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ORCID:  http://orcid.org/0000-0002-9852-9943
Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Transporte pneumático horizontal de biomassas: experimentos em unidade piloto e simulações numéricas em cfd
Alternate title (s): Horizontal pneumatic conveying of biomasses: experiments in a pilot unit and cfd numerical simulations
Author: Gomes, Thais Logetto Caetité
First Advisor: Duarte, Claudio Roberto
First member of the Committee: Lourenço, Giovani Aud
Second member of the Committee: Bicalho, Isabele Cristina
Third member of the Committee: Santana, Ricardo Corrêa de
Fourth member of the Committee: Malagoni, Ricardo Amâncio
Fifth member of the Committee: Santos, Dyrney Araújo dos
Summary: 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.
Keywords: 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
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
Subject: Engenharia Química
Biomassa
Transporte pneumático
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Química
Quote: 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.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2022.314
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/35798
Date of defense: 15-Jul-2022
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