Análise da fluidodinâmica do prato perfurado de uma unidade piloto de destilação

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2009O processo de destilação é amplamente utilizado em refinarias de petróleo porém, a maioria dos estudos que envolvem colunas de destilação estão fundamentados por modelos macroscópicos de conservação de massa e de energia, como por exemplo, os modelos de estágios de equilíbrio e não equilíbrio, nos quais os aspectos fluidodinâmicos do escoamento são restritos e orientados a medição de parâmetros macroscópicos. Neste trabalho é estudada a habilidade da fluidodinâmica computacional em modelar a complexa hidrodinâmica de pratos perfurados em colunas de destilação, afim de analisar o processo com uma abordagem microscópica. Para tanto objetiva-se a proposição de um modelo microscópico de conservação de quantidade de movimento, em condições de escoamento turbulento sob a influência da fase vapor, para representar a fluidodinâmica do escoamento líquido-vapor em prato perfurado de uma unidade piloto de destilação, com validação através da correlação experimental de Bennett et. al., (1983), e então analisar qual a influência, que as resistências utilizadas para controle com aquecimento distribuído da unidade piloto de destilação que estão sobre as superfícies dos pratos, tem sobre a fluidodinâmica do escoamento, além de um estudo sobre os fenômenos de transferência de calor e massa para uma mistura binária de etanol e água. A metodologia numérica consistiu em iniciar com o estudo de escoamento monofásico, passado para o multifásico em um prato perfurado, utilizando-se um modelo homogêneo e tridimensional. Após a validação deste modelo a partir da correlação experimental de Bennett et. al., (1983), estudou-se a influência que as resistências tem na sua hidrodinâmica, além de estudar os fenômenos de transferência de calor e massa para a mistura binária. Na análise dos resultados obtidos concluiu-se primeiramente que o modelo homogêneo, tridimensional, multifásico apresenta uma boa concordância com a correlação experimental de Bennett et. al., (1983), além de observar-se a ocorrência de diferentes padrões de escoamento na superfície do prato no interior de uma coluna de destilação de acordo com a vazão de vapor e a presença das resistências sobre a superfície dos pratos, sendo o escoamento não uniforme. Além disto, o fluxo de líquido próximo a parede tem uma tendência de retroceder, o que resulta no fenômeno de circulação que ocorre devido ao componente radial de velocidade sofrer um maior impacto do campo de pressão em comparação ao componente axial. Os efeitos de borbulhamento provocados pela fase vapor aumentam a energia cinética turbulenta do líquido fluindo horizontalmente. Também observou-se que a presença das resistências sobre a superfície do prato influenciam nos padrões de fluxo sobre o mesmo

Modelagem matemática e análise fluidodinâmica do processo de destilação por filme líquido descendente

Tese (Doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2013.No mercado atual, competitivo e globalizado, é importante agregar rentabilidade às unidades de negócios através do desenvolvimento de soluções tecnológicas diferenciadas. Neste sentido, a adequação da produção de derivados de petróleo extraído deve ser realizada de maneira competitiva, com a integração e a otimização de toda a cadeia produtiva. Dentre as formas para alcançar estes objetivos destacam-se a redução do custo de fracionamento e o desenvolvimento de novas concepções de equipamentos. Estes dois fatores podem ser obtidos quando implementada uma maneira alternativa de troca de calor e massa entre as fases em um processo de destilação, que permita a redução do consumo energético e aumente a eficiência de separação. Desta maneira a destilação por filme líquido é uma opção para otimizar a transferência de calor e massa devido a grande área de contanto. As principais dificuldades para este processo são a seleção e localização adequada do sistema de distribuição de alimentação, os limites das vazões de alimentação para maximizar a transferência de calor e massa, o layout do tubo de destilação para escoamento das fases líquida e vapor, além da modelagem para estudar a capacidade de separação do processo e sua viabilidade. O objetivo deste trabalho foi o estudo fluidodinâmico e avaliação da eficiência do sistema de distribuição de alimentação (SDA) sobre o processo de destilação por filme líquido descendente. Com posterior avaliação da eficiência deste sobre o processo de destilação com dois perfis de temperatura distintos, isotérmico e não isotérmico, na superfície de evaporação utilizando-se fluidodinâmica computacional (CFD). A técnica de CFD é uma importante e poderosa ferramenta para pesquisa e desenvolvimento de processos de engenharia. Neste trabalho utilizou-se um modelo tridimensional de colunas de destilação por filme líquido. O trabalho foi dividido em três partes: desenvolvimento e estudo de refino da malha numérica visando diminuir os efeitos de difusão numérica para obtenção de resultados mais acurados com menor tempo e custo computacional, análise do escoamento e avaliação do SDA desenvolvido na formação e manutenção do filme líquido descendente sobre a superfície de evaporação (CFD e experimental) e validação dos modelos propostos para avaliação da eficiência do DAS sobre a capacidade de separação da unidade de destilação por filme líquido descendente utilizando-se dois perfis de temperatura. As simulações foram realizadas considerando escoamento multifásico, modelo de turbulência Shear Stress Transport (SST) e esquema de interpolação upwind. Os resultados obtidos demonstram a eficiência e viabilidade de utilização do SDA desenvolvido sobre a capacidade de separação da unidade de destilação por filme líquido descendente. O modelo tridimensional proposto foi capaz de prever os resultados de separação da unidade com erro relativo máximo de 10%. In the current, competitive and globalized market, it is important to aggregate profitability to business units by developing new and different technological solutions. In this sense, the adequacy of manufacturing of products deriving from petroleum extracted must be carried out in a competitive way, with the integration and optimization of the whole production chain. Among the ways to reach these goals it is possible to highlight the fractioning cost reduction and the development of new conceptions of equipments. These two factors can be obtained when a new way of heat and mass exchange is implemented between the stages of a distillation process, which allows the reduction of energetic consummation and increases the separation efficiency. In this way, the distillation through liquid film is an option in order to optimize heat and mass transference due to its great area of contact. The main difficulties for this process are the adequate sealing and location of the feeding distribution system, the limits of the feeding flow rate in order to maximize the heat and mass transference, the layout of the distillation tube for the flowing of the liquid and vapor stages, besides modeling, in order to study the separation capacity of the process and its viability. Therefore, this paper aims to design and build a distillation system by descending liquid film, with posterior evaluation of its efficiency on the distillation process with two distinct temperature profiles, isothermal and non-isothermal one, on the evaporation surface by using computational fluid dynamics (CFD). The CFD technique is an important and powerful tool for research and development of the engineering process. In this paper a tridimensional model of distillation columns through liquid film was used. The paper was divided into three parts: development and study of the refine of the numerical grid, aiming to decrease the effects of numeric diffusion in order to obtain more accurate results in a shorter time and computational effort, analysis of flowing and evaluation of SDA developed on the formation and maintenance of the descending liquid film on the evaporation surface (CFD and experimental) and validation of the models proposed for evaluating the SDA efficiency on the separation capacity of the distillation unit through descending liquid film, by using two temperature profiles. The simulations were carried out considering the multiphase flowing, turbulence model Shear Stress Transport (SST) and upwind interpolation scheme. The results obtained show the efficiency and viability of using SDA developed on the capacity of separation of the distillation unit through descending liquid film. The tridimensional model proposed was able to predict the results of the separation of the distillation unit with relative error of 10% maximum

Energia sustentável na agroindústria: avaliação, homologação e funcionamento de um sistema de energia solar fotovoltaica na geração distribuída do Paraná / Sustainable energy in agroindustry: evaluation, homologation and operation of a photovoltaic solar energy system in distributed generation of Paraná

A energia é um dos pilares fundamentais de todos os setores da sociedade contemporânea. No entanto, os impactos ambientais relacionados às fontes de energia não renováveis têm afetado diretamente o planeta e sua população. Assim, a conversão fotovoltaica da energia solar se generalizou devido aos avanços tecnológicos. Nesse contexto, é cada vez maior o interesse em instalar sistemas de maior porte em indústrias da região Noroeste do Paraná, com o objetivo de economizar energia elétrica e aumentar a sustentabilidade de suas empresas. Assim, este trabalho é um estudo de caso do processo de implantação de um sistema de energia solar fotovoltaico aplicado em uma indústria de laticínios da Geração Distribuída brasileira no porte da Minigeração, com potência instalada de 100 KW. A pesquisa foi exploratória e descritiva, baseada em observações e experiências. A pesquisa se mostra importante a fim de elucidar os aspectos técnicos da Minigeração Distribuída vigentes no Brasil, expondo seu processo de aprovação de projetos

AVALIAÇÃO DA PRODUÇÃO DE BIOGÁS ATRAVÉS DE BIODIGESTÃO ANAERÓBIA EM DIFERENTES RAZÕES INÓCULO/SUBSTRATO DE BIOPLÁSTICO COMERCIAL POLI (Β-HIDROXIBUTIRATO) (PHB).......................

A crescente preocupação com o meio ambiente nas últimas décadas vem mobilizando vários pesquisadores pelo mundo a buscar soluções para os problemas causados pela ação humana. A utilização de polímeros biodegradáveis proveniente de fontes renováveis vem ganhando destaque pela possibilidade de substituir quase que a totalidade dos polímeros de fontes fosseis. O presente trabalho visa avaliar o processo de degradação e potencial produção de biogás do polímero PHB através do processo de biodigestão anaeróbia com operação em modo batelada. Durante o processo os parâmetros avaliados foram: pH, AV, AT, ST, SV e a composição do biogás produzido. Os resultados obtidos demonstraram que o PHB pode ser utilizado para a produção de embalagens devido a ser altamente biodegradável e produzir uma grande quantidade de biogás.

COMPARATIVO DE CUSTOS DA ALTERAÇÃO DE UM SISTEMA FOTOVOLTAICO ISOLADO PARA FOTOVOLTAICO INTERLIGADO À REDE DA CONCESSIONÁRIA – ESTUDO DE CASO

A energia elétrica pode ser gerada da conversão direta da radiação solar através de placas produzidas com materiais fotossensíveis, que possuem a característica de conversão de energia solar em energia elétrica através do efeito fotovoltaico. Parte da iluminação externa do Setor Palotina, da Universidade Federal do Paraná, é fornecida por sistemas fotovoltaicos isolados (SFI’s). Os atuais sistemas apresentam funcionamento insatisfatório e altos custos de manutenção, por esses motivos foi elaborado este estudo de caso, para analisar a viabilidade econômica e técnica de se alterar os atuais SFI’s em um sistema fotovoltaico conectado à rede (SFCR). Foram levantados os custos para a alteração dos SFI’s em SFCR, assim como a manutenção dos dois sistemas. Com os resultados obtidos, foi possível fazer uma análise dos custos unitários da energia elétrica gerada pelos dois sistemas de energia fotovoltaica e compará-los com as tarifas da energia da concessionária. Como resultado, verificou-se que a substituição dos atuais SFI’s em SFCR é tecnicamente possível e as estimativas apontam retorno de investimento em 9 anos. Caso a instituição não invista na transformação acima apontada, desconectar as luminárias dos atuais SFI’s e conectá-las na rede elétrica da concessionária, também se apresentou como uma alternativa mais econômica aos cofres públicos

Produção de biodiesel a partir da transeterificação de óleos residuais

Os bicombustíveis apresentam-se como uma das alternativas renováveis para substituição dos combustíveis derivados do petróleo. Considerando que o modelo atual de combustíveis apresenta sinais de esgotamento e efeitos prejudiciais ao meio ambiente, o presente trabalho tem como objetivo apresentar o biodiesel como alternativa energética, utilizando como matéria-prima os resíduos de óleos vegetais, que foram coletados seletivamente no município de Palotina com a colaboração de estabelecimentos comerciais. Com o intuito de observar as alterações das suas propriedades químicas e físicas do óleo utilizado e do biodiesel produzido, foram analisados 6 amostras mensais avaliando-se viscosidade, pH e índice de acidez. Os resultados obtidos na análise da viscosidade não puderam ser comparados à normatização da ANP devido a viscosidade medida ser a cinemática, sendo preciso ser dinâmica. O pH manteve-se entre 6,0 e 7,0 e o índice de acidez do biodiesel esteve entre 0,1 a 0,5 g de NaOH, onde se comparou com as especificações nacionais do biodiesel obtendo como resultado uma avaliação dentro dos padrões normativos no emprego de óleos residuais para produção de biodiesel

AVALIAÇÃO DA PRODUÇÃO DE BIOGÁS POR DIGESTÃO ANAERÓBIA DE BIOPOLÍMERO DE AMIDO DE BATATA

As energias renováveis são conhecidas mundialmente por mitigarem os impactos ambientais causados pelo uso intensivo dos combustíveis fósseis. Dentre as diversas fontes renováveis a biomassa tem apresentado grande destaque pela diversificação em sua obtenção. Uma fonte de biomassa são os polímeros biodegradáveis, principais substitutos de plásticos sintéticos, produzidos de culturas ricas em carbono como milho, batata e mandioca. O presente trabalho avalia a degradação e o potencial de produção de biogás do biopolímero de amido de batata por digestão anaeróbia em fase mesofílica com os reatores em operação batelada. Foram avaliados parâmetros como: eficiência de remoção de Sólidos Totais Voláteis (STV), Produção Acumulada (PA) de gás e concentração de metano de todos os tratamentos. O tratamento com maior eficiência foi o B7, com adição de 7% de massa de biopolímero de amido de batata por volume de reator, onde os parâmetros de eficiência de STV, PA, concentração de metano no biogás apresentaram valores respectivos de 75,85%, 5629,08 mL e 95,66%. A adição de biopolímero de amido de batata no processo de digestão anaeróbia pode ser vista como uma alternativa, o que antes era considerado um resíduo que causava vários danos ao meio ambiente, pode ser utilizado para geração de um biocombustível, o biogás.

BIODIGESTÃO ANAERÓBIA DE MANIPUEIRA COM ADIÇÃO DE GLICEROL EM FAIXA TERMOFÍLICA

Com a crise e instabilidade de preços do petróleo, houve uma expansão pela busca e desenvolvimento de fontes alternativas de geração de energia não dependentes de combustíveis fosseis, e neste contexto a biodigestão anaeróbia é considerada uma fonte de energia limpa, pois consiste no processo biológico de degradação da matéria orgânica para a geração do biogás. O objetivo do trabalho foi à avaliação do incremento de diferentes cargas de glicerol em resíduos de fecularia visando à eficiência na remoção de sólidos presentes. Os experimentos foram realizados em reatores de bancadas, confeccionados de PVC apresentando uma sazonalidade de batelada, com resíduo líquido de fecularia e adição de glicerol, resíduo este gerado na produção de biodiesel. O experimento que apresentou maior eficiência em remoção de sólidos totais com 75,94 % foi o experimento com adição de 7 % de glicerol

GESTÃO E CONTROLE DE QUALIDADE DA PRODUÇÃO DE BIOETANOL

Por ser um grande produtor de cana-de-açúcar destinada a produção de etanol, o Brasil se insere no mercado internacional na qualidade de exportações do produto. Para isso, o governo vem incentivando o setor de produção para que busquem a certificação de qualidade. O presente trabalho teve por objetivo explorar de maneira prática e objetiva uma abordagem sobre os sistemas de gestão de qualidade, as regulamentações que regem as especificações e os métodos analíticos utilizados para garantir a qualidade do produto da indústria alcooleira. Pela produção de Bioetanol ser inerente a diversas variáveis que interferem em sua qualidade, avalia-se indispensável um controle rigoroso da sua produção e comercialização, para garantir maior confiabilidade ao mercado consumidor seja ele nacional ou internacional. A não conformidade com as exigências previstas por legislação pode gerar problemas de combustão, como a geração de borras, corrosão, redução de eficiência e vida útil do motor

Otimização do processo de destilação em planta piloto para produção de etanol hidratado

A destilação é o processo de separação mais amplamente utilizado nas indústrias, onde a separação de componentes de líquidos miscíveis é feita através da diferença de volatilização de cada um destes. Obtendo as variáveis que proporcionam maior rendimento e menor gasto energético, o objetivo do trabalho é otimizar a produção fixando valores de: tempo necessário para produção de bioetanol dentro da especificação de álcool hidratado; taxa de refluxo; e vazão volumétrica de produto de topo. Seguiu-se um planejamento experimental em que os dados foram configurados a partir da metodologia de Delineamento Composto Central Rotacional. Realizaram-se 17 processos de destilação no sistema descontínuo e em cada um destes houve a alteração das variáveis: razão de refluxo, pressão de vapor do refervedor e porcentagem de álcool na mistura a ser destilada, analisando a influência das variáveis de entrada do processo sobre as variáveis respostas: tempo de start-up, volume de bioetanol produzido, vazão (L.h-1) de bioetanol produzido e graduação alcoólica do produto. Durante os experimentos monitorou-se os perfis de temperatura do destilador, alambique, condensador e deflegmador, analisando como o comportamento desses podem afetar o processo de destilação