Aproximação numérica – analítica para a modelagem da conversão termoquímica de combustíveis sólidos

Um algoritmo numérico foi criado para apresentar a solução da conversão termoquímica de um combustível sólido. O mesmo foi criado de forma a ser flexível e dependente do mecanismo de reação a ser representado. Para tanto, um sistema das equações características desse tipo de problema foi resolvido através de um método iterativo unido a matemática simbólica. Em função de não linearidades nas equações e por se tratar de pequenas partículas, será aplicado o método de Newton para reduzir o sistema de equações diferenciais parciais (EDP’s) para um sistema de equações diferenciais ordinárias (EDO’s). Tal processo redução é baseado na união desse método iterativo à diferenciação numérica, pois consegue incorporar nas EDO’s resultantes funções analíticas. O modelo reduzido será solucionado numericamente usando-se a técnica do gradiente bi-conjugado (BCG). Tal modelo promete ter taxa de convergência alta, se utilizando de um número baixo de iterações, além de apresentar alta velocidade na apresentação das soluções do novo sistema linear gerado. Além disso, o algoritmo se mostra independente do tamanho da malha constituidora. Para a validação, a massa normalizada será calculada e comparada com valores experimentais de termogravimetria encontrados na literatura, , e um teste com um mecanismo simplificado de reação será realizado.

Termoquímica na Unicamp: depoimento sobre uma jornada de 25 anos

This article describes the progress of a group of investigation on thermochemistry, which started in 1972. A homemade calorimeter was employed to provide quantitative support to the information on interative effect between lanthanide cations and halides or pseudohalides, in non-aqueous solvents, previously derived from conductometric titrations. However, the features of this instrument were not able to detect the thermal effects. Therefore, the great input to the group came from the acquisition of an LKB commercial apparatus, by the University in 1975. Considering the historical development of the coordination chemistry in Brazil, which was previously dedicated to strutural features of adducts, without focusing the energetic envolved in any coordinationcompound. Since starting the thermochemistry study, numerous masters and doctoral thesis covering more than a hundred adducts and a reasonable number of chelates, were presented systematizing data in order to understand the behavior of this kind of coordination compounds (C. Airoldi and A. P. Chagas, Coord. Chem. Rev. 1992, 119, 29). This knowledge enabled an extension of the study to include some heterogeneous systems formed by natural or synthetic materials like immobilized silica gel, lamellar phosphate, phosphonate or sulphate compounds, clays, polysaccharides, chrysotile, soils, etc. Many students are now engaged as staff members in Universities, Research Instituitions or other private institutions, developing many activities. Due to a multiplying effect on the formation of researchers, the group is now reaching the fourth generation.

Análisis crítico de la presentación del tema de Termoquímica en libros de texto de bachillerato y universidad.

Resumen tomado de la publicación

Pirólise termoquímica de pós da fibra de coco seco em um reator de cilindro rotativo para produção de bio-óleo

This master thesis aims at developing a new methodology for thermochemical degradation of dry coconut fiber (dp = 0.25mm) using laboratory rotating cylinder reactor with the goal of producing bio-oil. The biomass was characterized by infrared spectroscopy with Fourier transform FTIR, thermogravimetric analysis TG, with evaluation of activation energy the in non-isothermal regime with heating rates of 5 and 10 °C/min, differential themogravimetric analysis DTG, sweeping electron microscopy SEM, higher heating value - HHV, immediate analysis such as evaluated all the amounts of its main constituents, i.e., lignin, cellulose and hemicelluloses. In the process, it was evaluated: reaction temperature (450, 500 and 550oC), carrier gas flow rate (50 and 100 cm³/min) and spin speed (20 and 25 Hz) to condensate the bio-oil. The feed rate of biomass (540 g/h), the rotation of the rotating cylinder (33.7 rpm) and reaction time (30 33 min) were constant. The phases obtained from the process of pyrolysis of dry coconut fiber were bio-oil, char and the gas phase non-condensed. A macroscopic mass balance was applied based on the weight of each phase to evaluate their yield. The highest yield of 20% was obtained from the following conditions: temperature of 500oC, inert gas flow of 100 cm³/min and spin speed of 20 Hz. In that condition, the yield in char was 24.3%, non-condensable gas phase was 37.6% and losses of approximately 22.6%. The following physicochemical properties: density, viscosity, pH, higher heating value, char content, FTIR and CHN analysis were evaluated. The sample obtained in the best operational condition was subjected to a qualitative chromatographic analysis aiming to know the constituents of the produced bio-oil, which were: phenol followed by sirigol, acetovanilona and vinyl guaiacol. The solid phase (char) was characterized through an immediate analysis (evaluation of moisture, volatiles, ashes and fixed carbon), higher heating value and FTIR. The non-condensing gas phase presented as main constituents CO2, CO and H2. The results were compared to the ones mentioned by the literature.

Estudo da influência da temperatura na degradação termoquímica da biomassa de avelós

The bio-oil obtained from the pyrolysis of biomass has appeared as inter-esting alternative to replace fossil fuels. The aim of this work is to evaluate the influence of temperature on the yield of products originating from the pyrolysis process of the powder obtained from the dried twigs of avelós (Euphorbia tirucalli), using a rotating cylinder reactor in laboratory scale. The biomass was treated and characterized by: CHNS, moisture, volatiles, fixed carbon and ashes, as well as evaluation of lignin, cellulose and hemicellulose, besides other instrumental techniques such as: FTIR, TG/DTG, DRX, FRX and MEV. The activation energy was evaluated in non-isothemichal mode with heating rates of 5 and 10 oC/min. The obtained results showed biomass as feedstock with potential for biofuel production, because presents a high organic matter content (78,3%) and fixed-carbon (7,11%). The activation energy required for the degradation of biomass ranged between 232,92 392,84 kJ/mol, in the temperature range studied and heating rate of 5 and 10°C/min. In the pyrolysis process, the influence of the reaction temperature was studied (350-520 ° C), keeping constant the other variables, such as, the flow rate of carrier gas, the centrifugal speed for the bio-oil condensationa, the biomass flow and the rotation of the reactor. The maximum yield of bio-oil was obtained in the temperature of 450°C. In this temperature, the results achieved where: content of bio-oil 8,12%; char 32,7%; non-condensed gas 35,4%; losts 23,8%; gross calorific value 3,43MJ/kg; pH 4,93 and viscosity 1,5cP. The chromatographic analysis of the bio-oil produced under these conditions shows mainly the presence of phenol (17,71%), methylciclopentenone (10,56%) and dimethylciclopentenone (7,76%)

Estudo da influência da temperatura na degradação termoquímica da biomassa de avelós (euphorbia tirucalli Linn)

The bio-oil obtained from the pyrolysis of biomass has appeared as inter-esting alternative to replace fossil fuels. The aim of this work is to evaluate the influence of temperature on the yield of products originating from the pyrolysis process of the powder obtained from the dried twigs of avelós (Euphorbia tirucalli), using a rotating cylinder reactor in laboratory scale. The biomass was treated and characterized by: CHNS, moisture, volatiles, fixed carbon and ashes, as well as evaluation of lignin, cellulose and hemicellulose, besides other instrumental techniques such as: FTIR, TG/DTG, DRX, FRX and MEV. The activation energy was evaluated in non-isothemichal mode with heating rates of 5 and 10 oC/min. The obtained results showed biomass as feedstock with potential for biofuel production, because presents a high organic matter content (78,3%) and fixed-carbon (7,11%). The activation energy required for the degradation of biomass ranged between 232,92 392,84 kJ/mol, in the temperature range studied and heating rate of 5 and 10°C/min. In the pyrolysis process, the influence of the reaction temperature was studied (350-520 ° C), keeping constant the other variables, such as, the flow rate of carrier gas, the centrifugal speed for the bio-oil condensationa, the biomass flow and the rotation of the reactor. The maximum yield of bio-oil was obtained in the temperature of 450°C. In this temperature, the results achieved where: content of bio-oil 8,12%; char 32,7%; non-condensed gas 35,4%; losts 23,8%; gross calorific value 3,43MJ/kg; pH 4,93 and viscosity 1,5cP. The chromatographic analysis of the bio-oil produced under these conditions shows mainly the presence of phenol (17,71%), methylciclopentenone (10,56%) and dimethylciclopentenone (7,76%)

Bio-óleo e biogás da degradação termoquímica de lodo de esgoto doméstico em cilindro rotativo

The objective of this study was to produce biofuels (bio-oil and gas) from the thermal treatment of sewage sludge in rotating cylinder, aiming industrial applications. The biomass was characterized by immediate and instrumental analysis (elemental analysis, scanning electron microscopy - SEM, X-ray diffraction, infrared spectroscopy and ICP-OES). A kinetic study on non-stationary regime was done to calculate the activation energy by Thermal Gravimetric Analysis evaluating thermochemical and thermocatalytic process of sludge, the latter being in the presence of USY zeolite. As expected, the activation energy evaluated by the mathematical model "Model-free kinetics" applying techniques isoconversionais was lowest for the catalytic tests (57.9 to 108.9 kJ/mol in the range of biomass conversion of 40 to 80%). The pyrolytic plant at a laboratory scale reactor consists of a rotating cylinder whose length is 100 cm with capable of processing up to 1 kg biomass/h. In the process of pyrolysis thermochemical were studied following parameters: temperature of reaction (500 to 600 ° C), flow rate of carrier gas (50 to 200 mL/min), frequency of rotation of centrifugation for condensation of bio-oil (20 to 30 Hz) and flow of biomass (4 and 22 g/min). Products obtained during the process (pyrolytic liquid, coal and gas) were characterized by classical and instrumental analytical techniques. The maximum yield of liquid pyrolytic was approximately 10.5% obtained in the conditions of temperature of 500 °C, centrifugation speed of 20 Hz, an inert gas flow of 200 mL/min and feeding of biomass 22 g/min. The highest yield obtained for the gas phase was 23.3% for the temperature of 600 °C, flow rate of 200 mL/min inert, frequency of rotation of the column of vapor condensation 30 Hz and flow of biomass of 22 g/min. The non-oxygenated aliphatic hydrocarbons were found in greater proportion in the bio-oil (55%) followed by aliphatic oxygenated (27%). The bio-oil had the following characteristics: pH 6.81, density between 1.05 and 1.09 g/mL, viscosity between 2.5 and 3.1 cSt and highest heating value between 16.91 and 17.85 MJ/ kg. The main components in the gas phase were: H2, CO, CO2 and CH4. Hydrogen was the main constituent of the gas mixture, with a yield of about 46.2% for a temperature of 600 ° C. Among the hydrocarbons formed, methane was found in higher yield (16.6%) for the temperature 520 oC. The solid phase obtained showed a high ash content (70%) due to the abundant presence of metals in coal, in particular iron, which was also present in bio-oil with a rate of 0.068% in the test performed at a temperature of 500 oC.

Análise termoquímica de reformador de etanol: produção de hidrogênio para acionamento de uma célula combustível do tipo PEM de 1 KW

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEG

Estado del Arte del Uso del Gas de Gasificación Termoquímica de Biomasa(GG), en Motores de Combustión Interna Alternativos

El presente trabajo, desarrollado en el marco del Convenio de Cooperación educativa entre la ETSII - UPM y el Ciemat, se realiza con el fin de determinar líneas futuras de investigación y/o aplicación de la tecnología de gasificación termoquímica de biomasa integrada a motores de combustión interna alternativos (MCIA) para generación de potencia, motivados por la necesidad de reducir las emisiones contaminantes, aumentar el uso de las fuentes renovables de energía, reducir la dependencia económica de los combustibles fósiles, aprovechar energéticamente infinidad de residuos del sector agroindustrial y por la necesidad de generar energía a base de combustibles autóctonos que permitan resolver los problemas de suministro eléctrico en zonas no interconectadas eléctricamente en países en vía de desarrollo. En el capítulo 1 se comienza por presentar los objetivos y la justificación del presente trabajo, se enmarca esta tecnología desde el punto de vista histórico, de los combustibles y de los gasógenos, que fue la primera aplicación extendida masivamente durante las dos guerras mundiales en Europa. Además se hace un breve recuento de los principales grupos de investigación y fabricantes a nivel comercial que actualmente trabajan en el desarrollo de esta tecnología. En el capítulo 2 se hacer una breve descripción del proceso de gasificación termoquímica, mostrando los diferentes tipos de gasificadores existentes, las propiedades del combustible primario usado y los factores que afectan la eficiencia de este proceso. En el capítulo 3 se estudia el gas de gasificación desde el punto de vista de la composición, propiedades como combustible motor, requisitos, tratamiento necesario para su uso como combustible en motores de combustión interna, otros usos del GG y riesgos que conlleva su utilización. En el capítulo 4 se presentan un estudio general de los motores de gas, donde se presenta una clasificación, se estudia la manera de regular la operación de estos motores, se hace una descripción cualitativa de la combustión, se muestran algunas aplicaciones y se estudia la combustión en los motores a gas desde el punto de vista de los factores que la afectan. En el capítulo 5 se entra en profundidad sobre el uso del gas de gasificación -GG en MCIA, inicialmente estudiado desde el punto de vista teórico, luego presentando los resultados de varias investigaciones realizadas y por último mostrando algunos de las aplicaciones comerciales actualmente en el mercado. Finalmente se presentan las conclusiones, la bibliografía consultada y un glosario de términos.

Termoquímica de las calderas domésticas de condensación: un caso de aprendizaje contextualizado por indagación dirigida

Se proponen cuestiones para que los alumnos indaguen sobre aspectos relacionados con las calderas de conden· sación, que producen agua líquida en vez de vapor. Los objetivos son los siguientes: favorecer el aprendizaje de conceptos (termoquímica, combustión, gas natural, etc.); promover la motivación de alumnos y profesores; fomentar enfoques ciencia?tecnología?sociedad, y colaborar en la formación de competencias (indagación, reso· lución de problemas, análisis de datos, trabajo en equipo, etc.). Se promueve el pensamiento crítico y la forma· ción en «química del consumidor», tratando aspectos como los motivos de la ayuda pública para la instalación de estas calderas y el empleo de la factura del gas como fuente de información

Caracterización teórica y experimental de un reactor de lecho fluidizado para operaciones de termoquímica solar

El objetivo del presente trabajo es la caracterización, tanto teórica como experimental, de un reactor de lecho fluidizado para operaciones de termoquímica solar. En el apartado experimental se emplea un reactor de lecho fluidizado cedido por el CIEMAT. Para la parte numérica, se realiza un análisis óptico-energético y un estudio termofluidodinámico (dinámica de fluidos computacional, DFC). Se llevan a cabo ensayos en frío y en caliente para la parte experimental. Los ensayos en frío tienen el objetivo de demostrar la teoría establecida de fluidización, usando partículas de alúmina y ferritas de níquel. Los ensayos en caliente se realizan para observar el comportamiento de un reactor de lecho fluidizado irradiado. Se emplean partículas de carburo de silicio (SiC) y ferritas de níquel. El análisis óptico-energético se realiza usando el software de trazado de rayos TracePro. La simulación se hace con partículas de α-SiC. Las propiedades del material se obtienen con un software adicional. Por otra parte, el estudio DFC se realiza con una licencia académica de Ansys Fluent. Se hacen 2 simulaciones de un modelo euleriano de 2 fases, sin condiciones de calor y con 2 paredes con una temperatura fijada.

Análisis tecno-económico del proceso de producción de butanol a partir de biomasa lignocelulósica por la vía termoquímica

El butanol es hoy en día en uno de los compuestos químicos más importantes en el mundo a causa de sus numerosas aplicaciones, entre las que destacan la producción de acrilato de butilo, acetato de butilo y éter de glicol (industrias de pinturas y recubrimientos). Junto a sus aplicaciones actuales, el butanol está adquiriendo una gran importancia dentro del sector de los biocombustibles, debido a su futuro prometedor como sustituto de los combustibles convencionales o para mezcla. Todo ello está moviendo a la industria química a establecer nuevas plantas de producción de butanol para satisfacer su creciente demanda. Los procesos actuales de producción de butanol se centran en dos vías: vía fermentativa y vía petroquímica. A pesar de su rentabilidad y competencia, estos procesos están limitados por múltiples factores, destacando las limitaciones en materias primas disponibles y asociadas al empleo de microorganismos en los procesos fermentativos, así como el precio del petróleo y sus derivados en los procesos petroquímicos. En la actualidad, numerosas investigaciones están desarrollando nuevos procesos de producción de butanol por rutas termoquímicas. El éxito de estas investigaciones permitiría su producción por métodos alternativos a los procesos “tradicionales”, salvando muchas de las limitaciones que presentan. El proceso de producción de butanol por vía termoquímica se basa en la transformación de biomasa lignocelulósica en gas de síntesis mediante un tratamiento termoquímico (gasificación), y su posterior conversión en butanol mediante una etapa de reacción catalítica. La principal limitación que ha impedido la viabilidad de esta ruta ha sido la falta de desarrollo en los catalizadores empleados para la síntesis de butanol a partir de gas de síntesis. Su desarrollo mejorando la selectividad hacia el butanol, será la clave para el éxito de la vía termoquímica de producción de butanol. En base a lo comentado anteriormente, en el presente Proyecto Fin de Carrera (PFC) se analiza la viabilidad tecno-económica del proceso de producción de butanol a partir de biomasa lignocelulósica por vía termoquímica. La consecución de este objetivo se ha logrado mediante la aplicación de una metodología en tres pasos: estudio del proceso, simulación del proceso y evaluación económica. En primer lugar, se ha realizado un estudio detallado del proceso de producción de butanol a partir de biomasa lignocelulósica por vía termoquímica desarrollado por Chinedu O. Okoli y Thomas A. Adams II (Universidad de McMaster, Canadá), a fin de comprender las etapas que constituyen el proceso. Mediante este estudio, se ha conseguido conocer las condiciones de operación de las diferentes unidades que integran el proceso. En segundo lugar, se ha evaluado la viabilidad técnica del proceso mediante el empleo del software Aspen Plus V8.6. La simulación se ha realizado en base a la información obtenida en el estudio preliminar. Por último, se ha analizado la viabilidad económica del proceso mediante el cálculo de los parámetros de viabilidad Valor Actual Neto (VAN) y Tasa Interna de Retorno (TIR). Para la determinación de estos parámetros se ha realizado el flujo de cajas del proceso en base a la estimación de sus ingresos, costes de producción y capital total de inversión requerido. Junto al análisis de viabilidad, se han llevado acabo distintos análisis de sensibilidad a las variables más influyentes en la rentabilidad del proceso (interés del préstamo, precio de venta del butanol, precio de venta de la mezcla de alcoholes y precio de compra de la biomasa). Las principales conclusiones que se pueden extraer del análisis realizado son las siguientes: - A través del análisis técnico se concluye que el proceso de producción de butanol por vía termoquímica es viable técnicamente, ya que existe la tecnología requerida para su implantación, así como presenta aceptables tasas de producción de butanol (82,52 kg/tonelada biomasa seca) y es posible integrar un ciclo de vapor y generación de electricidad en el proceso. Además, el margen de mejora de este proceso es amplio, siendo el catalizador requerido para la síntesis del butanol el principal foco de mejora. - En cuanto a la rentabilidad del proceso, el análisis económico muestra que el proceso de producción de butanol por vía termoquímica es viable económicamente. Sin embargo, el estudio realizado demuestra que, en el estado de desarrollo actual, los ingresos asociados a la venta del butanol son insuficientes para hacer rentable el proceso, siendo necesario tener acceso a mercados para la venta de los subproductos generados.

Construção e avaliação de uma unidade de ensino potencialmente significativa para o conteúdo de termoquímica

Nos dias atuais, oferecer uma educação para o exercício da cidadania é função primordial das políticas públicas educacionais, conforme estabelece a constituição brasileira e a legislação de ensino. Essa função vem sendo defendida por muitos professores no Ensino Médio, atribuindo-se a disciplina de Química o papel de proporcionar um ensino crítico, participativo, reflexivo e humano. Segundo os documentos oficiais brasileiros para o Ensino de Química, o estudo do conceito de energia deve favorecer o desenvolvimento de competências para que o aluno compreenda a produção e o seu uso em diferentes fenômenos e possam interpretá-los de acordo com modelos explicativos, além de saber avaliar e julgar os benefícios e riscos da produção e do uso de diferentes formas de energia nos sistemas naturais construídos pelo homem, articulando com outras áreas de conhecimento na procura de promover a interdisciplinaridade. As unidades de ensino potencialmente significativas (UEPS), tomam como base um conjunto de teorias de aprendizagem que tem o intuito de promover um ensino com base na aprendizagem significativa e podem ajudar os estudantes nas diferentes relações que um conceito pode ter. Neste sentido, o estudo do conceito da energia a partir do trabalho com UEPS, pode ser uma importante proposta que favorece um ensino de Química na perspectiva construtivista. Assim, o objetivo deste trabalho é construir e avaliar uma proposta didática para o conteúdo de termoquímica na perspectiva das unidades de ensino potencialmente significativas de Moreira com alunos do Ensino Médio de uma escola pública do Município de Campina Grande-PB. Inicialmente a UEPS foi avaliada por 22 professores em formação inicial de duas instituições públicas de ensino superior. Em seguida, ela foi aplicada para 15 alunos do 2° ano da Escola Estadual de Ensino Médio Prof. Raul Córdula, localizada na cidade de Campina Grande-PB. A coleta dos dados para os professores em formação inicial teve como base um instrumento de validação de elaboração de unidades didáticas baseada na Engenharia Didática proposta por Artigue (1996 apud Guimarães e Giordan, 2011). Já para os alunos do ensino médio, os dados foram coletados no decorrer da UEPS e a avaliação final sobre a proposta didática ocorreu através de um questionário tomando como base a escala de Likert e o uso de mapas conceituais. Para a descrição dos dados, foram utilizados os pressupostos da análise de conteúdo de Bardin. Como produto educacional foi elaborado a Unidade de Ensino Potencialmente Significativa e um DVD contendo orientações de como trabalhar com a proposta. Os resultados deste trabalho apontam uma avaliação positiva quanto à proposta de ensino elaborada para a Educação Básica, onde se observa através do instrumento de validação aplicado, que a maioria das respostas atribuídas pelos professores, ficou entre os itens suficiente e mais que suficiente. Em relação aos momentos de aprendizagem dos alunos do Ensino Médio durante a aplicação da UEPS, foi possível observar que a proposta gerou motivação no processo de ensino e aprendizagem dos conceitos da termoquímica, como também se percebe que os mapas conceituais apresentados pelos alunos apresentaram mais proposições conceituais em uma segunda tentativa de elaboração, logo a proposta de ensino foi aprovada por mais de 90 % dos estudantes do nível médio. Portanto fica evidente que a proposta didática contribuiu no processo de ensino aprendizagem, despertando interesse e motivação nos estudantes pelo conteúdo de Termoquímica.

Pirólise termoquímica de pós da fibra de coco seco em um reator de cilindro rotativo para produção de bio-óleo

This master thesis aims at developing a new methodology for thermochemical degradation of dry coconut fiber (dp = 0.25mm) using laboratory rotating cylinder reactor with the goal of producing bio-oil. The biomass was characterized by infrared spectroscopy with Fourier transform FTIR, thermogravimetric analysis TG, with evaluation of activation energy the in non-isothermal regime with heating rates of 5 and 10 °C/min, differential themogravimetric analysis DTG, sweeping electron microscopy SEM, higher heating value - HHV, immediate analysis such as evaluated all the amounts of its main constituents, i.e., lignin, cellulose and hemicelluloses. In the process, it was evaluated: reaction temperature (450, 500 and 550oC), carrier gas flow rate (50 and 100 cm³/min) and spin speed (20 and 25 Hz) to condensate the bio-oil. The feed rate of biomass (540 g/h), the rotation of the rotating cylinder (33.7 rpm) and reaction time (30 33 min) were constant. The phases obtained from the process of pyrolysis of dry coconut fiber were bio-oil, char and the gas phase non-condensed. A macroscopic mass balance was applied based on the weight of each phase to evaluate their yield. The highest yield of 20% was obtained from the following conditions: temperature of 500oC, inert gas flow of 100 cm³/min and spin speed of 20 Hz. In that condition, the yield in char was 24.3%, non-condensable gas phase was 37.6% and losses of approximately 22.6%. The following physicochemical properties: density, viscosity, pH, higher heating value, char content, FTIR and CHN analysis were evaluated. The sample obtained in the best operational condition was subjected to a qualitative chromatographic analysis aiming to know the constituents of the produced bio-oil, which were: phenol followed by sirigol, acetovanilona and vinyl guaiacol. The solid phase (char) was characterized through an immediate analysis (evaluation of moisture, volatiles, ashes and fixed carbon), higher heating value and FTIR. The non-condensing gas phase presented as main constituents CO2, CO and H2. The results were compared to the ones mentioned by the literature.