Orientador: Katia Tannous

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

Resumo: Este estudo tem como objetivo determinar os parâmetros cinéticos da reação de pirólise da cana-de-açúcar IACSP95-5000 mediante o uso de termogravimetria, a fim de avaliar a potencial aplicação em processos de conversão térmica. A variedade híbrida in natura foi cultivada no Departamento de...

Resumo: Este estudo tem como objetivo determinar os parâmetros cinéticos da reação de pirólise da cana-de-açúcar IACSP95-5000 mediante o uso de termogravimetria, a fim de avaliar a potencial aplicação em processos de conversão térmica. A variedade híbrida in natura foi cultivada no Departamento de Biologia da UNICAMP, moída em moinho de facas e seca a 103 ºC por 24 horas. O material foi submetido ao peneiramento obtendo diâmetro de partículas entre 210-297 ?m. As análises termogravimétricas foram realizadas empregando-se quatro taxas de aquecimento (5, 10, 15 e 20 ºC/min) em atmosfera de nitrogênio. A análise das curvas de TG/DTG permitiu avaliar seis faixas de temperatura: 150-400 °C, 170-440 °C, 180-380 °C, 180-400 °C, 180-420 °C e 190-430 °C a fim de obter a que melhor representasse a pirólise. Considerando modelo de reação global, a energia de ativação foi obtida pelos métodos isoconversionais de Friedman (1964), Ozawa-Flynn-Wall (1965, 1966), Coats-Redfern Modificado (1991) e avançado de Vyazovkin (1997). A faixa de pirólise selecionada foi de 180-420 ºC e conversão entre 0,05 a 0,90, obtendo as seguintes energias de ativação médias: 163,72, 160,33, 159,17 e 159,87 kJ/mol, para cada um dos métodos, respectivamente. As Master Plots mais representativas para o mecanismo de decomposição da biomassa foram dadas por funções de conversão de ordem n, considerando a energia média do método de Vyazovkin. No entanto, o modelo de reação de 6ª ordem (F6), considerando a faixa de conversão de 0,05 a 0,75 para a última faixa de temperatura selecionada, representou o menor desvio médio e foi aplicado para a simulação do passo único. Em seguida, o método de linearização foi utilizado para validar as energias de ativação obtidas pelos métodos isoconversionais (135,76 kJ/mol) e para obtenção do fator pré-exponencial (2,53.1011 1/s). Esses parâmetros cinéticos foram utilizados para simular a conversão e a taxa de conversão teóricas aplicando o modelo de passo único, no qual apresentou desvios médios de 8,93-9,99% e 20,75-21,89%, respectivamente, entre as taxas de aquecimento. Assim, o esquema de reação paralelas e independentes foi aplicado considerando a faixa de temperatura de 150-900 ºC. Os parâmetros obtidos para os quatro principais componentes (extrativos, hemicelulose, celulose e lignina), foram: energia de ativação de 131,00-133,73, 102,90-103,90, 174,00-174,10 e 61,90-68,24 kJ/mol; fator pré-exponencial de 1,68.1011-6,17.1011,1,75.107-2,39.107, 1,62.1012-2,05.1012 e 71,00-200,00 1/s, ordem de reação de 1,00-1,50 e frações de decomposição de 0,17-0,33, respectivamente, para as quatro taxas de aquecimento. Os desvios médios da conversão e das taxas conversão entre teórico e experimental foram de 3,55-4,82% e 4,41-4,72%, respectivamente, validando o Esquema de Reações Paralelas e Independentes (ERPI). Estes resultados permitiram maior adequação à esse modelo e mostraram a possibilidade de uso do híbrido para produção de energia, depois da remoção de extrativos, a fim de maximizar a recuperação de resíduos, contribuindo com a sustentabilidade

Abstract: This study aims to determine the kinetic parameters of the pyrolysis reaction of the sugarcane IACSP95-5000 using thermogravimetry in order to evaluate the potential application in thermal processes. The raw material was cultivated in the Department of Biology of UNICAMP, ground in a knife...

Abstract: This study aims to determine the kinetic parameters of the pyrolysis reaction of the sugarcane IACSP95-5000 using thermogravimetry in order to evaluate the potential application in thermal processes. The raw material was cultivated in the Department of Biology of UNICAMP, ground in a knife mill and dried at 103ºC for 24 hours. After sieving, the particle diameter between 210-297 ?m was selected. The thermogravimetric analyses were carried out using four heating rates (5, 10, 15 and 20º C/min) in a nitrogen atmosphere. TG and DTG curve analysis allowed evaluating six temperature ranges: 150-400 °C, 170-440 °C, 180-380 °C, 180-400 °C, 180-420 °C and 190-430 °C in order to obtain the pyrolysis representation. Considering the single-step reaction model, the activation energy was obtained through the following isoconversional methods: Friedman (1964), Ozawa-Flynn-Wall (1965, 1966), Modified Coats-Redfern (1991) and Vyazovkin (1997). The best temperature range was 180-420 ºC and conversion range between 0.05 to 0.90 obtaining apparent activation energies of 163.72, 160.33, 159.17 and 159.87 kJ/mol for each one of the methods, respectively. The most representative biomass decomposition model from Master Plots method was described by the n-order reaction models considering the mean activation energy of the Vyazovkin method. However, the 6th order reaction model (F6), considering the conversion range of 0.05 to 0.75 for the latter temperature range chosen, represented the lowest average deviation and it was applied for the single step simulation. In the sequence, the linearization method was used to validate the activation energy (135.76 kJ/mol) obtained by the isoconversional methods and for obtaining the pre-exponential factor (2.53*1011 1/s). These kinetic parameters were used to simulate the theoretical conversion and the conversion rates applying the single-step model, which presented an average deviation of 8.93-9.99% and 20.75-21.89%, respectively, between the heating rates. Thus, the independent parallel reaction scheme was applied considering the temperature range of 150-900 °C. The parameters obtained for the four main components (extractives, hemicellulose, cellulose and lignin) were: activation energy of 131.00-133.73, 102.90-103.90, 174.00-174.10 and 61.90-68.24 kJ/mol; pre-exponential factor of 1.68.1011-6.17.1011, 1.75.107-2.39.107, 1.62.1012-2.05.1012 and 71.00-200.00 1/s, reaction order of 1.00-1.50, and decomposition fractions of 0.17-0.33, respectively, for the four heating rates. The average deviation of the conversion and conversion rates between theoretical and experimental were 3.55-4.82% and 4.41-4.72%, respectively validating the independent parallel reactions scheme (IPRS). These results allowed better adequacy to this model and illustrated the possibility to use the hybrid for energy production, after extractives removal, in order to maximize waste recovery contributing with sustainability

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