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dc.contributor.authorMassaro Sousa, Lucas
dc.date.accessioned2020-08-27T15:57:14Z
dc.date.available2020-08-27T15:57:14Z
dc.date.issued2020-08-24
dc.identifier.citationMASSARO SOUSA, Lucas. Estudo sobre o desempenho de válvulas não-mecânicas como alimentadores de biomassa residual de borra de café em reatores de leito pneumático circulante: experimentação e modelagem via CFD-TFM. 2020. Tese (Doutorado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2020. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/13197.*
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/13197
dc.description.abstractThe continuous and stable feeding of particulate solids to reactors is essential for energy cogeneration in industrial processes, for example, by using biomass residues. Nevertheless, flow instabilities and blockage of mechanical feeder’s moving parts are commonly reported with these materials, which jeopardizes the process’ performance, automation, and safety. This study is aimed at evaluating the performance of non-mechanical devices (an L-valve and a spouted bed) to promote the feeding of spent coffee grounds to circulating fluidized bed (CFB) units. The physical and flow properties were determined for dry spent coffee grounds with mean sizes between 225 and 550 μm, as well as for samples with moisture content up to 60%. Some of the properties determined were the true, apparent, and bulk densities, minimum fluidization velocity, Hausner ratio, static and dynamic repose angle, and effective internal friction angle. Then, feeding experiments using both feeders were carried out at pilot-scale CFB reactors (riser diameter and height of 21 mm and 2 m), available at the Drying Center/UFSCar. The fluid dynamics of the systems with spent coffee grounds was assessed by pressure and solids flowrate (Ws) measurements under different operating conditions, such as different air flowrates in the riser and feeder, as well as with different distances between the riser and air inlets with the spouted bed. The solids flowrate with the L-valve lies between 0.6 and 10.0 g/s, while it ranges from 1.2 to 11.0 g/s with the spouted bed feeder. The pressure measured at the feeders and Ws were accurately related by linear equations. The feeders’ performance was related to the samples’ properties, then flow instabilities and lower values of Ws were observed for samples with poorer flowability. Overall, the spouted bed exhibited improved performance and flexibility than the L-valve in handling dry and wet spent coffee grounds to the CFB unit. The experimental data was used to validate simulations based on computational fluid dynamics with the Two-Fluid model (TFM) approach. The difference between experimental and simulated solids flowrate was less than 20% for different operating conditions with the feeders. From the validated TFM simulations, details on the gas-solid flow dynamics in the feeders and riser were verified by means of volume fraction contours, and velocity vectors for gas and solid phases. Finally, new operating conditions and different feeder and riser geometries were numerically investigated for the spouted bed feeder, and the maximum solid flowrate could be increased from 11 to 30 g/s. The simulations proved to be reliable and cost-effective tools to optimize spent coffee grounds handling or to implement the feeders in larger-scale commercial applications.eng
dc.description.sponsorshipFundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)por
dc.language.isoengeng
dc.publisherUniversidade Federal de São Carlospor
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil*
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/*
dc.subjectBiomassapor
dc.subjectAlimentadores de sólidospor
dc.subjectTransporte pneumáticopor
dc.subjectBorra de cafépor
dc.subjectVálvula-Lpor
dc.subjectLeito de jorropor
dc.subjectReatorpor
dc.subjectCFDpor
dc.subjectModelo duplo-fluidopor
dc.subjectBiomasseng
dc.subjectSolid feedereng
dc.subjectPneumatic transporteng
dc.subjectSpent coffee groundeng
dc.subjectL-valveeng
dc.subjectSpouted bedeng
dc.subjectReactoreng
dc.subjectTwo-fluid modeleng
dc.titleEstudo sobre o desempenho de válvulas não-mecânicas como alimentadores de biomassa residual de borra de café em reatores de leito pneumático circulante: experimentação e modelagem via CFD-TFMpor
dc.title.alternativeOn the performance of non-mechanical valves for feeding spent coffee grounds into circulating fluidized bed reactors: experimental analysis and CFD-TFM simulationeng
dc.typeTesepor
dc.contributor.advisor1Ferreira, Maria do Carmo
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/7070885875161111por
dc.description.resumoA alimentação contínua e estável de materiais particulados sólidos a reatores é imprescindível para a cogeração de energia em processos industriais, por exemplo, utilizando resíduos de biomassa. Apesar disso, instabilidades na vazão de sólidos e bloqueio das partes móveis de alimentadores mecânicos são comumente reportados com esses materiais, impactando no desempenho, automação e segurança do processo. Desta forma, este trabalho teve como objetivo avaliar o desempenho de dispositivos não-mecânicos tipo válvula-L e tipo leito de jorro para promover a alimentação de borras de café a reatores tipo leito pneumático circulante (LPC). Inicialmente, foi realizada a caracterização física e de escoabilidade de borras de café secas com tamanhos médios entre 225 e 550 μm, bem como de amostras com umidades de até 60%. Algumas das propriedades determinadas foram: massa específica real e aparente, densidade bulk, velocidade de mínima fluidização, índice de Hausner, ângulo de repouso estático e dinâmico e ângulo de atrito interno efetivo. Em seguida, foram realizados experimentos de alimentação dos pós a reatores LPC em escala piloto (diâmetro e altura do riser de 21 mm e 2 m), disponíveis no Centro de Secagem/UFSCar, utilizando ambos os alimentadores. A fluidodinâmica dos sistemas operando com borras de café foi caracterizada por meio de medidas de pressão e vazão de sólidos (Ws) em diversas condições de operação, isto é, diferentes vazões de ar no riser e no alimentador, bem como com diferentes alturas entre o riser e a entrada de ar com o leito de jorro. Verificou-se, experimentalmente, Ws entre 0,6 e 10,0 g/s com a válvula-L e entre 1,2 e 11,0 g/s com o leito de jorro, assim como boa correlação entre Ws e a pressão medida nos alimentadores. O desempenho dos alimentadores foi relacionado com as propriedades das amostras, observando-se instabilidades no transporte e menores valores de Ws com as amostras de pior escoabilidade. Finalmente, concluiu-se que o leito de jorro foi mais versátil que a válvula-L para a dosagem de borras de café secas e úmidas ao LPC utilizado. Os resultados experimentais foram utilizados para validar simulações baseadas na fluidodinâmica computacional, utilizando modelos do tipo duplo-fluido (Two-Fluid Model, TFM). A diferença entre a vazão de sólidos experimental e a simulada foi inferior a 20% para diversas condições de operação com os alimentadores. Com as simulações TFM validadas, verificou-se detalhes sobre a dinâmica de escoamento gás-sólido nas diversas regiões dos alimentadores e do riser, em termos de contornos de fração volumétrica e vetores de velocidade do ar e sólido, o que são informações de difícil obtenção experimentalmente. Por fim, novas condições de operação e diferentes geometrias de alimentador e riser foram investigadas numericamente para o alimentador leito de jorro e a vazão de sólidos máxima pôde ser aumentada de 11 para 30 g/s. As simulações se mostraram ferramentas eficazes e com vantajoso custo-benefício para otimizar a alimentação de borras de café ou implementar os alimentadores em aplicações comerciais de maior escala.por
dc.publisher.initialsUFSCarpor
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQpor
dc.subject.cnpqENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICApor
dc.description.sponsorshipIdFAPESP: 2016/25946-2por
dc.description.sponsorshipIdFAPESP: 2018/11031-8por
dc.publisher.addressCâmpus São Carlospor
dc.contributor.authorlatteshttp://lattes.cnpq.br/6375928540784651por


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