Orientador: Katia Tannous

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química

Resumo: Este trabalho objetiva caracterizar o comportamento fluidodinâmico da mistura binária da biomassa palha de milho e inerte (areia), a fim de investigar sua aplicabilidade em processos que utilizam leitos fluidizados gasosos. Os materiais sólidos foram caracterizados mediante as propriedades...

Resumo: Este trabalho objetiva caracterizar o comportamento fluidodinâmico da mistura binária da biomassa palha de milho e inerte (areia), a fim de investigar sua aplicabilidade em processos que utilizam leitos fluidizados gasosos. Os materiais sólidos foram caracterizados mediante as propriedades físicas como diâmetro médio de Sauter por peneiramento, esfericidade pela análise de imagens das partículas usando software APOGEO e massa específica aparente via porosimetria de mercúrio. Para a palha de milho, foram obtidos diâmetros médios de 0,253 mm, 0,496 mm e 0,962 mm, esfericidade entre 0,18 e 0,32 e massa específica aparente de 936 kg/m³. A areia utilizada foi de diâmetro médio de 0,335 mm, esfericidade de 0,85 e massa específica de 2636 kg/m³. Os experimentos de fluidodinâmica foram realizados em uma coluna de acrílico alimentada com ar comprimido e em temperatura ambiente. As misturas estudadas foram baseadas em cinco razões de frações mássicas entre biomassa e areia, de 2,5 m-%, 5,0 m-%, 7,5 m-%, 10,0 m-% e 12,5 m-% e três razões de diâmetro entre os materiais (0,76, 1,48 e 2,87). Os ensaios fluidodinâmicos permitiram a determinação das velocidades características de fluidização inicial (Ufi), aparente (Ufa), de segregação (US) e completa (Ufc), além das porosidades aparente (?fa) e completa (?fc) do leito. Os métodos utilizados para a identificação destes parâmetros foram: queda de pressão total, desvio padrão das flutuações de pressão, expansão do leito, inspeção das flutuações de pressão e espectro de potência. As velocidades, em geral, aumentaram com o aumento da razão de diâmetro e razão de fração mássica entre as partículas, sendo a variação mais expressiva (maiores que 100%) com o aumento da primeira variável, principalmente entre as razões de diâmetro 0,76 e 1,48. A porosidade aparente do leito também aumentou com as mesmas razões, mas neste caso, a razão de fração mássica teve influência mais expressiva (aumento entre 24,5% e 37,0%) do que a razão de diâmetro (máximo de 21,5%). A porosidade completa apresentou menor influência de ambas as variáveis fluidodinâmicas, com um aumento máximo de 15%. Os comportamentos de fluidização observados foram leito fixo, segregação total, segregação parcial e mistura completa, na qual se verificou intermitência entre borbulhamento e empistonamento. As velocidades características identificadas experimentalmente foram comparadas através de valores teóricos mediante correlações da literatura. Ufa teve erro relativo médio absoluto entre 22,12% e 30,61% considerando correlações de misturas de partículas, enquanto este mesmo erro foi entre 23,97% e 696,55% utilizando correlações de misturas de biomassa e inerte. A Ufc apresentou erro relativo médio absoluto entre 38,96 % e 146,6%, Ufi entre 21,55% e 31,0% e US de 25,81%, considerando uma única correlação encontrada para esta velocidade. Por fim, novas correlações empíricas foram propostas para possibilitar o cálculo destas velocidades características considerando os dados experimentais desta dissertação e da literatura. As correlações apresentaram boa concordância, com erros relativos menores que 30,1%, o que é comparável com outras correlações da literatura

Abstract: This research aims to characterize the fluid dynamics behavior of corn straw biomass with an inert (sand) in order to investigate its applicability in gaseous fluidized bed processes. Initially, several material characteristics were determined such as Sauter mean diameter by granulometric...

Abstract: This research aims to characterize the fluid dynamics behavior of corn straw biomass with an inert (sand) in order to investigate its applicability in gaseous fluidized bed processes. Initially, several material characteristics were determined such as Sauter mean diameter by granulometric distribution, sphericity by particle image analysis using APOGEO software and particle density by mercury porosimetry. The corn straw mean diameter were 0.253 mm, 0.796 mm and 0.983 mm; sphericity between 0.19 and 0.32 and particle density of 936 kg/m³. The sand mean diameter was 0.335 mm, sphericity of 0.85 and particle density of 2636 km/m³. The fluid dynamic study was executed in an acrylic column fed with compressed air at room temperature. The binary mixtures had mass fraction ratio between biomass and inert of 2.5 w-%, 5.0 w-%, 7.5 w-%, 10.0 w-% and 12.5 w-% and diameter ratio between particles of 0.76, 1.48 and 2.87. The initial (Uif), apparent (Uaf), of segregation (Us) and complete (Ucf) velocities were obtained by mean pressure drop, standard deviation of pressure fluctuations, bed expansion, pressure fluctuations inspection and power spectral methods. In general, the characteristic velocities increased with the increase of the diameter and mass fraction ratio between materials, however, a more expressive variation was observed for the first ratio, specially between 0.76 and 1.48 with increase higher than 100% for all the velocities. The apparent bed porosity (?fa) also enhanced with the increase of diameter and mass fraction ratios, nevertheless, the mass ratio was more expressive (increase between 24.5% and 37.0%) than the diameter ratio (21.5% maximum). The complete bed porosity (?fc) showed low influence of particle characteristics with a maximum increase of 15.0%. The fluid dynamic behaviors observed were fixed bed, total segregation, partial segregation and complete mixture, in which bubbling and slugging intermittence were verified. The empirical characteristic velocities were compared with theorical values calculated from literature correlations. Uaf presented an absolute mean relative error between 22.12% and 30.61% considering inert particle mixtures correlations, and between 23.97% and 696.55% for biomass and inert mixtures correlations. Ucf showed absolute mean relative error between 38.96 and 146.6%, Uif between 21.55% and 31.0% and Us of 25.81%. Therefore, new empirical correlations were proposed in order to calculate the characteristic velocities in otherwise situations than experimental, taking into consideration the empirical data from this work and from literature. The new correlations were in good agreement with data presenting relative errors lesser than 30,1% which is comparable with other correlations

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