Publicação: Transporte pneumático horizontal de biomassas: experimentos em unidade piloto e simulações numéricas em cfd
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Resumo
O transporte pneumático de biomassa tem sido amplamente utilizado por indústrias
químicas e de energia. As características e a estabilidade do fluxo gás-sólido são muito
importantes para a qualidade do produto final e para o projeto e operação de plantas
industriais. Devido às suas diferentes propriedades físicas, problemas operacionais são
frequentemente verificados durante o transporte de biomassas, geralmente associados ao
controle do processo de alimentação. Tendo isso em vista, um dos objetivos desse trabalho
foi avaliar a eficiência de alimentação de uma válvula rotativa em uma linha de transporte
pneumático de pressão positiva, empregando biomassas com diferentes propriedades físicas
e variando condições operacionais, tais como: velocidade do ar, velocidade de rotação da
válvula e diferentes alturas de material no silo de alimentação. As biomassas utilizadas
foram: milho moído (MMO), sabugo de milho (SMI), palha de milho (PMI), casca de arroz
(CAR) e farelo de trigo (FTR). Estas foram caracterizadas quanto à sua densidade, tamanho,
forma, ângulo de repouso e teor de umidade. Foi observado que a altura de material no silo
influenciou na eficiência de alimentação. Materiais de baixa densidade bulk obtiveram
maiores eficiências de alimentação para as condições de menor altura, devido à maior
facilidade de quebra dos arcos mecânicos/coesivos formados acima da abertura de saída do
silo. Ainda no sistema de alimentação, foi proposta uma modificação de um modelo
empírico apresentado por Lourenço (2019), para a previsão da queda de pressão no Tee de
alimentação, a partir da inserção de um fator de forma em seu equacionamento, devido à
irregularidade das partículas de biomassa. Os resultados obtidos pela correlação modificada
mostraram boa concordância com os dados experimentais, com desvio máximo inferior a
10%. Além disso, foi realizado o estudo da perda de carga para o transporte pneumático de
biomassas em fase diluída em um trecho horizontal de 9 m, no qual foi possível observar
que o aumento da taxa mássica de sólidos, bem como da velocidade do ar, proporcionou o
aumento da queda de pressão na linha. Por meio dos perfis de pressão estática ao longo do
comprimento, foram identificadas as regiões de aceleração e de fluxo totalmente
desenvolvido e, então, determinado o comprimento de aceleração para cada material e
condição operacional avaliada. Concluiu-se que o comprimento de aceleração aumenta com
aumento da velocidade do ar, da taxa mássica de sólidos e, consequentemente, da carga de
sólidos. Simulações numéricas em CFD (Fluidodinâmica Computacional) foram realizadas
para a previsão da queda de pressão no trecho horizontal para descrever o transporte pneumático em fase diluída do sabugo de milho, utilizando a abordagem Euleriana Granular
e aplicando o modelo de turbulência RGN (k-ε) – Dispersed. O estudo numérico conseguiu
prever de forma satisfatória o perfil de pressão estática ao longo do comprimento,
apresentando um desvio médio de 0,71% em relação aos dados experimentais para a
condição operacional de velocidade do ar de 16 m/s e taxa mássica de sólidos de 437 kg/h.
Além disso, o modelo conseguiu descrever qualitativamente a distribuição de partículas ao
longo da linha, sendo possível identificar a formação de rope na curva e o estabelecimento
da região de fluxo totalmente desenvolvido de acordo com similaridade dos perfis de frações
volumétricas de sólidos nas seções transversais do trecho reto.
Abstract
Biomass pneumatic conveying has been widely used in energy and chemical industries. The
characteristics and stability of the gas-solid flow are very important for the final product
quality, design, and operation of the industrial plants. Due to its different physical
properties, operational problems are frequently verified during the transport of biomass,
generally associated with the feeding process control. Bearing this in mind, one of the aims
of this work was to evaluate the rotary valve feeding efficiency in a positive pressure
pneumatic conveying line, using biomass with different physical properties and varying
operating conditions such as: air velocity, valve rotational speed, and height of material in
the feeding silo. The biomasses used were: milled corn, corn cob, corn straw, rice husk, and
wheat bran. They were characterized as to their density, size, shape, angle of repose, and
moisture content. It was observed that the height of material in the silo influenced the
feeding efficiency. Materials of low bulk density obtained greater feeding efficiencies for
the conditions of lower material height in the silo due to easier breaking of the
mechanical/cohesive arches formed. Moreover, it was proposed a modification in an
empirical correlation presented by Lourenço (2019) to predict the pressure drop in the
feeding Tee, from the insertion of a form factor in its equation, due to the irregularity of the
biomass particles. The results obtained by the modified correlation showed good agreement
with the experimental data, with a maximum deviation of less than 10%. In addition, a study
of the pressure drop was carried out for the pneumatic conveying of biomass in dilute phase
in a horizontal stretch of 9 m, in which it was possible to observe that the increase in the
solids' mass flow rate, as well as the air velocity, provided the increase of the pressure drop
in the line. Through static pressure profiles along the length, the regions of acceleration and
fully developed flow were identified and, then, the acceleration length was determined for
each material and operational condition evaluated. It was concluded that the acceleration
length increases with increasing air velocity, solids' mass flow rate, and, consequently,
solids loading. Numerical simulations in CFD (Computational Fluid Dynamics) were
performed to predict the pressure drop in the horizontal length to describe the dilute phase
pneumatic conveying of corn cob, using the Granular Eulerian approach and applying the
RGN turbulence model (k-ε) – Dispersed. The numerical study was able to satisfactorily
predict the static pressure profile along its length, showing an average deviation of 0.71%
in relation to the experimental data for the operational condition of air velocity of 16 m/s and solids' mass flow rate of 437 kg/h. In addition, the model was able to describe
qualitatively the distribution of particles along the line, making it possible to identify the
formation of rope in the curve and the establishment of the fully developed flow region
according to the similarity of the profiles of solids' volumetric fractions in the cross-sections
of the straight stretch.
Palavras-chave
Transporte pneumático, Pneumatic conveying, Queda de pressão em dutos horizontais, Pressure drop in horizontal ducts, Alimentação de biomassa, Biomass feeding, Válvula rotativa, Rotary valve, Tee de alimentação, Feeding Tee
Citação
GOMES, Thais Logetto Caetité. Transporte pneumático horizontal de biomassas: experimentos em unidade piloto e simulações numéricas em CFD. 2022. 191 f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2022. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2022.314.