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metadata.dc.type: Tese
metadata.dc.rights: Acesso Aberto
Title: Aspectos fundamentais da pirólise de biomassa em leito de jorro: fluidodinâmica e cinética do processo
metadata.dc.creator: Santos, Kássia Graciele dos
metadata.dc.contributor.advisor1: Barrozo, Marcos Antonio de Souza
metadata.dc.contributor.advisor-co1: Murata, Valeria Viana
metadata.dc.contributor.referee1: Ataide, Carlos Henrique
metadata.dc.contributor.referee2: Duarte, Claudio Roberto
metadata.dc.contributor.referee3: Lira, Taisa Shimosakai de
metadata.dc.contributor.referee4: Rocha, Sandra Cristina dos Santos
metadata.dc.description.resumo: A pirólise é considerada uma das mais promissoras tecnologias de conversão térmica. A possibilidade de produzir especialidades químicas e produtos com maior valor agregado torna o processo muito atraente quando comparado a outras fontes renováveis de energia limpa. A pirólise é caracterizada pela degradação térmica do combustível sólido, que implica na ruptura de ligações carbono-carbono e na formação de ligações carbono-oxigênio. Os produtos formados durante a pirólise, a saber, finos de carvão, gases e os voláteis (extrato ácido e bio-óleo), possuem alto poder calorífico e têm tido várias aplicações, tanto na indústria química quanto na geração de energia. O reator químico é o elemento principal nos processos químicos aplicados. Por apresentar bom contato gás-sólido, altas taxas de transferência de calor e massa e alta taxa de recirculação de partículas, os leitos de jorro e fluidizado têm se tornado opções eficientes para a realização da pirólise rápida, pois favorecem os processos físico-químicos que ocorrem durante a pirólise. Este trabalho tem como objetivo principal estudar aspectos fundamentais da pirólise de biomassa em leito de jorro que são de suma importância para a otimização do processo. Dentre estes aspectos destacam-se a cinética da pirólise e o comportamento fluidodinâmico do fluido e das partículas no interior do equipamento. A cinética da pirólise do bagaço de cana foi investigada, utilizando dados experimentais de perda de massa por termogravimetria. Foram estimados os parâmetros de alguns dos principais modelos cinéticos disponíveis na literatura. Os resultados foram comparados e o modelo que melhor representa os dados experimentais foi selecionado. Os resultados da investigação da cinética da degradação térmica primária da biomassa mostraram que a perda de massa da amostra durante a termogravimetria é melhor representada por reações paralelas e independentes de seus subcomponentes. Os valores de energia de ativação calculados permitem presumir a quantidade de energia necessária para que a reação ocorra. Quanto à fluidodinâmica do processo, os experimentos de mistura de partículas em leito de jorro possibilitaram uma melhor compreensão dos mecanismos de segragação neste equipamento. A segregação ocorre devido às diferentes velocidades terminais das partículas, que pode ocorrer devido à diferença no tamanho e densidade das mesmas. Testes com misturas esferas de vidro de diâmetros diferentes mostraram que as partículas maiores se concentraram preferencialmente na região superior da região anular. Quando se trata de partículas de densidades diferentes e mesmo tamanho, representada pela mistura de esferas de vidro e polietileno com mesmo diâmetro, observou-se que as partículas menos densas, no caso de polietileno, se concentraram na região superior do leito. Provavelmente isso ocorreu devido à baixa elasticidade do choque das partículas pouco densas com a parede e sua dificuldade de deslizamento na parede. Para este caso, foi definida a condição de jorro mínimo conjunto como sendo a vazão de ar em que as duas partículas jorravam juntas e um acréscimo da vazão de ar não ocasionava mudanças na queda de pressão. Variando o tamanho e a densidade das partículas, foram realizados experimentos em leito de jorro empregando misturas de areia e bagaço com diferentes composições. Nesta etapa, foi identificada a faixa de composições em que a mistura apresenta boa movimentação no leito, bem como foi avaliado o índice de segregação das partículas no leito. Simulações CFD envolvendo um sistema multifásico denso, com mais de uma fase particulada, foram comparadas com os dados obtidos experimentalmente para esferas de vidro de diâmetros diferentes, apresentando boa predição dos dados de distribuição axial da fração volumétrica de partículas. Além disso, dados sobre a segregação de partículas em leito de jorro, disponíveis na literatura, também foram reproduzidos por simulação CFD. O conhecimento da cinética e a fluidodinâmica do processo são o passo inicial e preponderante para a implementação do processo de pirólise em escala piloto. Visto que a determinação da razão entre a massa de areia e biomassa é o ponto crítico do processo de pirólise, o bom entendimento dos mecanismos de segregação de misturas de partículas pode auxiliar na identificação das condições ótimas de operação do reator.
Abstract: Pyrolysis is considered to be the most promising thermal conversion technology. The possibility of producing specialty chemicals and higher added value products makes the process very attractive when compared to other sources of green energy. Pyrolysis is characterized by thermal degradation of the solid fuel, what imply on the rupture of carbon-oxygen bond. The products formed during pyrolysis, as coal fines, gases, and volatiles (acid extract and bio-oil), have high calorific power and have been had many application in chemical industries and in energy generation. The chemical reactor is the main element of the applied chemical processes and for showing a good solid-gas contact, high mass, heat transfer and particle recirculation rates, the spouted and fluidized bed have become efficient options to the success of fast pyrolysis because they prone the physic-chemical processes that occur during pyrolysis. This work has as main objective, to study the fundamental aspects of the biomass pyrolysis in spouted bed that are highly important to the process optimization. Among these aspects, the pyrolysis kinetics and the fluid dynamic behavior of the fluid and the particles inside the equipment stand out. The pyrolysis kinetics of the sugarcane bagasse was analyzed, using experimental data of mass loss by thermogravimetry. The parameters of some of the main kinetic models available on literature were estimated. The results were compared and the model that best represents the data was chosen. The results of the investigation of the primary thermal degradation kinetics showed that the mass loss during thermogravimetry is best represented by parallel and independent reactions of its subcomponent. The calculated values of activation energy allow presuming the necessary amount of energy for the reaction to occur. Regarding the fluid dynamics of the process, the particle mixing experiments in spouted bed allowed a better comprehension of the segregation mechanisms in the equipment. Segregation occurs due to the different terminal velocities of the particles, which may occur due to size and density differences. Tests with glass spheres of different diameter showed that the bigger particles concentrate mainly on the superior annular region. Regarding particles with different densities and same size, represented by the mixing of glass sphere and polyethylene with same diameter, it was observed that the less dense particles, polyethylene, concentrate on the superior region of the bed. It may have occurred due to the low elasticity of the collision of the low density particles with the wall and its difficult on sliding into the wall. In this case, it was defined the minimal spout condition as being the air flow that both particles spout and an increase on the air flow did not cause changes on the pressure drop. Varying the particle size and density, experiments in spouted bed using bagasse and sand in different compositions were carried out. In this step, it was identified a range of composition in which the mixture shows good circulation in the bed, as it was evaluated the particle segregation index in bed. CFD simulations involving a multiphase dense system, with more than one particulate phase, were compared to the data obtained experimentally using glass spheres with different diameters, showing good prediction of the axial distribution data of the volumetric fraction of particles. Beyond that, data about the particle segregation in spouted bed, available on literature, were also reproduced by simulation using CFD. The knowledge of the kinetic and fluid dynamic of the process is the initial and preponderant step to implementation of pyrolysis process in pilot scale. As the determination of the ratio between sand mass and biomass is the critical point of the pyrolysis process, a good understanding of the segregation mechanisms of particle mixtures may help on the identification of the optimum conditions to operate the reactor.
Keywords: Mistura de partículas
Leito de jorro
CFD
Pyrolysis
Biomass
Particle mixture
Spouted bed
Kinetics
Pirólise
Biomassa
Processo de leito de jorro
Cinética
metadata.dc.subject.cnpq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
metadata.dc.language: por
metadata.dc.publisher.country: BR
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
metadata.dc.publisher.initials: UFU
metadata.dc.publisher.department: Engenharias
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Química
Citation: SANTOS, Kássia Graciele dos. Aspectos fundamentais da pirólise de biomassa em leito de jorro: fluidodinâmica e cinética do processo. 2011. 261 f. Tese (Doutorado em Engenharias) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2011.
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/15058
Issue Date: 28-Nov-2011
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