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Type: TESE DIGITAL
Title: Estudo da cinética e entalpia de reação de decomposição térmica da cana-energia Saccharum spontaneum Linnaeus
Title Alternative: Study of the reaction kinetics and enthalpy of the thermal decomposition of energy cane Saccharum spontaneum Linnaeus
Author: Guiffo Cardona, Laura Marcela, 1990-
Advisor: Tannous, Katia, 1962-
Abstract: Resumo: Este trabalho tem por objetivo avaliar a cinética de secagem e de reação da cana-energia Saccharum spontaneum Linnaeus, bem com a entalpia da reação do processo de pirólise. A pesquisa foi dividida em duas etapas. Na primeira etapa, estudou-se a secagem isotérmica da cana-energia como um pré-tratamento do material. Os experimentos de secagem foram conduzidos em estufa de convecção forçada utilizando quatro temperaturas (30 °C, 60 °C, 90 °C e 103 °C) e amostras de cana cortadas na forma cilíndrica (0,01m de diâmetro e 0,05m de comprimento). Parâmetros semi-teóricos foram determinados a fim de descrever a perda de umidade com a temperatura mediante sete modelos, sendo estes: Lewis, Logarítmico, Page, Henderson e Pabis, dois termos, dois termos exponenciais e aproximação da difusão. Os parâmetros da Lei de Arrhenius (energia de ativação e o fator pré-exponencial) foram determinados utilizando dois métodos: três modelos semiteóricos (Lewis, Henderson e Pabis, e Logarítmico) e um modelo teórico (2º Lei de Fick). Os valores obtidos por estes métodos foram: 41,52 kJ/mol ¿ 42,14 kJ/mol e 39,9 kJ/mol para a energia de ativação, e 440,72 - 465,59 s-1 e 2,14×10-3 m2/s para o fator pré-exponencial, respectivamente. As energias de ativação obtidas com os dois métodos apresentaram pouca diferença (6,5 %) o que significa que estes podem ser aplicados para determinação dos parâmetros cinéticos com confiabilidade. Na segunda etapa, analisou-se a cinética de reação de decomposição da biomassa aplicando a técnica analítica de termogravimetria (TG) para taxas de aquecimento de 5°C/min, 10°C/min e 15°C/min, e três diâmetros de partículas (138,2µm, 246,4µm, 501,6µm) usando nitrogênio como gás inerte. O ajuste dos parâmetros cinéticos foi realizado pelo método de reações paralelas e independentes considerando quatro componentes na cana-energia (açúcares, hemicelulose, celulose e lignina). As energias de ativação encontradas foram entre: 94,1 kJ/mol ¿ 104,5 kJ/mol para os açúcares, 100,0 kJ/mol ¿ 116,6 kJ/mol para hemicelulose, 175,3 kJ/mol ¿ 219,0 kJ/mol para celulose e 50,0 kJ/mol ¿ 71,0 kJ/mol para a lignina. Finalmente foi estudada a entalpia da reação de pirólise através da calorimetria exploratória diferencial (DSC) para a condição de 246,4µm e taxas de aquecimento 10°C/min e 20°C/min. A entalpia foi determinada mediante a integração numérica da curva obtida pela diferença entre o fluxo de calor experimental obtido pelo DSC e o fluxo de calor teórico de aquecimento para temperatura entre 25 ¿ 150ºC e 150 ¿ 580ºC para as taxas de aquecimento 10 °C/min e 20 °C/min. A entalpia obtida para o estado de vaporização foi de -23,08 kJ/kg e -59,06, e a de reação de decomposição foi de 1108, 39 kJ/kg e 1117,16 kJ/kg, respectivamente

Abstract: This work aims to assess the drying kinetics and drying reactions of the energy cane Saccharum spontaneum Linnaeus, as well as the reaction enthalpy in the best kinetic conditions. This research was divided in two stages. In the first stage was studied the isothermal drying of the energy cane as a pretreatment of the material. The drying experiments were conducted on an forced air oven using four temperatures (30 °C, 60 °C, 90 °C e 103 °C) and samples of cane cylindrically shaped (diameter 0.01m and length 0.05m). There were determined semi-theoretical parameters to describe the moisture loss curves; seven models were used: Lewis, logarithmic, Page, Henderson and Pabis, two terms, two exponential terms and diffusion approach. The parameters of the Arrhenius law (activation energy and pre-exponential factor) were determined using two methods: Three semi-theoretical models (Lewis, Henderson e Pabis, and Logarithmic) and one theoretical model (2º Lei de Fick). The values found applying these methods were: 41.52 kJ/mol ¿ 42.14 kJ/mol and 39.9 kJ/mol for activation energy; 440.72 s-1 ¿ 465.59 s-1 and 2.14×10-3 m2/s for pre- exponential factor, respectively. The activation energies obtained with both methods showed a small difference (6.5%), this means that those methods could be used in order to determine the kinetic parameters with a significant accuracy. In the second stage was analyzed the kinetics of the volatilization reaction of the biomass using thermogravimetry (TG) analytical technique for heating rates of 5 °C/min, 10 °C/min, and 15 °C/min, and three particle diameters (138.2 µm, 246.4 µm, 501.6 µm) using nitrogen as an inert atmosphere. The adjustment of the kinetic parameters was done with the independent parallel reactions method considering four components of energy-cane (sugars, hemicellulose, cellulose, and lignin).The activation energies were found between: 94.1 kJ/mol ¿ 104.5 kJ/mol for sugars, 100.0 kJ/mol ¿ 116.6 kJ/mol for hemicellulose, 175.3 kJ/mol ¿ 219.0 kJ/mol for cellulose, and 50.0 kJ/mol ¿ 71.0 kJ/mol for lignin. Finally, the reaction enthalpy of pyrolysis was determined by differential scanning calorimetry (DSC) for 246.4 µm and heating rates of 10 °C/min and 20 °C/min. The enthalpies were performed through numerical integration of the curve obtained by the difference between the heat flow obtained by the technique DSC and the heat flow of theoretical heating for temperatures between 25°C ¿ 150°C and 150°C ¿ 580 °C. The enthalpies obtained in the vaporization process and in the decomposition reaction concerning to 10ºC/min and 20C/min were: -23.08kJ/kg ¿ -59.06 kJ/kg, and 1108.39 kJ/kg ¿ 1117.16 kJ/kg, respectively
Subject: Cinética
Energia
Entalpia
Modelagem matemática
Editor: [s.n.]
Date Issue: 2015
Appears in Collections:FEQ - Dissertação e Tese

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