Avanços nas Simulações CFD de Leitos Fluidizados para Engenharia de Processos Químicos e Energéticos

Os leitos fluidizados gás-sólido têm atraído a atenção de engenheiros e pesquisadores como uma tecnologia eficaz para uma ampla variedade de aplicações, e as simulações numéricas podem desempenhar um papel cada vez mais relevante em seu desenvolvimento e otimização. Embora as simulações em tempo real exijam progressos substanciais na precisão, capacidade e eficiência dos modelos numéricos, desenvolvimentos futuros podem inaugurar uma nova era da chamada realidade virtual para a engenharia de processos, apresentando simulações interativas em vez de estudos experimentais graduais de ampliação de escala (scale-up) e métodos empíricos de tentativa e erro de alto custo. Este artigo de revisão fornece um corpo significativo de conhecimento sobre os desenvolvimentos de modelos matemáticos de CFD e como eles podem ser aplicados em vários sistemas de leito fluidizado. A revisão é dividida em três partes principais. A primeira parte (Modelagem matemática) descreve o estado da arte dos modelos numéricos de escoamentos gás-sólido (two-fluid model, soft-sphere model, hard-sphere model e modelo híbrido) e suas premissas fundamentais (interações gás-sólido, partícula-partícula e partícula-parede). É dada atenção especial às forças e aos momentos das forças que atuam sobre as partículas, à modelagem de parcelas, aos modelos de arrasto homogêneos e dependentes de estrutura, aos modelos de partículas não esféricas, à transferência de calor e massa e à turbulência. A segunda parte desta revisão (Estudos do estado da arte) é dedicada ao corpo da literatura, com foco em como esses modelos numéricos são aplicados a sistemas de leito fluidizado utilizados na engenharia de processos químicos e energéticos. Trabalhos relevantes sobre simulação na literatura até 2021 são analisados, complementados por uma visão geral dos códigos de simulação comerciais e in-house amplamente utilizados. Atenção especial é dada aos estudos que incluem validação experimental, para alcançar uma comparação fundamentalmente competitiva entre os diferentes modelos numéricos. Os prós e os contras da aplicação de modelos de CFD a sistemas de leito fluidizado são estudados e avaliados com base no corpo existente da literatura. A terceira parte desta revisão (Conclusão e perspectivas) destaca as tendências atuais de pesquisa, identificando lacunas de pesquisa e oportunidades para caminhos futuros nos quais o CFD pode ser aplicado a leitos fluidizados para processos energéticos e químicos.