É nesse contexto que entra o CFD (da sigla em inglês Dinâmica de Fluidos Computacional) — uma metodologia que nós, da Figener, aplicamos para modelar, simular e prever o comportamento de gases e líquidos em equipamentos e sistemas industriais. Essa ferramenta permite observar os fenômenos em grandes detalhes o que, juntamente com um corpo técnico altamente qualificado, permite entender e abordar os problemas de forma mais avançada e com maior precisão.

Por que a aplicação de CFD é estratégica?

A Figener tem se destacado no mercado brasileiro pela aplicação de CFD em projetos estratégicos de empresas como Braskem, Alunorte, Eneva, Novelis e Corbion. A metodologia consiste na resolução numérica das equações que regem a dinâmica dos fluidos, como conservação da quantidade de movimento, transporte de calor e massa, combustão, radiação além de inúmeros outros modelos específicos. Isso permite observar fenômenos como:

• Distribuição de temperatura e velocidade;
  
• Formação de vórtices, zonas de recirculação e arraste;
  
• Gradientes de pressão e perda de carga;
  
• Mistura de substâncias e escoamento multifásico;
  
• Transferência de calor e massa em processos de secagem, combustão e resfriamento.
  

Lucila Mota, engenheira de produção da Figener, destaca na minissérie: 

“O CFD é uma ferramenta que traz segurança na tomada de decisão. A partir de um modelo computacional, conseguimos prever o comportamento de sistemas complexos e recomendar soluções muito mais assertivas para os clientes.”

Assita já: Episódio 1 – Minissérie Simulações CFD

Essa capacidade de antever problemas e otimizar soluções torna o CFD essencial para evitar investimentos baseados em tentativa e erro, reduzindo custos e aumentando a confiabilidade dos projetos.

Aplicações práticas na indústria

As simulações CFD da Figener estão presentes em setores como termelétricas, petroquímica, papel e celulose, mineração, siderurgia e alimentos. Entre os destaques:

Escoamento de ar em sistemas de ventilação industrial
Simulações que otimizam a dissipação térmica e previnem pontos de superaquecimento em trocadores.

Simulação de componentes rotativos
Estudo da capacidade de agitação e efeito geral no escoamento em bombas, agitadores ou ventiladores, prevenindo zonas cegas de mistura, ou formação de vórtices de superfície.

Arraste de partículas em sistemas e equipamentos
Análise da eficiência térmica e do tempo de residência em secadores, ou formação de regiões de acúmulo de particulado.

Troca térmica em trocadores e caldeiras
Modelagem detalhada para otimizar geometrias e perfis de temperatura.

Escoamentos multifásicos
Simulações que permitem observar regimes bifásicos e suas consequências, além de analisar comportamento de escoamentos com múltiplos componentes.

Fábio Vincent, sócio-fundador da Figener, complementa: 

“O CFD é muito mais do que uma simulação. Ele precisa representar a realidade, o funcionamento do equipamento, para gerar recomendações técnicas que realmente resolvam o problema do cliente.”

Créditos da imagem: Arquivo pessoal Figener

Assita já: Episódio 2 – Minissérie Simulações CFD

Casos de sucesso: resultados concretos

• Braskem
  Modelagem de um incinerador de organoclorados com combustão customizada para identificar possíveis causas de falha na parede refratária. 

• Eneva
  Simulação de ruptura de tubo de gás em alta pressão no interior de um casco de trocador de calor, permitindo dimensionar o dispositivo de segurança adequado para o equipamento. 

• Bayer
  Simulação do interior de uma caldeira a biomassa para identificar o perfil de temperaturas e ajuda a identificar as causas do entupimento do feixe convectivo.

Caio Joppert, engenheiro químico da equipe, ressalta na série: 

“Com o CFD conseguimos reduzir incertezas e tomar decisões baseadas em dados, em vez de simplesmente em suposições ou tentativas.”

Créditos da imagem: Arquivo pessoal Figener

Assita já: Episódio 3 – Minissérie Simulações CFD

Por que escolher a Figener para estudos em CFD?

• Uso do OpenFOAM: software de código aberto amplamente utilizado na indústria e na academia, que permite customização para aplicações variadas.
  
• Acoplamento com modelos e softwares externos: A Figener desenvolve softwares (como o FNESS) e modelos próprios que, quando acoplados com CFD, expandem a capacidade de diagnóstico e otimização.
  
• Equipe multidisciplinar: integração de engenheiros mecânicos, químicos e elétricos.
  
• Validação rigorosa: foco na precisão dos resultados e eliminação de vieses.
  

Além disso, os estudos em CFD da Figener são reconhecidos pelo mercado por seu rigor técnico e aplicação prática. Veja mais sobre os estudos em CFD.

Como reforça Fábio Vincent: 

“Na Figener, o diferencial é a análise crítica e o olhar do engenheiro sobre o resultado. O software ajuda, mas o valor está na interpretação correta dos dados.”

CFD: um diferencial competitivo para a indústria

Ao adotar simulações CFD, sua empresa investe em decisões embasadas, prevenção de falhas muitas vezes ocultas e antecipação de cenários críticos. Isso se traduz em maior eficiência, segurança e confiabilidade.

“É impressionante como conseguimos gerar valor com dados simulados. O impacto vai desde a redução de custos até ganhos ambientais reais”, completa Luiz Baldo.

Créditos da imagem: Arquivo pessoal Figener

Se sua empresa enfrenta desafios em eficiência térmica e de processos, desempenho de equipamentos ou deseja testar múltiplos cenários futuros para identificar o mais adequado, simulações CFD podem ser a solução.

Assista à minissérie CFD e veja como aplicamos essa tecnologia na prática:

• CFD Figener | Episódio 1
  
• CFD Figener | Episódio 2
  
• CFD Figener | Episódio 3

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Na ampliação de área de utilidades de uma unidade fabril, é importante avaliar como os equipamentos já instalados influenciam a operação dos novos. Isso é particularmente relevante em torres de resfriamento, que são muito sensíveis à umidade do ar que captam. 

Dependendo da disposição de edificações e estruturas presentes, a pluma de exaustão de uma das torres pode afetar a qualidade do ar admitido por outra, impactando severamente em sua eficiência. Esse efeito é ainda sazonal, alterando-se conforme o regime de ventos e de umidade muda na região, exigindo múltiplos cenários de análise.

Desafio

O correto estudo da pluma de dispersão de umidade pode evitar possíveis reduções de eficiência das torres em determinadas épocas do ano, e consequente queda na produtividade da usina. 

A Figener foi contratada para analisar a viabilidade de se instalar uma nova torre de resfriamento nas imediações de uma já existente, como parte de um projeto maior de expansão da área de utilidades de uma fábrica.

Solução

A Figener utilizou ferramentas CFD para analisar a dispersão de umidade em ambientes abertos ou fechados. O estudo foi realizado com base em desenhos de arquitetura e variou a direção e intensidade do vento. Os resultados indicaram que, para a disposição analisada, o vento lento trouxe pouco impacto na umidade do ar admitido pela torre a jusante, independentemente das duas direções estudadas. 

No entanto, para um dos cenários de vento forte, a umidade relativa do ar admitido pela torre a jusante subiu de 80% para 83,2%. Isso representa aumento de 0,32°C na temperatura de água fria.

O estudo em CFD permitiu responder diversas questões difíceis de serem tratadas analiticamente, como e quanto a nova torre pode afetar na eficiência da usina e com qual frequência tais eventos podem ocorrer e se deve mudar a torre de lugar ou superdimensioná-la um pouco.

Linhas de corrente coloridas conforme umidade relativa

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Desviar-se da condição projetada pelo fabricante pode resultar em falhas operacionais de difícil diagnóstico, impactando equipamentos aparentemente independentes e, muitas vezes, com efeitos que surgem meses após a modificação. 

Para evitar isso, a análise do sistema como um todo, utilizando ferramentas avançadas como o CFD, se torna essencial. Isso permite antecipar possíveis falhas ou, quando já manifestadas, orientar as equipes na solução do problema.

O Problema: falhas interligadas em um incinerador de organoclorados

A modificação do balanço de resíduo entre os queimadores de um incinerador de organoclorados resultou em uma série de falhas inesperadas em equipamentos a jusante. Cada parada do sistema de incineração gerava a necessidade de uma parada completa da usina, acarretando prejuízos milionários. As falhas eram tratadas de forma isolada, resultando em ações corretivas dispersas e ineficazes.

Após anos de tentativas da equipe de manutenção — algumas bem-sucedidas, outras não —, a substituição completa do sistema parecia ser a única saída. Como alternativa, a Figener foi contratada para conduzir um diagnóstico avançado de todo o sistema de incineração. O trabalho incluiu visitas à unidade, inspeções internas nos equipamentos, modelagens de processo e simulações computacionais (CFD) para entender as causas das falhas.

Dentre os vários problemas encontrados, destacamos a falha na parede refratária próxima aos queimadores. Inicialmente, o cliente associou o problema a uma escolha inadequada do material refratário e, por isso, decidiu substituí-lo. Embora essa troca tenha trazido melhorias pontuais, o problema persistiu, evidenciando a necessidade de uma investigação mais profunda.

Imagem 1: Queda da parte refratária próxima à pré-câmara de combustão de um dos queimadores.

Etapas do Estudo

1. Modelagem da combustão

Simular a combustão via CFD é um desafio técnico, especialmente pela ausência de mecanismos de reação definidos para todas as interações químicas reais. No caso em estudo, o composto incinerado não possuía uma fórmula química fixa, exigindo a modelagem e validação de um mecanismo de reação simplificado. Essa etapa foi crucial para garantir a representatividade e a confiabilidade dos resultados.

2. Separação do problema em sub-regiões

Estudar o incinerador inteiro com um nível elevado de detalhes seria inviável devido à complexidade geométrica e ao tempo de processamento necessário. Para contornar essa limitação, a Figener dividiu o sistema em sub-regiões.

A primeira parte do estudo focou no comportamento inicial da combustão na região do queimador. Simulando esta área isoladamente, foi possível entender a dinâmica inicial de mistura das correntes participantes da combustão. Isso permitiu reduzir a necessidade de detalhamento geométrico na simulação completa, acelerando o processo sem perder a precisão técnica.

Imagem 2: Sub-região focada na área do queimador.

3. Simulação do incinerador completo

Com as condições de contorno devidamente ajustadas a partir do estudo da sub-região, a Figener prosseguiu com a simulação integral do incinerador. Isso incluiu a modelagem de reações químicas e a representação completa dos queimadores no domínio de cálculo.

Imagem 3: Corte do domínio completo da simulação.

4. Identificação do problema e proposta de mitigação

A análise do sistema completo confirmou uma das principais suspeitas da Figener: a geometria do incinerador causava o desvio da chama de um dos queimadores para cima, fazendo com que ela atingisse o refratário. Essa condição indesejada provocava trincas e quedas do material refratário em poucas semanas de operação.

Para mitigar o problema, a Figener testou soluções como o redimensionamento dos queimadores e a alteração da inclinação. Além disso, as análises de CFD possibilitaram uma correlação entre a falha no refratário e outras falhas encontradas ao longo do sistema.

Imagem 4: Linhas de corrente destacando o tempo de residência — parâmetro importante no processo de incineração.

Além disso, problemas extras foram identificados, incluindo:

• Má nebulização: interferindo na qualidade da combustão;
• Dilatação térmica diferencial: gerando tensões internas que contribuíam para as falhas no refratário;
• Incompatibilidade de condições operacionais: exigindo ajustes nas práticas de operação.

Impactos positivos para o cliente

O estudo liderado pela Figener trouxe ganhos significativos para o cliente, indo além da identificação de falhas. A análise do sistema de incineração de forma integrada permitiu:

• Identificação da causa raiz: foi possível compreender como as ações isoladas anteriormente implementadas pela equipe de manutenção estavam afastando a solução definitiva do problema.
• Diagnóstico visual e embasado: as simulações de CFD geraram imagens e gráficos de apoio que facilitaram a comunicação entre as equipes técnicas de diversas disciplinas.
• Redução de prejuízos operacionais: com as propostas de solução, foi possível mitigar as paradas não programadas e as perdas financeiras associadas.

Por que escolher a Figener?

Com mais de 30 anos de experiência e uma equipe altamente qualificada, a Figener é especialista em análises técnicas avançadas que transformam desafios complexos em soluções práticas.

Nossas ferramentas de simulação computacional e metodologias personalizadas garantem resultados precisos e confiáveis, ajudando empresas a aumentar a eficiência operacional e a sustentabilidade de seus projetos.

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Descubra como nossos estudos de CFD podem transformar a eficiência e a segurança de seus projetos.

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O Problema: selecionar, de forma econômica, rápida e segura, o tipo e o número de dispositivos de proteção contra surto de pressão

No projeto de trocadores de calor para aquecimento de gás natural, a norma API 521 exige o dimensionamento do sistema de proteção para cenários de falha, como o rompimento do tubo de gás no interior do casco. Esse processo envolve diversas variáveis, o que gera uma série de dúvidas:

• O casco do trocador está devidamente dimensionado para suportar o surto de pressão?
• Qual tipo de dispositivo de proteção utilizar, válvulas de segurança (PSV) ou discos de ruptura?
• Quantos dispositivos são necessários e em quais posições?

Embora a lógica inicial sugira que mais dispositivos significam maior segurança, na prática, o excesso de dispositivos pode não ser eficaz. A análise precisa considerar múltiplos fatores simultâneos, como:

• Compressibilidade do gás e do líquido: o comportamento do fluxo muda de acordo com a relação de pressões;
• Evolução da trinca no tubo: do surgimento da trinca até o rompimento completo, a curva de vazão muda significativamente;
• Atraso na abertura dos dispositivos de proteção: o tempo de resposta é crucial para a eficiência do sistema;
• Elementos de linha (válvulas, curvas e tanques): todos afetam a propagação da onda de pressão.

A complexidade do problema e a importância da aplicação exigem análises precisas e sofisticadas, especialmente em cenários onde a escolha de dispositivos inadequados pode resultar em soluções caras e ineficazes.

Etapas da Análise

1. Modelagem da ruptura do tubo
   A primeira etapa foi a modelagem da evolução da trinca no tubo, considerando o processo de nucleação e a falha completa. A Figener utilizou publicações científicas de referência para determinar a curva de vazão mais crítica possível para o estudo.
   
2.  Cálculos teóricos de compressibilidade do gás e do líquido
   Aqui, foi avaliada a compressibilidade de ambos os meios (gás e líquido) no cenário de falha. Dependendo da relação de pressões entre os meios, o escoamento de gás no tubo estará “blocado”, termo usado para descrever um tipo de escoamento compressível, alterando a forma de cálculo de vazão. No caso do meio líquido, os parâmetros críticos de compressibilidade também foram modelados e verificados.
   
3.  Construção do modelo CFD
   Devido à complexidade do problema, o modelo CFD precisou considerar fenômenos simultâneos, como:

• A evolução da trinca no tubo;
• A abertura do dispositivo de segurança;
• O comportamento compressível dos fluidos.

Para isso, foi necessário customizar o software OpenFOAM, o que permitiu à equipe da Figener implementar ajustes específicos para o estudo. Essa personalização foi essencial para tornar a simulação viável e robusta.

4. Testes de diferentes dispositivos de segurança
   Os dois principais dispositivos de proteção avaliados foram:

• PSVs (válvulas de segurança de pressão)
• Discos de ruptura

Foram simuladas diferentes condições de gatilho, atraso de ativação e capacidade de vazão de cada tipo de dispositivo. Além disso, a Figener testou o impacto da posição e quantidade de dispositivos, identificando a configuração mais eficaz.

5. Análise da curva de pressão máxima e comparação com o limite do casco
   Com o modelo CFD completo, foi possível determinar a curva de evolução de pressão no interior do casco. A pressão máxima foi comparada com o limite permitido pelo fabricante. Se a pressão ultrapassasse o limite, ajustes precisariam ser feitos, seja alterando o número de dispositivos, sua posição ou até mesmo propondo modificações no projeto do trocador de calor.

Figura 1 – Pressão máxima dentro do vaso durante o transiente, para diferentes cenários

Figura 2 – Evolução da pressão dentro do trocador de calor

Solução Otimizada para Atender à Norma

O uso de CFD permitiu que diversas alternativas fossem testadas, trazendo uma análise precisa e visual do comportamento do sistema. Isso viabilizou o dimensionamento correto e eficiente dos dispositivos de proteção, com impacto positivo na segurança e na economia do projeto. Sem o uso de CFD, o cenário economicamente mais viável dificilmente seria identificado.

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Isso parava toda a unidade por alguns dias, pois exigia uma decoqueificação completa do reator, além de outros procedimentos de limpeza e testes. A cada dia parado, os custos são elevadíssimos, trazendo prejuízos enormes ao cliente.

A Figener foi contratada para ajudar na investigação do problema, identificar formas de otimizar o consumo de combustível e aumentar o rendimento da unidade. 

O uso de CFD (Computational Fluid Dynamics) é extremamente vantajoso nesse caso, por permitir inúmeros testes em diferentes configurações, impossíveis de se testar em operação.

O Problema: disposição dos queimadores em relação ao reator não era otimizada

A reação de craqueamento em questão depende tanto da temperatura quanto do fluxo de calor, e o coque começa a se formar apenas a partir de certo ponto da reação, próximo do final do reator. Assim, balancear o fluxo de calor da chama com a região em que incide no reator (entre começo e final) é um caminho interessante a se explorar.

Incluir a reação de formação do produto e do coque no modelo seria inviável na realidade industrial desse projeto. Assim, a Figener criou um modelo externo de avanço da reação que recebe o fluxo de calor resultante do CFD e determina a taxa de formação de coque no tempo.

Figura: chama e fluxo de calor para o reator original

Com esse cenário base calibrado para os dados reais, a Figener passou a testar diversas posições e combinações de queimadores, acompanhando sempre a evolução do coque.

A solução: reposicionar o queimador e alterar o balanço de ar/gases

Deslocar o queimador para perto da região de início da reação favorece fortemente o avanço da reação, permanecendo ainda fora da zona de formação de coque. Intervenções desse tipo são pouco ortodoxas, mas possíveis de testar com ferramentas computacionais.

Figura: chama e fluxo de calor para o reator modificado

A evolução do coque não trouxe preocupação, e a temperatura de metal – medida crítica para integridade do reator – permaneceu abaixo do caso de referência na previsão de 12 meses.

Figura: evolução da temprratura de metal ao longo do reator após 1 ano de operação

Compondo essa solução com modificações no fluxo de ar/combustível, recirculação de parte dos gases de combustão e adoção de pré-aquecedor de ar, economias superiores a 5% são esperadas para esse reator, considerando o produto por kg de combustível queimado.

Impactos positivos para o cliente

O estudo liderado pela Figener trouxe potencial de ganhos importantes para o cliente. A análise do problema acoplando o lado do forno com o do reator permitiu:

• Identificação da região de falha: foi possível compreender o mecanismo da reação e da formação de coque, orientando melhor as modificações a serem testadas.
• Diagnóstico visual e embasado: as simulações de CFD geraram imagens e gráficos de apoio que facilitaram a comunicação entre as equipes técnicas de diversas disciplinas.
• Otimização da operação do forno: com as propostas de solução, foi possível encontrar o cenário otimizado e que poderia trazer uma economia expressiva para o cliente, além de servir de material de engenharia para a equipe técnica do cliente. 

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As paradas da caldeira resultavam na interrupção do suprimento de vapor para o sistema de secagem, levando portanto à parada de toda a unidade. 

Depois de inúmeras tentativas de resolver o problema diretamente com o fabricante, com modificações que ajudaram apenas marginalmente no problema, a Figener foi contratada para um diagnóstico completo da caldeira.

O Problema: característica químicas das cinzas favorecem o entupimento

Durante a etapa inicial de pesquisa e investigação, a Figener constatou alto teor de potássio no combustível queimado, acima do valor típico para aquele tipo de biomassa. Quando tal combustível é queimado, a cinza possui Temperatura de Amolecimento – temperatura abaixo da qual a cinza pode ser considerada plenamente sólida – especialmente baixa. 

A baixa temperatura de amolecimento das cinzas significa que o fluxo de gases de exaustão precisa perder mais calor – logo, se resfriar mais – para que a cinza esteja sólida e possa ser facilmente arrastada. Quando isso não acontece, a cinza chega nos tubos do feixe convectivo ainda parcialmente amolecida, solidificando-se ao encostar nas paredes frias dos tubos. Com o tempo, esse material se acumula em depósitos petrificados até obstruir completamente o tubo, aumentando a pressão da caldeira, reduzindo sua eficiência e levando à parada.

Figura 1: feixe de tubos entupido

A solução passa a ser, portanto, encontrar formas de fazer o fluxo de gases trocar mais calor com a  parede d’água da caldeira, chegando no feixe convectivo mais frio do que na condição original.

Uma vez entendido o mecanismo do problema, decidiu-se pelo uso do CFD (Computational Fluid Dynamics) para testar com facilidade diferentes cenários operacionais da caldeira e identificar a condição de máxima eficiência possível e com mínimo risco de entupimento. Com essas simulações, também foi possível testar diferentes intervenções na caldeira (alterar composição da parede d’água, tamanho de determinados trechos, etc) que por outros caminhos seriam demoradas e custosas.

Etapas do Estudo

1. Levantamento bibliográfico de problemas semelhantes

A literatura científica é rica em determinados tipos de problema. Um bom estudo investigativo começa entendendo em que pé o conhecimento científico está sobre aquele tema, juntando publicações diferentes para compor a condição específica do estudo.

2. Modelagem da queima da biomassa e operação geral da caldeira

Queima de material sólido em CFD é extremamente complexa, e muitas vezes pode sair do escopo da realidade industrial. O papel da engenharia consultiva nessas situações é modelar o problema para simplificar fenômenos excessivamente complexos, sem que haja perda de representatividade. Nessa caldeira, modelamos a queima a partir da composição dos gases de exaustão e demais propriedades do combustível. 

Figura: linhas de corrente no interior da caldeira

Com isso criamos um modelo cuja simulação levava poucos dias, permitindo o teste de inúmeros cenários diferentes, otimizando a solução encontrada. 

3. Seleção dos cenários de teste e simulações

Conhecendo intimamente o mecanismo por trás do problema é possível pensar nos cenários de teste de forma inteligente. No estudo em questão, modificações que aumentem a troca térmica da caldeira foram testadas. Além disso, foi possível identificar o cenário limite de operação da caldeira para que a temperatura na saída fosse suficientemente baixa para evitar os depósitos.

As modificações testadas envolveram:

• Mudança na distribuição de combustível entre as grelhas
• Alteração do balanço de ar secundário
• Aumento da área de troca
• Mudança da composição do combustível (aditivos químicos)
• Aumento da emissividade das paredes d’água.

4. Proposta final de solução do problema

O problema em questão envolve otimização financeira, viabilidade de modificação na caldeira, e balanço do sistema como um todo. Com essas restrições o melhor caminho dificilmente é o óbvio.

Se fosse possível, aumentar a área de troca sem dúvida seria o melhor caminho, mas esbarraria em dificuldades construtivas, custos muito elevados, além de problemas com o galpão onde a caldeira está. 

Aditivos no combustível poderiam ajudar, mas a demanda seria muito alta e os custos no longo prazo não valeriam a pena. 

A solução foi encontrar o balanço otimizado de ar secundário que garantisse a composição dos gases dentro do limite ambiental, mas que resfriasse suficientemente o fluxo de gases. 

Figura: distribuição de temperatura na seção de saída original

Figura: distribuição de temperaturas na seção de saída após modificações propostas

Ademais, determinou-se o ponto operacional limite da caldeira, inferior aos 30MW de projeto. Além de garantir uma operação confiável, esse estudo serviu de amparo técnico para as negociações entre o cliente e o fabricante.

Impactos positivos para o cliente

O estudo liderado pela Figener trouxe ganhos significativos para o cliente, indo além da solução trivial de substituição da caldeira. A análise do problema desde a composição química do combustível permitiu:

• Identificação da causa raiz: foi possível compreender o mecanismo dos depósitos, restringindo as soluções testadas e propostas àquelas que de fato poderiam ajudar
• Diagnóstico visual e embasado: as simulações de CFD geraram imagens e gráficos de apoio que facilitaram a comunicação entre as equipes técnicas de diversas disciplinas.
• Otimização da operação de uma caldeira limitada: com as propostas de solução, foi possível encontrar o melhor cenário operacional possível para aquele equipamento, além de embasar negociações entre os stakeholders. 

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Cada vez que um tubo falhava era necessário parar a caldeira, esperá-la esfriar completamente e drenar a água dos tubos evaporadores. Isso levava dias, trazendo prejuízos imensos à unidade.

Alguns “escudos” de sacrifícios foram instalados, mas não foram suficientes para trazer melhora significativa.

Em conversas com a equipe da Figener, o CFD (Computacional Fluid Dynamics) foi aventado como um bom caminho investigativo. Entender o mecanismo de falha e as regiões em que a erosão é favorecida traz material valioso para decidir qual caminho seguir para solucionar o problema.

O Problema: aumento da erosão após alteração do ângulo de injeção de ar

O mecanismo de operação de uma caldeira de leito fluidizado é bastante complexo e por vezes misterioso. O movimento do material granulado envolve efeitos contra intuitivos, que podem levar a entendimentos equivocados e, consequentemente, a soluções pouco frutíferas dos problemas. 

Nessa caldeira, o problema parecia ser o novo bico de injeção de ar orientado mais para cima do que o anterior. O cliente estava prestes a reverter a modificação milionária feita, por ter certeza do efeito causal do novo jato. 

Nas primeiras semanas de trabalho, contudo, ficou claro que a penetração do jato era mínima, e que poucos centímetros acima do piso o efeito do ângulo do jato já era dissipado e o fluxo de ar era essencialmente vertical.

Figura: diferentes ângulos de jato não afetam a fluidização acima de 3cm do piso

O que causava a erosão permanecia, portanto, um mistério.

Etapas do Estudo

1. Modelagem do problema para torná-lo viável

Simulações CFD de leito fluidizado são amplamente adotadas, mas são extremamente pesadas. Assim, na realidade industrial, é fundamental simplificar o modelo garantindo um tempo hábil de execução das simulações, mas sem perda de representatividade. 

Essa primeira etapa envolveu uma extensa revisão bibliográfica para amparar cada hipótese simplificadora adotada. Por exemplo, tratar de uma fatia 2D da caldeira (ao invés do conjunto 3D completo) permitiu rodar os mais de 30 casos necessários ao estudo, ampliando muito o conteúdo científico obtido com a investigação.

2. Simulações com modelos customizados de erosão

Modelar a erosão é complexo, e muitas vezes não está presente nativamente nos softwares de CFD. Assim, foi necessário customizar o código para incluir modelos de erosão conforme disponíveis em publicações científicas

3. Identificação dos mecanismos de movimento do leito e de erosão 

Nessa etapa, analisamos cuidadosamente todos os casos iniciais rodados, identificando como o leito se comporta sob diferentes condições. Testamos, por exemplo, diferentes vazões de ar, diferentes alturas estáticas de leito, diferentes composições granulométricas do leito, etc.

Figura: mapa que mostra potencial erosivo do leito, em modelo customizado 

Cada conjunto de casos gerava material que compunha o entendimento geral do fenômeno.

4. Análise dos casos e orientações gerais

Com os mais de 30 casos rodados, a Figener descreveu com detalhes o mecanismo de erosão. Ficou claro, por exemplo, que o leito se estratifica durante a operação, e que partículas grosseiras, que se acreditava afundarem na operação, na verdade permanecem parcialmente em suspensão, acelerando significativamente o processo de erosão. Isso permitiu gerar recomendações sobre a consistência granulométrica do leito.

Figura: composição média do leito estratifica diferentemente o leito, mudando distribuição de particulado grosseiro (em branco)

Impactos positivos para o cliente

Esse estudo de alto caráter científico trouxe um entendimento incomparável sobre o funcionamento da caldeira. Com o estudo, ficou claro que o jato de ar não é um problema, e que a solução do escudo, por exemplo, agravava o problema. Além disso, foi possível

• Entender o mecanismo de erosão: bolhas de ar grandes favorecem a erosão em sua esteira, justificando a erosão preferencial de alguns tubos. 
• Diagnóstico visual e embasado: as simulações de CFD geraram imagens e gráficos de apoio que facilitaram a comunicação entre as equipes técnicas de diversas disciplinas.
• Orientações gerais sobre a caldeira: com o estudo ficou claro o efeito da consistência da granulometria do leito, vazão de ar, e presença de particulado grosseiro no desgaste dos tubos. Isso trouxe recomendações gerais de boas práticas para a melhor operação da caldeira, visando aumentar seu tempo de campanha. 

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