A Kinect Theory of Granular Flow (KTGF), ou teoria cinética de escoamentos granulares em tradução livre, foi estudada com profundidade, para que a física do processo fosse representada da forma mais fidedigna possível. A convergência dos cálculos numéricos foi monitorada, acompanhando os erros residuais dos parâmetros selecionados. Como resultado, neste trabalho serão apresentados os perfis de velocidade e de fração volumétrica para diferentes malhas e passos de tempo.