modelagem, caracterização e similação da pirólise do caroço de açaí
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Monografia, do autor Ramsés Nascimento Rangel, submetida ao curso de graduação, em Engenharia de Energia da Universidade de Brasília.TRANSCRIPT
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UNIVERSIDADE DE BRASILIA FACULDADE DO GAMA
ENGENHARIA DE ENERGIA
Modelagem, Caracterizao e Simulao da Pirlise do Caroo de Aa
Autor: Ramss Nascimento Rangel Orientador: Fabio Alfaia da Cunha
Braslia, DF
2014
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Ramss Nascimento Rangel
Modelagem, Caracterizao e Simulao da Pirlise do Caroo de Aa
Monografia submetida ao curso de graduao, em Engenharia de Energia da Universidade de Braslia, como obteno do titulo em Bacharel em
Engenharia de Energia.
Universidade de Braslia UnB Faculdade UnB Gama- FGA
Banca Examinadora
Prof. Dr. Fabio Alfaia da Cunha, UnB/FGA
Orientador
Profa. Dra. Thais Maia Arajo, UnB/FGA
Membro convidado
Prof. Dr. Augusto Csar de M. Brasil, UnB/FGA
Membro convidado
Braslia, 27 de novembro de 2014.
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CIP Catalogao Internacional da Publicao*
Rangel, Ramss Nascimento.
Modelagem, Caracterizao e Simulao da Pirlise do
Caroo de Aa: Subttulo / Ramss Nascimento Rangel.
Braslia: UnB, 2014. 86 p.
Monografia (Graduao) Universidade de Braslia
Faculdade do Gama, Braslia, 2014. Orientao: Fbio Alfaia da
Cunha.
1. Pirlise. 2. Caracterizao. 3. Simulao 3I. Cunha, Alfaia. II.
Modelagem, Caracterizao e Simulao da Pirlise do Caroo
de Aa.
CDU Classificao
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AGRADECIMENTOS
Agradeo Deus primeiramente, por ter me dado fora e sabedoria para superar as
dificuldades e atingir mais essa conquista em minha vida.
A toda a minha famlia, principalmente a minha me, Clia Maria, e a meu irmo,
Aluisio Nascimento, e minha namorada Elisabeth Niman pela fora e o apoio em todos os
momentos da minha vida.
A todo o pessoal do Instituto de Qumica, principalmente ao pessoal do LAB CERVA,
LMC e do laboratrio FSICO- QUMICA, principalmente ao tcnico Faustino.
A Paula e o Yuri tcnico do laboratrio de qumica da FGA.
Aos alunos da professora Dra. Juliana Petrocci, Brytne Holanda e Tais Goulart, que
me ajudaram em grande parte deste trabalho.
A professora Dra. Juliana Petrocchi, professora Dra. Andria Alves, professora Dra.
Roseany de Vasconcelos, professora Dra. Sandra Maria, professora Dra. Grace, professor Dr.
Marcelo Bento e professor Dr. Augusto Brasil que me auxiliaram diversas vezes, e sempre
estiveram disponveis em me ajudar.
Em especial ao meu professor orientador, Dr. Fabio Alfaia da Cunha, pela excelente
orientao, a enorme pacincia que teve em ensinar, a grande dedicao, o constante
incentivo, enfim por tudo que ele me ensinou, ajudou e aconselhou. Sou eternamente grato ao
senhor.
Por fim em especial a grande me que eu fiz na Engenharia e tive a enorme felicidade
em ter ao meu lado durante o curso de Engenharia de Energia, Professora Dra. Thais Maia
Arajo, a quem eu tambm sou eternamente grato, por todos os conselhos, orientaes, pela
pacincia enfim por tudo que a senhora pode fazer e contribuir para a minha formao. Muito
obrigado.
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RESUMO
Neste trabalho de concluso de curso apresentada a modelagem, caracterizao e
simulao da pirlise do caroo de aa. A modelagem baseada nas equaes de
conservao de massa, conservao de quantidade de movimento, conservao de energia
e conservao de espcies qumicas. Ao todo doze equaes de conservao so
consideradas. Oito equaes esto relacionadas s espcies , , , , , , (representa os hidrocarbonetos leves) e (representa o alcatro, hidrocarboneto pesado). Os termos de fonte de massa (secagem, pirlise e gaseificao) so apresentados
e discutidos apropriadamente. A cintica das reaes homogneas e heterogneas
contabilizada atravs de reaes globais. Para a caracterizao, o caroo de aa foi
fracionado em trs partes, sendo a parte mais externa representada pela casca, a parte
vermelha a intermediria e a parte branca a mais interna do caroo de aa. A
caracterizao das fraes do caroo de aa se deu pela anlise imediata, massa
especfica a granel, poder calorfico e analise por termogravimetria (TG). Para a massa
especifica a granel, foram construdas peas no formato de cubo, utilizando a impressora
3D, com volume de 1 cm. Por fim foram feitas trs simulaes. Uma para a madeira
como referencia, outra para o caroo de aa com propriedades homogneas e para o
caroo de aa com propriedades heterogneas.
Palavras Chave: Caracterizao, Caroo de Aa,Equaes, Espcies,Modelagem, Pirlise e
Secagem e Simulao.
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ABSTRACT
In this final work degree, it is presented the Aai seed pyrolysis modeling,
characterization and simulation. The modeling is based on mass conservation, momentum
conservation, energy conservation and chemical species conservation equations. In overall
there are twelve conservation equations, whose eight are related to the chemical species
, , , , , , (corresponding to light hydrocarbons) and (corresponding to tar and heavy hydrocarbons). The mass source terms ( drying, pyrolysis, gasification) are properly discussed and presented. The kinetics of homogeneous
and heterogeneous chemical reactions take part into global reactions. For characterization, the
Aai seed was fractionated into three portions, which the external one is the bark, the red one
is the middle layer and at least the white one, properly the seed. The seed fraction
characterization has been made through direct analysis, specific mass from the grain particle,
calorific value and thermogravimetry (TG). For the specific mass was built cube parts in a 3D
printer, with the 1 cm volume measurement. To conclude, simulations were done for a
wood, as reference, for the seed with homogeneous properties and for the seed with
heterogeneous properties.
Key words: Aai seed, Characterization, Drying, Equations, Species, Modeling, Pyrolisys
and Simulations.
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Sumrio
1. INTRODUO .................................................................................................................. 1
1.1. BIOMASSA ................................................................................................................. 2
2. OBJETIVO .......................................................................................................................... 4
2.1. OBJETIVO GERAL ........................................................................................................ 4
2.2. OBJETIVO ESPECFICO ............................................................................................... 4
3. REVISO BIBLIOGRAFICA ............................................................................................ 5
3.1. AA ............................................................................................................................ 5
3.2. PIRLISE .................................................................................................................... 6
4. MODELAGEM MATEMTICA ....................................................................................... 8
4.1. EQUAO DE CONSERVAO DE MASSA E CONSERVAO DE
QUANTIDADE DE MOVIMENTO...................................................................................... 8
4.1.1. Equao de conservao de energia .............................................................................. 8
4.1.2. Equao de conservao de espcies .......................................................................... 10
4.2. MECANISMO DE REAO QUMICA ................................................................. 12
4.2.1. Mecanismo de reao homognea .............................................................................. 12
4.2.2. Mecanismo de reao heterognea ............................................................................ 14
4.3. MODELAGEM DOS TERMOS DE FONTE DE MASSA. ..................................... 15
4.3.1. Modelo matemtico para secagem ............................................................................. 15
4.3.2. Modelo matemtico para pirlise ............................................................................... 16
4.3.3. Clculo da composio dos gases volteis da pirlise. ............................................... 16
4.4. CARACTERIZAO DA ESTRUTURA POROSA DO SLIDO ........................ 19
4.5. EQUAES PARA O CALCULO DE ALGUMAS PROPRIEDADES PARA O
CAROO DE AA ............................................................................................................ 20
4.5.1. Massa Especfica Intrnseca .......................................................................................... 21
4.5.2. Condutividade Trmica do slido ................................................................................ 21
4.5.3. Calor especfico do slido e Peso Atmico .................................................................. 22
4.5.4. Celulose Hemicelulose e Lignina .................................................................................. 22
4.5.5. rea Superficial ............................................................................................................. 23
5. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL ............................................................................ 24
5.1. ANLISE DO CAROO DE AA ......................................................................... 24
5.1.1. Anlise Imediata ........................................................................................................... 26
5.1.1.1 Teor de Umidade ........................................................................................................... 26
5.1.1.2 Teor de Volteis............................................................................................................. 27
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viii
5.1.1.3 Teor de Cinzas ............................................................................................................... 28
5.1.1.4 Teor de Carbono Fixo .................................................................................................... 29
5.1.2. Massa especfica a Granel ............................................................................................ 29
5.1.3. Poder Calorfico ............................................................................................................ 30
5.1.4. Anlise Termogravimtrica .......................................................................................... 33
6. RESULTADO E DISCURSES DO PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL ............... 34
6.1. CARACTERIZAO DO CAROO DE AA ..................................................... 34
6.1.1. Anlise Imediata ........................................................................................................... 34
6.1.1.1 Teor de Umidade ........................................................................................................... 34
6.1.1.2 Teor de Volteis............................................................................................................. 36
6.1.1.3 Teor de Cinzas ............................................................................................................... 39
6.1.1.4 Teor de carbono fixo ..................................................................................................... 41
6.1.2. Massa Especifica a Granel ............................................................................................ 42
6.1.3. Poder calorfico ............................................................................................................. 44
6.1.4. Anlise Termogravimtrica .......................................................................................... 47
7. PROCEDIMENTOS PARA SIMULAO ..................................................................... 50
7.1. CARACTERIZAO DA SIMULAO ............................................................... 50
7.2. CONSTRUO DA MALHA .................................................................................. 51
7.3. LEVANTAMENTO DE TODAS AS PROPRIEDADES DO CAROO DE AAI NECESSARIAS PARA SIMULAO. .............................................................................. 53
7.3.1. Anlise Imediata ........................................................................................................... 54
7.3.2. Massa especfica intrnseca do slido e o Peso atmico do slido ............................. 54
7.3.3. Massa especfica intrnseca do coque, Poder Calorfico do coque e Entalpia de
Pirlise. 54
7.3.4. Massa especfica aparente ........................................................................................... 55
7.3.5. Dimetro do poro ......................................................................................................... 55
7.3.6. Porosidade .................................................................................................................... 55
7.3.7. rea Superficial ............................................................................................................. 55
7.3.8. Celulose Hemicelulose e Lignina .................................................................................. 55
7.3.9. Poder calorfico ............................................................................................................. 56
7.4. INTERPOLAO E EXTRAPOLAO DAS PROPRIEDADES MEDIDAS ..... 57
8. RESULTADOS DA SIMULAO ................................................................................. 60
8.1. PERDA DE MASSA ................................................................................................. 60
8.2. REATIVIDADE ........................................................................................................ 61
8.3. PERFIL DE TEMPERATURA ................................................................................. 62
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ix
8.4. CAMPOS DE TEMPERATURA .............................................................................. 64
8.5. CAMPOS DE POROSIDADE .................................................................................. 67
9. CONCLUSO E RECOMENDAES .......................................................................... 70
10. REFERNCIA BIBLIOGRFICA ............................................................................... 71
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1- Distribuio da Energia Gerada no Mundo (IEA, 2011). ........................................ 1
Figura 1.2-Oferta interna de Energia Eltrica. (BEN, 2013). ..................................................... 1
Figura 1.3- Gaseificao no Mundo (Worldwide data base, 2013). ........................................... 2
Figura 1.4- Fontes de biomassa. (Adaptado de Cortez et al, 2008.) ........................................... 3
Figura 3.1- Semente do aa. (Cruz et al, 2010). ........................................................................ 5
Figura 4.1-- Composio dos gases volteis (Thunman, 2007). .............................................. 16
Figura 5.1-1)Caroo de aa com fibras; 2) Fibras; 3) Caroo de aa desfibrado. .................. 24
Figura 5.2-1) Casca do Aa; 2) Triturador;3) Casca Triturada e peneirada. ........................... 24
Figura 5.3-1) Parte vermelha; 2) Triturador 3) Parte vermelha triturada e peneirada. ............. 25
Figura 5.4-1)Parte branca; 2) Triturador; 3) Parte branca triturada; ........................................ 25
Figura 5.5-1)Peneira; 2) Malha; 3) Dados da malha. ............................................................... 25
Figura 5.61) Estufa de secagem; 2) Dessecador; 3) Balana de preciso. ............................... 26
Figura 5.7- 1) Estufa; 2) Mufla; 3) Balana de preciso. ......................................................... 27
Figura 5.8- 1)Mufla; 2) Dessecador; 3) Balana de preciso. .................................................. 28
Figura 5.9- 1)Desenho no Catia; 2)Impressora UP3D; 3) Peas no formato do cubo em PLA.
.................................................................................................................................................. 29
Figura 5.10- 1) Acido Benzico; 2) Mo cintica; 3) Acido Benzico Comprimido. ............. 30
Figura 5.11- 1)Tampa da bomba com a panela de ferro; 2) Panela de ferro com fio de cobre.31
Figura 5.12- 1)Equipamento; 2) Balo de Oxignio;3) Bomba dentro do Equipamento. ........ 31
Figura 5.13- 1)Termopar digital; 2) Equipamento Ligado; 3) Resduo do cobre. ................... 32
Figura 5.14-1)Equipamento SDT Q600; 2)Cadinho da amostra e de referencia;3) Resduo. .. 33
Figura 6.1-Casca amostra 1; Casca amostra 2. ......................................................................... 34
Figura 6.2- 1) Parte vermelha amostra 1; 2) Parte vermelha amostra 2. .................................. 35
Figura 6.3-1) Amostra1 parte branca; 2)Amostra 2 parte branca. ............................................ 35
Figura 6.4-1) Casca amostra 1 2) Casca amostra 2. ................................................................. 36
Figura 6.5-1)Amostra 1 parte vermelha;2) Amostra 2 parte vermelha. ................................... 37
Figura 6.6-1) Amostra 1 parte branca ; 2) Amostra 2 parte branca. ......................................... 38
Figura 6.7-1) Casca amostra 1; 2) Casca amostra 2. ................................................................ 39
Figura 6.8-1)Parte vermelha amostra 1 2)Parte vermelha amostra 2 ....................................... 40
Figura 6.9-1)Amostra 1 parte branca ; 2) Amostra 2 parte branca. .......................................... 40
Figura6.10-Massa da casca do caroo de aa. ......................................................................... 42
Figura 6.11- Massa da parte vermelha. .................................................................................... 43
Figura 6.12-Massa da parte branca. .......................................................................................... 43
Figura 6.13-1)Massa de acido benzico; 2) Dados do acido benzico. ................................... 44
Figura 6.14-1) Casca amostra 1; 2) Casca amostra 2. .............................................................. 44
Figura 6.15-1)Parte vermelha amostra 1; 2) Parte vermelha amostra 2. .................................. 45
Figura 6.16-1) Parte branca amostra 1; 2) Parte branca amostra 2........................................... 45
Figura 6.17-1)Resduo de cobre;2) Resduo de cobre de todas as amostras. ........................... 45
Figura 6.18- Curva termogravimtrica ..................................................................................... 47
Figura 6.19-1) Curvas Termogravimtricas Martins (2009); 2) Curva termogravimtrica
fraes de aa. ......................................................................................................................... 48
Figura 7.1- 1) Biomassa; 2) Reator mais a biomassa; 3) Como o gs se movimenta. ............. 50
Figura 7.2- Fraes do caroo de aa. ..................................................................................... 51
Figura 7.3-1)Criao do retngulo; 2) Criao do crculo........................................................ 52
Figura 7.4- Interface do Gambit:Malha construda. ................................................................. 52
Figura 7.5-Malha no Matlab (regio prxima do caroo). ....................................................... 53
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Figura 8.1-Perda de massa devido pirlise. ........................................................................... 60
Figura 8.2- Reatividade das biomassas..................................................................................... 61
Figura 8.3- Valores mximos de reatividade das biomassas simuladas. .................................. 62
Figura 8.4- Perfil trmico. ........................................................................................................ 63
Figura 8.5-Perfil trmico com a linha de referncia. ................................................................ 64
Figura 8.6-Campos de temperatura. ......................................................................................... 66
Figura 8.7- Campos de Porosidade. .......................................................................................... 69
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LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1- Parmetros do caroo de aa desfibrilado (UnB/UFPA, 2011). ............................ 6 Tabela 3.2- Estgios da gaseificao. (DAVILLA, 1984) ........................................................ 7 Tabela 4.1-Comparao entre as equaes. .............................................................................. 11
Tabela 4.2- Mecanismos Globais para as reaes Homogneas. (HLA, 2004) ....................... 13 Tabela 4.3 Constantes para as reaes da tabela. ..................................................................... 13 Tabela 4.4 Taxa lquida de reaes homogneas em kg/m
3s. .................................................. 13
Tabela 4.5- Mecanismos de Reaes Heterognea (THUNMAN, 2007). ............................... 14 Tabela 4.6- Parmetros das constantes de taxa (THUNMAN, 2007). ..................................... 14
Tabela 4.7- Taxa lquida de reaes heterogneas em kg/m3s. ................................................ 15
Tabela 4.8-- Calor de reao das reaes heterogneas. .......................................................... 15
Tabela 4.9-- Reaes do modelo de superposio. ................................................................... 16 Tabela 4.10- Calor de reao para vrios combustveis (THUNMAN 2007). ......................... 17 Tabela 4.11-Composio dos gases volteis. ........................................................................... 19 Tabela 4.12-Coeficiente e Peso atmico .................................................................................. 21
Tabela 6.1-Teor de umidade Casca caroo de Aa. ................................................................ 34 Tabela 6.2-Teor de umidade parte vermelha do caroo do aa. .............................................. 35
Tabela 6.3-Teor de umidade parte branca do caroo do aa. .................................................. 36 Tabela 6.4-Teor de volteis para Casca. ................................................................................... 37 Tabela 6.5-Teor de volteis para parte vermelha. .................................................................... 38
Tabela 6.6- Teor de volteis para parte branca. ........................................................................ 38 Tabela 6.7-Teor de cinzas casca. .............................................................................................. 39
Tabela 6.8-Teor de cinzas parte vermelha. ............................................................................... 40
Tabela 6.9-Teor de cinzas parte branca. ................................................................................... 41
Tabela 6.10- Teor de Carbono fixo. ......................................................................................... 42 Tabela 6.11-Massa especifica a Granel. ................................................................................... 43
Tabela 6.12-Resultados do procedimento ................................................................................ 46 Tabela 6.13-Poder Calorfico da Casca .................................................................................... 46 Tabela 6.14-Poder Calorfico da parte Vermelha ..................................................................... 46
Tabela 6.15-Poder Calorfico da parte branca. ......................................................................... 46 Tabela 6.16 Anlise Elementar Biomassa e Caroo de Aa. .................................................. 53 Tabela 6.17- Propriedades calculadas, estimadas e medidas experimentalmente. ................... 56
Tabela 6.18-Composio dos gases de Pirlise. ....................................................................... 57
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1
1. INTRODUO
Segundo ANEEL (2008), o petrleo caracterizado pela tendncia alta cotao
(superou os US$ 100,00 por barril em 2008), o que estimulou a procura por outras fontes
de energia com o desfio de reduzir o impacto ambiental e suportar o crescimento
econmico.
Com isso a procura por novas fontes de energia, principalmente as renovveis,
tem crescido cada vez mais, na tentativa de diminuir a forte dependncia do petrleo. A
figura 1.1 abaixo mostra essa mudana no cenrio mundial onde em 1973, o petrleo
representava 46% da energia mundial e em 2009 passou a representar 32,8% da energia
mundial segundo IEA (International Energy Agency,2011).
Figura 1.1- Distribuio da Energia Gerada no Mundo (IEA, 2011).
J a matriz energtica brasileira uma matriz predominantemente renovvel, onde
segundo o relatrio do Balano Energtico Nacional (BEN, 2013), 76.9% da matriz energtica
brasileira corresponde gerao hidrulica como mostra figura 1.2.
Figura 1.2-Oferta interna de Energia Eltrica. (BEN, 2013).
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2
Entretanto no que dizer que o pas est imune crise, em relao produo de
energia, no seu setor energtico. Desde inicio de maro de 2014, vem ocorrendo a crise em
Cantareira, onde segundo a Sabesp (companhia de saneamento bsico do estado de So
Paulo), o volume de gua atingiu o nvel de 8,9% da sua capacidade. Na tentativa de contorna
o problema, o pas foi obrigado a ligar as termeltricas.
Nesse contexto que retorna novamente em pauta o assunto sobre a pesquisa em
novas fontes de energia renovveis. Com isso, a gaseificao vem mostrando em outros pases
que pode ser uma fonte de energia renovvel h ser explorada no Brasil, como podemos
observa na figura 1.3.
Figura 1.3- Gaseificao no Mundo (Worldwide data base, 2013).
Segundo o Departamento de Energia dos Estados Unidos (U.S.DoE), em 2010 havia
144 plantas de gaseificao e 427 gaseificadores em operao no mundo, a maioria
funcionando a base de carvo e petrleo. A china o principal pas, onde a partir de 2001 tem
se construindo as plantas mais recentes. Na Europa, a Alemanha o pas onde se concentra o
maior numero de gaseificadores de acordo com Kikkels & Verbong (2011).
A pirlise que um dos estgios da gaseificao, e o que realmente vai ser estudado
neste trabalho.
1.1. BIOMASSA
Segundo Jenkins et al (2008), embora no seja a mais utilizada entre os
combustveis slidos, a biomassa vem se tornando uma fonte atrativa, pois uma fonte
renovvel e sua aplicao, como combustvel, fornece zero de emisso de CO2 ao meio
ambiente, a grande maioria biomassa apresenta baixo teor de cinzas, o que diminui
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3
problemas relacionados a resduos, limpeza de equipamentos, e vrios outros aspectos
operacionais.
A biomassa expressa um conceito muito abrangente, de acordo com Farfan (2004),
ela buscar designar todo o recurso renovvel oriundo de matria orgnica de origem
animal ou vegetal. uma fonte que usa, de forma indireta, a energia solar, na qual a
radiao convertida em energia qumica atravs da fotossntese, razo o qual
considerada como um tipo energia renovvel, segundo CGEE (2010). De acordo com
Klass (1998), o processo de fotossntese representado equao 1.1.
As fontes de biomassa podem ser divididas em quatro grandes grupos principais,
indicadas na figura 1.4, segundo Cortez et al., (2008): vegetais lenhosos, vegetais no
lenhosos, resduos orgnicos e biofludos. importante saber o tipo de biomassa
utilizada, para poder determinar o processo tecnolgico a ser empregado na
transformao de biomassa em energia.
Figura 1.4- Fontes de biomassa. (Adaptado de Cortez et al, 2008.)
A composio qumica, quando analisada a biomassa para produo de
combustvel, basicamente formada por C, H, N, O, S e cinzas. Segundo
Rendero et al., (2008) importante saber a composio qumica da biomassa por meio
dela , ser possvel obter os percentuais mssicos de determinados elementos da amostra.
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4
2. OBJETIVO
2.1. OBJETIVO GERAL
O objetivo geral deste trabalho apresentar modelagem matemtica, a
caracterizao do caroo de aa e realizar a simulao da pirlise do caroo de aa.
2.2. OBJETIVO ESPECFICO
Colocam-se como objetivos especficos do trabalho o levantamento e a
caracterizao das propriedades termoqumicas do caroo de aa, necessrias para a
simulao numrica da Pirlise. Verificao se existe similaridade entre a pirlise do
caroo aa e a pirlise e madeira. Por fim, tambm se pretende analisar qual efeito de se
tratar o caroo de aa com propriedades constantes com a posio e com propriedades
variveis com o raio do caroo.
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3. REVISO BIBLIOGRAFICA
3.1. AA
A palmeira Euterpe Oleracea Mart., conhecida como aaizeiro pode ser
considerada como a palmeira de maior importncia econmica social e cultural da regio
norte do Brasil, de acordo com Queiroz & Melm Junior., (2001).
Pela enorme quantidade de aa atualmente comercializada, os resduos gerados
so muito grandes. Por isso o resduo do caroo de aa vem sendo estudado na produo
de energia atravs da gaseificao.
O resduo gerado do fruto do aa basicamente formado pelo caroo do aa ou
semente, e as fibras do aa. A semente do aa, segundo Oliveira et al (2002) , admitida
como recalcitrantes, ou seja, est sujeita a deteriorao durante a secagem. Apresenta
uma forma globosa e ocupa a maior parte do fruto. J as fibras se encontram localizada
ao redor da semente como mostra a figura 3.1.
Figura 1.5- Semente do aa. (Cruz et al, 2010).
Na prtica, dependendo do tipo de tecnologia a seu usado na gaseificao, no
interessante manter essas fibras, pois elas geram incrustaes de alcatro em certos
pontos do gaseificador. Na tabela 3.1, alguns dados so apresentados para utilizao dos
modelos matemticos como, o dimetro mdio, a massa especfica aparente, as anlises
imediatas e elementares da semente de aa desfibrado.
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Tabela 3.1- Parmetros do caroo de aa desfibrilado (UnB/UFPA, 2011).
3.2. PIRLISE
A pirlise um estgio da gaseificao, que segundo Puig-Arnavantetal (2010),
considerado uma das formas mais eficientes de converte biomassa em energia.
Para entendemos melhor como funciona esse processo de gaseificao e da
pirlise, a reao foi divida em quatro estgios de acordo com Snches Prieto (2003), o
primeiro estgio que ocorre a secagem, responsvel por parte da perda umidade
biomassa. Depois o estgio da pirlise, onde ocorre a liberao de alguns produtos
volteis, hidrocarbonetos e alcatro. Pode ocorrer tambm a liberao de alguns cidos.
Logo em seguida ocorre o estgio de combusto ou oxidao que responsvel por
fornecer a energia necessria para ocorrer reduo ou gaseificao. E por fim o estgio
de reduo onde ocorre uma serie de reaes endotrmicas que finaliza a converso da
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7
biomassa em um gs energtico. Vale ressaltar que, Snches Prieto (2003) e DAvila
(1984) considerou em etapas o processo da gaseificao, passando a ideia de que essas
etapas ocorrem separadamente. Porm, neste presente trabalho, essas etapas ocorreram
simultaneamente.
As reaes que ocorrem em cada estgio so apresentadas na tabela 3.2, segundo
DAvila (1984):
Tabela 3.2- Estgios da gaseificao. (DAVILLA, 1984)
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8
4. MODELAGEM MATEMTICA
As hipteses simplificadoras bsicas sobre a partcula so as mesmas adotadas por
Cunha (2010). Logo abaixo esto as equaes governantes, que regem a pirlise.
4.1. EQUAO DE CONSERVAO DE MASSA E CONSERVAO DE
QUANTIDADE DE MOVIMENTO
As equaes de conservao da massa e conservao de quantidade de movimento,
para escoamento incompressvel e o fluido newtoniano, como citadas no trabalho de Cunha
2010, so dadas por:
Os termos , , so fontes de massa devido secagem, pirlise e
reaes heterogneas, respectivamente. O termo modela o arrasto criado devido o meio
poroso, calculado como:
Nas equaes (4.1), (4.2), e (4.3) a velocidade de Darcy. importante ressaltar
que esta no uma velocidade fsica. A velocidade mdia intrnseca (V), que representa a
velocidade real do meio poroso, e a velocidade de Darcy, se relaciona atravs da equao:
Onde o termo representa a porosidade do slido.
4.1.1. Equao de conservao de energia
A equao de Conservao de energia, considerando o equilbrio trmico entre as
fases apresentada pela seguinte equao:
-
9
Onde:
Os termos e representam, respectivamente, o calor especifico e a condutividade
trmica do meio slido. J os termos e representam o calor especifico e a
condutividade trmica do meio gasoso. Ou seja, essa equao de conservao de energia leva
em considerao os dois meios, o slido e gasoso em uma nica equao. A massa especfica
intrnseca do meio slido representada por . O efeito da troca de calor por radiao no
meio poroso representado por um aumento de sua condutividade trmica por .
O termo de fonte trmico composto por:
Os termos e
representam a gerao de calor devido as
reaes homogneas e heterogneas, respectivamente. E os termos e so calores de
reao devidos reaes homogneas e heterogneas, respectivamente. J os termos e
representam as fontes de energia devido secagem e a pirlise, respectivamente. O
o calor latente de vaporizao da gua e o calor de reao da pirlise.
O ltimo termo da equao 4.8, representa a potncia radiativa trocada entre o meio
ambiente e o caroo de aa. Esse termo ser calculado atravs da seguinte expresso:
Onde representa a constante Stefan-Boltzman. J o representa a emissividade da
superfcie e a rea da superfcie. Por ltimo representa a temperatura da superfcie
slida e uma temperatura de referncia.
-
10
4.1.2. Equao de conservao de espcies
A equao de conservao de espcies qumicas, considerando um sistema monofsico
multicomponente, dada pela seguinte equao:
O ndice k representa uma espcie qumica especfica. As espcies qumicas
consideradas neste trabalho so , , , , , , e . Os termos de fonte
para cada espcie qumica so dados abaixo:
Para o oxignio:
Para o hidrognio gasoso:
Para o Nitrognio:
Para o monxido de carbono:
Para o dixido de carbono:
Para o vapor de gua:
Para o gs metano:
Para o benzeno gasoso:
-
11
O termo representa a taxa lquida de produo de vapor de gua devido a
secagem. Os termos representam a taxa lquida de produo da espcie k devido as
reaes homogneas. Nesse caso podemos observar sete espcies esto presente nas reaes
homogneas, o , , , , , e . Os termos so as taxas lquidas de
produo da espcie k devido a reao heterognea. Cinco espcies esto presentes nas
reaes heterogneas: , , , e . O , a taxa lquida de produo da
espcie k devido a reao de pirlise. Ocorre a formao de seis espcies na pirlise: , ,
, , e .
O somatrio dos fluxos difusivos de todas as equaes de conservao deve ser nulo:
0JNesp1k k , como a lei de Fick ser utilizada na aproximao do fluxo de difuso de espcies,
keffkk YD ,J , por isso est somatria no ser nula, ocorrer formao de um resduo em
cada equao de conservao de espcie. Para contornar esse problema, foi adotada a correo
de Curtiss & Hirschfelder (Curtiss & Hirschfelder, 1952), que iguala o somatrio ao resduo:
ck j JNesp
1k . Tal correo incorporada em cada equao de conservao de espcie e sua
distribuio posta proporcional frao de massa de cada espcie qumica: ck jY .
Tabela 4.1-Comparao entre as equaes.
Equao Termo Termo Termo Termo
Transiente Adveco Difuso Fonte
Conservao de
massa
-
Quantidade de
Movimento
Conservao de
Energia
Conservao de
Espcies
Conservao para
um escalar
Ao invs de se reportar a cada equao de conservao individualmente, uma vez que
todas as equaes so semelhantes, pode-se ser reportar somente a equao de conservao de
um escalar genrico, referenciado neste trabalho de . Assim, o primeiro termo da equao de
conservao, dada na tabela 4.1, o termo de acumulao transiente de . O segundo termo
representa a adveco de , ou transporte de , devido o campo de velocidades u. O terceiro
-
12
termo contabiliza o transporte de devido difuso. E o ltimo termo representa uma fonte ,
que pode ser criao ou destruio.
4.2. MECANISMO DE REAO QUMICA
Durante a gaseificao, ocorrem processos de oxidao e reduo para formar os
produtos da gaseificao. Segundo Thunman et al., (2001), os gases formados devido a reao
da pirlise consiste principalmente de , , , , hidrocarbonetos leves e pesados. Os
hidrocarbonetos leves, representado por metano e etileno, eles apresentam caractersticas de
ser no condensvel a temperatura ambiente. J os hidrocarbonetos pesados, representado pela
formao do alcatro , so condensveis a temperatura ambiente.
4.2.1. Mecanismo de reao homognea
Os mecanismos das reaes homogneas utilizados neste trabalho sero globais. A
principal caracterstica do mecanismo global que os reagentes so transformados em
produtos de forma irreversvel. O mecanismo global e a taxa global so descritos como:
Na equao 4.20 os termos so coeficientes estequiomtricos. Na equao 4.21
os valores de n e m so iguais zero para determinadas faixas de temperatura e presso
podendo assim se determinado o fator exponencial para uma determinada energia de ativao.
Segundo Westbrook & Dryer (1984), a e b so constantes empricas calculadas para
reproduzir os limites de inflamabilidade e velocidade de chama. Para as reaes homogneas,
foram consideradas seis reaes globais. Conforme a tabela 4.2, a primeira reao ,
conhecida como deslocamento gua-gs no est disponvel no cdigo de Cunha (2010), por
isso esta ser integrada ao cdigo. J , , e e so reaes de oxidao j
disponveis para uso.
Como base no mecanismo dado na tabela 4.2, as taxas lquidas de gerao devido s
reaes homogneas so dadas na tabela 4.3.
-
13
Tabela 4.2-Mecanismos Globais para as reaes Homogneas. (HLA, 2004)
Reaes Expresso de Taxa
Tabela 4.3- Constantes para as reaes da tabela.
Parmetros das constantes de Taxa Referncias
Petersen & Werther
(2005)
Westbrook & Dryer
(1984)
Westbrook & Dryer
(1984)
Westbrook & Dryer
(1984)
Westbrook & Dryer
(1984)
Westbrook & Dryer
(1984)
Tabela 4.4- Taxa lquida de reaes homogneas em kg/m3s.
-
14
4.2.2. Mecanismo de reao heterognea
As reaes heterogneas so responsveis pela gaseificao e oxidao do slido.
Atravs destas reaes pode-se calcular o termo de fonte apresentado na equao da
conservao da massa (equao 4.1). Os Mecanismos globais da reao heterognea
considerados so apresentados na tabela 4.5. O smbolo C nas quatro reaes heterogneas
representa o coque. Alguns autores consideram o coque sendo como carbono puro, porm o
coque apresenta outros compostos, alm do carbono presente na sua estrutura. Na tabela 4.6
esto os parmetros das constantes de taxas para as reaes heterogneas a .
Tabela 4.5- Mecanismos de Reaes Heterognea (THUNMAN, 2007).
Reaes Taxa
Constante de Taxa
Tabela 4.6- Parmetros das constantes de taxa (THUNMAN, 2007).
(m/s)
(m/s)
(m/s)
(m/s)
Como pode ser verificado na tabela 4.6, Thunman (2007) coloca todas as constantes
de taxa em funo da energia de ativao . Alm disso, a energia de ativao, , est
numa faixa entre 75000 e 84000 (J/mol), devido a diversidade de biomassas. No presente
trabalho sero realizadas diversas simulaes com diferentes valores , gerando diferentes
curvas de perda de massa. Um dos objetivos do trabalho ser verificar se algum valor de
na faixa dada acima gera uma curva de perda de massa proxima da curva
termogravimtrica medida experimentalmente.
Como base no mecanismo dado na tabela 4.5, as taxas lquidas de gerao de espcies
para as reaes heterogneas so dadas na tabela 4.7.
-
15
Tabela 4.7- Taxa lquida de reaes heterogneas em kg/m3s.
)
A taxa lquida das espcies para as reaes heterogneas so dadas por , ,
, , e representado na tabela 4.7. O parmetro representa a rea
superficial por unidade de volume dado em
. O calor de reao para cada reao
heterognea dada por:
Tabela 4.8-- Calor de reao das reaes heterogneas.
Reao Calor de Reao Referncia
Ragland & Borman (1998)
4.3. MODELAGEM DOS TERMOS DE FONTE DE MASSA.
Para a realizao da modelagem de Pirlise do caroo de aa foi escolhido um modelo
para a secagem e um modelo para a Pirlise. Para a resoluo das equaes dos modelos
matemticos, ser utilizado o cdigo numrico apresentado em Cunha (2010). Logo abaixo
ser explicitado cada um desses modelos mais detalhadamente.
4.3.1. Modelo matemtico para secagem
Segundo Coelho (2013) a taxa de evaporao de gua numa partcula termicamente
espessa de biomassa pode ser calculada a partir da equao:
-
16
Onde o , e o fator de frequncia da secagem, o a
energia de ativao da secagem e a temperatura do slido.
4.3.2. Modelo matemtico para pirlise
Logo aps a zona de secagem, com o aumento da temperatura ocorre a decomposio
trmica dos combustveis slidos, em basicamente , , , , , alcatro e coque.
De acordo com Ragland & Borman (1998), o estgio da pirlise ocorre quando, os
fluxos de volteis percorrem atravs dos poros da partcula impedindo a entrada de oxignio.
Com isso o oxignio fica em volta da partcula, podendo ocorrer uma chama difusa
provocando o aumento da taxa de liberao dos gases volteis.
Neste trabalho a pirlise ser aproximada pelo modelo de superposio dos
constituintes da biomassa. Este modelo leva em considerao a quantidade de hemicelulose,
celulose e lignina, ou seja, leva em considerao a composio da biomassa.
Tabela 4.9-- Reaes do modelo de superposio.
mm
m
m
m
mm
mf
mf
mf
coquegas
3k
2
2k
2
1k
1
YcoqueYGs
Madeira
Madeira
Madeira
Os representam a frao da quantidade de hemicelulose, de lignina e celulose.
4.3.3. Clculo da composio dos gases volteis da pirlise.
Os processos dentro da partcula so tratados como superfcie de controle, onde apenas
os gases saem das partculas tem que ser estimado, e isso podem ser feito atravs das
equaes de energia massa e espcies, sendo reduzido ao termo de fonte.
Figura 4.1-- Composio dos gases volteis (Thunman, 2007).
-
17
Conforme Truman (2007) pode-se calcular a composio dos gases volteis atravs
seis equaes. A primeira equao leva em considerao o poder calorfico da biomassa, o
calor de reao da pirlise e a anlise imediata de acordo com a tabela 3.1. Depois trs
equaes so derivadas do balano de massa das espcies , e , de acordo com anlise
elementar da tabela 3.1. O enxofre e o nitrognio desconsiderados nos clculos. E as duas
ltimas equaes, para fechar o sistema, so derivadas das razes de e ,
que devem ser determinadas empiricamente. O calor de formao para cada tipo de espcie,
segundo Thunman (2007), apresentado na tabela 4.12.
Tabela 4.10- Calor de reao para vrios combustveis (THUNMAN 2007).
Espcie Calor de Reao
Fonte
10,25
Thuman (2007)
0
0
120
49,4
0
Primeiramente foi calculada a entalpia dos gases volteis:
O termo representa o poder calorfico do coque de biomassa. Este valor
no foi encontrado para o coque do caroo de aa, ento ser adotado 33MJ/kg, que o poder
calorfico superior do coque de madeira. Assumindo que a entalpia de pirlise do caroo de
aa ( ) seja 0,2MJ/kg, pode-se calcular a entalpia dos gases volteis:
A entalpia dos gases de pirlise pode ser usada no clculo da composio dos gases
como:
-
18
O a frao mssica de cada espcie. O o poder calorfico de cada espcie. De
acordo com os valores temos a primeira equao:
Carbono:
Onde , a massa molecular de cada espcie, de acordo com a tabela peridica. Para
cada espcie calculada a massa molecular. Logo a segunda equao :
Hidrognio:
De acordo com as razes molares para o hidrognio, a terceira equao dada:
Oxignio:
De acordo com as razes molares para o oxignio a quarta equao derivada:
Assumindo que razo de 3:
De acordo com as razes molares entre a quinta equao fica:
-
19
Assumindo que a razo de 1,5:
Finalmente a sexta equao obtida:
Assim foram encontradas seis equaes e seis incgnitas. Resolvendo o sistema de
equaes a composio do gs de pirlise obtida e apresentada na tabela 4.12.
Tabela 4.11-Composio dos gases volteis.
Espcies
0,197 0,145 0,096 0,154 0,028 0,380
4.4. CARACTERIZAO DA ESTRUTURA POROSA DO SLIDO
De acordo com Basu (2010), podemos definir quatro tipos de massa especfica. Porm
para esse estudo de gaseificao levaremos em conta s os dois tipos para realizar o a
simulao da gaseificao atravs do modelo de porosidade. A primeira delas a massa
especfica intrnseca ou por alguns autores conhecida como massa especfica verdadeira.
A massa especfica intrnseca dada pela razo entre o peso por unidade de volume
ocupado, ou seja, a massa total da biomassa e o volume do slido da biomassa, que o
volume do slido formado pelas fibras , de acordo com a equao:
J a massa especfica aparente ela leva em conta a quantidade de poros dentro da
biomassa. Logo ela vai ser a relao entre a massa total de biomassa e o volume aparente
da biomassa, ou tambm chamado volume total, que leva em conta o volume de nmero de
poros , mais o volume de numero de slidos formados pelas fibras , que vai ser chamado
de . Assim a razo dada pela equao:
-
20
Segundo Basu (2010), o volume de poros da biomassa que expresso como frao do
volume total denominado porosidade . A relao entre a porosidade , a massa
especifica intrnseca e a massa especfica aparente dada por:
Onde, fazendo uma relao matemtica, de acordo com Gadiou et al. (2002),
encontramos que o valor da porosidade dado pela razo entre o volume de poros pelo
volume total:
Assim podemos observar que a porosidade pode ser relacionar tanto com as massas
especificas quanto com os volumes da biomassa.
A gaseificao um processo termoqumico, onde as propriedades termodinmicas da
biomassa influenciam na gaseificao. Segundo Basu (2010), existem trs propriedades
importantes da termodinmica para a gaseificao: a condutividade trmica, o calor especfico
e o calor de formao da biomassa. Para as propriedades dos gases sero calculadas conforme
apresentado em Cunha (2010).
4.5. EQUAES PARA O CALCULO DE ALGUMAS PROPRIEDADES PARA
O CAROO DE AA
Algumas propriedades do aa sero necessrias para os clculos numrico deste
trabalho. A principal delas a difusividade trmica, que calculada atravs da anlise
imediata e elementar da biomassa. Ela leva em conta trs principais propriedades do slido de
acordo coma equao 4.41.
onde,
, a condutividade trmica do slido;
-
21
, a massa especfica intrnseca do slido;
, o calor especfico do slido.
4.5.1. Massa Especfica Intrnseca
A massa especfica intrnseca do slido calculada atravs da anlise elementar da
biomassa, levando em conta os cinco elementos, carbono, hidrognio, oxignio, nitrognio e
enxofre, de acordo com Merrick (1993b), atravs da equao 4.42:
onde,
, o coeficiente dos elementos, dado segundo Merrick (1993b);
, fraes dos elementos de acordo com anlise elementar.
, peso atmico dos elementos de acordo com a tabela peridica.
A tabela utilizada para os coeficientes de Merrick quanto para os pesos atmicos
dado a seguir:
Tabela 4.12-Coeficiente e Peso atmico.
C H O N S
(m/kmol) 0,00530 0,00577 0,00346 0,00669 0,00384
(g/mol) 12 1 16 14 32
4.5.2. Condutividade Trmica do slido
A partir da massa especfica intrnseca do slido, da para determinar a condutividade
trmica do slido atravs da equao (4.43), segundo Merrick (1993c):
-
22
onde,
, a massa especifica intrnseca do slido;
, a temperatura do slido;
A temperatura do slido o prprio Matlab ir resolver a equao para diferentes faixas
de temperatura.
4.5.3. Calor especfico do slido e Peso Atmico
Segundo Merrick (1983), o calor especfico da biomassa calculado atravs da
equao (4.44):
O , a constante universal dos gases, e vale 8315 Kmol/K. O uma funo
representada por . O o peso atmico calculado atravs da
seguinte equao.
4.5.4. Celulose Hemicelulose e Lignina
O percentual de celulose, hemicelulose e lignina tambm foi calculado, segundo
Shang e Azevedo (2002), atravs da seguinte equao:
Onde,
-
23
O/C e H/C a razo de oxignio por carbono ou de hidrognio por carbono de acordo
com analise elementar;
, teor de volteis da biomassa.
Uma vez calculado a celulose e a lignina, e s tirar um pelo outro que tem a frao de
hemicelulose.
4.5.5. rea Superficial
Por fim foi calculado a rea Superficial (S), de acordo com Bird et al., (2001),
segundo a equao:
O , seria o dimetro do poro e o a porosidade.
-
24
5. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
5.1. ANLISE DO CAROO DE AA
O caroo do aa foi obtido atravs da Universidade de Braslia (UnB). Antes de
realizar as anlises, o caroo do aa foi desfibrado. Como o objetivo era s a caracterizao
do caroo, para realizar da simulao, a fibra foi descartada.
Figura 5.1-1)Caroo de aa com fibras; 2) Fibras; 3) Caroo de aa desfibrado.
Para a realizao das anlises, dividiu-se o caroo de aa, em trs fraes. A primeira
parte, representada pela parte predominante, foi casca do caroo de aa. Depois que ela foi
separada, ela foi triturado.
Figura 5.2-1) Casca do Aa; 2) Triturador; 3) Casca Triturada e peneirada.
-
25
A segunda parte a ser dividida foi parte predominante vermelha do caroo de aa.
Da mesma maneira que a casca, ela foi triturada.
Figura 5.3-1) Parte vermelha; 2) Triturador 3) Parte vermelha triturada e peneirada.
Terceira e ltima parte, sendo a parte mais interna do caroo de aa, representado
predominantemente pela parte branca, onde aps separar a amostra foi triturada.
Figura 5.4-1)Parte branca; 2) Triturador; 3) Parte branca triturada;
Aps as amostras ter sido trituradas e separadas, elas foram peneiradas utilizando uma
peneira para analise granulomtrica de 25 mesh, com abertura de 710 mm.
Figura 5.5-1)Peneira; 2) Malha; 3) Dados da malha.
-
26
5.1.1. Anlise Imediata
Para a determinao dos teores de umidade, cinza, materiais volteis e carbono fixo a
norma ASTM 8112/1986 foi utilizada como base. Devido quantidade de material obtida
para anlise, os procedimentos foram realizados em duplicata.
5.1.1.1 Teor de Umidade
Para o teor de umidade, foi utilizada uma quantidade de amostra o mais perto possvel
de 1,0029g. A amostra deixada na estufa de secagem, a 105C at massa do material se
estabilizar. A quantidade de tempo variou de amostra para amostra. Aps a secagem, a
amostra foi esfriada utilizando o dessecador e pesada utilizando uma balana de preciso.
Figura 5.6-1) Estufa de secagem; 2) Dessecador; 3) Balana de preciso.
Segundo a norma, a amostra fica na estufa at a massa permanecer constante. Esse
tempo variou de amostra para amostra. A equao usada para calcular o teor de umidade, :
Onde:
, a massa de biomassa inicial, em gramas;
, a massa de biomassa final, em gramas;
, o teor de umidade, em porcentagem;
A equao geral para o calculo da preciso dado por:
-
27
Para o calculo da preciso, os resultados obtidos em duplicata, no devem diferir de
5%.
O Calculo da mdia aritmtica dada na equao:
5.1.1.2 Teor de Volteis
A amostra deve est previamente seca para determinao do teor de volteis. Ento foi
deixada a mostra na estufa, a 105C por 24 horas. Em seguida, o cadinho foi pesado e depois
a amostra inicial de biomassa, que ficou com 1,0029gramas. Depois o conjunto foi inserido na
mufla, um a um, a 950C por 6 minutos. Por ultimo, a amostra foi colocada no dessecador
para esfriar e ento foi pesada em uma balana de preciso, para saber a massa final do
conjunto (cadinho + biomassa).
Figura 5.7- 1) Estufa; 2) Mufla; 3) Balana de preciso.
O teor de volteis foi calculado atravs da equao 5.4:
Onde:
, massa do cadinho, em gramas;
, massa de biomassa, em gramas;
, massa do conjunto (cadinho + biomassa final), em gramas;
-
28
, teor de volteis, em porcentagem.
Para o calculo da preciso para teores volteis, o resultado final obtido em duplicata
no deve diferir em 2%.
5.1.1.3 Teor de Cinzas
A amostra deve est previamente seca, para a retirada de umidade. Ento a mostra foi
colocada na estufa, a 105C por 24 horas. Depois desse perodo, foi pesada em uma balana
analtica de preciso, a massa do cadinho e depois a quantidade de biomassa, em torno de 2,0
gramas. Por fim, o conjunto foi levado para a mufla, onde foi deixado por um perodo de 5
horas 700 C. Aps o final do termino desse tempo, o conjunto (amostra + cadinho) foi
levado ao dessecador para esfriar, por volta de 40 minutos, e em seguida para a balana
analtica para verificao da massa do conjunto.
Figura 5.8- 1) Mufla; 2) Dessecador; 3) Balana de preciso.
O teor de cinzas e calculado pela equao 5.3:
Onde:
, massa do conjunto (cadinho + biomassa final), em gramas;
, massa do cadinho, em gramas;
, massa de biomassa inicial, em gramas;
, teor de cinzas, em porcentagem.
Para o calculo da preciso para teores de cinzas, o resultado obtido no deve passar de
10% .
-
29
5.1.1.4 Teor de Carbono Fixo
Para determinar o teor de carbono fixo necessrio o conhecimento do teor de cinzas
e volteis. Assim o teor de carbono fixo, obtido atravs da seguinte equao:
Onde,
, teor de cinzas, em porcentagem;
, teor de volteis, em porcentagem;
, teor de carbono fixo, dado em porcentagem;
5.1.2. Massa especfica a Granel
A determinao da massa especfica a granel foi realizada segundo a norma NBR/NM
52:2009. Para tal foram projetados atravs do software Catia peas com formato de um cubo,
apresentando o volume de 1 cm. Os recipientes foram impressos na impressora UP3D. O
material utilizado para impresso foi PLA produzido pela empresa MakerBot. um material
biodegradvel, produzido a partir do refino do gro de milho.
Figura 5.9- 1)Desenho no Catia; 2)Impressora UP3D; 3) Peas no formato do cubo em PLA.
Para a realizao do experimento, a biomassa foi deixada na estufa a 105C por 24
horas, para que estivesse seca. Depois deste perodo, as amostras foram levadas para o
dessecador e depois para a balana analtica de preciso. Para cada amostra, a biomassa foi
ento depositada na pea com formato de cubo at o topo sem comprimir. Para tirar o excesso
no topo, foi utilizada a base da esptula, passando levemente sobre topo do cubo. Ento foi
pesado o conjunto (biomassa+pea). Para o calculo da massa especfica, utilizou-se a seguinte
equao:
-
30
Onde,
, massa especfica a granel, em Kg/m;
, massa de biomassa presente na pea, em Kg;
, volume do slido, em m.
5.1.3. Poder Calorfico
O poder calorfico foi obtido atravs do equipamento AdiabaticCalorimeter, onde
inicialmente foi pesado 1,0 g de cido benzico, utilizado para calibrar o equipamento.
Depois pesou por volta de 1,0 g de cada frao da biomassa. O material foi levado para uma
mo cintica, onde deveria ser feito uma pastilha tanto do acido, quanto das amostras da
biomassa. Porm, a biomassa no ficou compactada, ento utilizou a biomassa sem
compactar. Esse procedimento feito para garantir que o material reagente fique sobre a linha
do cobre.
Figura 5.10- 1) Acido Benzico; 2) Mo cintica; 3) Acido Benzico Comprimido.
Em seguida, foi cortado um pedao de fio de cobre, de 10 cm e conectado aos
eletrodos da bomba. Aps conectar aos eletrodos, o fio de cobre foi dobrado de forma que o
fio estivesse faceado com o fundo e as paredes de uma panelinha de ferro, aonde vai tanto o
acido benzico, quanto a biomassa.Terminada essa etapa, tanto a bomba calorimtrica, quanto
a vlvula de passagem do gs deve ser fechada.
-
31
Figura 5.11- 1) Tampa da bomba com a panela de ferro; 2) Panela de ferro com fio de cobre.
A bomba preenchida com gs oxignio a 25 atm. Dentro do equipamento existe um
recipiente que deve ser preenchido com 2 litros de gua destilada. Em todas as medidas
recomendada a utilizao da mesma quantidade de gua. Ento a bomba colocada dentro do
recipiente. Existem dois fios que so conectados a bomba. O calormetro fechado, e logo em
seguida ligado o termopar digital. Aguardou a temperatura estabilizar, ento foi ligado o
equipamento.
Figura 5.12- 1) Equipamento; 2) Balo de Oxignio;3) Bomba dentro do Equipamento.
Por fim, a temperatura vai comear a subir at se estabilizar. Aps a temperatura se
estabilizar, o equipamento ento desligado e a bomba calorimtrica retirada. Logo em
seguida a bomba aberta, o resduo de fio de cobre retirado e medido para ser retirado do
valor inicial.
-
32
Figura 5.13- 1) Termopar digital; 2) Equipamento Ligado; 3) Resduo do cobre.
Para o calculo do poder calorfico, primeiramente foi calculado a capacidade calorfica
do calormetro (C), atravs da seguinte equao:
Onde,
, o calor de combusto do cido benzico, em cal/g;
, a massa da pastilha do cido benzico, em g;
, correo do calor de fio de cobre, em cal;
, variao da temperatura, em C;
, capacidade calorfica do calormetro, em cal/C.
Depois de calculado a capacidade calorfica, ento se calcula o calor de combusto da
amostra, utilizando a seguinte equao:
Onde,
, capacidade calorfica do calormetro, em cal/C;
, variao da temperatura, em C;
, correo do calor de fio de cobre, em cal;
, a massa pesada da amostra, em g;
, calor de reao da amostra, em MJ/Kg.
-
33
5.1.4. Anlise Termogravimtrica
As curvas termogravimtricas das fraes do caroo de aa foram obtidas utilizando o
equipamento SDT Q600 da TA Instruments. Foi utilizada por volta de 12 mg de cada frao
do caroo de aa. O gs utilizado foi o nitrognio (gs inerte), com fluxo de 100 ml/min. A
faixa de temperatura analisada foi de 25C a 800C, com uma taxa de aquecimento de
10C/min. Os cadinhos utilizados foram de alumina ( ). So dois cadinhos como
mostrado, na imagem dois da figura 5.13. O branco utilizado como referncia e outro para a
amostra. A biomassa foi previamente seca a 105C por 24 horas.
Figura 5.14-1)Equipamento SDT Q600; 2)Cadinho da amostra e de referencia;3) Resduo.
-
34
6. RESULTADO E DISCURSES DO PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
6.1. CARACTERIZAO DO CAROO DE AA
6.1.1. Anlise Imediata
6.1.1.1 Teor de Umidade
Para determinao do teor de umidade, amostras de casca foram pesados, e os valores
medidos so apresentados na tabela 6.1
Figura 6.1-1) Casca amostra 1; 2) Casca amostra 2.
O teor umidade foi calculado atravs da equao 5.1 para as fraes do caroo de aa,
onde para casca encontrou 7,77% para primeira amostra e 7,55% para segunda amostra. A
preciso encontrada foi de 2,91%, ou seja, dentro do que a norma estabelece como j foi dito
anteriormente, para umidade tem que ser abaixo de 5%. Ento, por fim calcula-se a mdia dos
resultados e temos que:
Tabela 6.1-Teor de umidade Casca caroo de Aa.
Casca Massa Inicial (g) Massa Final (g) TU (%)
Amostra I 1,0067 0,9284 7,77
Amostra II 1,0063 0,9303 7,55
Mdia 1,0065 0,9293 7,66
Para a parte vermelha do caroo de aa, foi realizado o mesmo procedimento. Foram
pesados, 1,0172 g da amostra um e 1,0188g para amostra 2.
-
35
Figura 6.2- 1) Parte vermelha amostra 1; 2) Parte vermelha amostra 2.
Logo aps a massa estabilizar, foi pesado, onde a amostra um tinha 0,8721 g e a
amostra dois apresentava 0,8779 g. O teor de umidade para a parte vermelha do caroo do
aa, para amostra um foi encontrado 14,26% e para a amostra dois 13,82%. A preciso para a
amostra vermelha, um pouco maior que a casca, porm dentro da norma, foi de 3,18%. Ento
por fim, foi calculada a media e montado a tabela 6.2.
Tabela 3.2-Teor de umidade parte vermelha do caroo do aa.
Vermelha Massa Inicial (g) Massa Final (g) TU (%)
Amostra I 1,0172 0,8721 14,26
Amostra II 1,0188 0,8779 13,82
Mdia 1,0180 0,8750 14,04
Para o teor de umidade para a parte branca foi pesado 1,0040g para amostra um e
1,0044g para a amostra dois.
Figura 6.3-1) Amostra1 parte branca; 2) Amostra 2 parte branca.
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36
Aps a massa estabilizar, foi pesada, encontrando para a amostra 0,9008 g e para a
amostra dois 0,9000 g. O teor de umidade para a parte branca foi encontrado 10,27% para
amostra um e 10,39% para a mostra dois. A preciso encontrada foi de 1,16%, sendo a menor
entre as trs. Por fim foi calculado a mdia e montado a tabela 6.3:
Tabela 6.3-Teor de umidade parte branca do caroo do aa.
Branco Massa Inicial (g) Massa Final (g) TU (%)
Amostra I 1,0040 0,9008 10,27
Amostra II 1,0044 0,9000 10,39
Mdia 1,0042 0,9004 10,33
O alto teor de umidade encontrado em algumas biomassas uma das preocupaes
para ocorrer gaseificao, pois se a umidade for muito alta, maior ser a energia utilizada para
vaporiz-la, e menos energia estar disponvel para as reaes de reduo podendo tambm
dificulta a decomposio do alcatro. Logo segundo Reed e Gauer (2001),o alto teor de
umidade afeta a ignio, o que acaba influenciando no comportamento da pirlise, que o
segundo estgio da gaseificao, diminuindo a qualidade do produto final.
Comparando os valores de umidade entres si, podemos observar a frao que
apresenta maior teor de umidade a parte vermelha. Entretanto no considerado um valor
atpico, pois, para biomassa esperam-se valores entre 15 a 30% de umidade, ou seja, o valor
obtido esta de dentro do esperado.
6.1.1.2 Teor de Volteis
Para a anlise de teor de volteis, utilizando primeiramente a amostra da casca, foram
pesados 1,0020 g para amostra um e 1,0020 g para a amostra dois.
Figura 6.4-1) Casca amostra 1; 2) Casca amostra 2.
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37
A massa do cadinho mais amostra um ficaram 29,4727 g e a massa do cadinho mais
amostra dois 27,5028 g. Aps 6 minutos dentro da mufla a 950C, a massa do conjunto um
(cadinho + amostra 1) era 28,6630 g e a massa do conjunto dois (cadinho + amostra 2) era
26,6875 g. O teor de volteis encontrado para amostra um foi de 80,80% e para amostra dois
81,36%. O teor de volteis para casca ficou 81,08%, com uma preciso de 0,693%, ou seja,
dentro da norma onde exige uma preciso de 2%
Para melhor apresentar os resultados foi montada a tabela 6.4 como mostra a seguir:
Tabela 6.4-Teor de volteis para Casca.
Casca Massa do Conjunto
Inicial (g)
Massa do Conjunto
Final (g) TV (%)
I 29,4727 28,6630 80,80
II 27,5028 26,6875 81,36
Mdia 28,4877 27,6752 81,08
Para a parte vermelha do caroo de aa, foram pesados, para a amostra um 1,0115 g e
a amostra dois com 1,0137 g como mostra a figura 6.5.
Figura 6.5-1) Amostra 1 parte vermelha;2) Amostra 2 parte vermelha.
A massa do conjunto um (cadinho + amostra) ficou com 37,0818 g e a massa do
conjunto dois (cadinho + amostra) ficou com 35,3468 g. Aps sair da mufla, a massa da
amostra um era de 36,2497 g e a massa para amostra dois era de 34,5123 g. O teor de volteis
encontrado para amostra um foi de 82,26%. J para a amostra dois, o teor de volteis foi de
82,32%. O teor de volteis encontrado para a parte vermelha do caroo de aa foi de 82,29%,
com uma preciso de 0,729%.
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38
Tabela 6.5-Teor de volteis para parte vermelha.
Parte Vermelha Massa do Conjunto
Inicial (g)
Massa do Conjunto
Final (g) TV (%)
I 37,0818 36,2497 82,26
II 35,3468 34,5123 82,32
Mdia 36,2143 35,3810 82,29
J para a parte branca foram pesados 1,0406 g para amostra um e 1,0311 g para
amostra dois.
Figura 6.6-1) Amostra 1 parte branca ; 2) Amostra 2 parte branca.
A massa do conjunto um (cadinho+amostra1), foi de 27,5392 g e a massa do conjunto
dois (cadinho + amostra 2) foi de 29,5033 g. J a massa final.do conjunto um encontrado foi
de 26,6427 g e a massa final do conjunto 2 foi de 28,6250 g. O teor de volteis, foi de 86,15%
para a amostra um e para a amostra dois foi de 85,18%. Assim o teor de volteis, encontrado
para a parte branca do caroo de aa foi de 85,66%, com uma preciso de 1,13%.
Tabela 6.6- Teor de volteis para parte branca.
Parte Branca Massa do Conjunto
Inicial (g)
Massa do Conjunto
Final (g) TV (%)
I 27,5392 26,6427 86,15
II 29,5033 28,6250 85,18
Mdia 28,5212 27,6338 85,66
Segundo Bizzo (2003), o teor de volteis composto principalmente de
hidrocarbonetos presentes na estrutura slida e outros gases formado devido pirlise. Logo o
teor de volteis seria a parte do combustvel que se decompem na parte gasosa durante um
determinado perodo de aquecimento.
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39
J de acordo Nagaishi (2007), o teor de volteis determina a ignio do combustvel e
a queima dos slidos de um determinado material, nesse caso estudado o da biomassa. Ela
consegue dizer o quo estvel a chama , onde quanto mais voltil, maior a velocidade que a
biomassa ir queimar, logo mais instvel seria a chama.
Das fraes do caroo de aa, o mais voltil seria a frao da parte branca, com
85,66% de volatilidade. Segundo Demirbas (2004), o teor de volteis para biomassa chega ser
entre 80 e 90%. Quando comparado ao carvo vegetal chega a ser quase duas vezes a mais.
6.1.1.3 Teor de Cinzas
O teor de cinzas foi calculado inicialmente da amostra da casca. Ento foram pesados
2,0160 g da amostra um e 2,0139 g da amostra dois.
Figura 6.7-1) Casca amostra 1; 2) Casca amostra 2.
Foi pesada a massa do cadinho, onde a massa do cadinho um foi de 26,4998 g e massa
do cadinho dois foi de 28,4714. Aps cinco horas dentro da mufla, a 700C, a massa final do
conjunto um (cadinho + amostra 1) foi de 26,5361 g e a massa do conjunto 2 (cadinho +
amostra 2) foi de 28,5073. O teor de cinzas encontrado para conjunto um foi de 1,80% e para
o conjunto dois foi de 1,78%. Logo o teor de cinzas encontrado para casca foi de 1,79%, com
uma preciso de 1,12%, como mostra a tabela 6.7 abaixo.
Tabela 6.7-Teor de cinzas casca.
Casca Massa da
Amostra (g)
Massa do
Cadinho (g)
Massa do
Conjunto Final
(g)
TC (%)
I 2,0160 26,4998 26,5361 1,80
II 2,0139 28,4714 28,5073 1,78
Mdia 2,0149 27,4856 27,5217 1,79
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40
Para a parte vermelha foram pesadas 2,0038 g para a amostra um e 2,0049 g para
amostra 2.
Figura 6.8-1) Parte vermelha amostra 1; 2) Parte vermelha amostra 2
Foi pesada a amostra do cadinho, onde o cadinho um apresentava massa de 34,3307 g
e o cadinho dois de 36,0693 g. Aps 5 horas, retirou-se da mufla e pesou o conjunto (amostra
+ cadinho), onde para o conjunto um foram encontrados 34,3583 g e para o conjunto dois
36,0972 g. O teor de cinzas encontrado para o conjunto um foi de 1,37% e para o conjunto
dois foi 1,39%. O teor de cinzas, encontrado para parte vermelha foi de 1,38% com a preciso
de 1,45%, de acordo com a tabela 6.8.
Tabela 6.8-Teor de cinzas parte vermelha.
Parte vermelha Massa da
Amostra (g)
Massa do
Cadinho (g)
Massa do
Conjunto Final
(g)
TC (%)
I 2,0038 34,3307 34,3583 1,37
II 2,0049 36,0693 36,0972 1,39
Mdia 2,0043 35,2000 35,2277 1,38
O mesmo procedimento foi realizado para parte branca. Foram pesados 2,0379 g para
a amostra um e 2,0343 g para a amostra dois.
Figura 6.9-1)Amostra 1 parte branca ; 2) Amostra 2 parte branca.
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41
Da mesma maneira que os outros foram pesados massa dos cadinhos, sendo 26,4988
g para o cadinho um e 28,4721 g para o cadinho dois. A massa final do conjunto encontrado
foi de 26,5236 g para o conjunto um (cadinho + amostra 1) e 28,4972 g para o conjunto dois
(cadinho + amostra 2). O teor de cinzas encontrado para cada amostra foi de 1,21% para a
amostra um e 1,23% para a amostra dois. Ou seja, o teor de cinzas encontrado para a parte
branca foi de 1,22%, com preciso de 1,65% como mostrada na tabela 6.9:
Tabela 6.9-Teor de cinzas parte branca.
Parte branca Massa da
Amostra (g)
Massa do
Cadinho (g)
Massa do
Conjunto Final
(g)
TC (%)
I 2,0379 26,4988 26,5236 1,21
II 2,0343 28,4721 28,4972 1,23
Mdia 2,0361 27,4854 27,5104 1,22
As cinzas so compostas por xidos minerais que se apresentam normalmente no
estado slido, gerados devido combusto da biomassa. Vale a pena ressaltar que em um
processo de gaseificao, ou at mesmo em um processo de pirlise, a quantidade de cinzas
produzida ser diferente da quantidade de cinzas produzidas neste trabalho. Segundo Benedito
(2012) esse fato se dar devido s condies de incinerao, pois isso afeta diretamente a
composio qumica e a quantidade de cinzas. Em alta concentrao, segundo Klautau (2008),
ele diminui o poder calorfico.
A frao do caroo de aa que apresenta a maior quantidade de cinzas o de casca
1,79% de cinzas. Segundo Nogueira (2007) o teor de cinzas mdio para biomassa encontrado
de at 2,17%.
6.1.1.4 Teor de carbono fixo
Atravs da equao 5.4, foi calculado o teor de carbono fixo para cada frao do
caroo de aa, como apresentado na tabela 6.10.
-
42
Tabela 6.10- Teor de Carbono fixo.
Fraes do caroo TV (%) TC (%)
Casca 81,08 1,79 17,13
Vermelha 82,29 1,38 16,33
Branca 85,66 1,22 13,12
Como j foi dito anteriormente o teor de volteis seria um composto de hidrocarboneto
que se decompem na parte gasosa durante um pr-aquecimento. Logo parte do carbono se
desprende e liberado na forma de gs como e . A outra parte de carbono, segundo
Nagaishi (2007) , ela permanece fixa e responsvel pela massa amorfa. Logo ela recebe o
nome de Carbono fixo, ou char.
Importante ressaltar que ele no consumido durante o estgio da pirlise. Outro fato,
segundo Benedito (2012), seria que o carbono fixo composto predominantemente por
carbono, porm ele pode conter outros elementos presente na sua estrutura que no foram
liberados durante a volatilizao.
O teor de carbono fixo mdio para biomassa , segundo Nogueira (2007), de 17,77%.
Para o caroo de aa ainda segundo ele pode chegar por volta de 19,45%
6.1.2. Massa Especifica a Granel
Para determinar a massa especifica a granel, foram preenchidas as peas com formato
em cubo at o topo, sem comprimir. Logo depois foram pesadas o conjunto (peas
+biomassa) para saber a quantidade de massa que foi utilizado de cada frao para preencher
todo o espao. O procedimento foi realizado trs vezes, para cada frao do caroo de aa
como mostra as figuras abaixo:
Figura6.10-Massa da casca do caroo de aa.
-
43
Figura6.11- Massa da parte vermelha.
Figura 6.12-Massa da parte branca.
Por fim, a mdia aritmtica foi calculada para cada frao e sabendo o volume de cada
pea, como j foi dito anteriormente de 1 cm, utilizou-se a equao 5.5 para calcular os
valores das massas especficas a tabela 6.11.
Tabela 6.11-Massa especfica a Granel.
Fraes Massa especifica a Granel (Kg/m)
Casca 513,2
Parte Vermelha 646,7
Parte Branca 628,7
Outra maneira testada dentro de laboratrio foi pegar por volta de 2 g de determinada
frao da biomassa e foi colocado dentro da gua destilada. Pelo volume deslocado de gua
destilada, encontraria a massa especfica aparente. Entretanto o caroo de aa absorve
umidade muito fcil. Logo o mtodo foi descartado. Porm pelo o resultado desse teste pode-
se observa que a casa era o mais leve dos trs. Ao ser colocar na gua destilada, ela boiou em
-
44
relao parte vermelha e a parte branca que logo afundaram. Os trs s afundaram quando
foi utilizado cetona como lquido padro para os trs.
Com isso, claramente podemos observa esse resultado no mtodo a granel. A casca a
menos densa, tem uma massa especfica a granel menor quando comparado com a parte
vermelha e a parte branca.
6.1.3. Poder calorfico
Para o poder calorfico primeiramente foram pesado 1 g de cido benzico utilizado
para calibrar o equipamento e calcular a capacidade calorfica do calormetro (C) a partir dos
dados do cido benzico, como, mostra a figura 6.13
Figura 6.13-1) Massa de cido benzico; 2) Dados do cido benzico.
Em seguida foram pesadas as massas para cada frao do caroo de aa. Como j foi
dito anteriormente foram pesados por volta de 1g para cada amostra.
Figura 6.14-1) Casca amostra 1; 2) Casca amostra 2.
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45
Figura 6.15-1) Parte vermelha amostra 1; 2) Parte vermelha amostra 2.
Figura 6.16-1) Parte branca amostra 1; 2) Parte branca amostra 2.
Depois, uma de cada vez, a amostra foi colocada na bomba calorimtrica gerando o
resultado. Foi anotada a temperatura inicial, temperatura final e o tamanho do resduo do
cobre que ficou dentro ou colado nos eletrodos, de acordo com a figura 6.17 e a tabela 6.12,
Figura 6.17-1) Resduo de cobre;2) Resduo de cobre de todas as amostras.
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46
Tabela 6.12-Resultados do procedimento
Amostras Massa (g) Temperatura inicial
(C)
Temperatura
Final (C)
Tamanho do Resduo de
cobre (cm)
cido Benzico 1,0 27,8 30,3 2,9
Casca 1 1,0 28 29,7 3,5
Casca 2 1,0 29,7 31,3 3,1
Parte Vermelha 1 1,0 29,1 30,8 4,0
Parte Vermelha 2 1,03 30,4 31,9 4,2
Parte Branca 1 1,01 30 31,7 3,5
Parte Branca 2 1,01 31 32,8 3,2
Por fim, foi calculado o poder calorfico para cada frao do caroo de aa,atravs das
equaes 5.6 e 5.7, de acordo com as tabelas abaixo:
Tabela 6.13-Poder Calorfico da Casca
Casca Poder Calorfico (MJ/Kg)
Amostra 1 17,731
Amostra 2 16,690
Mdia 17,210
Tabela 6.14-Poder Calorfico da parte Vermelha
Parte Vermelho Poder Calorfico (MJ/Kg)
Amostra 1 17,727
Amostra 2 15,179
Mdia 16,453
Tabela 6.15-Poder Calorfico da parte branca.
Parte Branca Poder Calorfico (MJ/Kg)
Amostra 1 17,556
Amostra 2 18,593
Mdia 18,074
O poder calorfico nos diz qual a frao do caroo de aa libera mais energia durante
a combusto completa. Como j foi dito anteriormente as cinzas e a umidade se relacionam de
maneira inversa com o poder calorfico. Ou seja, quanto maior o teor de cinzas e maior a
umidade, menor o poder calorfico. Logo a parte branca por apresenta menor teor de
-
47
cinzas(1,22%) e menor umidade (10,33%), quando comparada com a frao vermelha, ela
apresentou maior poder calorfico, ou seja, 18,074 MJ/Kg.
Apesar de a parte vermelha apresentar menor teor de cinzas que a casca, o poder
calorfico da parte vermelha foi menor que a da casca. Esse fato pode ser explicado, segundo
Klautau (2008), da mesma maneira que as cinzas, o teor de umidade tambm prejudica o
poder calorfico, causando perda de energia. Como a parte vermelha apresenta um alto teor de
umidade em relao aos outras trs fraes, acredita-se que esse fator tenha contribudo para
diminuir o resultado do poder calorfico para parte vermelha.
6.1.4. Anlise Termogravimtrica
Foram pesadas trs amostras, sendo uma para a casca com 12,01197 mg, outra para a
parte vermelha com 12,52725 mg e outra para a parte branca com 12,30394 mg. Em seguida
foram traada as trs curvas de perda de massa, de acordo com a figura 6.18.
Figura 6.18- Curva termogravimtrica.
Para uma melhor compreenso da interpretao grfica, o grfico foi dividido em 3
faixas e foi comparado com o grfico de Martins (2009), onde ele traou a curva
termogravimtrica, para a fibra do aa, nas mesmas condies realizadas para fraes do
caroo de aa para este trabalho. Alm disso, Martins (2009)fez uma comparao com o gs
sinttico (Ar), como mostra a imagem um da figura 6.19 abaixo.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
10 11 12 13 14
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
Mas
sa (
mg)
Temperatura (C)
Curva Termogravomtrica
Casca
Vermelho
Branco
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48
Figura6.19-1) Curvas Termogravimtricas Martins(2009); 2) Curva termogravimtrica fraes de
aa.
De acordo com Martins (2009), utilizando atmosfera como gs inerte ( ), apresentam
trs faixas de perda de massa. A primeira faixa, que vai por volta de 100C, ocorre o estgio
da secagem. Para a fibra do aa ouve uma perda pequena de 5% de massa nesse primeiro
estgio. Enquanto para casca ouve uma perda de 8,08%, para parte vermelha 1,97% e para
parte branca 3,68%. Entre 100 a 200C quase no houve variao de massa, por isso ele
considera como se fosse uma nica faixa. Entre 230 a 370C ocorre uma forte perda de massa,
onde para fibra houve uma perda de 65%. Isso se dar devido decomposio da hemicelulose
e a quebra das ligaes de celulose. J para o caroo de aa fracionado, levando em conta a
mesma faixa de temperatura, para a casca houve uma perda de massa de 46,54%, para a parte
vermelha uma perda de 55,89% e para a parte branca 57,78%. Por fim a 370C, ocorre a
decomposio final de lignina e celulose. De resduo houve 31,16% para casca, 26,85% para a
parte vermelha e 25,30% para a parte branca. A anlise termogravimtrica no foi ligada ao
trabalho de simulao devido, a complexidade e a falta de tempo para implementar no cdigo
Cunha (2010).
Caso a atmosfera, utilizada fosse gs sinttico, a diferena seria que existiria mais uma
faixa de perda de massa a ser considerada. De acordo com Benedito (2012), a primeira curva
de perda de massa, geralmente dada do inicio por volta de 25C at 110C Essa perda de
massa dada devido ao estgio da secagem. Entre 110 at 330C, ocorre uma perda de massa,
onde parte devido combusto da biomassa e parte devido matria orgnica voltil e
hidrocarbonetos leves. Nesse estgio ocorre a degradao da hemicelulose. Entre 330 at
610C, ocorre uma nova perda de massa parte devido combusto e a outra parte devido
-
49
matria orgnico voltil e hidrocarbonetos pesado. Ocorre tambm a degradao da celulose e
lignina. A partir de 610 C ocorre a formao de resduo.
-
50
7. PROCEDIMENTOS PARA SIMULAO
O cdigo de simulao utilizado neste trabalho o mesmo apresentado em Cunha
(2010). A nica alterao foi geometria e a malha da amostra de biomassa. No trabalho
de Cunha (2010) a mostra era cilindra e no presente trabalho a amostra esfrica. O
tamanho externo do domnio o mesmo. O cdigo j est validado para o tipo de
simulao que ira ser realizada. No foi realizada qualquer mudana de condio de
contorno, propriedades fsico-qumicas dos gases, por isso, qualquer informao sobre a
simulao recomenda-se acessar o trabalho de Cunha (2010). O presente autor foi apenas
usurio do cdigo.
7.1. CARACTERIZAO DA SIMULAO
A geometria da biomassa simulada foi definida considerando o caroo de aa como
uma esfera. A biomassa foi colocada suspensa dentro de um reator, onde o gs inserido a
alta temperatura. O gs de pirlise o nitrognio puro, ou seja, um gs inerte, para que
garanta que no ir ocorrer a combusto dentro do reator de pirlise. A temperatura do gs de
pirlise foi ajustada para 1073K. J a temperatura da parede do reator de pirlise foi
determinada 1276 K,de acordo com Hong Lu (2006). A geometria foi desenhada em 3D
somente para a apresentao do caso utilizando o software Catia.
Figura 7.1- 1) Biomassa; 2) Reator mais a biomassa; 3) Como o gs se movimenta.
Sero trs tipos de simulaes, sendo uma para biomassa de Cunha (2010), ou seja, a
madeira. Outra simulao considerando o caroo de aa como biomassa, onde ele seria um
slido homogneo. E uma terceira simulao considerando o caroo de aa como um slido
-
51
heterogneo. Neste caso o caroo de aa fracionado em trs partes, sendo a primeira parte a
casca, a segunda parte ser a vermelha do caroo de aa e a terceira parte a parte branca
como mostra a seguir.
Figura 7.2- Fraes do caroo de aa.
O dimetro do caroo de aa, sendo homogneo ou heterogneo, foi considerado o
mesmo de 10 mm. O raio para o caroo de aa homogneo foi considerado de 5mm. J para o
caroo de aa heterogneo, o raio foi dividido igualmente para as fraes. Ou seja, 1,667 mm
para cada parte. Para algumas propriedades do caroo de aa heterogneo foram utilizadas a
funo de interpolao no Matlab.
7.2. CONSTRUO DA MALHA
Para a construo da malha, foi utilizado o software Gambit e Exceed, onde a malha
foi desenhada em 2D. A densidade de malha adequada para bons resultados numricos j
havia sido determinada no trabalho de Cunha (2010), por isso no houve a necessidade de
fazer teste da sensibilidade da malha.
Para a construo da malha foi desenhado um retngulo com dimenses de 0,4 m de
comprimento e 0,1 m de altura. O caroo foi representado por um crculo de raio de 0,005 m.
Essa medida metade do dimetro do caroo de aa, ou seja, o caroo apresenta 10 mm de
dimetro de acordo com a tabela 3.6. O eixo cartesiano tem que ficar no centro do retngulo,
logo ele foi deslocado 0,2m para esquerda de forma que se garanta que tanto o retngulo
quanto o semicrculo estejam realmente na origem do centro cartesiano.
-
52
Figura 7.3-1) Criao do retngulo; 2) Criao do crculo.
A densidade de malha foi definida no menu size function do Gambit.O primeiro
parmetro ajustado foi o start size, responsvel pela definio do tamanho inicial da malha.
Este tamanho foi estimado 10 vezes menor que o raio do caroo, ou seja, 0,0005 m. O
segundo parmetro ajustado foi o grow rate que ajusta o fator de crescimento da malha.
Para esse caso foi estimado um crescimento de 10%. O ultimo parmetro ajustado foi o
maxsize, que limita o tamanho mximo dos elementos. Foi estimado exatamente o valor do
raio do caroo, que 0,005m. Foi definido tambm, que o retngulo seria onde passaria o
fluido e o semicrculo biomassa representada por uma estrutura porosa. Por fim foi definido
como passaria o fluido dentro do retngulo. Para isso foi definido que a altura do lado
esquerdo seria onde entra o fluido. A altura do lado direito a sado do fluido. A parte de cima
seria a parede do reator de pirlise. E a parte de baixo seria o eixo. Isso foi definido de acordo
com o trabalho de Hong Lu (2006). Por fim, foi gerada a malha e exportado para o matlab
onde foram simulados os casos.
Figura 7.4- Interface do Gambit: Malha construda.
-
53
A malha j no Matlab apresentada na Fig. 7.4.
Figura 7.5-Malha no Matlab (regio prxima do caroo).
7.3. LEVANTAMENTO DE TODAS AS PROPRIEDADES DO CAROO DE AAI
NECESSARIAS PARA SIMULAO.
Atravs das equaes levantadas no captulo 4 e da parte experimental realizadas no
captulo 5, foram construdas trs tabelas com todas as propriedades para o caroo de aa
homogneo, heterogneo e para madeira.
Tabela 7.1- Anlise Elementar Biomassa e Caroo de Aa.
Elementos Madeira (%) Caroo de Aa (%) Mtodo
C 82,4 46,204 Cunha (2010)/Tabela
3.1
H 5,9 6,934 Cunha (2010)/Tabela
3.1
O 9,5 38,464 Cunha (2010)/Tabela
3.1
N 1,3 8,154 Cunha (2010)/Tabela
3.1
S 0,9 0,44 Cunha (2010)/Tabela
3.1
Como no foi feita a anlise