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Type: TESE DIGITAL
Title: Análise cinética da decomposição térmica do resíduo da semente do guaraná (Paullinia cupana) em amosfera oxidante
Title Alternative: Kinetic analysis of thermal decomposition of guarana seed residue (Paullinia cupana) in oxidising atmosphere
Author: Lopes, Fernanda Cristina Rezende, 1987-
Advisor: Tannous, Katia, 1962-
Abstract: Resumo: Este trabalho tem como objetivo avaliar a reação de decomposição térmica do resíduo da semente de guaraná e seus parâmetros cinéticos por meio da técnica de termogravimetria em atmosfera oxidante. Inicialmente, as amostras de diâmetro de 259 µm foram caracterizadas quanto às propriedades física, químicas e térmicas. Como propriedade física foi determinada a massa específica aparente (1325 kg/m³) mediante a técnica de deslocamento de líquido. Como propriedades químicas, foram determinadas a análise elementar, através de um analisador elementar CHN-O obtendo os teores de carbono (41,55%), hidrogênio (6,44%), nitrogênio (1,51%) e oxigênio (45,26%), e também a análise imediata mediante normas padronizadas, obtendo os teores de materiais voláteis (ASTM E872-82), de cinzas (ASTM E1755) e de carbono fixo (diferença entre os componentes) de 79,49%, 5,25% e 15,26%, respectivamente. Como propriedades térmicas, foram determinados o poder calorífico superior (17,13 MJ/kg) obtido mediante bomba calorimétrica isotérmica e o poder calorífico inferior calculado através do PCS experimental (15,61 MJ/kg) assim como pela equação de Mendeleev (15,79 MJ/kg). A avaliação da decomposição térmica foi realizada através de três passos. No primeiro passo, as amostras foram submetidas a análise termogravimétrica aplicando taxas de aquecimento de 5 °C/min, 10 °C/min e 15 °C/min. As curvas termogravimétricas normalizadas (TG) e suas derivadas (DTG) mostraram que a decomposição da biomassa ocorreu em três etapas: liberação de umidade (25-160 °C), pirólise oxidativa (240-370 °C) e combustão (350-650 °C). A fim de complementar as características da decomposição térmicas da biomassa também foram determinadas as temperaturas de pico (318-338 °C), de ignição (284-330 °C) e de burnout (565-660 °C). No segundo passo, foram estimados os parâmetros cinéticos da reação de decomposição da biomassa. Inicialmente, as energias de ativação foram estimadas através dos métodos isoconversionais de Friedman, Ozawa-Flynn-Wall, Coats-Redfern modificado e Vyazovkin obtendo faixas de 98-184 kJ/mol e 54-155 kJ/mol para as etapas de pirólise oxidativa e de combustão, respectivamente. A partir da evolução da energia de ativação em função da conversão obtida através dos métodos isoconversionais, observou-se que a etapa de pirólise oxidativa apresentou melhor ajuste do que a etapa de combustão, caracterizada pela presença de múltiplas reações e efeitos da transferência de massa e calor. Em seguida, considerando as médias das energias de ativação obtidas pelo método de Vyazovkin para as duas etapas consideradas, foram aplicados o método das Master plots e a linearização da taxa de conversão em função do inverso da temperatura absoluta. Assim, definiram-se as funções de conversão de reação de primeira ordem e de difusão tridimensional, os fatores pré-exponenciais (6,97 x 1010 s-1 e 91,53 s-1) e as energias de ativação (49,57 kJ/mol e 85,92 kJ/mol), respectivamente. Finalmente, o terceiro passo consistiu na avaliação dos parâmetros cinéticos através da validação das curvas de conversão em função da temperatura, na qual foi observada concordância entre os dados teóricos e experimentais com desvios relativos menores que 2% e 3% para as etapas de pirólise oxidativa e de combustão, respectivamente

Abstract: This work aims to evaluate the reaction of thermal decomposition of guarana seed residue and its kinetic parameters by thermogravimetric technique under oxidizing atmosphere. Initially, the samples of 259 ?m were characterized by physical, chemical and thermal properties. Concerning the physical property was determined the apparent density (1325 kg/m³) by liquid displacement technique. For chemical properties the ultimate analysis using an elemental analyzer CHN-O, carbon (41.55 %), hydrogen (6.44 %), nitrogen (1.51 %) and oxygen (45.26 %) contents, and also the proximate analysis using standard test method, reaching volatile material (ASTM E872-82), ash (ASTM E1755) and fixed carbon (by difference between components) contents quantified of 79.49%, 5.25%, and 15.26%, respectively, were determined. From thermal properties, the higher heating value (17.13 MJ/kg) was obtained by an isothermal calorimetric bomb and the lower heating value was calculated by the experimental PCS (15.61 MJ/kg) as well as by Mendeleev equation (15.79 MJ/kg). The evaluation of the thermal decomposition kinetics was realized through three steps. In the first step, the samples were submitted to the thermogravimetric analysis applying heating rates of 5 °C/min, 10 °C/min, and 15 °C/min. The thermogravimetry (TG) and their derivatives (DTG) normalized curves showed that the biomass decomposition occurred in three stages: moisture release (25-160 ° C), oxidative pyrolysis (240-370 °C), and combustion (350-650 °C). In order to complement the thermal decomposition characteristics of the biomass, it also determined the temperatures of peak (318-338 °C), ignition (284-330 °C) and burnout (565-660 °C). In the second step, the kinetic parameters of biomass decomposition reaction were estimated. Initially, the activation energies were estimated through isoconversional methods of Friedman, Ozawa-Flynn-Wall, modified Coats-Redfern and Vyazovkin ranging from 98-184 kJ/mol and 54-155 kJ/mol for oxidative pyrolysis and combustion stages, respectively. From evolution of activation energy as a function of conversion obtained through isoconversional methods, it was observed that the oxidative pyrolysis stage showed better fit than the combustion stage, which it was characterized by the presence of multiple reactions and the effects of mass and heat transfers. After that, considering the average of activation energies obtained by Vyazovkin method for the two considered stages, the Master plots method and linearization as a function of inverse of the absolute temperature were applied. Thereby, the reaction mechanisms of first order and three-dimensional diffusion, the pre-exponential factors (6.97 x 1010s-1 and 91.53 s-1), and the activation energies (149.57 kJ/mol and 85.92 kJ/mol), respectively, were determined. Finally, the third step was evaluated the quality of fit of the kinetic parameters by validating the conversion curves as a function of temperature, which was observed good agreement between theoretical and experimental data with relative deviations lower than 2 % and 3 % for oxidative and combustion stages, respectively
Subject: Biomassa
Cinética
Combustão
Termogravimetria
Editor: [s.n.]
Date Issue: 2016
Appears in Collections:FEQ - Dissertação e Tese

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