i

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

ii

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.

iii

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

iv

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.

v

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.

vi

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.

.

vii

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

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

ix

8.4. CAMPOS DE TEMPERATURA .............................................................................. 64

8.5. CAMPOS DE POROSIDADE .................................................................................. 67

9. CONCLUSO E RECOMENDAES .......................................................................... 70

10. REFERNCIA BIBLIOGRFICA ............................................................................... 71

x

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

xi

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

xii

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

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).

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

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.

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.

5

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.

6

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

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)

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.

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.

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%.

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.

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

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.

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.

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.

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

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