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Projeto e maximização de desempenho de um reator de gaseificação com sistema de craqueamento de alcatrão

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CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::MECANICA DOS FLUIDOS, CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::MECANICA DOS SOLIDOS::ANALISE DE TENSOES, CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::TRANSFERENCIA DE CALOR

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Coorientador

Santos, Marcelo Braga dos

Resumo

Visando o cumprimento de metas globais de redução de emissões de gases de efeito estufa, soluções relacionadas à recuperação energética de resíduos ganham destaque por possibilitar a monetização de um passivo ambiental. Dentre os métodos disponíveis para alcançar esse propósito, o processo de gaseificação sobressai pela versatilidade do gás de síntese gerado, que pode ser aplicado na geração de energia térmica e elétrica, além da produção de hidrogênio e outros combustíveis sintéticos. Para a realização desse processo, o reator deve garantir uma atmosfera controlada onde o resíduo seja condicionado termicamente. Com o objetivo de aumentar a eficiência do sistema, o projeto e as simulações fluidodinâmicas e estruturais foram conduzidas por meio dos softwares Siemens NX, Ansys Fluent, ANSYS Rocky e MATLAB. O objetivo consistiu em projetar um gaseificador otimizado capaz de mitigar o alcatrão condensável, a partir do aumento da eficiência de filtragem e do tempo médio de residência do gás em seu interior. Para tanto, realizou-se um estudo computacional por meio de simulações fluidodinâmicas de ciclones em alta temperatura (800 °C) associados em série no interior do reator. Para essas simulações, foram testadas diversas alterações geométricas que ditam o comportamento desses ciclones, a saber: a perda de carga, a eficiência de filtragem e o tempo médio de residência. Essas grandezas promovem um trade-off entre si, o qual precisa ser balanceado para permitir a formação de um gás de síntese limpo. Com a configuração dos ciclones determinada, adicionou-se à sua base um sistema de recirculação de gás e partículas filtradas operando sob o efeito Venturi. Esse mecanismo aumentou consideravelmente a eficiência de filtragem dos ciclones com uma alteração de escala em seu diâmetro de corte, passando a capturar partículas nanométricas, sendo que a associação dos ciclones apresentou uma eficiência global de 100%. Além disso, o recirculador estendeu o tempo médio de residência do gás no interior do gaseificador para 40.6 segundos, o que contribui segundo a literatura científica para mitigar o alcatrão condensável no reator. Adicionalmente, foi conduzido um estudo térmico para a modelagem da carcaça externa, além de simulações cinemáticas e estruturais para o desenvolvimento de uma porta de inspeção. Por fim, realizou-se uma simulação do comportamento dos componentes internos submetidos à pressão de 0,2 bar e à temperatura de 800 °C, identificando-se pontos de concentração de tensão e deslocamentos que podem afetar a integridade estrutural do reator.

Abstract

Aiming to meet global greenhouse gas emission reduction targets, solutions related to wasteto- energy recovery have gained prominence for enabling the monetization of an environmental liability. Among the available methods to achieve this purpose, the gasification process stands out due to the versatility of the generated synthesis gas (syngas), which can be applied in thermal and electrical power generation, as well as the production of hydrogen and other synthetic fuels. To carry out this process, the reactor must ensure a controlled atmosphere where the waste is thermally conditioned. Aiming to increase system efficiency, the design and the fluid dynamics and structural simulations were conducted using Siemens NX, Ansys Fluent, ANSYS Rocky, and MATLAB software. The objective was to design an optimized gasifier capable of mitigating condensable tar by increasing the filtration efficiency and the average gas residence time inside it. To this end, a computational study was performed through fluid dynamics simulations of high-temperature (800 °C) cyclones connected in series inside the reactor. For these simulations, several geometric alterations that dictate the behavior of these cyclones were tested, namely: pressure drop, filtration efficiency, and average residence time. These variables present a trade-off among themselves, which must be balanced to allow the formation of a clean syngas. Once the cyclone configuration was determined, a recirculation system for gas and filtered particles operating under the Venturi effect was added to its base. This mechanism considerably increased the filtration efficiency of the cyclones by scaling up their cut-off diameter, allowing them to capture nanometric particles, with the cyclone combination showing an overall efficiency of 100%. Furthermore, it extended the gas residence time inside the gasifier to 40.6 seconds, which, according to the scientific literature, contributes to mitigating condensable tar in the reactor. Additionally, a thermal study was conducted for modeling the outer shell, along with kinematic and structural simulations for developing an inspection door. Finally, a simulation of the behavior of the internal components subjected to a pressure of 0,2 bar and a temperature of 800 °C was carried out, identifying stress concentration points and displacements that could affect the structural integrity of the reactor.

Palavras-chave

Gaseificação, Gasification, Ciclone, Cyclone, Gás de Síntese, Syngas, CFD, CFD, MEF, FEM

Citação

MACIEL, Guilherme Queirós de Araújo. Projeto e maximização de desempenho de um reator de gaseificação com sistema de craqueamento de alcatrão. 2026. 141 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2026. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2026.561

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