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Type: Dissertação
Title: Projeto e estudos preliminares de modelagem de um reator oscilatório para produção de biodiesel
Authors: Matos, Leonardo José Brandão Lima de
Advisor: Fernandes, Fabiano André Narciso
Co-advisor: Cartaxo, Samuel Jorge Marques
Keywords: Engenharia química
Issue Date: 2008
Citation: MATOS, L. J. B. L. Projeto e estudos preliminares de modelagem de um reator oscilatório para produção de biodiesel. 2008. 124 f. : Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Ceará, Fortaleza-CE, 2008.
Abstract in Brazilian Portuguese: Nos últimos 20 anos a tecnologia oscilatória tem sido estudada principalmente em algumas universidades inglesas. Os pesquisadores da área procuraram aprimorar o conhecimento sobre a mistura não usual dos reatores OFRs (Oscillatory Flow Reactor). Os reatores OFRs são considerados intensificadores de processos, ou seja são capazes de processar de forma contínua reações que são processadas de forma descontinuada pois necessitam de longos tempos de residência. As reações para obtenção do biodiesel são consideradas longas e por isso, na maioria das indústrias o combustível é obtido em reatores batelada. Devido ao grande volume de produção um processo contínuo seria mais vantajoso. O reator projetado para ser usado de forma contínua na produção de biodiesel é totalmente baseado na tecnologia oscilatória. Para a análise do design do reator foram observados oito parâmetros do sistema OFR, incluindo 3 geométricos (D, do e L), três parâmetros de operação (u, ω, x0) e dois parâmetros de fluido (ρ e υ). A análise das medidas escolhidas para o reator foi feita em relação aos grupos adimensionais envolvidos como o Reynolds (Ren),Reynolds oscilatório (Reo), a razão entre as velocidades superficial média e a oscilatória (ψ)e número de Strouhal(St), para as condições operacionais de amplitude entre 5 a 10 milímetros e freqüência entre 2 a 5Hz. Os parâmetros foram analisados considerando as condições reacionais de produção do biodiesel. Foram observados também a queda de pressão no reator e a densidade de energia dissipada, a análise foi feita de forma comparativa com reatores de outros diâmetros de tubulação, e o projeto escolhido teve os parâmetros geométricos de D= 25,4mm, do=12,2mm. Para o valor do espaçamento o intervalo escolhido para o espaçamento entre as chicanas é de L=1,5D e 2D, considerado para melhores condições de mistura. A capacidade operacional máxima permitida para o mecanismo oscilatório foi dada para a freqüência de 13Hz e amplitude de 15mm. Para essas condições de máxima amplitude e freqüência foram feitas análises cinemática e dinâmica para determinação da mola adequada ao mecanismo oscilatório. A mola padronizada de estampo foi o tipo escolhido para o projeto, o valor da constante elástica da mola foi de 5,4N/mm. Para a modelagem foi proposto um modelo de dois CSTRs interconectados representando um CSTR que foi colocado em série com outros de mesma configuração, o que gerou um modelo de 3 parâmetros (N, θ, φ) para representar o reator oscilatório. A linguagem FORTRAN e uma subrotina de integração numérica baseada no método de Runge-Kutta presente na biblioteca IMSL foi utilizada para obter as curvas de DTR e a superfície de resposta para o rendimento da reação de transesterificação em relação aos parâmetros θ e φ. A faixa de rendimento abaixo do rendimento do reator batelada indicou que o modelo pode ser usado para representar um reator oscilatório não- ideal, porém a avaliação final do modelo deve ser feita experimentalmente, para essas condições foram obtidas com o valor de N (número de CSTRs) fixado e a variação dada apenas para os parâmetros θ e φ.
Abstract: In the last 20 years the oscillatory technology has been studied mainly in some English universities. The researchers of the area had looked for to improve the knowledge on the not usual mixture of the OFRs reactors (Oscillatory Flow Reactor). The OFRs reactors are considered processes intensifiers, which means they are capable to process of continuous form reactions that occur in batch and need long times of residence. The reactions for attainment of biodiesel are considered long and therefore in the majority of the industries, the fuel is produced in batch reactors. Due to the great volume of production a continuous process would be more advantageous. The projected reactor to be used of continuous form in the production of biodiesel is totally based on the oscillatory technology. For the analysis of design of the reactor eight parameters of system OFR had been observed, including 3 geometric ones (D, do and L), three parameters of operation (u, ω, x0) and two fluid parameters (ρ and υ). The analysis of the measures chosen for the reactor was made in relation to the involved dimensionless groups as Reynolds (Ren), oscillatory Reynolds (Reo), the reason between the superficial average velocity and oscillatory velocity (ψ) and number of Strouhal (St), for the operational conditions of amplitude from 5 to 10 millimeters and frequency from 2 to 5Hz. The parameters were analized observing the reactions conditions of biodiesel production. It had been observed also the fall of pressure in the reactor and the density of wasted energy, the analysis was made of comparative form using reactors with other diameters of tubing , and the chosen project had the geometric parameters of D=25,4mm , do =12,2mm. For the value of the distance between the adjacents baffles of the OFR reactor was chosen the range from L=1,5D to 2D. The allowed maximum operational capacity for the oscillatory mechanism was given for the frequency of 13Hz and amplitude of 15mm. For these conditions of maximum amplitude and frequency had been made kinematics and dynamic analyzes for determination of the adequate spring to the oscillatory mechanism, the standardized spring of stamp was the type of spring chosen for the project, the value of the elastic constant of the spring was of 5,4N/mm. For the modeling was considered a model of two interconnected CSTRs representing a CSTR that was placed in series with others of same configuration, what it generated a model of 3 parameters (N, θ, φ) to represent the oscillatory reactor. Language FORTRAN and a subroutine of numerical integration based on Runge- Kutta method present in library IMSL was used to get the DTR curves and the surface of reply for the yield of the transesterification reaction in relation to the parameters θ and φ. The yield range below yield of the batch reactor has indicated that the Model can be used to represent a non-ideal oscillatory reactor, but it is necessary to evaluate the Model experimentally. The conditions were obtained with a fixed N value (number of CSTRs) and the variation of the parameters θ and φ.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/68310
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