Orientador: Hélio Aparecido Navarro / Banca: Vicente Luiz Scalon / Banca: Luben Cabezas Gomez / Resumo: No presente trabalho desenvolve-se um estudo de modelagem matemática e simulação numérica do escoamento bifásico gás-sólido em leito fluidizado borbulhante. Utiliza-se o modelo Euleriano de duas fases separadas formulando o tensor das tensões da fase sólida através da teoria cinética dos escoamentos granulares. As simulações numéricas são realizadas através do código fonte MFIX (Multiphase Flow with Interphase eXchanges) desenvolvido no NETL (National Energy Technology Laboratory). Os resultados de simulação numérica são avaliados por meio da análise da influência dos seguintes parâmetros: malha computacional e esquemas de discretização dos termos convectivos das equações de conservação. Com base nos estudos teóricos e resultados obtidos durante o trabalho conclui-se que esquemas de primeira, tais como FOUP são altamente difusivos, já os resultados obtidos utilizando o esquema de alta ordem, Superbee, produziu resultados de melhor qualidade para as malhas testadas neste trabalho. Além disso, os resultados mostraram-se bastante dependentes do tamanho da malha computacional. / Abstract: In the present work is described a mathematical model and numerical simulation of gas-solid two-phase flow in a bubbling fluidized bed. It is used the Eulerian gas-solid two-fluid model and the solid phase stress tensor is modeled considering the kinetic theory of granular flows. The numerical simulations were developed using the MFIX (Multiphase Flow with Interphase eXchanges) code developed in NETL (National Energy Technology Laboratory). The numerical diffusion is analyzed considering a single bubbling detachment and its movement process in a two-dimensional bubbling fluidized bed using the bubble shape as a metric for results description. The influence of computacional grid it is also analyzed. It is concluded that SuperBee scheme produces the better results and analysis about estimating uncertainty in grid refinement should be studied. / Mestre

O presente trabalho teve como objetivo avaliar a produção de H2 a partir de diferentes substratos orgânicos da indústria sucroalcooleira, como caldo, melaço e vinhaça da cana-de-açúcar, incluindo a sacarose como uma fonte de carbono sintética. Foram utilizados quatro reatores anaeróbios de leito fluidificado, sendo reator mesofílico caldo (RMC), reator mesofílico melaço (RMM), reator mesofílico sacarose (RMS) e reator mesofílico vinhaça (RMV) mantidos em condição mesofílica (30 ºC) e em concentrações iniciais no substrato de alimentação de 5 gDQO. L-1. O pH do reatores foi mantido entre 4 e 5, os tempos de detenção hidráulica (TDH) empregados foram de 8, 6, 4, 2 e 1 h e a inoculação foi através de um lodo proveniente de um abatedouro de aves, que sofreu tratamento térmico. Em RMC o rendimento de H2 (HY) máximo obtido foi de 1,2 mol H2. mol sacarose-1, ocorrido no TDH de 8 h. O reator (RMM) apresentou um melhor consumo de substrato atingindo um HY de 1,4 mol H2. mol sacarose-1, observado no TDH de 4 h. RMS apresentou o melhor HY em relação aos demais reatores atingindo 3,3 mol H2. mol sacarose-1 no TDH de 6 h. A melhor produção volumétrica de H2 (PVH) obtida foi observada no RMS, onde no TDH de 2 h o reator atingiu 11 L H2. L-1. D-1. RMV, que utilizou vinhaça que passou por tratamento físico-químico através da adição de óxido de cálcio, não apresentou produção de H2. Dentre os principais produtos metabólitos solúveis observados nos reatores durante a operação houve predominância nas concentrações de ácido acético, butírico, isobutírico, propiônico, e succínico, em RMM. No RMC observaram-se maiores concentrações de ácido acético, butírico, lático e propiônico. RMV apresentou predominância de ácido acético, succínico, propiônico e butírico. Em RMS as maiores concentrações foram de ácido propiônico, acético, isobutírico, butírico e etanol. / This study aimed to evaluate the production of H2 from different organic substrates sugar industry, like juice, molasses and vinasse from cane sugar, including sucrose as a source of synthetic carbon. four anaerobic fluidized bed were used, mesophilic broth reactor (RMC), mesophilic molasses reactor (RMM), reactor mesophilic sucrose RMS) and reactor mesophilic vinasse (RMV) maintained at mesophilic condition (30ºC) and at initial concentrations feed substrate 5 gCOD. L-1. The pH of the reactor was kept between 4 and 5, the hydraulic detention time (HDT) used were 8, 6, 4, 2 and 1 h and the inoculation through a sludge from a poultry slaughterhouse, which underwent heat treatment. In MRC H2 yield (HY) maximum obtained was 1.2 mol H2. mol sucrose-1, occurred in HRT of 8 h. The reactor (RMM) showed a better substrate consumption reaching a HY 1.4 mol H2. mol-1 sucrose, HDT observed in 4 h. RMS presented the best HY compared to other reactors reaching 3.3 mol H2. mol-1 sucrose in HRT of 6 h. The best volumetric H2 production (PVH) obtained was observed in the RMS where the TDH 2 h the reactor reached 11 L H2. L-1. D-1. RMV that used vinasse which has undergone physical-chemical treatment by adding calcium oxide, showed no H2 production. Among the main products soluble metabolites observed in the reactors during operation predominated in acetic acid concentrations, butyric, isobutyric, propionic, and succinic in RMM. In MRC were observed higher concentrations of acetic, butyric, lactic and propionic acid. RMV showed predominantly acetic, succinic, propionic and butyric acid. RMS higher concentrations were propionic acid, acetic, isobutyric, butyric acid and ethanol.

Reatores de leito fluidizado circulante são intensamente utilizados em aplicações de larga escala como craqueamento catalítico de petróleo e combustão de carvão. Projeto e desenvolvimento nestas áreas são fortemente baseados em plantas de demonstração, a custos elevadíssimos. Nesse contexto, tratamentos utilizando mecânica dos fluidos computacional assumem considerável relevância. Os complexos padrões de escoamento gás-sólido que se desenvolvem nos reatores de leito fluidizado circulante determinam taxas de reação e exigem, portanto, descrições hidrodinâmicas rigorosas. Os modelos Eulerianos do contínuo ou de dois fluidos são correntemente considerados a escolha mais prática na busca destas descrições. Estas formulações são baseadas na aplicação da hipótese de meio contínuo tanto para fases macroscopicamente contínuas quanto dispersas. Neste trabalho, desenvolve-se simulações numéricas para descrever processos hidrodinâmicos e reativos em reatores de leito fluidizado circulante aplicando modelagem de dois fluidos. Considera-se situações típicas de combustão em leito fluidizado circulante de carvão mineral. Como processo reativo considera-se a absorção de dióxido de enxofre por calcário. Realiza-se análises hidrodinâmicas, e de efeitos hidrodinâmicos sobre a reação de interesse. Realiza-se simulações de regime permanente e de regime transiente. Mostra-se que as simulações de regime permanente permitem análises qualitativas do processo, e provêem condições iniciais para simulações transientes diretamente no regime de escoamento estatisticamente permanente. Em relação à hidrodinâmica, conclui-se que os modelos de dois fluidos correntes são ainda bastante crus. São claramente necessárias melhores descrições reológicas e relações constitutivas sub-grade mais acuradas. Em relação à reação química, conclui-se que predições reativas acuradas somente poderão ser obtidas se descrições hidrodinâmicas rigorosas forem combinadas com descrições reativas igualmente rigorosas. / Circulating fluidized bed reactors are widely used in large scale applications such as catalytic cracking of petrol and coal combustion. Development and design in those areas are strongly based on demonstration plants, at extremely high costs. In this context, treatments applying computational fluid mechanics assume considerable relevance. The complex gas-solid flow patterns which develop inside the circulating fluidized bed reactors determine reaction rates, so that rigorous hydrodynamic descriptions are required. The continuum Eulerian or two-fluid models are currently considered the more practical choice for providing such descriptions. Those formulations are based on the application of the continuum hypothesis for both macroscopically continuous and dispersed phases. In this work numerical simulation is performed to describe both hydrodynamics and reactive processes in circulating fluidized beds applying two-fluid modeling. Typical situations of circulating fluidized bed coal combustion are considered. The reactive process considered is the absorption of sulfur dioxide by limestone. Analyses are performed of hydrodynamics, and regarding hydrodynamic effects over the concerning reaction. Both steady state and transient simulations are performed. It is shown that steady state simulations allow qualitative analyses, and do provide initial conditions for transient runs straightly inside the statistical steady state flow regime. Concerning hydrodynamics, it is concluded that the current two-fluid models are still very crude. Clearly, better rheological descriptions are required alongside with more accurate sub-grid constitutive relations. Regarding chemical reaction, it is concluded that accurate reactive predictions shall only be found if rigorous hydrodynamic descriptions are combined with equally rigorous reaction descriptions.

O hidrogênio é estudado como alternativa ao uso de combustíveis fósseis para geração de energia, uma vez que é um combustível renovável. Entre os processos de produção de hidrogênio destaca-se o processo fermentativo que possibilita unir tratamento de efluente e geração de energia. Uma das alternativas para esta produção é a utilização do reator anaeróbio de leito fluidificado (RALF). Dentre os resíduos industriais que podem ser utilizados para a produção de hidrogênio está o soro de queijo que, se descartado incorretamente, pode causar danos ao meio ambiente. Neste sentido, o presente estudo teve como principal objetivo avaliar a capacidade de produção contínua de hidrogênio, sob condições termófilas (55°C), a partir de diferentes concentrações de soro de queijo e tempos de detenção hidráulica (TDH) em RALF. Foram utilizados dois reatores, denominados R1 e R2 , no qual R1 manteve-se com concentração fixa de 5 gDQO.L-1, com variações de TDH de 8, 6, 4, 2, 1 e 0,5 hora e em R2 o TDH manteve-se fixo em 6 horas e variações de concentrações de 3, 5, 7 e 10 gDQO.L-1. Foi observado em R1 o comportamento de elevação de produção volumétrica de H2 (PVH) a partir da diminuição do TDH. A máxima PVH obtida foi de 2,9 L.h-1.L-1 em R1 para o TDH de 0,5 hora. No entanto, verificou-se a diminuição do rendimento de hidrogênio (HY) com a aplicação de TDHs reduzidos, alcançando valor máximo de 3,3 molH2.mol-1 lactose para o TDH de 4 horas. Para R2, o valor máximo de PVH de 0,854 L.h-1.L-1 para concentração de substrato de 7 g.L-1. Já para HY, o maior valor encontrado foi de 2,6 molH2.mol-1 lactose para a concentração de substrato de 3 g.L-1, uma vez que o aumento da concentração causou a diminuição de HY. O conteúdo de hidrogênio no biogás manteve-se na faixa de 48,2-54,2% e 39,8-48,4% para R1 e R2 respectivamente. Em ambos os reatores, os principais metabólitos encontrados nos efluentes foram ácido acético e ácido butírico. / Hydrogen is studied as an alternative to fossil fuels for power generation, since it is a renewable fuel. Between the processes of hydrogen production stands out the fermentation process that allows to merge wastewater treatment and power generation. An alternative to this production is the use of anaerobic fluidized bed reactor (AFBR). Among the industrial wastes can be used for hydrogen production is cheese whey that if improperly discarded, may cause damage to the environment. In this sense, the present study aimed to evaluate the ability of continuous hydrogen production under thermophilic conditions (55°C), from different concentrations of cheese whey and hydraulic retention time (HRT) in AFBR. Two reactors were used, denominated R1 and R2, in which R1 was maintained at a fixed concentration of 5gCOD.L-1 with variations in HRT of 8, 6, 4, 2, 1 and 0.5 hour and R2 kept fixed HRT at 6 hours, and changes in concentration of 3, 5, 7 and 10 gCOD.L-1. In R1, it was observed a volumetric H2 production (HPR) increase behavior from the HRT decrease. The maximum HPR obtained was 2.9 L.h-1.L-1 at HRT of 0.5 hour. However, there was a decrease in H2 yield (HY) with the application of reduce HRT, reaching maximum value of 3.3 molH2.mol-1 lactose at HRT of 4 hours. In R2, the maximum value of HPR was 0,854 L.h-1.L-1 for substrate concentration of 7 gCOD.L-1. The maximum HY obtained was 2.6 molH2.mol-1 lactose for concentration of 3 gCOD.L-1, once the value of HY decrease behavior from the concentration of cheese whey increase. The H2 content in biogas kept in range of 48.2-54.2% and 39.8-48.4% for R1 and R2, respectively. In both reactors, the main metabolites found were acetic and butyric acids.

Apresenta-se a investigação experimental do tratamento de esgoto sanitário, submetido apenas a gradeamento, por meio de reatores aeróbios de leito trifásico com circulação em tubos concêntricos induzida por injeção de ar. Foram construídos dois reatores com 0,25m de diâmetro externo, 0,20m de diâmetro interno e alturas de 6m (R6) e 12m (R12). O meio suporte utilizado (fase sólida) foi areia com 0,27mm de diâmetro médio. Os tempos de detenção hidráulica investigados variaram entre 1,0h e 8,0h, com concentração de sólidos de 50g/l e 100g/l. Nas etapas iniciais do trabalho houve a necessidade de vazões de ar da ordem de 6000 l/h para manter o meio em suspensão, introduzindo uma quantidade de oxigênio superior ao necessário para o tratamento. Para diminuir a vazão de ar foi utilizado um propulsor axial no tubo de subida para auxiliar a circulação do meio trifásico, o que permitiu reduzir as vazões de ar para cerca de 3500 l/h. Os melhores resultados desta fase foram obtidos com TDH = 3h e 100g/l de areia. As remoções médias de DBO bruta, e filtrada, DQO bruta e filtrada e NTK foram de 89%, 99%, 84%, 95% e 87%, respectivamente, para o R12 e de 89%, 98%, 82%, 95% e 86%, respectivamente, para o R6, sem diferenças estatisticamente significativas entre os reatores. As remoções médias de fósforo total para os reatores R12 e R6 com TDH = 3h foram 31% e 32%.Entretanto, foi produzida uma parcela de sólidos em suspensão de baixa sedimentabilidade, que prejudicava a qualidade do efluente final. As soluções investigadas para este problema foram a utilização de uma câmara de flotação no R12 e a diminuição do diâmetro do tubo de subida, implantada no R6. Ambos os reatores foram ensaiados com TDH = 3h e 100g/l de areia. O sistema de flotação foi avaliado com taxas de recirculação de 15% e 20%. O efluente final resultante ainda continha uma parcela indesejável de biomassa suspensa. A remoção média de fósforo total durante essa etapa foi de 42 %. De forma geral não houve melhorias estatisticamente significativas na operação do flotador na remoção de fósforo e nos demais parâmetros avaliados. Entretanto ensaios em laboratório mostraram que com a adição de 75 mg/l de Cloreto Férrico a remoção de fósforo total aumentou para 87 %. A redução do diâmetro do tubo interno no R6 permitiu diminuir as vazões iniciais para 1500 l/h sem problemas de suspensão do leito, sendo posteriormente aumentado para 2100 l/h por exigência do tratamento biológico. As remoções médias de DQO e DBO brutas, NT, e Fósforo Total situaram-se em 91%, 88%, 72% e 32% respectivamente. O reator apresentou bom desempenho hidrodinâmico, melhorando os problemas de sedimentabilidade do lodo e as características físicas do efluente. A pesquisa mostra que a solução de leito trifásico com circulação é tecnicamente viável para o tratamento de esgoto sanitário submetido apenas a gradeamento. A câmara de flotação integrada mostrou-se tão eficiente quanto os decantadores, com a vantagem de permitir aumento significativo na remoção de fósforo com a adição de floculantes. Os dados demonstraram também que é possível controlar as condições hidrodinâmicas para a produção de lodo com melhor sedimentabilidade e para otimizar a necessidade de injeção de ar, atuando sobre a relação entre os diâmetros interno e externo. Os aspectos econômicos envolvidos na utilização eficiente do ar constituem a principal necessidade de pesquisa visando à adoção da tecnologia para a utilização proposta. / The experimental investigation of the sanitary sewage treatment, submitted only to screening, through three-phase bed aerobic reactors with circulation in concentric tubes induced by air injection, is presented. Two reactors had been constructed, with 0.25 m external diameter, 0.20 m internal diameter, and 6m (R6) and 12m (R12) high, respectively. The support medium (solid phase) was sand with 0.27 mm medium diameter. The hydraulic detention times investigated ranged between 1.0 h and 8.0 h, with solid concentrations of 50 g/l and 100 g/l. At the initial stages of the research, the reactors needed to work with air outflow of 6000 l/h, to maintain the support medium suspended, introducing an oxygen quantity higher than the necessary to the treatment. To reduce the air outflow, an axial propeller had been used at the ascent tube to aid the circulation, allowing to reduce the air outflows to about 3500 l/h. The best results for this stage had been obtained with HDT = 3h and 100g sand/l. The averaged removal of rough and filtered BOD, rough and filtered COD, and TKN for the R12 were 89%, 99%, 84%, 95%, and 87%, respectively. For the R6 the values were 89%, 98%, 82%, 95%, and 86%, respectively, without statistically significant differences between the R6 and R12. The averaged total phosphorus removal for R12 and R6 were 31 and 32%, with HDT = 3h. However, a low sedimentability portion of suspending solids had been produced, which prejudiced the final effluent quality. The solutions investigated to solve this problem were a flotation chamber in the R12 and the reduction of the ascent tube diameter, in the R6. Both reactors had been analyzed with HDT = 3h and 100g sand/l. The flotation system had been analyzed with recirculation rate of 15% and 20%. The final effluent still contained an undesired suspended biomass portion. The medium total phosphorus removal during this stage was 42%. Generally, there was no statistically significative improvements at the flotation tank operation in the phosphorus removal and others evaluated parameters. Laboratory assays, however, showed that adding 75 mg ferric chloride, the total phosphorus removal increased to 87%. The intern tube diameter reduction at the R6 diminished the initial outflow to 1500 l/h, without bed suspension problems. The outflow was later increased to 2100 l/h, due to the biological treatment. The medium removal of CDO, BOD, NT ant total phosphorus were 91%, 88%, 72%, and 32%, respectively. The reactor presented good hydrodynamic performance, improving the sedimentability problems of the sludge and the effluent physical characteristics. The research shows that the triphasic bed with circulation solution is technically feasible for the sanitary sewerage treatment submitted only to screening. The integrated flotation chamber was as efficient as the sedimentations tanks, with the advantage of to allow significative increase in the phosphorus removal with coagulants addition. The data also shown that it is possible to control the hydrodynamic conditions to produce sludge with better sedimentability and to optimize the air injection necessity, influencing the relation between the internal and the external diameters. The economical aspects involved in the efficient use of the air constitutes the principal research necessity, aiming the adoption of the technology to the proposed use.

No revestimento por solidificação de material fundido o agente de revestimento é aplicado em seu estado liquefeito e se solidifica na superfície do substrato, formando a cobertura desejada, eliminando o uso de solventes. O presente trabalho teve como objetivo estudar dois tipos de processo: revestimento de partículas grandes em leito de jorro e revestimento de partículas finas em leito fluidizado, e avaliar a influência de parâmetros do processo sobre propriedades físicas e farmacotécnicas das partículas revestidas, assim como usá-las no preparo de comprimidos. As partículas grandes foram revestidas com PEG 4000, sendo o estudo do processo feito através de um planejamento fatorial completo 23 com triplicatas no ponto central. As variáveis estudadas foram pressão do ar de atomização, vazão de atomização e altura do bico de atomização. Para as partículas revestidas foram determinados a distribuição granulométrica, o fator de Hausner e o índice de Carr. Os comprimidos destas partículas foram submetidos a ensaios de dissolução in vitro, para avaliação dos perfis de liberação de paracetamol. As partículas finas foram revestidas com uma dispersão sólida de PEG 4000 e curcumina, sendo o estudo do processo feito através de um planejamento fatorial completo 23, seguido de um planejamento Box-Behnken. As variáveis estudadas foram pressão do ar de atomização, vazão de atomização e quantidade de dispersão sólida. Para as partículas revestidas foram determinados a distribuição granulométrica, densidades aparente e compactada, fator de Hausner, capacidade de compactação, porosidade total, além de serem submetidas a microscopia eletrônica de varredura e a análise por DSC. A dispersão sólida também foi caracterizada através de análise por DSC, espectroscopia no infravermelho, difração de raios X, sendo também feita a determinação da solubilidade da curcumina em água. Os comprimidos destas partículas foram caracterizados através da obtenção do diagrama de Heckel, curvas de dureza em função da pressão de compressão aplicada e ensaio de dissolução in vitro. Para as partículas grandes, o estudo do processo sugeriu que a vazão de atomização foi o fator de maior influência sobre o tamanho das partículas, influenciando o grau de aglomeração durante o processo. Uma menor vazão de atomização resultou em um menor grau de aglomeração das partículas. A caracterização da dispersão sólida mostrou que houve um aumento da solubilidade da curcumina e que ela interage com PEG 4000. Para as partículas finas, o estudo do processo sugeriu que a pressão do ar de atomização foi fator de maior influência sobre o tamanho das partículas, sendo o seu revestimento favorecido quando se operou com o altos valores de pressão. Ambos os tipos de partículas revestidas resultaram em comprimidos com características adequadas. / The hot-melting coating is a solvent-free technique used to coat pharmaceutical solid dosage forms. The coating agent is applied in its melted state, and after its solidification, the coating is formed. The objective of this present work was to study two types of processes: coarse particle coating in spouted bed and fine particle coating in fluidized bed, evaluate the influence of process parameters on particle size and flow properties, as well as their tableting. Coarse particles were coated with PEG 4000, and the process study followed a full factorial design 23 with triplicates in the central point. The factors studied were atomization air pressure, atomization rate, and vertical position of the spray nozzle. Particle size distribution, Hausner factor and Carr index were determined for coated particles. Tablets of these particles were submitted to dissolution tests to obtain their release profile of paracetamol. Fine particles were coated with a solid dispersion of PEG 4000 and curcumin, in a study of the process that followed a full factorial design 23, and a Box-Behnken design. The factors studied were air atomization pressure, atomization rate, and the PEG 4000 content. Coated particles were characterized by their bulk and tapped densities, particle size distribution, Hausner factor, ability to settle, total porosity, scanning electron microscopy and DSC analysis. Solid dispersion was also characterized by DSC analysis, infrared spectroscopy, X-ray diffraction, being also made the determination of the curcumin solubility in water. Heckel´s plot, hardness as function of the applied pressure and in vitro dissolution tests were used to characterize the tablets. The study of the coating process of coarse particles suggested that the atomization rate was the most significant factor, influencing the particle agglomeration degree during the process. The lower the atomization rate, the lower the degree of particles agglomeration. Curcumin in the solid dispersion showed an increase in water solubility and also showed an interaction with PEG 4000 by hydrogen bounding. The study of the fine particles coating process showed that the atomization air pressure was the most significant factor on particle size. All tablets prepared from both types of coated particles showed adequate characteristics.

Avaliou-se as emissões dos gasses poluentes 'SO IND.2', NOx, THC e CO, e efeitos de escala de reator no processo de absorção de 'SO IND.2' por calcário em leitos fluidizados borbulhantes atmosféricos sob combustão de carvão mineral com alto teor de cinza e enxofre. Dois combustores de carvão em leito fluidizado foram utilizados: uma planta de bancada de seção circular de 0,16 m de diâmetro, e uma planta piloto de seção quadrada de 0,5 x 0,5 m. Foram controlados, tendo em vista situações operacionais típicas, o excesso de ar, a velocidade de fluidização (U/'U IND.MF'), a granulometria do particulado, e a temperatura do processo. As variáveis principais de análise foram a relação Ca/S de alimentação, altura do nível do leito e geometria do reator. A primeira foi variada pelo controle das taxas de alimentação de carvão e calcário e a segunda pelo controle da altura do leito expandido. Foram medidas as concentrações de gases na descarga do reator ('SO IND.2', 'O IND.2', 'CO', 'CO IND.2', NOx e THC), e as distribuições granulométricas e composição química dos materiais presentes no leito, elutriado e sangrado. Os resultados obtidos na planta de bancada foram comparados aos resultados obtidos na planta piloto. Indicaram que as diferenças encontradas são devidas principalmente a condições operacionais diferentes. O efeito de escala do reator, para as dimensões das plantas de bancada e piloto deste trabalho, mostrou-se desprezível. / Gas emissions of 'SO IND.2', NOx, THC and CO, and reactor scale effects were evaluated for the process of absorption of 'SO IND.2' by limestone in atmospheric bubbling fluidized bed combustion of high ash high sulfur coal. Two different fluidized bed reactor plants were used: a bench cylindrical section reactor 0.16 m internal diameter, and a pilot square section reactor 0.5 x 0.5 m. Air excess, fluidization velocity(U/'U IND.MF'), particle size and process temperature were established having in view typical operational conditions. The parameters varied for analysis were the Ca/S feeding ratio, height of the bed, and geometry of the reactor. The first was varied by controlling the feed rates of coal and limestone, and the second by controlling the height of the expanded bed. Gas concentrations were measured at the reactors exit ('SO IND.2', 'O IND.2', CO, 'CO IND.2', NOx and THC). Size distributions and chemical composition were determined for the bed, overflow and elutriated materials. The results obtained in the bench plant were compared to those obtained in the pilot plant. The differences found between the results of the two plants were attributed mainly to differences in operational conditions. The effect of scale, for the dimensions of the plants considered in this work, resulted not significant.

Importantes produtos úteis à sociedade podem ser obtidos a partir do bagaço de cana-deaçúcar, como por exemplo, o etanol de segunda geração. Para a produção deste álcool, reforçam-se estudos visando alternativas de processos diferenciados, como por exemplo, utilizando células imobilizadas em biorreatores. O presente trabalho teve como objetivos o estudo de condições de imobilização da levedura Scheffersomyces shehatae UFMG-HM 52.2, encapsulada em gel de alginato de cálcio, e a avaliação de condições de produção de etanol a partir de hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar, com as células imobilizadas em processos operados em reator de leito fluidizado. Inicialmente, o bagaço de cana-de-açúcar foi submetido à hidrólise ácida seguida de concentração e destoxificação do hidrolisado hemicelulósico. Em ensaios fermentativos em frascos Erlenmeyer, com a nova e promissora levedura fermentadora de pentoses, Scheffersomyces shehatae UFMGHM 52.2 na forma livre, testou-se diferentes meios nutricionais para a seleção dos nutrientes importantes na suplementação do hidrolisado hemicelulósico. Após análise, escolheu-se o meio composto por 5 g/l de sulfato de amônio, 3 g/l de extrato de levedura e 3 g/l de extrato de malte para as fermentações subsequentes. Utilizando-se este meio, observou-se valores de fator de rendimento (YP/S) e produtividade volumétrica em etanol (QP) de 0,38 g/g e 0,19 g/l.h, respectivamente. Em uma primeira etapa, determinou-se as condições de imobilização celular da levedura por encapsulamento em gel de alginato de cálcio, utilizando um planejamento experimental 23 completo com três pontos centrais. Avaliou-se a influência da concentração de alginato de sódio, de cloreto de cálcio e tempo de cura, tendo como variáveis resposta YP/S e QP. Pela análise estatística e fermentativa, definiu-se o uso da concentração de 1% de alginato de sódio, 0,2 M de cloreto de cálcio e 12 h de tempo de cura para o processo de imobilização celular. Nesta condição, observou-se valores de YP/S e QP de 0,32 g/g e 0,14 g/l.h, respectivamente. Posteriormente, conduziuse fermentações utilizando células imobilizadas em modo de bateladas repetidas em frascos Erlenmeyer, verificando-se a estabilidade na produção de etanol em cinco ciclos fermentativos consecutivos. Em uma segunda etapa, avaliou-se as condições de produção de etanol utilizando células imobilizadas em reator de leito fluidizado, por meio de planejamento experimental 22 completo com três pontos centrais. Avaliou-se a influência da vazão de aeração e massa de suporte com células imobilizadas, tendo como variáveis resposta YP/S e QP. A partir da análise estatística e fermentativa, verificou-se como melhores condições para o processo, o uso de 200 g de suporte e 200 ml/min de vazão de aeração. Nestas condições, observou-se valores de YP/S e QP de 0,26 g/g e 0,17 g/l.h, respectivamente. Sob estas condições de processo, realizou-se também fermentações em modo de bateladas repetidas, verificando-se a estabilidade do sistema operacional de produção de etanol em sete ciclos fermentativos consecutivos. Por estes resultados, concluiu-se que esse processo fermentativo com células imobilizadas em reator de leito fluidizado apresenta destacada potencialidade, podendo servir como conhecimentos para estudos futuros visando a sua implementação em maiores escalas. / Important useful products to society can be obtained from sugarcane bagasse, e.g. secondgeneration ethanol. For the production of this alcohol, studies are focused on alternatives for different processes, e.g., using immobilized cells in bioreactors. This work had as objectives the study of immobilization conditions on the yeast Scheffersomyces shehatae UFMG-HM 52.2, encapsulated in gel of calcium alginate, and evaluating the conditions of ethanol production from sugarcane bagasse hemicellulosic hydrolysate, with the immobilized cells in the process carried out in a fluidized bed reactor. Initially, the sugarcane bagasse was subject to acid hydrolysis followed by concentration and detoxification of hemicellulosic hydrolysate. In fermentation tests in Erlenmeyer flasks, with the novel and promising pentose fermenting yeast, Scheffersomyces shehatae UFMGHM 52.2 in free form, different nutritional media were tested for the selection of important nutrients in the supplementation of hemicellulosic hydrolysate. After the analysis, the medium composed of 5 g/l of ammonium sulfate, 3 g/l of yeast extract and 3 g/l of malt extract was chosen for subsequent fermentations. By using this medium, it was observed values of etanol yield (YP/S) and volumetric productivity (QP) of 0.38 g/g and 0.19 g/l.h, respectively. In a first step, it was determined the yeast cells immobilization conditions by encapsulation in calcium alginate gel using a 23 full factorial design with three central points. The influence of the concentration of sodium alginate, calcium chloride and conditioning time was evaluated, with the response variables YP/S and QP. By statistical and fermentative analysis, it was chosen the concentrations of 1% for sodium alginate, 0.2 M for calcium chloride and 12 h for conditioning time in the immobilization process. In this condition, it was observed values of YP/S and QP of 0.32 g/g and 0.14 g/l.h, respectively. Thus, fermentations were performed applying immobilized cells in Erlenmeyer flasks in repeated batch, where the stability of ethanol production in five consecutive cycles was verified. In a second step, the conditions of ethanol production using immobilized cells in fluidized bed reactor were evaluated, by using a 22 full factorial design with three central points. In this investigation, the influence of aeration rate and mass of suport with immobilized cells was tested, and the response variable were YP/S and QP. By statistical and fermentative analysis, it was found that the best conditions for the process included the use of 200 g of support with immobilized cells and 200 ml/min for aeration rate. Under these conditions, it was observed values of YP/S and QP of 0.26 g/g and 0.17 g/l.h, respectively. Also, under the same conditions, repeated batch fermentations were carried out, where it was verified that ethanol production system stability in seven consecutive fermentation cycles. For these results, it was concluded that this fermentation with immobilized cells in fluidized bed reactor offers outstanding potential and could be used as basis for future studies aiming its implementation in large scales.

Reatores de leito fluidizado circulante são intensamente utilizados em aplicações de larga escala como craqueamento catalítico de petróleo e combustão de carvão. Projeto e desenvolvimento nestas áreas são fortemente baseados em plantas de demonstração, a custos elevadíssimos. Nesse contexto, tratamentos utilizando mecânica dos fluidos computacional assumem considerável relevância. Os complexos padrões de escoamento gás-sólido que se desenvolvem nos reatores de leito fluidizado circulante determinam taxas de reação e exigem, portanto, descrições hidrodinâmicas rigorosas. Os modelos Eulerianos do contínuo ou de dois fluidos são correntemente considerados a escolha mais prática na busca destas descrições. Estas formulações são baseadas na aplicação da hipótese de meio contínuo tanto para fases macroscopicamente contínuas quanto dispersas. Neste trabalho, desenvolve-se simulações numéricas para descrever processos hidrodinâmicos e reativos em reatores de leito fluidizado circulante aplicando modelagem de dois fluidos. Considera-se situações típicas de combustão em leito fluidizado circulante de carvão mineral. Como processo reativo considera-se a absorção de dióxido de enxofre por calcário. Realiza-se análises hidrodinâmicas, e de efeitos hidrodinâmicos sobre a reação de interesse. Realiza-se simulações de regime permanente e de regime transiente. Mostra-se que as simulações de regime permanente permitem análises qualitativas do processo, e provêem condições iniciais para simulações transientes diretamente no regime de escoamento estatisticamente permanente. Em relação à hidrodinâmica, conclui-se que os modelos de dois fluidos correntes são ainda bastante crus. São claramente necessárias melhores descrições reológicas e relações constitutivas sub-grade mais acuradas. Em relação à reação química, conclui-se que predições reativas acuradas somente poderão ser obtidas se descrições hidrodinâmicas rigorosas forem combinadas com descrições reativas igualmente rigorosas. / Circulating fluidized bed reactors are widely used in large scale applications such as catalytic cracking of petrol and coal combustion. Development and design in those areas are strongly based on demonstration plants, at extremely high costs. In this context, treatments applying computational fluid mechanics assume considerable relevance. The complex gas-solid flow patterns which develop inside the circulating fluidized bed reactors determine reaction rates, so that rigorous hydrodynamic descriptions are required. The continuum Eulerian or two-fluid models are currently considered the more practical choice for providing such descriptions. Those formulations are based on the application of the continuum hypothesis for both macroscopically continuous and dispersed phases. In this work numerical simulation is performed to describe both hydrodynamics and reactive processes in circulating fluidized beds applying two-fluid modeling. Typical situations of circulating fluidized bed coal combustion are considered. The reactive process considered is the absorption of sulfur dioxide by limestone. Analyses are performed of hydrodynamics, and regarding hydrodynamic effects over the concerning reaction. Both steady state and transient simulations are performed. It is shown that steady state simulations allow qualitative analyses, and do provide initial conditions for transient runs straightly inside the statistical steady state flow regime. Concerning hydrodynamics, it is concluded that the current two-fluid models are still very crude. Clearly, better rheological descriptions are required alongside with more accurate sub-grid constitutive relations. Regarding chemical reaction, it is concluded that accurate reactive predictions shall only be found if rigorous hydrodynamic descriptions are combined with equally rigorous reaction descriptions.

Orientador: Milton Mori / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-09-11T21:07:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Bastos_JaciCarloSchrammCamara_M.pdf: 4360168 bytes, checksum: 100c57a7c93213cf37fcdab4ee05e24f (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: A presente pesquisa apresenta a modelagem matemática e a simulação de uma operação de fluidização rápida em um longo duto cilíndrico vertical, operação importante em vários processos industriais, sendo que sua principal aplicação está vinculada ao craqueamento catalítico do petróleo para a conversão em gasolina. Tem como objetivos a obtenção de uma compreensão contínua e o conhecimento do desenvolvimento do escoamento gás-sólido, bem como a soma de experiências às pesquisas em escala industrial motivados pela possível predição do desempenho deste tipo de escoamento. O modelo tridimensional, turbulento e bifásico usado para a predição do escoamento gás-sólido, consiste num conjunto de equações de conservação da massa e momento para cada uma das fases, formuladas seguindo a aproximação Euleriana-Euleriana. As variáveis fluidodinâmicas foram estimadas pela solução do modelo, com o emprego de correlações empíricas da literatura e disponibilizadas pelo código computacional de CFD, para garantir o fechamento do modelo e sua solução numérica. Desde de que a predição da dinâmica do escoamento complexo, em dutos com alto fluxo ascendente de sólidos não é possível por meio somente de equações fundamentais, a maioria dos modelos requerem entradas empíricas, as quais somente são adquiridas com a experimentação. Estes dados foram obtidos dos estudos de PÄRSSINEN e ZHU (2001). A geometria e a malha numérica estrutural do duto vertical foram geradas pelo software (CAD) ICEM, subdividido em DDN (geometria) e Hexa (malha). A adaptação do modelo matemático para a geração do modelo numérico foi alcançada com o uso do simulador comercial CFX 5.7. Os resultados obtidos foram avaliados com respeito à teoria apresentada ao longo da dissertação, sendo finalmente feita uma comparação entre as predições numéricas com o modelo e dados experimentais da literatura / Abstract: The present research presents the mathematical modeling and the simulation of an operation of fast fluidization in a long vertical cylindrical duct line, which is an important operation in many industrial processes, where its main application is tied with the catalytic cracking of oil for gasoline synthesis. It has as objective the attainment of a continuous understanding and knowledge of the development of the gas-solid flow, as well as adding of experiences to research of industrial scale equipments motivated by the possibility of prediction of the performance of this type of flow. The three-dimensional, turbulent and two-phase model used for the prediction of the gas-solid flow, consists of a set of conservation equations of mass and momentum for each phase, which was formulated following the Eulerian-Eulerian approach. The fluid dynamics variables was estimated by the solution of the model with the use of correlations found in the literature and available in the computational CFD code, in order to guarantee the closure of the model and its numerical solution. Since the prediction of the dynamics of the complex flow in ducts with high ascending solid flow is not possible by solely using the basic equations, the majority of the models require the setting empirical, parameters which are acquired only with experimentation. These data were obtained from the studies of PÄRSSINEN and ZHU (2001). The geometry and the structural numerical mesh of the vertical duct was generated by the software (CAD) ICEM, subdivided in DDN (geometry) and Hexa (meshing). The adaptation of the mathematical model for the numerical model generation was reached with the use of the commercial simulator CFX 5.7. The results were evaluated with respect to the theory presented along this dissertation, where comparisons between the numerical predictions with the model and experimental data from the literature were performed. / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química