Desenvolvimento de um simulador da oxirredução de pelotas em processos siderúrgicos usando modelagem por diferenças finitas e outras técnicas computacionais

Abstract

RESUMO: O presente trabalho trata do desenvolvimento de um simulador do comportamento de oxirredução de pelotas siderúrgicas. O histórico do desenvolvimento tecnológico e científico da literatura foi revisado para estabelecer uma base de conhecimento, procedimentos e filosofia de modelagem. De posse desses, foi então desenvolvido um simulador do fenômeno global composto de diversos modelos internos, notadamente: troca de massa superficial, troca de massa interna, termodinâmica e cinética de reações físico-químicas. As principais técnicas computacionais utilizadas foram: diferenças finitas, volumes finitos e sistemas de equações diferenciais parciais inexatas. Como característica fundamental tem-se a avaliação de todas as variáveis relevantes como: temperatura, pressão, porosidade, tortuosidade, superfície específica, distribuição das concentrações de gás, distribuição de concentração e composição mista dos sólidos, equilíbrios termodinâmicos, cinética química etc. O simulador, como um todo, foi alidado usando dados da literatura contendo 34 experimentos laboratoriais em diferentes condições de redução e com múltiplos pontos amostrais, demonstrando comportamento adequado. Foi exemplificada a aplicação do simulador em condições comuns à descida de carga na zona seca do reator alto-forno, mostrando resultados coerentes tanto com os modelos teóricos de processo, quanto dados obtidos em reatores reais por diversos autores ao longo das décadas. Por fim é avaliado quantitativamente o efeito global da mudança de variáveis na zona de reserva termoquímica do mesmo reator por meio de conjuntos de simulações, onde identificou-se que as variáveis mais relevantes ao processo são as frações de gás CO/CO2, H2/H2O e (H2 + H2O)/(H2 + H2O + CO + +CO2). São ainda tratados diversos pontos acerca da modelagem computacional, contendo discussões, sugestões e resultados no que tange a engenharia de software.