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POPBL is an active learning methodology centered on the student, in which, from a basic problem, the student research the contents related to the problem and proposes a project, which constitutes a final product of the learning process. This project is the result of the resolution of a problem situation created to put the student of Chemical Engineering, of the unit operations discipline, in contact with real problems of the chemical engineer profession, related to the process of separation of mixtures, using the techniques of transfer of mass as a promoter of this separation. In this work, students were encouraged to investigate their knowledge of chemical engineering to propose a sustainable, viable and low-cost project for the purification of water from the East River in Xintang, China. From experimental tests on the bed constructed and packed with biomass guava leaf, it was possible to calculate the time that the fixed bed can operate in cleaning the effluent, as well as the maximum adsorption capacity of this dye in the biomass, which was about 20 g of dye/kg of biomass, for beds operating in series. In terms of learning, the students reported that the project made it possible to develop other skills besides the technical knowledge of the discipline, such as group work, proactivity, sociability, empathy, communication skills and audio-visual expression. Thus, it is believed that the main objective of the project has been achieved. POPBL es una metodología de aprendizaje activo centrada en el alumno, en la que, a partir de un problema básico, el alumno investiga los contenidos relacionados con el problema y propone un proyecto, que constituye un producto final del proceso de aprendizaje. Este proyecto es el resultado de la resolución de una situación problemática creada para poner en contacto al estudiante de Ingeniería Química, de la disciplina de operaciones unitarias, con problemas reales de la profesión de ingeniero químico, relacionados con el proceso de separación de mezclas, utilizando las técnicas de transferencia de masa como promotor de esta separación. En este trabajo, se animó a los estudiantes a investigar sus conocimientos de ingeniería química para proponer un proyecto sostenible, viable y de bajo costo para la purificación de agua del East River en Xintang, China. A partir de pruebas experimentales en el lecho construido y empaquetado con biomasa de hoja de guayaba, se pudo calcular el tiempo que el lecho fijo puede operar en la limpieza del efluente, así como la capacidad máxima de adsorción de este tinte en la biomasa, que fue de aproximadamente 20 g de colorante / kg de biomasa, para lechos que funcionan en serie. En cuanto al aprendizaje, los estudiantes informaron que el proyecto permitió desarrollar otras habilidades además de los conocimientos técnicos de la disciplina, como el trabajo en grupo, la proactividad, la sociabilidad, la empatía, las habilidades comunicativas y la expresión audiovisual. Así, se cree que se ha logrado el objetivo principal del proyecto. Aprendizagem Baseada em Problemas e Organizada em Projetos (POPBL) é uma metodologia ativa de ensino centrada no aluno, no qual a partir de um problema base, o aluno pesquisa os conteúdos relacionados ao problema e propõe um projeto, que constitui um produto final do processo de aprendizagem. Este projeto é resultado da resolução de uma situação problema criada para colocar o aluno de engenharia química em contato com problemas reais da profissão do engenheiro químico, relacionada com processo de separação de misturas, empregando as técnicas de transferência de massa como promotora dessa separação. Neste trabalho, os alunos foram motivados a investigar seus conhecimentos de engenharia para propor e simular um projeto sustentável, viável e com baixo custo para a purificação de água de um rio a partir de uma situação-problema. A partir de ensaios experimentais no leito construído e empacotado com a biomassa folha de goiabeira, foi possível calcular o tempo em que o leito fixo consegue operar na limpeza do efluente, bem como a capacidade máxima de adsorção desse corante na biomassa, que foi cerca de 20 g de corante/kg de biomassa, para os leitos operando em série. Em termos de aprendizado, os alunos relataram que o projeto possibilitou desenvolver outras habilidades além do conhecimento técnico da disciplina, como o trabalho em grupo, a proatividade, sociabilidade, empatia, habilidades de comunicação e expressão áudio-visual. Assim, acredita-se que o principal objetivo do projeto foi alcançado.

The adsorption is promising technique for dyes removal from textile effluents, among them methylene blue (AM). This technique is even more attractive when using low cost materials such as sawdust (PS) as adsorbents. The aim of this work was to study the use of sawdust powder of the Apuleia Leiocarpa as adsorbent material in the methylene blue (AM) biosorption from textile effluents. Experimental tests were carried out in stirred tank to determine the equilibrium isotherm and the kinetics of adsorption, fitting the most usual models in literature. The fixed bed tests were conducted to obtain the rupture curves, which correlate the dye concentration with time, under different conditions of initial solution concentration and feed flow rate. The results showed that the equilibrium isotherm was favorable, indicating the PS as a good adsorbent, with a maximum adsorption capacity of 61.8 mg/g. The Yan model satisfactorily represented the adsorption process in the fixed bed. The higher adsorption capacity occurred working with a concentrate solution at the lower feed flow rate, which presented a higher useful percentage of bed, indicating the PS as good adsorbent to remove AM from liquid effluents. La adsorción se ha destacado como una técnica prometedora para la eliminación de tintes de efluentes textiles. El objetivo de este trabajo fue estudiar el uso de aserrín en polvo (PS) del género de madera Apuleia Leiocarpa como material adsorbente en la biosorción de azul de metileno (AM) de los efluentes textiles. Se realizaron pruebas experimentales en un tanque agitado para determinar la isoterma de equilibrio y la cinética de adsorción, y se ajustaron los modelos más utilizados en la literatura. Los experimentos de lecho fijo se realizaron a escala de laboratorio para obtener las curvas de ruptura. Los resultados mostraron una isoterma de equilibrio favorable, con cinética de adsorción de segundo orden. El proceso de adsorción en el lecho fijo fue representado satisfactoriamente por el modelo Yan. La operación de lecho fijo es prometedora debido al bajo costo del material y la simplicidad de operación. La capacidad máxima de adsorción del colorante fue de 66 mg / g de biomasa, lo que demuestra el potencial para usar PS para eliminar AM de los efluentes textiles. A adsorção tem se destacado como técnica promissora para a remoção de corantes de efluentes têxteis. O objetivo deste trabalho foi estudar a utilização do pó de serragem (PS) do gênero de madeira Apuleia Leiocarpa como material adsorvente na biossorção de azul de metileno (AM) de efluentes têxteis. Foram realizados testes experimentais em tanque agitado para determinação da isoterma de equilíbrio e a cinética de adsorção, e ajustados os modelos mais empregados na literatura. Os experimentos em leito fixo foram conduzidos em escala de laboratório, para obtenção das curvas de ruptura. Os resultados mostraram uma isoterma de equilíbrio favorável, com uma cinética de adsorção de 2ª ordem. O processo de adsorção no leito fixo foi representado satisfatoriamente pelo modelo de Yan. A operação em leito fixo é promissora devido ao baixo custo do material e a simplicidade de operação. A capacidade máxima de adsorção do corante foi de 66 mg/g de biomassa, demonstrando o potencial de utilização do PS para remoção de AM de efluentes têxteis.

The brewing industries generate large amounts of barley residues (RM), which can be used as animal feed. However, the high moisture of RM can lead to losses due to mold or fermentation. In this context, solar drying can be an advantageous operation, as it will favor storage and transportation, while it keeps the waste nutritional quality. Thus, the aim of this work was to study the drying of RM using two equipments: a solar greenhouse and a fixed bed solar dryer. Initially, a study of the drying kinetics was performed at different temperatures, obtaining the Page model as the one that best represents the RM drying kinetics. In the solar drying tests, it was possible to determine the influence of factors such as solar radiation and wind speed on the temperatures obtained, as well as on the drying rate in both equipments. Computational fluid dynamics analysis of the fixed bed dryer showed the best way to feed air into the dryer, which favors drying. However, the solar greenhouse proved to be more efficient, promoting a more homogeneous drying of the material. Las industrias cerveceras generan grandes cantidades de residuos de malta (RM), que pueden usarse como alimento para animales. Sin embargo, la alta humedad del residuo puede provocar pérdidas de material debido al moho o la fermentación. En este contexto, el secado solar puede ser una operación ventajosa, ya que facilitará el almacenamiento y el transporte, al tiempo que conservará la calidad nutricional de los desechos. Por lo tanto, el objetivo de este trabajo fue estudiar el secado de RM utilizando dos equipos: invernadero solar y secador solar de lecho fijo. Inicialmente, se realizó un estudio de la cinética de secado del material a diferentes temperaturas, obteniendo el modelo de Page como el que mejor representa la cinética de secado del RM. En las pruebas de secado solar, fue posible determinar la influencia de factores como la radiación solar y la velocidad del viento en las temperaturas obtenidas, así como en la velocidad de secado en ambos equipos. El análisis de dinámica de fluidos computacional del secador de lecho fijo mostró la mejor manera de alimentar aire al secador, lo que favorece el secado. Sin embargo, el invernadero solar demostró ser más eficiente, promoviendo un secado más homogéneo del material. As indústrias cervejeiras geram grande quantidade de resíduos de malte (RM), que podem ser empregados como ração animal. No entanto, a alta umidade do resíduo pode implicar em perdas do material devido à mofo ou fermentação. Nesse contexto, a secagem solar pode ser uma operação vantajosa, pois irá facilitar o armazenamento e transporte, conservando também a qualidade nutricional do resíduo. Assim, o objetivo deste trabalho foi estudar a secagem do RM empregando dois equipamentos: estufa solar e secador solar de leito fixo. Inicialmente, foi realizado um estudo da cinética de secagem do material em diferentes temperaturas, obtendo-se o modelo de Page como o que melhor representa a cinética de secagem do RM. Nos testes de secagem solar, foi possível determinar a influência de fatores como a radiação solar e velocidade do vento sobre as temperaturas obtidas, bem como sobre a taxa de secagem em ambos os equipamentos. Análises de fluidodinâmica computacional do secador de leito fixo mostraram a melhor forma de alimentação do ar dentro do secador, que favorece a secagem. No entanto, a estufa solar se mostrou mais eficiente, promovendo uma secagem mais homogênea do material.

Pyrolysis is considered to be the most promising thermal conversion technology. The possibility of producing specialty chemicals and higher added value products makes the process very attractive when compared to other sources of green energy. Pyrolysis is characterized by thermal degradation of the solid fuel, what imply on the rupture of carbon-oxygen bond. The products formed during pyrolysis, as coal fines, gases, and volatiles (acid extract and bio-oil), have high calorific power and have been had many application in chemical industries and in energy generation. The chemical reactor is the main element of the applied chemical processes and for showing a good solid-gas contact, high mass, heat transfer and particle recirculation rates, the spouted and fluidized bed have become efficient options to the success of fast pyrolysis because they prone the physic-chemical processes that occur during pyrolysis. This work has as main objective, to study the fundamental aspects of the biomass pyrolysis in spouted bed that are highly important to the process optimization. Among these aspects, the pyrolysis kinetics and the fluid dynamic behavior of the fluid and the particles inside the equipment stand out. The pyrolysis kinetics of the sugarcane bagasse was analyzed, using experimental data of mass loss by thermogravimetry. The parameters of some of the main kinetic models available on literature were estimated. The results were compared and the model that best represents the data was chosen. The results of the investigation of the primary thermal degradation kinetics showed that the mass loss during thermogravimetry is best represented by parallel and independent reactions of its subcomponent. The calculated values of activation energy allow presuming the necessary amount of energy for the reaction to occur. Regarding the fluid dynamics of the process, the particle mixing experiments in spouted bed allowed a better comprehension of the segregation mechanisms in the equipment. Segregation occurs due to the different terminal velocities of the particles, which may occur due to size and density differences. Tests with glass spheres of different diameter showed that the bigger particles concentrate mainly on the superior annular region. Regarding particles with different densities and same size, represented by the mixing of glass sphere and polyethylene with same diameter, it was observed that the less dense particles, polyethylene, concentrate on the superior region of the bed. It may have occurred due to the low elasticity of the collision of the low density particles with the wall and its difficult on sliding into the wall. In this case, it was defined the minimal spout condition as being the air flow that both particles spout and an increase on the air flow did not cause changes on the pressure drop. Varying the particle size and density, experiments in spouted bed using bagasse and sand in different compositions were carried out. In this step, it was identified a range of composition in which the mixture shows good circulation in the bed, as it was evaluated the particle segregation index in bed. CFD simulations involving a multiphase dense system, with more than one particulate phase, were compared to the data obtained experimentally using glass spheres with different diameters, showing good prediction of the axial distribution data of the volumetric fraction of particles. Beyond that, data about the particle segregation in spouted bed, available on literature, were also reproduced by simulation using CFD. The knowledge of the kinetic and fluid dynamic of the process is the initial and preponderant step to implementation of pyrolysis process in pilot scale. As the determination of the ratio between sand mass and biomass is the critical point of the pyrolysis process, a good understanding of the segregation mechanisms of particle mixtures may help on the identification of the optimum conditions to operate the reactor. A pirólise é considerada uma das mais promissoras tecnologias de conversão térmica. A possibilidade de produzir especialidades químicas e produtos com maior valor agregado torna o processo muito atraente quando comparado a outras fontes renováveis de energia limpa. A pirólise é caracterizada pela degradação térmica do combustível sólido, que implica na ruptura de ligações carbono-carbono e na formação de ligações carbono-oxigênio. Os produtos formados durante a pirólise, a saber, finos de carvão, gases e os voláteis (extrato ácido e bio-óleo), possuem alto poder calorífico e têm tido várias aplicações, tanto na indústria química quanto na geração de energia. O reator químico é o elemento principal nos processos químicos aplicados. Por apresentar bom contato gás-sólido, altas taxas de transferência de calor e massa e alta taxa de recirculação de partículas, os leitos de jorro e fluidizado têm se tornado opções eficientes para a realização da pirólise rápida, pois favorecem os processos físico-químicos que ocorrem durante a pirólise. Este trabalho tem como objetivo principal estudar aspectos fundamentais da pirólise de biomassa em leito de jorro que são de suma importância para a otimização do processo. Dentre estes aspectos destacam-se a cinética da pirólise e o comportamento fluidodinâmico do fluido e das partículas no interior do equipamento. A cinética da pirólise do bagaço de cana foi investigada, utilizando dados experimentais de perda de massa por termogravimetria. Foram estimados os parâmetros de alguns dos principais modelos cinéticos disponíveis na literatura. Os resultados foram comparados e o modelo que melhor representa os dados experimentais foi selecionado. Os resultados da investigação da cinética da degradação térmica primária da biomassa mostraram que a perda de massa da amostra durante a termogravimetria é melhor representada por reações paralelas e independentes de seus subcomponentes. Os valores de energia de ativação calculados permitem presumir a quantidade de energia necessária para que a reação ocorra. Quanto à fluidodinâmica do processo, os experimentos de mistura de partículas em leito de jorro possibilitaram uma melhor compreensão dos mecanismos de segragação neste equipamento. A segregação ocorre devido às diferentes velocidades terminais das partículas, que pode ocorrer devido à diferença no tamanho e densidade das mesmas. Testes com misturas esferas de vidro de diâmetros diferentes mostraram que as partículas maiores se concentraram preferencialmente na região superior da região anular. Quando se trata de partículas de densidades diferentes e mesmo tamanho, representada pela mistura de esferas de vidro e polietileno com mesmo diâmetro, observou-se que as partículas menos densas, no caso de polietileno, se concentraram na região superior do leito. Provavelmente isso ocorreu devido à baixa elasticidade do choque das partículas pouco densas com a parede e sua dificuldade de deslizamento na parede. Para este caso, foi definida a condição de jorro mínimo conjunto como sendo a vazão de ar em que as duas partículas jorravam juntas e um acréscimo da vazão de ar não ocasionava mudanças na queda de pressão. Variando o tamanho e a densidade das partículas, foram realizados experimentos em leito de jorro empregando misturas de areia e bagaço com diferentes composições. Nesta etapa, foi identificada a faixa de composições em que a mistura apresenta boa movimentação no leito, bem como foi avaliado o índice de segregação das partículas no leito. Simulações CFD envolvendo um sistema multifásico denso, com mais de uma fase particulada, foram comparadas com os dados obtidos experimentalmente para esferas de vidro de diâmetros diferentes, apresentando boa predição dos dados de distribuição axial da fração volumétrica de partículas. Além disso, dados sobre a segregação de partículas em leito de jorro, disponíveis na literatura, também foram reproduzidos por simulação CFD. O conhecimento da cinética e a fluidodinâmica do processo são o passo inicial e preponderante para a implementação do processo de pirólise em escala piloto. Visto que a determinação da razão entre a massa de areia e biomassa é o ponto crítico do processo de pirólise, o bom entendimento dos mecanismos de segregação de misturas de partículas pode auxiliar na identificação das condições ótimas de operação do reator. Doutor em Engenharia Química

Universidade Federal do Triângulo Mineiro Mestre em Engenharia Química O leito de jorro tem sido estudado em diversas aplicações, tais como secagem de materiais, recobrimento de partículas, reações catalíticas, dentre outros. Isto se deve ao fato do equipamento apresentar excelente contato fluido-partícula, o que fornece elevados coeficientes de transferência de calor e massa e alta taxa de circulação de partículas. O conhecimento da fluidodinâmica do equipamento é de suma importância para adaptar o leito a novas aplicações, bem como para compreender algumas limitações deste equipamento. Estudos de simulação por meio da técnica da fluidodinâmica computacional (CFD) mostraram que esta metodologia tem um bom potencial para a melhor compreensão dos aspectos fluidodinâmicos em diversos equipamentos. A utilização de um modelo multifásico, associada à solução de equações provenientes dos balanços de massa e momento para cada uma das fases, tem tido êxito para simulação fluidodinâmica de leitos móveis. Em trabalhos anteriores foram realizadas simulações numéricas bidimensionais (2D) de um leito de jorro convencional e com tubo draft utilizando o modelo Euleriano granular multifásico. Este modelo trata as fases como contínuas e interpenetrantes, dando origem a uma fase granular pseudo-fluida, que necessita da definição de algumas propriedades, tais como viscosidade bulk e cisalhante da fase granular e pressão da fase granular, propriedades presentes na equação de balanço de quantidade de movimento. Para definir estas propriedades, adota-se a Teoria Cinética Granular, desenvolvida para fluxos granulares. Os resultados de perfis fluidodinâmicos tiveram uma boa aproximação com os dados experimentais. No presente trabalho procurou-se adaptar a modelagem em 2D, para uma abordagem em 3D aplicada ao leito de jorro convencional e com tubo draft, considerando regime laminar. Posteriormente, realizou-se um estudo considerando o regime turbulento pó meio da inserção do modelo de turbulência k-ε disperso. Para tal, utilizaram-se os dados experimentais de LOURENÇO (2006), para o leito de jorro convencional e os dados de VIEIRA NETO (2007) no caso do leito de jorro com tubo draft. Os perfis simulados de fração volumétrica de sólidos, de velocidade de sólidos foram obtidos, bem como a curva característica simulada para as duas configurações do leito. A condição de jorro mínimo simulada foi identificada e auxiliou a validação das simulações. O efeito da inserção da turbulência foi avaliado, comparando as simulações com e sem a modelagem de turbulência, constatando-se que a inclusão desta exerce certa influência sobre a fluidodinâmica do leito. Os resultados via CFD obtidos pela simulação em 3D, para as duas configurações do leito de jorro, apresentaram boa concordância com os dados experimentais e se mostraram mais precisos do que os resultados das simulações 2D, realizadas em trabalhos anteriores.

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico FAPEMIG - Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais A utilização da biomassa como fonte de energia tem se destacado como uma alternativa promissora para a redução do consumo de combustíveis fósseis. Nesse sentido, diversas técnicas de conversão desse material podem ser empregadas, entre elas os processos termoquímicos que visam a produção de energia. Dentre esses processos, a pirólise assistida por micro-ondas se destaca ao ser comparada à pirólise convencional por economia de tempo, alta eficiência de aquecimento e maior controle do processo. Essa técnica possibilita a valorização da biomassa através da sua decomposição térmica em atmosfera inerte, produzindo três produtos que normalmente apresentam maior densidade energética: o biocarvão, o bio-óleo e o gás. Os produtos pirolíticos podem substituir os combustíveis fósseis após processos de melhoramento (Upgrading Catalítico) ou serem utilizados na indústria química. Neste trabalho, foi estudado a pirólise de bagaço de malte assistida por micro-ondas com o objetivo de produzir produtos líquido, sólido e gasoso, com foco na análise de rendimentos e qualidade do produto líquido. Através de um planejamento com dois níveis e três variáveis, avaliou-se o efeito das variáveis temperatura, tempo de reação e faixa granulométrica da biomassa no processo estudado e identificou-se que a temperatura, a faixa granulométrica e a interação da temperatura e tempo de reação foram as variáveis que interferiram significativamente no rendimento de líquido pirolítico. Em um segundo momento, a metodologia de Superfície de Resposta foi utilizada para identificar o efeito das variáveis temperatura (X1) e porcentagem em massa de catalisador, no caso, o óxido de cálcio (X2), estudadas através de um Planejamento Composto Central (PCC). Os compostos presentes no bio-óleo foram identificados por cromatografia gasosa acoplada à espectrometria de massa (GC/MS) e a qualidade do mesmo foi determinada com base na quantidade de hidrocarbonetos presentes. Através do PCC utilizando o catalisador CaO, foi possível obter equações que descrevem o processo estudado, bem como a otimização do rendimento e da qualidade (teor de hidrocarbonetos) do bio-óleo, atingindo máximo rendimento líquido de 30,88%, considerado um rendimento bom para a técnica utilizada, e um rendimento de hidrocarbonetos igual a 61,58 %. Além disso, os resultados da composição do produto líquido no ponto ótimo são promissores, sendo que o mesmo apresentou a presença de hidrocarbonetos aromáticos de grande interesse para a indústria química. O biocarvão produzido no ponto ótimo também foi caracterizado e apresentou 23,6 % de carbono fixo e 33,98 % de voláteis. Através dos resultados citados acima, exalta-se que o uso dessa biomassa como fonte percussora de biocombustíveis e matéria-prima para indústria química via pirólise assistida por micro-ondas é uma área promissora e com um grande potencial para ser explorado em estudos futuros. The use of biomass as an energy source has emerged as a promising alternative for reducing fossil fuel consumption. In this sense, several techniques for converting this material can be used, including thermochemical processes aimed at energy production. Among these processes, microwave-assisted pyrolysis stands out when compared to conventional pyrolysis for time savings, high heating efficiency, and greater process control. This technique makes possible the valorization of biomass through its thermal decomposition in an inert atmosphere, producing three products that normally present higher energy density: biochar, bio-oil, and gas. Pyrolytic products can replace fossil fuels after upgrading processes (Catalytic Upgrading) or be used in the chemical industry. In this work, microwave-assisted pyrolysis of malt bagasse was studied to produce liquid, solid and gaseous products, focusing on the analysis of yields and quality of the liquid product. Through a 2^3 Planning, the effect of the variables temperature, reaction time, and granulometric range of the biomass in the studied process was evaluated and it was identified that the temperature, the granulometric range, and the interaction of temperature and reaction time were the variables that significantly interfered in the pyrolytic liquid yield. In a second step, the Response Surface methodology was used to identify the effect of the variables temperature (X1) and percentage by mass of catalyst, in this case, calcium oxide (X2), studied through a Central Composite Planning (CCP). The compounds present in the bio-oil were identified by gas chromatography coupled to mass spectrometry (GC/MS) and the quality of the same was determined based on the amount of hydrocarbons present. Through PCC using the CaO catalyst, it was possible to obtain equations that describe the studied process, as well as the optimization of the yield and quality (hydrocarbon content) of the bio-oil, reaching a maximum net yield of 30.88%, considering a yield good for the technique used, and a hydrocarbon yield equal to 61.58%. In addition, the results of the composition of the liquid product at the optimum point are promising, and it showed the presence of aromatic hydrocarbons of great interest to the chemical industry. The biochar produced at the optimum point was also characterized and presented 23.6% of fixed carbon and 33.98% of volatiles. Through the results mentioned above, it is highlighted that the use of this biomass as a precursor to biofuels and raw material for the chemical industry via microwave-assisted pyrolysis is a promising area with great potential to be explored in future studies. Dissertação (Mestrado)

A sociedade atual vive em busca constante por novas ferramentas e tecnologias que impulsionam tanto pesquisas científicas como novos empreendimentos e carreiras. Estas inovações são aplicáveis no cotidiano com o objetivo de facilitar e agilizar nossas atividades e mostram-se essenciais em vários contextos, seja na reestruturação de uma sala de aula com seus novos métodos de ensino ou no fornecimento de respostas em tempo hábil para que profissionais tomem decisões baseadas em simulações. A história mostra que a evolução e adaptação de métodos de ensino ocorrem gradualmente. Contudo, momentos disruptivos nos trazem uma perspectiva de maior atenção e urgência para determinadas soluções. O aplicativo proposto pelo trabalho, denominado ADSI-F (Aplicativo de Dimensionamento e Simulação Industrial – Módulo Equipamentos de Filtração), é uma ferramenta de auxílio ao projeto de equipamentos de filtração da Engenharia Química. Destinado ao uso acadêmico e profissional, o aplicativo oferece um layout intuitivo, o que facilita sua utilização pelos usuários, além de se adequar ao processamento da simulação de acordo com o perfil (mais informativo ou objetivo, respectivamente). Decidiu-se pela aplicação dentro da área de filtração por se tratar de uma das Operações Unitárias, área essencial dentro da Indústria e processamento de materiais. A revisão de literatura indicou problemas quanto à evasão de alunos devido a esta disciplina, de sorte que uma boa solução encontrada seria a adequação da grade curricular com uso das TICs para facilitar a compreensão do conteúdo. The actual society lives in constant search for new tools and technologies which can boost not only scientific research but also entrepreneurship and new careers. Those innovations are applied on our daily basis to facilitate and streamline our activities, shows itself as essential for a great variety of contexts, like on classroom restructure with its new learning methods or providing timely answers to professionals for making decisions based on simulations. History has showed that learning methods’ evolution and adaptation are made gradually. However, disruptive moments could bring us higher attention and urgency to new perspective and determined solutions. The app proposed in this work, called ADSI-F (Industrial Scaling-up and Simulation App – Filtration Equipment’s Module) is an auxiliar tool on Chemical Engineering’s filtration equipment’s project. Destined for both academical and professional purposes, the app offers an intuitive layout, which facilitate users’ manipulation, besides of adjusting the simulation’s processing according to the type of user profile (either more informative or objective, respectively). It was decided its application into the filtration area because it is one of the Unit Operations at Chemical Engineering (essential area inside Industry and material processing). The literature revision had indicated not only issues related to students’ evasion because of this discipline, but also that a good solution would be scholar curriculum adequacy with the use of ICTs to facilitate content comprehension.

A utilização de leito de jorro para a secagem vem crescendo nos últimos anos, inúmeros pesquisadores têm adotado o preenchimento do leito com materiais inertes para aumentar a superfície de contato, promovendo uma secagem mais efetiva para materiais que não podem ser fluidizados e jorrados, como é o caso de pastas e soluções. Com o intuito de contribuir para área de pesquisa que abrange materiais particulados o seguinte trabalho teve como objetivo aperfeiçoar uma unidade de leito de jorro para a secagem de fertilizante foliar usando sólidos inertes. O fertilizante adotado possuiu dificuldade de solubilização, com a premissa de que essa técnica de secagem melhoraria a solubilidade, a caracterização do produto final foi abordada. Inicialmente ocorreu a troca e reparo de vários componentes do equipamento, como a substituição da resistência espiral para uma aletada, adição do isolamento da tubulação do ar de secagem e revestimento do leito, trocas de mangueiras, afiações e disjuntores. Também foi realizada a instrumentação da unidade através da parametrização do controlador de temperatura, instalação e programação de um sistema de aquisição de dados por meio de transdutores de pressão, para que fosse registrados dados de queda de pressão do leito e vazão de alimentação do ar de entrada. O inerte escolhido, o polietileno de baixa densidade PEBD, passou por um processo de validação que incluiu a investigação das características físicas, morfológicas e análise do ângulo de contato da superfície do material com a suspensão de fertilizante. O ângulo obtido foi de 76°, indicando que o PEBD é propício para a secagem de pastas e soluções em leito de jorro. Em seguida foram realizadas curvas características com o sólido inerte em diferentes cargas, a massa que apresentou melhor estabilidade fluidodinâmica foi escolhida para o processo de secagem. Os ensaios de secagem da solução foram realizados segundo o planejamento experimental 2³ com uma repetição na melhor condição, as três variáveis do sistema foram o tempo de vazão de alimentação da solução, o tempo de intermitência entre os intervalos de alimentação e a altura do atomizador. Um balanço de massa foi realizado para mapear as frações mássicas de fertilizante perdidas ao longo do processo, sendo que as variáveis tiveram influência sobre três regiões, a superfície das partículas, a parede do leito e o filtro localizado no overflow do ciclone. As respostas geradas durante os testes foram a umidade, o rendimento e a produtividade. A altura do atomizador apresentou efeito em praticamente todas as respostas e frações mássicas estudadas, porém o tempo de intermitência teve maior influência as frações aderidas no filtro e parede do leito. De modo geral o maior tempo de intermitência acarretou em menores recuperações de produto. A temperatura foi monitorada em vários pontos durante os experimentos de secagem, as variáveis foram analisadas estatisticamente e o tempo de alimentação isolado e associado com a altura do atomizador foi o fator de maior efeito na queda de temperatura para as regiões mais distantes da entrada de ar quente do sistema. Apesar do rendimento durante a secagem ter sido baixo, 26,6% na melhor configuração, o pó seco resultante apresentou um aumento da solubilidade em 69% comparado com o fertilizante in natura, análises de DRX foram empregadas para se analisar a cristalinidade e nível de fase amorfa dos materiais. Durante os testes foram amostras quantidades significativas de produto sendo elutriados pelo overflow do ciclone, com base na distribuição granulométrica do produto final um novo ciclone foi projetado, com o intuito de sanar esse problema em trabalhos futuros. Uma anormalidade no movimento das partículas foi registrada ao longo do estudo, o fluxo tende ao lado esquerdo do leito, fazendo o material se chocar constantemente com a parede do equipamento, a análise CFD foi empregada para se buscar a causa desse movimento e um defeito na geometria na unidade foi encontrada. Para sanar essa questão foi simulada uma proposta de modificação na estrutura da tubulação de entrada de ar, fazendo com que o movimento fluidodinâmico das partículas se restaurasse para o centro do leito de jorro. The use of a spouted bed for drying has been increasing over the years with numerous researchers adopting the filling of the bed with inert materials to increase the contact surface. It results in a more effective drying method for materials that cannot be fluidized and spouted, such as masses and solutions. In order to contribute to the research area that covers particulate materials, this work aimed to improve a spouted bed unit for drying foliar fertilizer using inert solids. The adopted fertilizer had low solubility and with the premise that this drying technique would improve its solubility, the characterization of the final product was addressed. Initially, several components of the equipment were replaced and repaired, such as replacing the spiral resistance for a finned one; adding insulation for the drying air piping and bed covering; changing hoses; wiring and circuit breakers. The instrumentation of the unit was also carried out through the parameterization of the temperature controller; installation and programming of a data acquisition system by means of pressure transducers, so that data about drops in the bed pressure and the flow in the entry of air supply could be recorded. The chosen inert material, low density polyethylene (LDPE), underwent a validation process that included investigation of the physical and morphological characteristics and analysis of the contact angle of the material surface with the fertilizer suspension. Through the investigation, the angle found was 76 °, which indicates that LDPE is suitable for drying masses in a spouted bed. Then, the characteristic curves with the inert solid at different loads were evaluated and the mass that showed better fluid dynamic stability was chosen for the drying process. The solution drying tests were carried out according to the 2³ experimental design with a repetition of the best condition, and the three variables of the system were: the solution feeding flow time, the intermittence time between the feeding intervals and the height of the atomizer. A mass balance was carried out to map the fertilizer mass fractions lost along the process, with the variables having an influence on three regions: the surface of the particles; the bed wall and the filter located in the cyclone overflow. The answers generated during the tests were moisture, yield and productivity. The height of the atomizer had an effect on practically all the responses and mass fractions studied, but the intermittency time had a greater influence as fractions adhered to the filter and bed wall. In general, the longer intermittence time resulted in lower product recoveries. The temperature was monitored at various points during the drying experiments with the variables being statistically analyzed. The variable, feeding time, associated with the variable, height of the atomizer, were the factors with the greatest effect on the temperature drop for the furthest regions from the inlet of hot air from the system. Although the yield during drying was low, 26.6% in the best configuration, the resulting dry powder showed a solubility increase of 69% compared to the in natura fertilizer. DRX analyzes were used to assess the crystallinity and level of amorphous phase of the materials. During the tests, significant amounts of product were eluted by the cyclone overflow so, based on the particle size distribution of the final product, a new cyclone was designed in order to solve this problem in future works. An abnormality in the movement of particles was recorded throughout the study: the flow tends to the left side of the bed, causing the material to constantly collide with the wall of the equipment. A CFD analysis was used to look for the cause of this movement and a defect in the geometry on the equipment was found. To solve this issue, a proposal to modify the structure of the air inlet pipe was simulated, making the fluid dynamic movement of the particles restored to the center of the spouted bed.

A biomassa lignocelulósica representa uma fonte de matéria-prima abundante e de baixo custo para produção de energia renovável e diversos materiais. Ela é composta de uma mistura complexa de celulose, hemicelulose, lignina, além de extrativos e cinzas. A pirólise é um processo termoquímico para exploração da biomassa, no qual ocorre a sua decomposição química, pelo calor, na ausência total ou parcial de oxigênio, produzindo bio-óleo, bio-gás e bio-carvão. Sendo assim, o objetivo desse trabalho foi realizar a caracterização química e física da fibra de coco e da casca de cebola e estudar a pirólise de ambas as biomassas analisando o efeito da temperatura pirolítica e da adição de cloreto de magnésio (MgCl2) nos produtos pirolíticos. As propriedades físicas e químicas da fibra de coco e casca de cebola foram avaliadas através de distribuição granulométrica, análise de forma da partícula, densidade, além de análises: imediata, de composição lignocelulósica, espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) e termogravimétrica. As cinéticas de degradação térmica das biomassas foram avaliadas utilizando o modelo de Reação Global Reparametrizado (RGR) a partir dos dados experimentais das análises termogravimétricas para as taxas de aquecimento de 20, 30, 40 e 50 °C.min-1 . Cada biomassa foi submetida a seis experimentos de pirólise em leito fixo através de um planejamento experimental 2² com duas réplicas no ponto central, a fim de avaliar os efeitos da temperatura de pirólise (350, 400 e 450 °C) e da adição de MgCl2 (0, 5 e 10 %) no rendimento dos produtos líquidos, bio-carvão e bio-gás. Para ambas as biomassas observou-se que o rendimento dos produtos líquidos é favorecido pelo aumento da temperatura de pirólise e baixas concentrações do sal; já para o bio-carvão observou-se que quanto maior a concentração de MgCl2 e menor a temperatura de pirólise, maior será seu rendimento; quanto ao bio-gás o maior rendimento observado foi para altas temperaturas e baixas concentrações do sal. Pela análise dos espectros de FTIR dos produtos pirolíticos das biomassas obteve-se com principais estruturas químicas presentes na fase aquosa o alongamento O-H, ligações aromáticas C=C e C-H; já nos bio-carvões identificou-se a presença de alongamentos O-H, ligações C-Hn, C=C aromáticas, CH2, C-O, C-O-C e C-H aromáticas. Lignocellulosic biomass represents an abundant and low-cost source of raw material for the production of renewable energy and various materials. It is composed of a complex mixture of cellulose, hemicellulose, lignin, in addition to extracts and ashes. Pyrolysis is a thermochemical process for the exploration of biomass, in which its chemical decomposition occurs, by heat, in the absence of oxygen, producing biooil, bio-gas and bio-char. Thus, the objective of this work was to perform the chemical and physical characterization of coconut fiber and onion peel and to study a pyrolysis of both as biomasses by analyzing the effect of pyrolytic temperature and the addition of magnesium chloride (MgCl2) on pyrolytic products. The physical and composite properties of coconut fiber and onion skin were evaluated through particle size distribution, particle shape analysis, density, in addition to analyzes: immediate, lignocellulosic composition, Infra-Red Spectroscopy with Fourier Transform (FTIR) and thermogravimetric. The kinetics of thermal degradation of the biomasses were evaluated using the Global Reaction Reparametrized model from the experimental data of the thermogravimetric analyzes for the heating rates of 20, 30, 40 and 50 °C.min-1 . Each biomass was subjected to six fixed bed pyrolysis experiments through a 2² experimental design with two replicates at the central point, in order to evaluate the pyrolysis temperature effects (350, 400 and 450 °C) and the addition of MgCl2 (0, 5 and 10%) in the yield of liquid products, bio-coal and bio-gas. For both as biomasses it was observed that the yield of liquid products is favored by the increase in the temperature of pyrolysis and lowering of the salt; for bio-char, it is observed that the higher the concentration of MgCl2 and the lower the pyrolysis temperature, the greater its yield; as for bio-gas, the highest yield observed for high rates and low lows of salt. By analyzing the FTIR spectra of the pyrolytic products of the biomasses obtained with the main structures present in the aqueous phase, the O-H elongation, aromatic bonds C = C and C-H; in the bio-chars, the presence of O-H elongations, CHn, C = C aromatic bonds, CH2, C-O, C-O-C and C-H aromatics was identified. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES

FAPEMIG - Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais O leito de jorro é um equipamento amplamente utilizado na indústria de processos, por promover um eficiente contato entre sólidos e fluido. Existem algumas limitações na utilização do leito de jorro no regime convencional ao se trabalhar com materiais sensíveis ao calor, como elevado tempo de permanência, e ao se utilizar materiais pegajosos, como bloqueio do leito, devido à baixa taxa de circulação de partículas na região anular. Uma opção para evitar esses problemas de fluidodinâmica é a operação do leito de jorro em fase diluída, o jet spouted bed. A modelagem numérica, em especial o acoplamento entre a Fluidodinâmica Computacional e o Método de Elementos Discretos (CFD-DEM), facilita o conhecimento do escoamento de partículas no interior de equipamentos multifásicos, tornando possível a obtenção de informações pontuais dos sólidos. Neste trabalho, foi estudada a dinâmica de esferas de vidro em um leito de jorro de acrílico operando em fase densa e diluída (jet spouted bed), bem como no regime de transição entre elas, por meio da técnica da simulação numérica CFD-DEM. Foi analisada a variação da velocidade de ascensão e de queda de partículas e da porosidade do leito, com a expansão da velocidade de alimentação do ar, bem como a variação do número e intensidade de contatos e colisões de partículas no interior do equipamento. Dados experimentais de Barrozo et al. (2010) foram utilizados com o objetivo de verificar as simulações computacionais. Os resultados da simulação CFD-DEM foram satisfatórios para prever o comportamento de velocidade de partícula e porosidade do leito. Com a expansão da velocidade de alimentação de ar, ocorreu aumento da velocidade com a qual as partículas sobem na região de jorro, e da porosidade local. A intensidade de colisões de partículas, contudo, aumenta com a velocidade de alimentação de ar. No jet spouted bed, em especial, observou-se que a porosidade local do leito se manteve próxima a 0,9 em todas as posições radiais de um mesmo plano axial. Além disso, neste regime diluído, constatou-se uma maior razão colisões/contatos de partículas em todo o equipamento, o que torna interessante estudos de aplicação do jet spouted bed em operações como extração mecânica, em que o choque entre partículas importa mais que o deslizamento. The spouted bed has been widely used in industrial processes, due to the high contact reached between particles and fluid. There are some limitations to the use of the dense spouted bed. In this conventional regime, the long residence time has a disadvantageous effect on thermosensitive materials, for example, and may cause bed blockage in operations with sticky materials, as a consequence of the low particle circulation rate. An option to avoid these fluid dynamics problems is to operate a diluted-phase spouted bed, the jet spouted bed. Numerical modeling, especially the CFD-DEM, facilitates the analysis of the flow of particles inside multiphase equipment, making it possible to obtain specific information about the solids. In this work, the dynamic of glass spheres in a Plexiglas spouted bed was studied by the CFD-DEM technique in the conventional and jet spouting, besides in the transition regime between them. The upward and downward particle velocities, as well as the local bed voidages, were analyzed, with the expansion of the inlet air velocity, besides the variation in the number of contacts, number of collisions, and the intensity of collisions inside the equipment. Experimental data from the literature were used to validate the numerical simulations. The simulations' results were satisfactory to predict the behavior of particle velocities and bed voidage. With the inlet air velocity expansion, there was an increase in the upward velocities at the spouting region and the radial distribution of voidage. Also, there was a decrease in the number of contacts and collisions between particles, as the solids are distributed along the bed. The intensity of particle collisions, however, increases with the inlet air velocity expansion. In the jet spouted bed, especially, it was observed that the local bed voidage remained close to 0.9 in all the radial positions. Besides, in this diluted regime, a higher particle collision/contact ratio was observed throughout the equipment, which makes interesting to study the jet spouted bed in operations in which the collisions between particles are more important than the slip, such as mechanical extraction. It was also observed that the steady-state takes longer to reach the diluted regime. Dissertação (Mestrado)

O Brasil é um dos maiores produtores agrícolas do mundo, com uma demanda crescente por áreas de plantio. Porém os solos brasileiros precisam de suplementação de vários nutrientes, dentre eles o fósforo (P), além de fontes de matéria orgânica. Uma vez que a adubação tradicional apresenta baixa eficiência devido a perdas como lixiviação e volatilização e fixação de P no solo, o uso de fertilizantes de liberação lenta pode otimizar a performance da fertilização. Porém, tais fertilizantes são caros, o que pode inviabilizar seu uso. Neste contexto, o uso de fertilizantes organominerais a base de biomassas pode ser uma alternativa sustentável para nutrição do solo e aumento da produtividade agrícola. Diante disso, o objetivo deste trabalho foi produzir fertilizantes organominerais peletizados de liberação lenta, a partir de borra de café (BC) impregnada com uma pasta de superfosfato triplo (TSP). Foi implementado um planejamento experimental fatorial 23, a fim de avaliar a influência da porcentagem de ligante (melaço de cana de açúcar), da razão mássica entre TSP e BC e a temperatura de secagem, sobre a resistência dos pellets e sua capacidade de liberação dos nutrientes em água. Foi estudada a cinética de liberação de P empregando os modelos cinéticos de Weibull e Korsmeyer-Peppas. O fertilizante com melhor desempenho foi submetido a tratamento térmico (TT) em mufla, nas temperaturas de 300 e 400 ºC, em diferentes tempos de exposição (10, 30 e 90 minutos). Em seguida, avaliou-se a cinética de perda de massa durante o TT usando modelos de reação global; a resistência dos novos pellets à queda e a cinética de liberação de P. A caracterização da BC revelou seu grande potencial como condicionador do solo. O estudo de formulação do fertilizante mostrou que adição de melaço e a quantidade de fertilizante foram os fatores que mais influenciaram a resistência mecânica do pellet. A formulação com 10% de melaço e 2,5 g fertilizante/g BC, secas a 100ºC apresentou a melhor resistência à queda e uma liberação mais lenta de P, levando cerca de 13,8 h para liberação de 90% de P. Quanto ao TT, a perda de massa por devolatilização seguiu uma cinética de 1ª ordem. O fertilizante com TT a 400ºC durante 30 min apresentou o melhor desempenho, e obedece aos requisitos de classificação de liberação lenta. Este apresentou uma cinética de liberação de P segundo o modelo de Korsmeyer-Peppas (KP), sendo controlada pela difusão Fickiana associada à ruptura do pellet por inchamento/relaxamento da matriz. O tempo de meia vida de liberação da amostra otimizada foi 3078 vezes maior que do TSP em pó e 30 vezes maior que o da amostra sem o TT. Assim, conclui-se que o TT foi essencial para incremento do desempenho do fertilizante, uma vez que ele aumenta a resistência do pellet, criando uma ligação mais forte ente o nutriente e a biomassa carbonizada, o que dificulta a transferência de massa e melhora o desempenho de liberação lenta. A formulação desenvolvida neste trabalho tem o potencial de minimizar as perdas de P no solo por lixiviação, de aumentar a retenção de água no solo, além de fornecer matéria orgânica, atuando como um condicionador do solo. Brazil is one of the largest agricultural producers in the world, with a growing demand for planted areas. However, Brazilian soils need supplementation of various nutrients, including phosphorus (P), besides sources of organic matter. Since traditional fertilization has low efficiency due to losses such as leaching and volatilization and P fixation in the soil, the use of slow-release fertilizers can optimize fertilization performance. Nevertheless, such fertilizers are expensive, making their use unfeasible. In this context, the use of organo-mineral fertilizers based on biomass can be a sustainable alternative for soil nutrition and increased agricultural productivity. Because of this, the objective of this work was to produce pelletized organomineral fertilizers of slow-release, from coffee grounds (CG) impregnated with a triple superphosphate paste (TSP). A 2³ factorial experimental planning was implemented in order to evaluate the influence of the percentage of binder (sugar cane molasses), of the mass ratio between TSP and CG and the drying temperature, on the pellet resistance and its release capacity nutrients in the water. The release kinetics of P was studied using the Weibull and Korsmeyer-Peppas kinetic models. The fertilizer with the best performance was submitted to thermal treatment (TT) in a muffle, at temperatures of 300 and 400 ºC by different exposure times (10, 30 and 90 minutes). Then, the mass loss kinetics during TT was evaluated using a global reaction model; the fall resistance of the new pellets and the release kinetics of P. The characterization of CG revealed its great potential as a soil conditioner. The study of fertilizer formulation showed that the addition of molasses and the amount of fertilizer were the factors that influenced the mechanical resistance of the pellet the most. The formulation with 10% molasses and 2.5 g fertilizer / g CG, dried at 100ºC showed the best resistance to falling and a slower release of P, taking about 13.8 h to release 90% of P. As for TT, the loss of mass due to devolatilization followed first-order kinetics. The TT fertilizer at 400ºC for 30 min showed the best performance and it complies with the slow release classification requirements. It showed kinetics of P release according to the Korsmeyer-Peppas (KP) model, being controlled by the Fickian diffusion associated with the rupture of the pellet by swelling/relaxation of the matrix. The half-life of the release of the optimized sample was 3078 times greater than that of TSP powder and 30 times greater than that of the sample without TT. Thus, it is concluded that TT was essential to increase the performance of the fertilizer, since it increases the resistance of the pellet, creating a stronger bond between the nutrient and the carbonized biomass, which hinders the mass transfer and improves the slow release performance. The formulation developed in this work has the potential to minimize P losses in the soil by leaching, to increase water retention in the soil, in addition to providing organic matter, acting as a soil conditioner. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior

FAPEMIG - Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais A exposição do ser humano ao Monóxido de Carbono (CO) pode contribuir para episódios de emergência devido a infartos, e mesmo quando o tempo de exposição é da ordem de 50 minutos compromete a acuidade visual. No ambiente urbano, esta exposição é contínua, mas o monitoramento de concentrações em grandes espaços é difícil e raramente executado pelos agentes públicos devido ao alto custo de operação e de manutenção. Essas concentrações são ainda afetadas pela presença de obstáculos e de edificações, pelas condições variáveis de tráfego, pelas condições climáticas que variam ao longo de curtos períodos de tempo. A predição dos níveis de concentração de gases tóxicos e de materiais particulados, através de modelos matemáticos, permite estabelecer políticas de saúde pública considerando o efeito das muitas variáveis que afetam a dispersão destes poluentes e adotar ações de prevenção e correção dos fatores causadores. Este trabalho propõe a aplicação de modelos matemáticos fenomenológicos baseados nas equações conservativas de massa, quantidade de movimento e energia acopladas ao modelo de turbulência κ – ε, para a simulação computacional da dispersão de CO emitido por veículos em ambiente urbano na cidade de Uberlândia (Minas Gerais, Brasil), considerando tempos de parada em sinais de trânsito, tipo de veículos, características climáticas da região e idade da frota. A simulação computacional é feita utilizando o software OpenFOAM®. São apresentados os padrões dinâmicos de escoamento e os perfis de concentração em terreno característico de ambiente urbano, com 60 metros x 45 metros x 30 metros de dimensão, com a presença de um obstáculo cúbico de 5 metros x 5 metros x 5 metros. A fonte emissora de CO, distribuída em uma zona inicial de mistura, tem a carga estimada para uma determinada conformação de filas de veículos, considerado o fator de emissividade, pelo software CAL3QHC. Para considerar os tempos de parada dos veículos nos sinais de trânsito (73 segundos), as simulações foram realizadas em duas etapas. Na primeira etapa, o posicionamento da fonte de CO foi definida em conformidade com o posicionamento de filas de veículos considerando a presença de ar puro em todo o domínio. As estruturas de escoamento e as concentrações de CO neste ambiente após 73 segundos, definiram a concentração de background do CO utilizada nos modelos integrais. Esta concentração de background permite representar uma situação mais realista da ambiência urbana e foi utilizada na simulação da segunda etapa onde novo lançamento de CO foi simulado considerando o mesmo posicionamento dos links de fila de veículos e a mesma distribuição da carga. A influência da velocidade do ar sobre os padrões de escoamento e a distribuição de concentração do CO foi considerada para valores de velocidades de 2,34 m/s, 4 m/s e 15 m/s, típicas da região estudada. Os fenômenos de estratificação atmosférica, mitigação e inversão térmica foram adequadamente previstos na simulação e demonstrou-se em que condições os efeitos danosos do CO sobre a saúde humana são mais agudos. São apresentados ainda estudos considerando o lançamento de uma fonte pontual de CO com dimensões de 7 metros x 3 metros x 3 metros, posicionada a um 1,80 metro de altura do solo correspondente à altura média da população, sem e com a presença do obstáculo cúbico.Os resultados obtidos demonstram a capacidade da modelagem CFD através do OpenFoam, associada à representação de links de filas de veículos automotores através do algoritmo CAL3QHC, na representação da dispersão do CO em ambiente urbano. The human exposure to Carbon Monoxide (CO) can contribute to emergency episodes due to heart attacks, and even when the exposure time is 50 minutes of order compromises visual acuity. In the urban environment, this exhibition is ongoing, but monitoring concentrations in large spaces is difficult and rarely performed by state officials due to the high cost of operation and maintenance.These concentrations are still affected by the presence of barriers and buildings, by varying traffic conditions, climate conditions ranging over short periods of time. The prediction of the concentration levels of toxic gases and particulate matter, through mathematical models, allows you to establish public health policies considering the effect of many variables that affect the dispersion of air pollutants and adopt prevention and correction of the causative factors. This work proposes the application of mathematical models phenomenological based on the mass of conservative equations, momentum and energy coupled to κ turbulence model - ε, for the simulation of CO dispersion emitted by vehicles in urban environment in the city of Uberlândia (Minas Minas, Brazil), considering downtimes in traffic signals, vehicle type and climatic characteristics of the region and age of the fleet. The computer simulation is performed using the software OpenFOAM®. Dynamic patterns are presented to flow and concentration profiles in a characteristic plot of urban environment 60 meters x 45 meters x 30 meters in size in the presence of a cubic obstacle 5 meters x 5 meters x 5 meters. The CO emission source, distributed in an initial mixing zone, has the estimated load for a given conformation of vehicle queues considered the emissivity at CAL3QHC software. To consider the vehicle downtimes on road signs (73 seconds), the simulations were carried out in two stages. In the first stage, the positioning of the CO source was defined in accordance with the positioning of vehicle queues considering the presence of fresh air throughout the area. The flow structures and CO concentrations in the environment after 73 seconds, defined the background concentration of CO used in whole models. This background concentration can represent a more realistic situation in urban atmosphere and was used to simulate the second stage where new release of CO was simulated by considering the same positioning of the vehicle row of links and the same load distribution. The effect of air speed on the flow patterns and CO concentration distribution was considered values for speeds of 2.34 m/s, 4 m/s and 15 m/s, typical of the studied region. The phenomena of atmospheric stratification, mitigation and heat exchange were adequately provided for in the simulation and demonstrated in what conditions the harmful effects of CO on human health are more acute. They are also presented studies considering the launch of a point source of CO with dimensions of 7 meters x 3 meters x 3 meters, positioned at a 1.80 meters height of the soil to the average height of the population, with and without the presence of the obstacle cúbico.Os results demonstrate the ability of CFD modeling using OpenFOAM associated with the representation of motor vehicles queue links through CAL3QHC algorithm, in representation of the CO dispersion in urban environment. Dissertação (Mestrado)

Nos últimos anos, têm crescido os debates em torno da inclusão de novas tecnologias à educação, em especial, os dispositivos móveis. Esta tecnologia, quando incluída no processo de ensino-aprendizagem permite o acesso ao conhecimento independentemente do ambiente educacional físico e torna uma ferramenta interessante para a compreensão de conteúdos disciplinares. No contexto das operações unitárias, em especial as separações sólido-fluido, os acadêmicos de engenharias, apresentam barreiras devido aos conceitos e expressões matemáticas envolvidos nos métodos de projetos de equipamentos, impedindo o desenvolvimento da capacidade crítica do profissional. Em busca por alternativas, o presente trabalho propôs desenvolver um aplicativo móvel com o intuito de projetar câmaras de poeiras, centrífugas tubulares, ciclones, elutriadores, hidrociclones e sedimentadores contínuos. A fim de definir métodos e equações utilizados nos estudos desses equipamentos foram consultadas as literaturas mais empregadas no ensino de operações unitárias. A validação do aplicativo considerou 17 estudos de casos, obtendo um desvio médio em torno de 1,3%. Conclui-se que a inclusão desta tecnologia agrega valores ao ambiente universitário e possibilitar aos graduandos maior construção de conhecimento individual, além de proporcionar aos profissionais da área uma ferramenta ágil para a execução do seu trabalho. Recently, there has been growing discussion about the inclusion of new technologies in the education, especially of the mobile devices. This technology, when included in teachinglearning process allows access to knowledge regardless of the physical educational environment and makes it na interesting tool for understanding disciplinary contents. In the context of the unit operations of solid-fluid separations, engenieering students have dificulties in mathematical concepts and assimilation of the equipament design methods preventing the development of the critical capacity of profissional. In the search for alternatives, a mobile aplication is proposed to design dust chambers, tubular centrifuges, cyclones, elutriators, hydrocyclones and settlers. The metods and equations of these devices were based on the most used literatures in the teaching of unit operations. To validate the application, we considered 17 case obtaining an average error of around 1.3%. It’s concluded that the inclusion of this technology would increase values to the school environment and enables students to build more individual knowledge, while besides allowing area profissionals to use the tool to assist in the execution of their job.

A grande disponibilidade de resíduos agroindustriais e a busca por fontes alternativas para geração de energia e produção de produtos químicos tornam a pirólise uma estratégia de conversão atrativa. A pirólise consiste na conversão térmica por meio da quebra dos componentes da biomassa: extrativos, hemicelulose, celulose e lignina para produção de carvão, bio-óleo e gases. Esses produtos apresentam-se com densidade energética superior à biomassa in natura. Dessa forma, o objetivo deste trabalho foi estudar a pirólise catalítica e não catalítica do bagaço de malte, analisando o efeito da temperatura de pirólise e concentração de aditivo cloreto de magnésio sobre os rendimentos dos produtos e suas principais características. Foram avaliadas as propriedades físicas e químicas da biomassa por meio distribuição granulométrica, densidade e empregando as análises: elementar, imediata, espectroscópica no infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), composição lignocelulósica e termogravimétrica. A cinética de degradação térmica foi estimada empregando um Algoritmo de Evolução Diferencial. Foram avaliados os modelos reparametrizados de reação global e de reações paralelas independentes, a partir de dados termogravimetria dinâmica (TGA). Para o bagaço de malte puro, empregou-se taxas de aquecimento: 10, 20, 30, 40 e 50 K/min, enquanto que para a biomassa com o catalisador foram feitos testes a 40 K/min, nas concentrações mássicas de 5 e 10 % de aditivo. A pirólise foi realizada em leito fixo e o cenário experimental foi determinado através de um planejamento fatorial a três níveis, com temperaturas de 723, 773 e 823 K e concentração de aditivo cloreto de magnésio de 0, 5 e 10%. Os rendimentos dos produtos líquido e sólido foram determinados por gravimetria. A caraterização do carvão feita por FTIR e a fração orgânica do produto líquido caracterizada por cromatografia gasosa acoplada ao espectrômetro de massas (CGMS). Os resultados das caracterizações da biomassa mostraram propriedades promissoras para utilizar o bagaço de malte no processo de pirólise. Além disso, os resultados indicaram menor energia de ativação média que outras biomassas, fato que viabiliza a aplicação em processos de pirólise. A presença de cloreto de magnésio apresentou um efeito catalítico no processo de decomposição térmica, reduzindo a energia de ativação do processo, aumentando a conversão em menores temperaturas. As variáveis investigadas no processo de pirólise foram ambas significativas na geração dos produtos. O rendimento do bio-óleo foi maximizado pelas maiores temperaturas e pelo aumento da concentração de aditivo. Assim como o rendimento, a presença de aditivo favoreceu a seletividade dos produtos pirolíticos, formando majoritariamente ésteres. Por fim, o aumento de aditivo favoreceu a produção de carvão, associado as menores temperaturas. Quanto aos gases, houve uma redução significativa com o uso do catalisador. The large availability of agro-industrial waste and the search for alternative sources of energy generation and chemical compounds become the pyrolysis an attractive strategy. Pyrolysis consists of the thermal conversion of biomass, by breaking of the components: extractives, hemicellulose, cellulose and lignin for coal, bio-oil and gas production. These products have a higher energy density than in nature biomass. Thus, the objective of this work was to study the catalytic and noncatalytic pyrolysis of malt bagasse by analyzing the effect of pyrolysis temperature and magnesium chloride concentration on product yields and main characteristics. They were evaluated as physical and chemical properties of biomass through particle size distribution, density and employing the analyzes: elemental, immediate, Fourier transform infrared spectroscopic (FTIR), lignocellulosic and thermogravimetric composition. Degradation kinetics have been estimated using a Differential Avoidance Algorithm. Reparametrized global reaction model and reparametrized independent parallel reaction model were employed based on dynamic thermogravimetry (TGA) data. TGA was performaed for pure malt bagasse with heating rate of 10, 20, 30, 40 and 50 K / min, while for a catalyst biomass, tests were performed at 40 K / min, at 5 and 10% additive mass concentrations. Pyrolysis was performed in a fixed bed and the experimental scenario was determined through a three-level factorial design, with temperatures of 723, 773 and 823 K and concentration of magnesium chloride of 0, 5 and 10%. Yields of products were determined by gravimetry. Coal characterization made by FTIR and organic fraction of the liquid product characterized by gas chromatography coupled to the mass spectrometer (CGMS). The results of biomass characterization showed in promising to use malt bagasse in the pyrolysis process. In addition, the results indicated lower activation energy than other biomasses, a fact that makes possible an application in pyrolysis processes. The presence of magnesium chloride had a catalytic effect on the thermal decomposition process. The variables were significant in the product generation process. Bio-oil yield was maximized by higher temperatures and increased additive concentration. As well as yield, the presence of additive favored the selectivity of pyrolytic products, forming mostly esters. Finally, the increase in additive favored coal production, associated with lower temperatures. As for gases, there was a significant reduction with the use of the catalyst.

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior O aproveitamento de resíduos agroindustriais como fonte de biomassa para processos de termoconversão é uma estratégia promissora que combina a gestão eficiente destes resíduos e a geração de valor agregado através da densificação energética. Nesse sentido, estudos que correlacionem as condições operacionais da pirólise com a quantidade e qualidade dos produtos obtidos podem contribuir para o aumento da eficiência desse processo. Assim, o objetivo principal deste trabalho foi estudar a produção de bio-óleo a partir de biomassa usando um sistema de pirólise convencional e concebendo uma unidade experimental de pirólise rápida com reator em leito de jorro. A aplicação de pirólise foi avaliada para dois resíduos que são abundantes no Brasil, resíduo de coco e bagaço de malte, com base nas propriedades físico-químicas, no comportamento de degradação térmica e nos produtos gerados. As análises termogravimétricas foram realizadas sob atmosfera inerte de nitrogênio (50 mL/min) na faixa de temperatura de 30 a 900ºC com taxas de aquecimento de 5, 10, 20, 30, 40 e 50°C/min. Os parâmetros cinéticos foram estimados por métodos isoconversionais e pelo modelo de reações paralelas independentes (RPI). A composição dos vapores pirolíticos foi investigada via Pi-GC/MS a 350, 450, 550, 650 e 750°C sob atmosfera inerte de hélio. Ambos os resíduos apresentaram boas propriedades térmicas e forneceram vapores pirolíticos ricos em insumos químicos valiosos sob perspectiva industrial. No entanto, o bagaço de malte apresentou propriedades físicas mais adequadas para processamento da mistura areia/biomassa no leito de jorro, maior teor de voláteis, melhores índices de deposição preditiva, maior reatividade e mais hidrocarbonetos como produtos pirolíticos. A pirólise convencional do bagaço de malte em leito fixo produziu carvão com alto poder calorífico (27,1 a 28,3 kJ/g), baixo teor de cinzas (11,5%) e de enxofre (< 0,6%). Na fração líquida, identificou-se a presença de fenóis e cetonas precursores de diversos compostos na indústria química, além de pirazinas, que são utilizadas na indústria farmacêutica. Desse modo, comprovou-se o potencial promissor de valorização do bagaço de malte através de conversão termoquímica. Na seqüência, foi avaliado o comportamento fluidodinâmico da mistura de areia e bagaço de malte no leito de jorro. Os testes foram realizados com misturas com diferentes frações mássicas de biomassa (6% a 80%) e altura de leito estático (6,6 cm a 13,4 cm). Equações empíricas para predição da condição de jorro mínimo e do índice de mistura foram obtidas pela técnica de regressão. O perfil de segregação foi acentuado pelo aumento da massa do leito, mas permaneceu aceitável (IM ≈ 1) mesmo para misturas ricas em biomassa. Apesar disso, para potencializar a transferência de calor a partir da areia para a biomassa, as condições operacionais escolhidas para os testes de pirólise sob fluxo de nitrogênio (4 m3/h) a 550ºC foram os menores valores das variáveis xD e Ho. A operação da unidade experimental proporcionou rendimentos de gás (52,3%), bio-óleo (42,4%) e carvão (5,4%) aceitáveis, com tempo de residência (entre 0,7 e 0,8 s) adequado. O bio-óleo produzido foi uma mistura rica em compostos fenólicos; vários compostos nitrogenados, precursores da indústria farmacêutica; e hidrocarbonetos de cadeia longa. The use of agroindustrial waste as a biomass source for thermo-conversion processes is a promising strategy that combines efficient management and added value generation through the energy densification of these materials. In this sense, studies that correlate the operational conditions of the pyrolysis with the quantity and quality of the products obtained can contribute to the process efficiency. Therefore, the main objective of this work was to study the bio-oil production from biomass by fast pyrolysis in a spouted bed reactor. The pyrolysis application was evaluated for two residues that are abundant in Brazil, coconut residue and brewer’s spent grain (BSG), based on physicochemical properties, the thermal degradation behavior and the products generated. Thermogravimetric analyses were carried out in an inert nitrogen atmosphere (50 mL/min) in the temperature range of 30 to 900ºC at heating rates of 5, 10, 20, 30, 40 and 50°C/min. The kinetic parameters were estimated by isoconversional methods and by independent parallel reactions model (IPR). The composition of the pyrolytic vapors was investigated via Py-GC/MS at 350, 450, 550, 650 and 750°C in an inert helium atmosphere. Both residues had good thermal properties and provided pyrolithic vapors rich in valuable chemicals from an industrial perspective. However, BSG presented more suitable physical properties to handle the sand/biomass mixture in the spout bed, higher volatiles content, better predictive deposition indexes, higher reactivity and more hydrocarbons as pyrolytic products. Conventional pyrolysis of the fixed bed malt produced high HHV (27.1 to 28.3 kJ/g), low ash (11.5%) and sulfur (

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Nas últimas décadas destacaram-se os novos investimentos em fontes renováveis de energia. De acordo com a Agência Internacional de Energia (IEA), tais investimentos são liderados pelas fontes solar, eólica e de biomassa. O processo de pirólise solar é uma tecnologia que busca aliar a utilização de biomassa e energia solar, sendo uma solução potencial para aproveitar a energia do sol, convertendo a biomassa em um combustível transportável e armazenável, bem como em químicos de interesse. No contexto da geração de combustíveis renováveis, o combustível derivado de algas tem se apresentado como uma alternativa promissora com potencial para atender a demanda global de combustíveis. Essa biomassa apresenta forma de cultivo simples, não possui safra e pode ser gerada continuamente inclusive em terras não agricultáveis. Porém, o bio-óleo gerado tanto de materiais lignocelulósicos (tradicionalmente utilizados) quanto da pirólise de microalgas apresentam componentes indesejáveis em sua composição. Dessa forma, processos investigativos para o melhoramento da qualidade deste bio-óleo têm sido desenvolvido, a fim de utilizar-lo como fonte de combustível e químicos de interesse. Isto posto, esta tese teve como objetivo caracterizar e avaliar o potencial de duas biomassas de microalgas: a Chlamydomonas reinhardtii e a Spirulina platensis, para geração de combustíveis e químicos de interesse, via pirólise solar. Adicionalmente avaliou-se a utilização do catalisador do tipo hidrotalcita no melhoramento da qualidade dos produtos gerados. Para tal, diversas técnicas de caracterização foram utilizadas e testes solares foram realizados de acordo com a técnica de Planejamento Composto Central. As análises de caracterização revelaram que ambas as biomassas possuem potencialidades para geração de combustíveis sendo de acordo com a análise de FRX a biomassa Spirulina, conforme os minerais presentes e respectivas proporções, apresentou-se mais adequada ao processo de gaseificação. No estudo da pirólise analítica da Chlamydomonas reinhardtii, na ausência de catalisador indicou que o aumento da temperatura aumentava a quantidade de hidrocarbonetos e diminuía a de compostos oxigenados. Enquanto que, o bio-óleo produzido a partir de pirólise catalítica desta microalga mostrou uma diminuição nos compostos nitrogenados, prejudiciais à qualidade do bio-óleo. Nos testes solares da Chlamydomonas reinhardtii utilizando a técnica de Planejamento Composto Central e superfície de resposta, a análise dos principais efeitos mostrou que o mais significativo no rendimento líquido foi a interação entre o tempo e a carga mássica de microalgas utilizada no reator. Quanto à qualidade do bio-óleo, os óxidos derivados de hidrotalcita demostraram um bom desempenho, pois diminuiram os compostos nitrogenados e aumentaram a porcentagem relativa de hidrocarbonetos, no mesmo sentido auferido nos testes prévios de pirólise analítica. Os testes solares com a microalga Spirulina platensis revelaram algumas semelhanças com a pirólise solar da Chlamidomonas reinhardtii, possuindo ambas os mesmos pontos ótimos de carga mássica de microalgas e tempo de reação para geração de produtos líquidos. Porém, o catalisador atuou de maneira distinta nas microalgas utilizadas, provavelmente devido à distinção de composição química entre elas. A utilização de porcentagem de catalisador de 23,55% foi mais adequada para otimização do líquido no caso da Chlamydomonas reinhardtii. Por sua vez, a utilização de porcentagem do catalisador de 46,88% foi mais favorável para a conversão da biomassa em líquido em se tratando da Spirulina platensis. A partir do desenvolvimento desse trabalho pode-se concluir que a energia solar tem potencial para ser utilizada como fonte energética para processos térmicos a altas temperaturas. In past decades, new investments in renewable energy sources have been highlighted.According to the International Energy Agency (IEA) these investments are led by solar, wind and biomass sources. The process of solar pyrolysis is a technology that combine the use of biomass and solar energy as a potential solution to harness the energy of the sun by converting biomass energy into transportable and storable fuel and also chemicals of interest.In the context of the generation of renewable fuels, algae-derived fuel has been presented as a promising alternative with potential to meet global fuel demand. This is because this biomass presents a form of simple cultivation has no crop and can be generated continuously even on uncultivated land. However, the bio-oil generated from both lignocellulosic materials (traditionally used) and the bio-oil generated in the pyrolysis of microalgae present undesirable components in their composition, so investigative processes to improve the quality of this bio-oil have been developed in order to use oil as a source of fuel and chemicals of interest.The aim of this thesis was to characterize and evaluate the potential of two microalgae biomasses to Chlamydomonas reinhardtii and Spirulina Platensis in the generation of bio-oil via solar pyrolysis. n addition to evaluating the use of the hydrotalcite type catalyst in the improvement of the quality of the bio-oil generated. For this, several characterization techniques were used and solar tests were performed according to the Central Composite Design technique. The characterization analyzes revealed that both biomasses have potential for fuel generation. According to the FRX analysis the Spirulina biomass, according to the minerals present and respective proportions, was more adequate to the gasification process. In the study of the analytical pyrolysis of Chlamydomonas reinhardtii, in the absence of catalyst, it was indicated that the increase in temperature increased the amount of hydrocarbons and decreased that of oxygenated compounds. However, the bio-oil produced from catalytic pyrolysis of this microalga showed a decrease in the nitrogenous compounds, detrimental to the quality of the bio-oil. In the solar tests of Chlamydomonas reinhardtii using the technique of Central Composite Design and response surface, the analysis of the main effects showed that the most significant in the net yield was the interaction between the time and the mass load of microalgae used in the reactor. As for the quality of the bio-oil, the oxides derived from hydrotalcite showed a good performance, since they decreased the nitrogen compounds and increased the relative percentage of hydrocarbons, in the same sense obtained in the previous tests of analytical pyrolysis. The solar tests with the Spirulina platensis microalgae revealed some similarities with the solar pyrolysis of Chlamidomonas reinhardtii, both having the same optimum points of microalgae mass loading and reaction time for the generation of liquid products. However, the catalyst worked in different ways in the microalgae used, probably due to the distinction of chemical composition between them. The use of a catalyst percentage of 23.35% was more adequate for optimization of the liquid in the case of Chlamydomonas reinhardtii. In turn, the use of a percentage of the catalyst of 43.33% was more favorable for the conversion of the biomass to liquid in the case of Spirulina platensis. From the development of this work it can be concluded that solar energy has the potential to be used as an energy source for thermal processes at high temperatures Tese (Doutorado)

CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico A compreensão do comportamento das partículas no interior do tambor rotatório é fundamental para o melhoramento de sua eficiência. Por permitir o monitoramento individual de cada partícula, a abordagem numérica Lagrangeana é uma excelente ferramenta no auxílio de estudos em sistemas particulados. Desta forma, esse trabalho teve como propósito determinar as combinações dos parâmetros numéricos da abordagem Lagrangeana que melhor conseguissem representar a dinâmica das partículas no interior de um tambor rotatório, para diferentes tipos de materiais em diferentes condições operacionais. Foram testadas e validadas metodologias experimentais para a determinação dos coeficientes de restituição, atrito estático e atrito de rolamento, nas interações partícula-partícula e partícula-parede. Os valores encontrados experimentalmente destes coeficientes foram aplicados no modelo para verificar se seriam representativos em um efeito bulk no tambor rotatório. Foi realizado também um processo de calibração para determinar a melhor combinação de parâmetros e compará-la com os resultados dos coeficientes experimentais. Os aparatos experimentais utilizados se apresentaram adequados para a medição de cada um dos coeficientes. Sendo que, o valor do coeficiente de restituição depende da espessura do material em que as partículas estão colidindo, enquanto para determinar o coeficiente de atrito estático de maneira correta é necessário a utilização das esferas agrupadas, para evitar o rolamento e garantir a medição correta do parâmetro. Os valores encontrados na calibração e os valores dos parâmetros medidos apresentaram uma boa concordância quando comparados com os dados experimentais e com a abordagem Euleriana reportados na literatura, para materiais de diferentes propriedades físicas em diferentes condições de operação. Eles também conseguiram descrever com sucesso os fenômenos de transição dos diferentes regimes de escoamento. Os valores encontrados no processo de calibração foram: 0,80 e 0,50 para o coeficiente de atrito estático, 0,03 e 0,06 para coeficiente de atrito de rolamento, partícula-partícula e partícula-parede respectivamente. Para os medidos experimentalmente os valores foram de 0,80 e 0,49 para o atrito estático partícula-partícula e partícula-parede e 0,011 e 0,054 para o atrito de rolamento partícula-partícula e partículaparede, respectivamente. Os resultados foram próximos, mostrando que o processo de calibração conseguiu preservar os significados físicos dos parâmetros. The understanding of the behavior of the particles inside the rotating drum is fundamental for the improvement of its efficiency. By allowing the individual monitoring of each particle, the Lagrangean numerical approach is an excellent tool to aid studies in particulate systems. Thus, the purpose of this work was to determine the combinations of the numerical parameters of the Lagrangean approach that best represent the dynamics of the particles inside a rotating drum for different types of materials under different operating conditions. Experimental methodologies for the determination of the coefficients of restitution, static friction and rolling friction were tested and validated for particle-particle and particle-wall interactions. The experimental values of these coefficients were applied in the model to verify if they would be representative in a bulk effect in the rotatory drum. A calibration process was also performed to determine the best combination of parameters and to compare it with the results of the experimental coefficients. The experimental apparatus used was suitable for the measurement of each of the coefficients. Since the value of the coefficient of restitution depends on the thickness of the material in which the particles are colliding, while in order to determine the coefficient of static friction correctly it is necessary to use the glued spheres to avoid rolling and to ensure correct measurement of the parameter. The values found in the calibration and the values of the measured parameters showed good agreement when compared with the experimental data and the Eulerian approach reported in the literature, for materials of different physical properties under different operating conditions. These were also able to successfully describe the transitional phenomena of different flow regimes. The values found in the calibration process were: 0.80 and 0.50 for the coefficient of static friction, 0.03 and 0.06 for the coefficient of rolling friction, particle-particle and particle-wall respectively, while for the measured experimentally were 0.80 and 0.49 for particle-particle and particle-wall static friction and 0.011 and 0.054 for particle-particle and particle-wall friction respectively. The results were close, showing that the calibration process was able to preserve the physical meanings of the parameters. Dissertação (Mestrado)

O apelo por processos mais limpos em aspectos econômicos e ambientais são desafios na busca de metodologias que atinjam a sustentabilidade na produção dos mais diversos gêneros englobando conceitos que vão da minimização de resíduos a substituição de matrizes energéticas. Neste mesmo cenário, a demanda por óleos vegetais tem se intensificado em virtude do crescimento do mercado oleoquímico nos segmentos de biocombustíveis, alimentos, fármacos e cosméticos. Nas diversas nuances da sustentabilidade, a energia solar vem se destacando por representar uma fonte não poluente e praticamente inesgotável da Terra com grande potencial de aproveitamento. Este trabalho teve como objetivo principal estudar o uso da energia solar nos processos de lixiviação e destilação, associados à obtenção de óleos de amendoim, coco e baru. Na extração, o solvente é aquecido e percola as partículas do material contido no interior de um leito fixo. Foram utilizados nos experimentos dois modelos de concentradores solares para o aquecimento do solvente etanol hidratado combustível, sendo um de formato cilíndrico-parabólico e outro de geometria biangular de doze lados. Para os testes, foram variadas as vazões de alimentação do solvente em 15, 25 e 35 mL/min, sendo a de 25 mL/min que apresentou melhor hidrodinâmica em todas as extrações. O protótipo biangular alcançou uma eficiência 15,34% maior que o primeiro na extração do óleo de amendoim, quando comparado o rendimento com o Soxhlet. Para as extrações com o coco e o baru foram empregues duas granulometrias diferentes em cada e o concentrador biangular atingiu eficiência de 70,88% e 89,24%, respectivamente para a menor granulometria avaliada. A destilação solar foi utilizada na recuperação do solvente resultante da miscela. Os testes em batelada revelaram como sendo 0,16 cm a altura ideal para melhor taxa de evaporação. Tal valor permitiu projetar um modelo de alimentação continua para que o destilador operasse sempre próximo a faixa de altura calculada. Nos processos em batelada e continuo, a destilação alcançou respectivamente 84,2% e 75,58% de rendimento na coleta de destilado e, em contrapartida, 26,86 % e 44,22% de eficiência térmica. Foram obtidos dados do INMET para analisar a influência das condições meteorológicas. The requirement for cleaner processes in economic and environmental aspects are challenges in the search for methodologies that achieve sustainability in the production of the most diverse genres, encompassing concepts ranging from waste minimization to substitution of energy matrices. In this same scenario, the demand for vegetable oils has intensified due to the growth of the oleochemical market in the biofuel, food, pharmaceutical and cosmetic segments. In the various nuances of sustainability, solar energy has stood out because it represents a nonpolluting and virtually inexhaustible source of the Earth with great potential of use. The main objective of this work was to study the use of solar energy in the leaching and distillation processes associated with obtaining peanut, coconut and baru oils. Upon extraction, the solvent is heated and percolates the particles of the material contained within a fixed bed. Two models of solar concentrators for the heating of the hydrous ethanol fuel solvent were used, one of parabolic-cylindrical shape and the other of twelve-sided biangular geometry. For the tests, the solvent feed rates were varied at 15, 25 and 35 mL/min, with 25 mL/min that presented better hydrodynamics at all extractions. The biangular prototype achieved a 15.34% greater efficiency than the first one in the extraction of the peanut oil, when compared the yield with the Soxhlet. For the extraction with the coconut and the baru two different granulometries were used in each one and the biangular concentrator reached efficiency of 70.88% and 89.24%, respectively, for the smaller granulometry evaluated. Solar distillation was used to recover the solvent resulting from miscella. The batch tests revealed to be 0.16 cm the ideal height for better evaporation rate. This value allowed the design of a continuous feed model so that the distiller always operated near the calculated height range. In the batch and continuous processes, distillation reached 84.2% and 75.58%, respectively, in the distillate collection and, in contrast, 26.86% and 44.22% of thermal efficiency. INMET data were obtained to analyze the influence of meteorological conditions. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior

Durante décadas, os combustíveis fósseis têm sido o principal responsável pela geração de energia no mundo. No entanto, devido à diminuição das reservas de combustíveis fósseis e as preocupações crescentes sobre a proteção do meio ambiente, a utilização da biomassa aparece como uma alternativa para geração de energia. A pirólise de biomassa é um processo de conversão térmica em que as cadeias poliméricas dos subcomponentes da biomassa, celulose, hemicelulose, lignina e extrativos, são quebradas de forma a produzir compostos voláteis de menor peso molecular, formando finos de carvão, gases, substâncias voláteis e o bio-óleo, que possuem alto poder calorífico e têm tido várias aplicações, tanto na indústria química quanto na geração de energia. O conhecimento de aspetos relativos à cinética química, termodinâmica, fenômenos de transferência de calor e massa, além do comportamento fluidodinâmico no interior do reator, é de fundamental importância para o projeto e otimização do reator pirolítico, uma vez que as características de qualidade dos produtos e o bom entendimento dos parâmetros que afetam o processo dependem fortemente desses aspectos. A cinética da pirólise da borra de café foi investigada utilizando dados experimentais de perda de massa por termogravimetria (TGA). Para a caracterização do material, foram realizadas as análises: elementar, imediata, microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia de infravermelho, além da composição lignocelulósica. Foi realizada ainda a análise dos parâmetros cinéticos da pirólise da borra de café, por meio dos métodos isoconversionais, de reação global e modelo de reações paralelas independentes. For decades, fossil fuels have been the main responsible for the generation of energy in the world. However, due the destocking of fossil fuels and the concerns rising over the protection of the environment, the use of biomass appears as an alternative for power generation. The pyrolysis of biomass is a conversion process in which heat the polymer chains of the subcomponents of the biomass, cellulose, hemicellulose, lignin and extractives, are broken down in order to produce volatile compounds of lower molecular weight, forming coal fines, gases, volatile substances and the bio-oil, which have high calorific value and have had many applications in both the chemical industry and in power generation. Knowledge of aspects related to chemical kinetics, thermodynamics, phenomena of heat and mass transfer, in addition to the fluid dynamic behavior inside the reactor, is of fundamental importance for the design and optimization of the pyrolytic reactor, since the characteristics of quality of products and good understanding of the parameters affecting the process rely heavily on these aspects. The kinetics of pyrolysis of coffee grounds was investigated using experimental data of loss of mass by Thermogravimetry (TGA). For the characterization of the material, elemental analyses were undertaken, immediate, scanning electron microscopy (SEM) and infrared spectroscopy, in addition to the lignocellulosic composition. Was performed even the analysis of kinetic parameters of pyrolysis of coffee grounds, using the isoconversional methods, global reaction and parallel reactions model independent.

Pyrolysis is a promising technology for renewable energy generation since it can generate products (charcoal, bio-oil and gas) with high calorific value from agro-industry wastes, such as macadamia nuts shell. Although there are some plants operating on an industrial scale, the biomass pyrolysis process is relatively recent, with several weaknesses that need to be overcome. The understanding of the pyrolysis process involves the study of biomass degradation kinetics as well as the type, configuration, and operation conditions of reactor. Thus, the main objective of this work was to contribute to some key aspects of pyrolysis of macadamia shell in conical spouted bed, that are very important for the process optimization. The pyrolysis kinetics of macadamia shell was investigated from experimental thermogravimetric data. The parameters of two of the main kinetic models available in the literature were estimated. The simulated results show that the model of Independent Parallel Reactions is what best represents the mass loss of biomass during pyrolysis. The activation energy values estimated for each component were: extractives (193-202 kJ/mol), hemicellulose (125-140 kJ/mol), cellulose (226-262 kJ/mol) and lignin (62-77 kJ/mol). With respect to the reactor, the conical spouted bed, fluid dynamic analysis of the behavior of mixture of macadamia shell and sand was performed, evaluating how static bed height (0.06, 0.08 and 0.10m) and mass fraction of biomass (25, 50 and 75%) influence on minimum spouting condition and particle segregation. It was found that the beds with largest heights are heavier, resulting in higher pressure drop and air velocity to keep the regime spouted. Furthermore, higher biomass mass fractions give higher porosity to the bed in the annular region, which reduces the flow resistance of the fluid, decreasing the air velocity and pressure drop in the minimum spouting condition. The segregation of the mixture was higher in the base of the bed, with predominance of sand in this region. By having smaller density and diameter, macadamia shell is more easily entrained into the top of the bed. In other regions, for all conditions studied, it was found acceptable levels of segregation for a biomass pyrolysis process. Finally, the identification of components of vapors generated during the fast pyrolysis (analytical micro-pyrolysis) allowed characterizing bio-oil generated at temperatures of 450, 550 and 650°C. It identified the presence of highly non-polar and intermediate polarity molecules, such as aliphatic hydrocarbons, normal and branched chain (paraffins), alicyclic hydrocarbons (cycloparaffins), olefins (normal, branched and cyclic) and aromatic (simple, polycyclic and substituted), and other chemical compounds of industrial interest. A pirólise é uma tecnologia promissora para geração de energia renovável, uma vez que pode gerar produtos (carvão, bio-óleo e gás) com alto poder calorífico a partir de resíduos da agroindústria, como por exemplo a casca de macadâmia. Apesar de já existirem algumas plantas operando em escala industrial, o processo de pirólise de biomassa é relativamente recente, apresentando diversas deficiências que precisam ser superadas. A compreensão do processo de pirólise envolve o estudo da cinética de degradação da biomassa, bem como do tipo, configuração e condições de operação do reator. Assim, o objetivo principal deste trabalho foi contribuir para alguns aspectos fundamentais da pirólise de casca de macadâmia em leito de jorro cônico que são muito importantes para a otimização do processo. A cinética da pirólise da casca de macadâmia foi investigada a partir de dados experimentais de termogravimetria. Os parâmetros de dois dos principais modelos cinéticos disponíveis na literatura foram estimados. Os resultados simulados mostraram que o modelo de Reações Paralelas Independentes foi o que melhor representou a perda de massa da biomassa durante a pirólise. Os valores de energia de ativação estimados para cada componente foram: extrativos (193-202 kJ/mol), hemicelulose (125-140 kJ/mol), celulose (226-262 kJ/mol) e lignina (62-77 kJ/mol). Com relação ao reator, o leito de jorro cônico, uma análise do comportamento fluidodinâmico da mistura de casca de macadâmia e areia foi realizada, avaliando como a altura de leito estático (0,06; 0,08 e 0,10 m) e fração mássica de biomassa (25; 50 e 75%) influenciam na condição de mínimo jorro e segregação das partículas. Verificou-se que os leitos com maiores alturas são mais pesados, resultando em maiores valores de queda de pressão e velocidade do ar para manter o regime de jorro. Além disso, maiores frações mássicas de biomassa conferiram maior porosidade ao leito na região anular, o que reduziu a resistência ao escoamento do fluido, diminuindo também a velocidade do ar e a queda de pressão na condição de jorro mínimo. A segregação da mistura foi maior na base do leito, com predominância da areia nesta região. Por possuir menor densidade e diâmetro, a casca de macadâmia é arrastada com maior facilidade para o topo do leito. Nas outras regiões, para todas as condições estudadas, foram observados níveis de segregação aceitáveis para um processo de pirólise de biomassa. Por fim, a identificação dos componentes dos vapores gerados durante a pirólise rápida (micropirólise analítica) permitiu caracterizar o bio-óleo gerado nas temperaturas de 450, 550 e 650°C. Identificou-se a presença de moléculas altamente apolares e de polaridade intermediária, como hidrocarbonetos alifáticos de cadeia normal e ramificada (parafinas), hidrocarbonetos alicíclicos (cicloparafinas), olefinas (normais, ramificadas e cíclicas) e aromáticos (simples, policíclicos e substituídos), além de outros compostos químicos de interesse industrial. Doutor em Engenharia Química

Made available in DSpace on 2016-08-29T15:39:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_9535_Dissertação Priscilla S Almeida versão inicial.pdf: 1564615 bytes, checksum: 7083a7981886f6003c70b29a150638e6 (MD5) Previous issue date: 2016-01-26 A substituição de recursos não renováveis por renováveis é um dos grandes objetivos almejados mundialmente. O Brasil é um país que tem obtido sucesso nesta corrida por uma matriz energética onde as fontes alternativas são predominantes. A biomassa é uma fonte renovável promissora que ao ser utilizada com adequadas tecnologias é capaz de gerar produtos com alto potencial energético.A pirólise se destaca no cenário das tecnologias de conversão termoquímica, sendo os reatores mais indicados no processo aqueles capazes de fornecer uma excelente mistura dos componentes a serem pirolisados. O leito de jorro, por ser um equipamento que proporciona um elevado contanto entre sólidos e fluido, adéqua-se como um bom reator de pirólise. Sendo assim, um estudo fluidodinâmico do comportamento das partículas envolvidas neste processo é uma das etapas básicas para aplicação desta técnica. A casca do cacau é o principal resíduo do processo de beneficiamento do cacau, compondo cerca de 80% do fruto. Utilizada normalmente para produção de ração animal e fertilizantes,essa biomassa pode ser vista como uma conveniente fonte energética. O presente trabalho tem como objetivo principal estudar a fluidodinâmica de uma mistura binária composta por partículas de casca de cacau e areia em um leito de jorro. Foram avaliados parâmetros como velocidade de mínimo jorro e queda de pressão de jorro estável através de análises estatísticas para diferentes alturas de leito estático (6, 8 e 10cm) e frações mássicas de casca de cacau (25, 50 e 75%). A segregação das misturas foi analisada nas alturas de leito e frações mássicas da casca de cacau adotadas no estudo fluidodinâmico, variando a velocidade do ar em 10, 20 e 30% acima da velocidade de mínimo jorro. O regime de jorro estável foi estabelecido na região experimental estudada. Constatou-se que a velocidade de mínimo jorro não foi influenciada por variações na fração mássica, diferentemente da queda de pressão de jorro estável que sofreu interferência tanto da fração mássica quanto da altura de leito estático. A segregação das partículas foi observada nas regiões do topo e do fundo do leito. Simulações via CFD foram realizadas empregando o modelo Euleriano para descrever o escoamento gás-sólido no leito de jorro e utilizando uma malha bidimensional estruturada. As simulações se mostraram de acordo com o observado experimentalmente com relação ao comportamento fluidodinâmico e a segregação no fundo do leito