A generalised dynamic model for char particle gasification with structure evolution and peripheral fragmentation

A generalised model for the prediction of single char particle gasification dynamics, accounting for multi-component mass transfer with chemical reaction, heat transfer, as well as structure evolution and peripheral fragmentation is developed in this paper. Maxwell-Stefan analysis is uniquely applied to both micro and macropores within the framework of the dusty-gas model to account for the bidisperse nature of the char, which differs significantly from the conventional models that are based on a single pore type. The peripheral fragmentation and random-pore correlation incorporated into the model enable prediction of structure/reactivity relationships. The occurrence of chemical reaction within the boundary layer reported by Biggs and Agarwal (Chem. Eng. Sci. 52 (1997) 941) has been confirmed through an analysis of CO/CO2 product ratio obtained from model simulations. However, it is also quantitatively observed that the significance of boundary layer reaction reduces notably with the reduction of oxygen concentration in the flue gas, operational pressure and film thickness. Computations have also shown that in the presence of diffusional gradients peripheral fragmentation occurs in the early stages on the surface, after which conversion quickens significantly due to small particle size. Results of the early commencement of peripheral fragmentation at relatively low overall conversion obtained from a large number of simulations agree well with experimental observations reported by Feng and Bhatia (Energy & Fuels 14 (2000) 297). Comprehensive analysis of simulation results is carried out based on well accepted physical principles to rationalise model prediction. (C) 2001 Elsevier Science Ltd. AH rights reserved.

A comparison of thermal condition between pilot- and full-scale furnaces for studying slagging and fouling propensity in PF boilers

The Australian Coal Industry Research Laboratory (ACIRL) furnace is scaled to simulate slagging and fouling in operating boilers. This requires that the gas and target temperatures, the heat flux, and the flow pattern be the same as those in real boilers. The gas and target temperatures are maintained by insulating the wall and cooling the target respectively. The flow pattern of a small burner cannot be the same as a large furnace. However, this flow pattern is partially compensated for by placing the slagging panels in three vertical locations. The paper develops the models of radiant heat transfer from the flame to the deposits both in pilot-scale and full-scale furnaces. They are used to compare the effective radiant heat transfer of the pilot- and full-scale furnaces. The experimental data both from the pilot- and full-scale furnaces are used to verify the incident heat flux and temperature profiles in the pilot- and full-scale furnaces. The results showed that the thermal condition in the pilot-scale furnace meets the requirements for studying the slagging regarding the gas temperature and the incident heat flux, particularly for the panel #1. The gas temperature in the convective section also meets the requirement for studying the fouling.

Transducer for direct measurement of skin friction in hypervelocity impulse facilities

An acceleration compensated transducer was developed to enable the direct measurement of skin friction in hypervelocity impulse facilities. The gauge incorporated a measurement and acceleration element that employed direct shear of a piezoelectric ceramic. The design integrated techniques to maximize rise time and shear response while minimizing the affects of acceleration, pressure, heat transfer, and electrical interference. The arrangement resulted in a transducer natural frequency near 40 kHz. The transducer was calibrated for shear and acceleration in separate bench tests and was calibrated for pressure within an impulse facility. Uncertainty analyses identified only small experimental errors in the shear and acceleration calibration techniques. Although significant errors were revealed in the method of pressure calibration, total skin-friction measurement errors as low as +/-7-12% were established. The transducer was successfully utilized in a shock tunnel, and sample measurements are presented for flow conditions that simulate a flight Mach number near 8.

Numerical investigations of flow and energy fields near a thermoacoustic couple

The flow field and the energy transport near thermoacoustic couples are simulated using a 2D full Navier-Stokes solver. The thermoacoustic couple plate is maintained at a constant temperature; plate lengths, which are short and long compared with the particle displacement lengths of the acoustic standing waves, are tested. Also investigated are the effects of plate spacing and the amplitude of the standing wave. Results are examined in the form of energy vectors, particle paths, and overall entropy generation rates. These show that a net heat-pumping effect appears only near the edges of thermoacoustic couple plates, within about a particle displacement distance from the ends. A heat-pumping effect can be seen even on the shortest plates tested when the plate spacing exceeds the thermal penetration depth. It is observed that energy dissipation near the plate increases quadratically as the plate spacing is reduced. The results also indicate that there may be a larger scale vortical motion outside the plates which disappears as the plate spacing is reduced. (C) 2002 Acoustical Society of America.

Boundary-layer transition measurements in hypervelocity flows in a shock tunnel

Experiments to investigate the transition process in hypervelocity boundary layers were performed in the T4 free-piston shock tunnel. An array of thin-film heat-transfer gauges was used to detect the location and extent of the transitional region on a 1500 mm long x 120 turn wide flat plate, which formed one of the walls of a duct. The experiments were performed in a Mach 6 flow of air with 6- and 12-MJ/kg nozzle-supply enthalpies at unit Reynolds numbers ranging from 1.6 x 10(6) to 4.9 x 10(6) m(-1). The results show that the characteristics typical of transition taking place through the initiation, growth, and merger of turbulent spots are evident in the heat-transfer signals. A 2-mm-high excrescence located 440 turn from the leading edge was found to be capable of generating a turbulent wedge within an otherwise laminar boundary layer at a unit Reynolds number of 2.6 x 10(6) m(-1) at the 6-MJ/kg condition. A tripping strip, located 100 mm from the leading edge and consisting of a line 37 teeth of 2 rum height equally spaced and spanning the test surface, was also found to be capable of advancing the transition location at the same condition and at the higher enthalpy condition.

Polymer product engineering utilising oscillatory baffled reactors

The Oscillatory baffled reactor (OBR) can be used to produce particles with controlled size and morphology, in batch or continuous flow. This is due to the effect of the superimposed oscillations that radially mixes fluid but still allows plug-flow (or close to plug flow) behaviour in a continuous system. This mixing, combined with a close to a constant level of turbulence intensity in the reactor, leads to tight droplet and subsequent product particle size distributions. By applying population balance equations together with experimental droplet size distributions, breakage rates of droplets can be determined and this is a useful tool for understanding the product engineering in OBRs. (C) 2002 Elsevier Science B.V All rights reserved.

Skin-friction measurements in high-enthalpy hypersonic boundary layers

Skin-friction measurements are reported for high-enthalpy and high-Mach-number laminar, transitional and turbulent boundary layers. The measurements were performed in a free-piston shock tunnel with air-flow Mach number, stagnation enthalpy and Reynolds numbers in the ranges of 4.4-6.7, 3-13 MJ kg(-1) and 0.16 x 10(6)-21 x 10(6), respectively. Wall temperatures were near 300 K and this resulted in ratios of wall enthalpy to flow-stagnation enthalpy in the range of 0.1-0.02. The experiments were performed using rectangular ducts. The measurements were accomplished using a new skin-friction gauge that was developed for impulse facility testing. The gauge was an acceleration compensated piezoelectric transducer and had a lowest natural frequency near 40 kHz. Turbulent skin-friction levels were measured to within a typical uncertainty of +/-7%. The systematic uncertainty in measured skin-friction coefficient was high for the tested laminar conditions; however, to within experimental uncertainty, the skin-friction and heat-transfer measurements were in agreement with the laminar theory of van Driest (1952). For predicting turbulent skin-friction coefficient, it was established that, for the range of Mach numbers and Reynolds numbers of the experiments, with cold walls and boundary layers approaching the turbulent equilibrium state, the Spalding & Chi (1964) method was the most suitable of the theories tested. It was also established that if the heat transfer rate to the wall is to be predicted, then the Spalding & Chi (1964) method should be used in conjunction with a Reynolds analogy factor near unity. If more accurate results are required, then an experimentally observed relationship between the Reynolds analogy factor and the skin-friction coefficient may be applied.

Use of confocal microscopy to follow the development of penetrative hyphae during growth of Rhizopus oligosporus in an artificial solid-state fermentation system

Two methods were compared for determining the concentration of penetrative biomass during growth of Rhizopus oligosporus on an artificial solid substrate consisting of an inert gel and starch as the sole source of carbon and energy. The first method was based on the use of a hand microtome to make sections of approximately 0.2- to 0.4-mm thickness parallel to the substrate surface and the determination of the glucosamine content in each slice. Use of glucosamine measurements to estimate biomass concentrations was shown to be problematic due to the large variations in glucosamine content with mycelial age. The second method was a novel method based on the use of confocal scanning laser microscopy to estimate the fractional volume occupied by the biomass. Although it is not simple to translate fractional volumes into dry weights of hyphae due to the lack of experimentally determined conversion factors, measurement of the fractional volumes in themselves is useful for characterizing fungal penetration into the substrate. Growth of penetrative biomass in the artificial model substrate showed two forms of growth with an indistinct mass in the region close to the substrate surface and a few hyphae penetrating perpendicularly to the surface in regions further away from the substrate surface. The biomass profiles against depth obtained from the confocal microscopy showed two linear regions on log-linear plots, which are possibly related to different oxygen availability at different depths within the substrate. Confocal microscopy has the potential to be a powerful tool in the investigation of fungal growth mechanisms in solid-state fermentation. (C) 2003 Wiley Periodicals, Inc.

Surface stickiness of drops of carbohydrate and organic acid solutions during convective drying: Experiments and modeling

Drying kinetics of low molecular weight sugars such as fructose, glucose, sucrose and organic acid such as citric acid and high molecular weight carbohydrate such as maltodextrin (DE 6) were determined experimentally using single drop drying experiments as well as predicted numerically by solving the mass and heat transfer equations. The predicted moisture and temperature histories agreed with the experimental ones within 6% average relative (absolute) error and average difference of +/- 1degreesC, respectively. The stickiness histories of these drops were determined experimentally and predicted numerically based on the glass transition temperature (T-g) of surface layer. The model predicted the experimental observations with good accuracy. A nonsticky regime for these materials during spray drying is proposed by simulating a drop, initially 120 mum in diameter, in a spray drying environment.

Comparação de desempenho entre a formulação direta do Método dos Elementos de Contorno com Funções Radiais e o Método dos Elementos Finitos em problemas de Poisson e Helmholtz

O presente trabalho objetiva avaliar o desempenho do MECID (Método dos Elementos de Contorno com Interpolação Direta) para resolver o termo integral referente à inércia na Equação de Helmholtz e, deste modo, permitir a modelagem do Problema de Autovalor assim como calcular as frequências naturais, comparando-o com os resultados obtidos pelo MEF (Método dos Elementos Finitos), gerado pela Formulação Clássica de Galerkin. Em primeira instância, serão abordados alguns problemas governados pela equação de Poisson, possibilitando iniciar a comparação de desempenho entre os métodos numéricos aqui abordados. Os problemas resolvidos se aplicam em diferentes e importantes áreas da engenharia, como na transmissão de calor, no eletromagnetismo e em problemas elásticos particulares. Em termos numéricos, sabe-se das dificuldades existentes na aproximação precisa de distribuições mais complexas de cargas, fontes ou sorvedouros no interior do domínio para qualquer técnica de contorno. No entanto, este trabalho mostra que, apesar de tais dificuldades, o desempenho do Método dos Elementos de Contorno é superior, tanto no cálculo da variável básica, quanto na sua derivada. Para tanto, são resolvidos problemas bidimensionais referentes a membranas elásticas, esforços em barras devido ao peso próprio e problemas de determinação de frequências naturais em problemas acústicos em domínios fechados, dentre outros apresentados, utilizando malhas com diferentes graus de refinamento, além de elementos lineares com funções de bases radiais para o MECID e funções base de interpolação polinomial de grau (um) para o MEF. São geradas curvas de desempenho através do cálculo do erro médio percentual para cada malha, demonstrando a convergência e a precisão de cada método. Os resultados também são comparados com as soluções analíticas, quando disponíveis, para cada exemplo resolvido neste trabalho.

Concepção de um reactor batch multifunções

Mestrado em Engenharia Química

Análise comparada de evaporadores de expansão directa e inundados

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Lubrificação de compressores que aspiram fluido frigorigéneo a temperaturas inferiores a -30° C

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Diagnóstico energético e reengenharia do processo de secagem na fábrica de revestimentos

Este trabalho surgiu no âmbito da Tese de Mestrado em Engenharia Química - Ramo Optimização Energética na Indústria Química, aliando a necessidade da Empresa Monteiro Ribas – Indústrias, S.A. em resolver alguns problemas relacionados com as estufas da unidade J da fábrica de revestimentos. Outro dos objectivos era propor melhorias de eficiência energética neste sector da empresa. Para tal, foi necessário fazer um levantamento energético de toda a unidade, o que permitiu verificar que as estufas de secagem (Recobrimento 1 e 2) seriam o principal objecto de estudo. O levantamento energético da empresa permitiu conhecer o seu consumo anual de energia de 697,9 tep, o que a classifica, segundo o Decreto-lei nº 71 de 15 de Abril de 2008, como Consumidora Intensiva de Energia (CIE). Além disso, as situações que devem ser alvo de melhoria são: a rede de termofluido, que apresenta válvulas sem isolamento, o sistema de iluminação, que não é o mais eficiente e a rede de distribuição de ar comprimido, que não tem a estrutura mais adequada. Desta forma sugere-se que a rede de distribuição de termofluido passe a ter válvulas isoladas com lã de rocha, o investimento total é de 2.481,56 €, mas a poupança pode ser de 21.145,14 €/ano, com o período de retorno de 0,12 anos. No sistema de iluminação propõe-se a substituição dos balastros normais por electrónicos, o investimento total é de 13.873,74 €, mas a poupança é de 2.620,26 €/ano, com período de retorno de 5 anos. No processo de secagem das linhas de recobrimento mediram-se temperaturas de todos os seus componentes, velocidades de ar o que permitiu conhecer a distribuição do calor fornecido pelo termofluido. No Recobrimento 1, o ar recebe entre 39 a 51% do calor total, a tela recebe cerca de 25% e na terceira estufa este é apenas de 6%. Nesta linha as perdas de calor por radiação oscilam entre 6 e 11% enquanto as perdas por convecção representam cerca de 17 a 44%. Como o calor que a tela recebe é muito inferior ao calor recebido pelo ar no Recobrimento 1, propõe-se uma redução do caudal de ar que entra na estufa, o que conduzirá certamente à poupança de energia térmica. No Recobrimento 2 o calor fornecido ao ar representa cerca de 51 a 77% do calor total e o cedido à tela oscila entre 2 e 3%. As perdas de calor por convecção oscilam entre 12 e 26%, enquanto que as perdas por radiação têm valores entre 4 e 8%. No que diz respeito ao calor necessário para evaporar os solventes este oscila entre os 4 e 13%. Os balanços de massa e energia realizados ao processo de secagem permitiram ainda determinar o rendimento das 3 estufas do Recobrimento 1, com 36, 47 e 24% paras as estufa 1, 2 e 3, respectivamente. No Recobrimento 2 os valores de rendimento foram superiores, tendo-se obtido valores próximos dos 41, 81 e 88%, para as estufas 1, 2 e 3, respectivamente. Face aos resultados obtidos propõem-se a reengenharia do processo introduzindo permutadores compactos para aquecer o ar antes de este entrar nas estufas. O estudo desta alteração foi apenas realizado para a estufa 1 do Recobrimento 1, tendo-se obtido uma área de transferência de calor de 6,80 m2, um investimento associado de 8.867,81 €. e uma poupança de 708,88 €/ano, com um período de retorno do investimento de 13 anos. Outra sugestão consiste na recirculação de parte do ar de saída (5%), que conduz à poupança de 158,02 €/ano. Estes valores, pouco significativos, não estimulam a adopção das referidas sugestões.

Caracterização de águas do processo e optimização dos consumos de água nos vários circuitos da Petibol, S.A. – Embalagens de Plástico

A empresa Petibol, S.A. – Embalagens de plástico centra-se na produção de embalagens de plástico a partir da matéria-prima Poliestireno Expandido (EPS) e Polipropileno Expandido (EPP). A empresa possui uma preocupação ao nível da qualidade da água e do aproveitamento energético, tendo desta forma surgido a realização do estudo na unidade industrial, com o objectivo de anular e/ou diminuir as possíveis lacunas existentes na unidade industrial. Numa primeira etapa foi realizada uma caracterização global à qualidade da água e à empresa, actualizando-se os esquemas já existentes, contabilizando-se os custos actuais relativamente aos processos no circuito da água (arrefecimento, aquecimento e pressurização), e por fim, efectuou-se um levantamento in loco do circuito de água, relativamente à pressão, temperatura e caudal. Numa fase posterior, foram propostos equipamentos e processos, tendo em vista a colmatação dos problemas identificados, realizando-se um subsequente estudo relativamente aos custos inerentes a esses novos processos. A caracterização à água foi avaliada em diferentes pontos do circuito industrial, tendo-se determinado na Sala de Bombagem que o filtro de areia não possuía as dimensões mais apropriadas, existindo também um problema a nível mecânico associado ao processo de contra-lavagem. Tais factos podem ser a causa da ocorrência de um aumento do teor de sólidos após a passagem na camada filtrante. Relativamente ao amaciador, este deveria amaciar de forma completa a água para alimentação à caldeira, embora se tenha registado à saída do amaciador uma dureza de 21,3 mg/L, denunciando problemas na troca iónica. No que toca à água de alimentação à caldeira, verifica-se a existência de parâmetros que não se encontram de acordo com os critérios enunciados para uma óptima qualidade, sendo eles o pH (10,14), condutividade (363 μS/cm), teor de ferro (1,21 mg/L) e a dureza (16 mg/L). De salientar que somente o teor de cobre, que se encontra em quantidades vestigiais, apresenta-se de acordo com os valores impostos. No que respeita à água da caldeira, esta apresenta parâmetros incompatíveis com os recomendados, sendo eles a condutividade (7350 μS/cm), teor de sólidos dissolvidos (5248 mg/L) e alcalinidade total (780 mg/L). De referir que o valor de pH (11,8) não se encontra de acordo com a aplicação do tratamento “fosfato-pH coordenado”. Em relação aos parâmetros com valores que se encontram dentro dos limites, estes correspondem à dureza (0 mg/L), ao teor de fosfatos (45 mg/L) e teor de sílica (0 mg/L). A água do circuito de arrefecimento foi sujeita a uma análise microbiológica, que corroborou a presença de um biofilme. Um dos problemas enunciados pela empresa, prendia-se com a impossibilidade de descarga, no colector municipal, dos condensados dos compressores, visto apresentarem uma quantidade de óleo de cerca de 43,3 mg/L, equivalente a quatro vezes o valor limite de emissão, de acordo com a legislação municipal. Por fim, o efluente de descarga industrial apresenta um valor de pH (10,3) acima do intervalo permitido por lei (6,0 – 9,0), sendo que a corrente que mais contribui para este acréscimo de pH corresponde à corrente proveniente da água de purga, visto esta apresentar um valor de pH de 12,22. De maneira a contornar os parâmetros enunciados, é proposto a substituição do filtro de areia da Sala de Bombagem, assim como a inserção de um conjunto de medidas de remoção de ferro e desinfecção, sendo a conjugação de arejamento, coagulação, filtração e desinfecção, por parte do hipoclorito, a proposta apresentada. Aos condensados dos compressores é apresentado um sistema de separação, que possibilita a remoção do óleo da água, e uma consequente descarga da mesma. Actualmente, não existe qualquer filtro de areia no circuito de arrefecimento da água, sendo proposto assim esse equipamento, de forma a minorar o desenvolvimento da população microbiana, bem como a permitir uma maior eficiência na transferência de calor na torre de arrefecimento. Relativamente à descarga industrial, é recomendável a colocação de um sistema de regularização automática de pH. A inserção de uma válvula de três vias permite um aproveitamento energético e de água, a partir da confluência da água oriunda dos furos com a água do tanque de água fria, sendo posteriormente alimentada à central de vácuo. No estudo da recuperação energética, um outro equipamento avaliado correspondeu à serpentina, no entanto, verificou-se que a poupança no consumo de gás natural era de apenas 0,005%, o que não se mostrou uma proposta viável. O orçamento de todos os equipamentos é de 11.720,76 €, possibilitando não só um melhor funcionamento industrial, como um menor impacto a nível ambiental. Os custos futuros de funcionamento aumentam em 3,36%, tendo a pressurização um aumento do seu custo em 3,4% em relação ao custo actual, verificando-se um custo anual de 10.781,21€, em relação aos processos de arejamento, coagulação e desinfecção.