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http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/39473| Título: | Modelagem computacional e validação experimental do escoamento de um reator UAHB em escala de bancada |
| Título(s) alternativo(s): | Computational modeling and experimental validation of the flow in a bench-scale UAHB reactor |
| Autor(es): | Correa, Guilherme Barros |
| Orientador(es): | Arantes, Eudes José |
| Palavras-chave: | Reatores químicos Fluidodinâmica computacional Águas residuais - Purificação Chemical reactors Computational fluid dynamics Sewage - Purification |
| Data do documento: | 2-Dez-2025 |
| Editor: | Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
| Câmpus: | Campo Mourao |
| Citação: | CORREA, Guilherme Barros. Modelagem computacional e validação experimental do escoamento de um reator UAHB em escala de bancada. 2025. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Ambiental) – Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Campo Mourão, 2025. |
| Resumo: | O presente trabalho teve como objetivo avaliar o comportamento hidrodinâmico de um Reator Anaeróbio Híbrido de Manta de Lodo e Fluxo Ascendente (UAHB) em escala de bancada (5,7 L), por meio da integração de ensaios experimentais de estímulo-resposta e modelagem computacional (CFD). A pesquisa buscou caracterizar o escoamento no interior do reator, identificar anomalias hidráulicas e validar a aplicação de simulações numéricas para este tipo de sistema. O reator, construído em plexiglass e operado de forma contínua, foi submetido a diferentes Tempos de Detenção Hidráulica teóricos (TDH: 0,6, 1, e 2,33 horas). Os ensaios hidrodinâmicos utilizaram água de torneira como efluente, eosina Y como traçador, com concentrações determinadas por espectrofotometria a 516 nm. As curvas de Distribuição do Tempo de Residência (DTR) obtidas experimentalmente foram ajustadas aos modelos teóricos uniparamétricos de dispersão (Pequena e Grande Intensidade) e de tanques em série (N-CSTR). Os resultados dos ensaios revelaram a presença do efeito "cauda longa" nas curvas de concentração, indicativo da existência de zonas mortas e caminhos preferenciais. O modelo N-CSTR apresentou o melhor ajuste aos dados experimentais (coeficientes de correlação r² > 0,95), sugerindo um regime de escoamento predominante de mistura completa, com o reator se comportando equivalentemente a 3 ou 4 reatores de mistura perfeita em série. A análise das anomalias hidráulicas apontou volumes de zonas mortas com valores percentuais negativos, o que sugere a forte influência de curtos-circuitos hidráulicos. As eficiências hidráulicas (λ) variaram entre 0,18 e 0,86, sendo classificadas como satisfatória, boa e insatisfatória, respectivamente para os TDHs de 0,6, 1, e 2,33 horas. O número de Reynolds confirmou regime de escoamento laminar em todas as condições. A modelagem CFD, realizada no software ANSYS CFX 2025 a partir da geometria real do reator, permitiu visualizar o campo de velocidades e estimar as zonas mortas (entre 15,2% e 26,5% do volume total), que se concentraram próximas à entrada do reator. Contudo, a comparação quantitativa entre os volumes de zonas mortas obtidos experimentalmente e via CFD revelou divergências superiores a 150%, possivelmente relacionadas às condições de contorno adotadas. Conclui-se que a combinação das técnicas experimental e de simulação computacional mostrou-se robusta para a caracterização hidrodinâmica do reator UAHB, fornecendo subsídios valiosos para o aprimoramento de projeto e operação de reatores anaeróbios visando maior eficiência no tratamento de efluentes. |
| Abstract: | The present work aimed to evaluate the hydrodynamic behavior of an Upflow Anaerobic Hybrid Sludge Blanket (UAHB) reactor on a bench scale (5.7 L), through the integration of stimulus-response experimental tests and computational modeling (CFD). The research sought to characterize the flow inside the reactor, identify hydraulic anomalies, and validate the application of numerical simulations for this type of system. The reactor, constructed of plexiglass and operated continuously, was subjected to different theoretical Hydraulic Retention Times (HRT: 0.6, 1, and 2.33 hours). The hydrodynamic tests used tap water as effluent and eosin Y as a tracer, with concentrations determined by spectrophotometry at 516 nm. The experimentally obtained Residence Time Distribution (RTD) curves were fitted to the uniparametric theoretical models of dispersion (Small and Large Intensity) and tanks-in-series (N-CSTR). The test results revealed the presence of a "long tail" effect in the concentration curves, indicating the existence of dead zones and preferential paths. The N-CSTR model showed the best fit to the experimental data (correlation coefficients r² > 0.95), suggesting a predominant flow regime of complete mixing, with the reactor behaving equivalently to 3 or 4 perfect-mix reactors in series. The analysis of hydraulic anomalies indicated dead zone volumes with negative percentage values, which suggests the strong influence of hydraulic short-circuiting. The hydraulic efficiencies (λ) ranged from 0.18 to 0.86, being classified as satisfactory, good, and unsatisfactory, respectively for the HRTs of 0.6, 1, and 2.33 hours. The Reynolds number confirmed the laminar flow regime under all conditions. The CFD modeling, performed in ANSYS CFX 2025 software based on the actual reactor geometry, allowed visualization of the velocity field and estimation of dead zones (between 15.2% and 26.5% of the total volume), which were concentrated near the reactor inlet. However, the quantitative comparison between the dead zone volumes obtained experimentally and via CFD revealed divergences greater than 150%, possibly related to the adopted boundary conditions. It is concluded that the combination of experimental techniques and computational simulation proved robust for the hydrodynamic characterization of the UAHB reactor, providing valuable insights for the improvement of design and operation of anaerobic reactors aiming for higher efficiency in effluent treatment. |
| URI: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/39473 |
| Aparece nas coleções: | CM - Engenharia Ambiental |
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