Rota de produção de biocombustível a partir de casca de macadâmia: efeito de parâmetros sobre o índice de mistura em leitos fluidizados

Authors
DOI:
https://doi.org/10.47456/bjpe.v9i1.40123
Keywords:
Biomass, Fluid dynamic, Energy, Segregation, Sustainability
Abstract

A pirólise da casca da macadâmia (MNS) em leito fluidizado tem grande potencial para produção de bio-óleo. O efetivo contato gás-sólido permite alcançar altas taxas de transferência de calor e temperatura uniforme no leito. Entretanto, misturas binárias podem levar à segregação de partículas, reduzindo as taxas de transferência de calor e massa no reator. Portanto, nesta pesquisa, o planejamento de experimentos foi aplicado para avaliar o efeito dos parâmetros (velocidade de injeção do ar, V/VMF; razão do diâmetro das partículas, DMNS/DS, e fração mássica de MNS, XMNS) sobre o índice de mistura (Im) em leito fluidizado composto por MNS e areia. A análise estatística revelou que apenas DMNS/DS e V/VMF tiveram efeito sobre índice de mistura (Im), considerando um intervalo de confiança de 95%. Desta forma, para velocidade do ar 20% acima da mínima fluidização e misturas com DMNS/DS < 3, os leitos fluidizados apresentaram concentrações de partículas uniforme ao longo da coluna. Os resultados indicam que o leito fluidizado pode ser empregado na produção de biocombustível a partir da casca de macadâmia.

Author Biographies
  1. Bárbara Mendonça, Universidade Federal do Espírito Santo (UFES), Brasil

    Graduação em Engenharia Química em 2022 pela Universidade Federal do Espírito Santo, UFES, Brasil. 

  2. Diunay Mantegazini, Universidade Federal do Espírito Santo (UFES), Brasil

    Doutorando em Engenharia Mecânica pela Universidade Estadual Paulista - UNESP. Mestre em Energia pela Universidade Federal do Espírito Santo - UFES. Especializado em Aperfeiçoamento em Formação Docente para Educação a Distância pelo Instituto Federal do Espírito Santo - IFES. Graduado em Engenharia Mecânica pela Faculdade Norte Capixaba de São Mateus - MULTIVIX. Experiência na área de engenharia mecânica, com ênfase em projetos de máquinas agrícolas. (Texto informado pelo autor)

  3. Yuri Nariyoshi, Universidade Federal do Espírito Santo (UFES), Brasil

    Graduado em Engenharia Química (2011) pela Universidade Federal do Espírito Santo (UFES) e Doutor em Engenharia Química (2016) pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (EPUSP). Atualmente, é Professor Adjunto C-II do Departamento de Engenharia e Tecnologia (DET) da UFES, onde foi Presidente do Núcleo Docente Estruturante do Colegiado de Engenharia Química no período de 2016 a 2017, Coordenador do Curso de Engenharia Química no período de 2017 a 2019 e Subchefe do Departamento no período de 2018 a 2020. Tem experiência na área de Engenharia Química, com ênfase em Termodinâmica de Separações, atuando principalmente nos seguintes temas: Cristalização Industrial, Destilação com Membranas, Sistemas Particulados e Tratamento de Efluentes Líquidos. É membro do Comitê Setorial de Pesquisa da UFES e membro do Comitê de Recursos Humanos do DET. Foi contemplado com o prêmio de melhor trabalho na área de Engenharia de Separações e Termodinâmica (Prêmio Giulio Massarani) pelo XX Congresso Brasileiro de Engenharia Química em outubro de 2014 e recebeu menção honrosa como trabalho destaque na área de Engenharias na XXIX Jornada de Iniciação Científica da UFES pelo Programa Institucional de Iniciação Científica da UFES em dezembro de 2019.

  4. Dr., Federal University of Espírito Santo

    Graduado em Engenharia Química pela Fundação Universidade Federal do Rio Grande - FURG- 1999. Mestre em Engenharia Química pela Universidade Federal de São Carlos-UFSCar em 2002. Doutor em Engenharia Química pela UFSCar em 2006. Professor da Universidade Federal do Espírito Santo - UFES desde 2008; Coordenador do Programa de Pós-graduação em Energia (PPGEN) 2013-2015. Membro Titular da Câmara de Assessoramento da FAPES(2010-2014). Pós-doutorado no Illinois Institute of Technology, Chicago, USA -2016. Membro permanente do PPGEN, Mestrado em ENERGIA, Linha de pesquisa eficiência energética.Tem experiências em Operações Industriais e Equipamentos para Engenharia Química. Atua principalmente na análise de escoamento multifásico aplicado a reatores de leito de jorro e fluidizado. (Texto informado pelo autor)

References

Artetxe, M., Lopez, G., Amutio, M., Elordi, G., Olazar, M., & Bilbao, J. (2010). Operating Conditions for the Pyrolysis of Poly-(ethylene terephthalate) in a Conical Spouted-Bed Reactor. Industrial & Engineering Chemistry Research, 49(5), 2064–2069. https://doi.org/10.1021/ie900557c

Bacelos, M. S., & Freire, J. T. (2006). Stability of spouting regimes in conical spouted beds with inert particle mixtures. Industrial and Engineering Chemistry Research, 45(2). https://doi.org/10.1021/ie050633s

Barcelos, K. M., Almeida, P. S., Araujo, M. S., Xavier, T. P., Santos, K. G., Bacelos, M. S., & Lira, T. S. (2020). Particle segregation in spouted bed pyrolysis reactor: Sand-coconut shell and sand-cocoa shell mixtures. Biomass and Bioenergy, 138, 105592. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2020.105592

Daleffe, R. V., & Freire, J. T. (2004). Analysis of the fluid-dynamic behavior of fluidized and vibrofluidized bed containing glycerol. Brazilian Journal of Chemical Engineering, 21(1), 35–46. https://doi.org/10.1590/S0104-66322004000100005

Freitas, T. M., Arrieche, L. S., Ribeiro, D. C., Gidaspow, D., & Bacelos, M. S. (2017). CFD analysis of fluidized beds using wastes from post-consumer carton packaging. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 111, 89–100. https://doi.org/10.1016/j.cep.2016.12.002

Gong, Y., & Pegg, R. B. (2015). Tree nut oils: Properties and processing for use in food. Specialty Oils and Fats in Food and Nutrition: Properties, Processing and Applications, 65–86. https://doi.org/10.1016/B978-1-78242-376-8.00003-X

Hasan, M. M., Rasul, M. G., Jahirul, M. I., & Khan, M. M. K. (2022). Modeling and process simulation of waste macadamia nutshell pyrolysis using Aspen Plus software. Energy Reports, 8, 429–437. https://doi.org/10.1016/J.EGYR.2022.10.323

Hidaka, N., Onitani, M., Matsumoto, T., & Shigeharu, M. (1995). Inverted segregation of binary particles in gas-liquid-solid fluidized bed. Powder Technology, 84, 157–163.

Iannello, S., Bond, Z., Sebastiani, A., Errigo, M., & Materazzi, M. (2023). Axial segregation behaviour of a reacting biomass particle in fluidized bed reactors: experimental results and model validation. Fuel, 338, 127234. https://doi.org/10.1016/J.FUEL.2022.127234

Ji, X., Bie, R., Chen, P., & Gu, W. (2016). Reed Black Liquor Combustion in Fluidized Bed for Direct Causticization with Limestone as Bed Material. Energy and Fuels, 30(7), 5791–5798. https://doi.org/10.1021/ACS.ENERGYFUELS.6B00847

José, M. J. S., Olazar, M., Peñas, F. J., & Bilbao, J. (1994a). Segregation in Conical Spouted Beds with Binary and Ternary Mixtures of Equidensity Spherical Particles. 1838–1844. https://doi.org/10.1021/ie00031a025

José, M. J. S., Olazar, M., Peñas, F. J., & Bilbao, J. (1994b). Segregation in Conical Spouted Beds with Binary and Ternary Mixtures of Equidensity Spherical Particles. 1838–1844. https://doi.org/10.1021/ie00031a025

Lee, J., Kim, S., You, S., & Park, Y. K. (2023). Bioenergy generation from thermochemical conversion of lignocellulosic biomass-based integrated renewable energy systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 178, 113240. https://doi.org/10.1016/J.RSER.2023.113240

Lopez, G., Artetxe, M., Amutio, M., Bilbao, J., & Olazar, M. (2017). Thermochemical routes for the valorization of waste polyolefinic plastics to produce fuels and chemicals. A review. In Renewable and Sustainable Energy Reviews, 73, 346–368. Elsevier Ltd. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.01.142

López, G., Olazar, M., Aguado, R., & Bilbao, J. (2010). Continuous pyrolysis of waste tyres in a conical spouted bed reactor. Fuel, 89(8), 1946-1952. https://doi.org/10.1016/J.FUEL.2010.03.029

Mantegazini, D. Z., Neves, F. L., Xavier, T. P., & Bacelos, M. S. (2021). Review on advanced technologies for aluminum recovery from carton packages waste using pyrolysis. Brazilian Journal of Production Engineering-BJPE, 7(1), 117–129. https://doi.org/10.47456/bjpe.v7i1.34583

Marques, I. I. D. R., & Bacelos, M. S. (2013). Analysis of conical spouted bed fluid dynamics using carton mixtures. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 70, 37–47. https://doi.org/10.1016/j.cep.2013.05.009

Martinez Castilla, G., Larsson, A., Lundberg, L., Johnsson, F., & Pallarès, D. (2020). A novel experimental method for determining lateral mixing of solids in fluidized beds – Quantification of the splash-zone contribution. Powder Technology, 370, 96–103. https://doi.org/10.1016/J.POWTEC.2020.05.036

Massaro Sousa, L., & Ferreira, M. C. (2020). On the performance of a spouted bed type device for feeding spent coffee grounds to a circulating fluidized bed reactor. Chemical Engineering Research and Design, 160, 31–38. https://doi.org/10.1016/J.CHERD.2020.05.002

Melo, J. L. Z., Bacelos, M. S., Pereira, F. A. R., Lira, T. S., & Gidaspow, D. (2016). CFD modeling of conical spouted beds for processing LDPE/Al composite. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 108, 93–108. https://doi.org/10.1016/j.cep.2016.07.011

Norouzi, H. R., Mostoufi, N., & Sotudeh-Gharebagh, R. (2012). Effect of fines on segregation of binary mixtures in gas-solid fluidized beds. Powder Technology, 225, 7–20. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2012.03.025

Nunes, C. A., Freitas, M. P., Pinheiro, A. C. M., & Bastos, S. C. (2012). Chemoface: a novel free user-friendly interface for chemometrics. Journal of the Brazilian Chemical Society, 23(11), 2003–2010. https://doi.org/10.1590/S0103-50532012005000073

Parikh, J., Channiwala, S. A., & Ghosal, G. K. (2005). A correlation for calculating HHV from proximate analysis of solid fuels. Fuel, 84(5), 487–494. https://doi.org/10.1016/J.FUEL.2004.10.010

Saidi, M., Basirat Tabrizi, H., Chaichi, S., & Dehghani, M. (2014). Pulsating flow effect on the segregation of binary particles in a gas-solid fluidized bed. Powder Technology, 264, 570–576. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2014.06.003

Samoraj, M., Izydorczyk, G., Krawiec, P., Moustakas, K., & Chojnacka, K. (2022). Biomass-based micronutrient fertilizers and biofortification of raspberries fruits. Environmental Research, 215, 114304. https://doi.org/10.1016/J.ENVRES.2022.114304

Selvatici, A. C., Mantegazini, D. Z., & Bacelos, M. S. (2021). Produção de combustível a partir de resíduos de embalagens tetra pak em leito fluidizado: identificação de fatores que afetam a mistura de partículas de areia e compósito PEBD/AL. Brazilian Journal of Production Engineering, 7(5), 133–144. https://doi.org/10.47456/BJPE.V7I5.36926

Soria-Verdugo, A., Cano-Pleite, E., Passalacqua, A., & Fox, R. O. (2023a). Effect of particle shape on biomass pyrolysis in a bubbling fluidized bed. Fuel, 339, 127365. https://doi.org/10.1016/J.FUEL.2022.127365

Soria-Verdugo, A., Cano-Pleite, E., Passalacqua, A., & Fox, R. O. (2023b). Effect of particle shape on biomass pyrolysis in a bubbling fluidized bed. Fuel, 339. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2022.127365

Soria-Verdugo, A., Rubio-Rubio, M., Goos, E., & Riedel, U. (2020). On the characteristic heating and pyrolysis time of thermally small biomass particles in a bubbling fluidized bed reactor. Renewable Energy, 160, 312–322. https://doi.org/10.1016/j.renene.2020.07.008

Strezov, V., Patterson, M., Zymla, V., Fisher, K., Evans, T. J., & Nelson, P. F. (2007). Fundamental aspects of biomass carbonisation. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 79(1–2), 91–100. https://doi.org/10.1016/J.JAAP.2006.10.014

Tchoffor, P. A., Davidsson, K. O., & Thunman, H. (2015). Production of Activated Carbon within the Dual Fluidized Bed Gasification Process. Industrial and Engineering Chemistry Research, 54(15), 3761–3766. https://doi.org/10.1021/IE504291C

Tran, Q. K., Han, S., Ly, H. V., Kim, S. S., & Kim, J. (2020). Hydrodeoxygenation of a bio-oil model compound derived from woody biomass using spray-pyrolysis-derived spherical γ-Al2O3-SiO2 catalysts. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 92, 243–251. https://doi.org/10.1016/J.JIEC.2020.09.012

Wang, S., Hu, C., Luo, K., Yu, J., & Fan, J. (2022). Multi-scale numerical simulation of fluidized beds: Model applicability assessment. Particuology. https://doi.org/10.1016/J.PARTIC.2022.11.011

Wang, S., & Shen, Y. (2021). Particle-scale study of heat and mass transfer in a bubbling fluidised bed. Chemical Engineering Science, 240, 116655. https://doi.org/10.1016/J.CES.2021.116655

Xavier, T. P., Libardi, B. P., Lira, T. S., & Barrozo, M. A. S. (2016). Fluid dynamic analysis for pyrolysis of macadamia shell in a conical spouted bed. Powder Technology, 299, 210–216. https://doi.org/10.1016/J.POWTEC.2016.05.034

Yang, C., Kwon, H., Bang, B., Jeong, S., & Lee, U. (2022). Role of biomass as low-carbon energy source in the era of net zero emissions. Fuel, 328, 125206. https://doi.org/10.1016/J.FUEL.2022.125206

Zhou, M., Wang, S., Luo, K., & Fan, J. (2022). Three-dimensional modeling study of the oxy-fuel co-firing of coal and biomass in a bubbling fluidized bed. Energy, 247, 123496. https://doi.org/10.1016/J.ENERGY.2022.123496

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2023-03-28
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Vol. 9 No. 1 (2023): Regular Issue (January - March)
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How to Cite

Mendonça, B., Mantegazini, D., Nariyoshi, Y., & Bacelos, M. S. (2023). Rota de produção de biocombustível a partir de casca de macadâmia: efeito de parâmetros sobre o índice de mistura em leitos fluidizados. Brazilian Journal of Production Engineering, 9(1), 160-170. https://doi.org/10.47456/bjpe.v9i1.40123