Desenho e montagem de uma unidade piloto para hidrólise e gaseificação em água

A unidade piloto foi desenhada para permitir ensaios com processos de hidrólise somente, e também processos de hidrólise seguidos de gaseificação, possibilitando a integração de duas tecnologias hidrotérmicas.

A etapa inicial foi a montagem da estrutura de suporte de alumínio. A parte estrutural da unidade foi montada utilizando perfilados quadrados de alumínio de 30 mm (Figura 4.2). Tubulações de aço inox 316 foram utilizada para interligar os componentes dos sistemas. O detalhe do projeto da bancada foi elaborado utilizando o software Solid Works (Figura 4.3 e Figura 4.4). Uma placa de alumínio serve como suporte para equipamentos em geral, além de facilitar a montagem e fixação dos seus componentes.

A unidade de planta piloto dispõe dos seguintes componentes: 1 válvula reguladora de pressão “Back Pressure regulator”; 1 bomba de alta pressão para água; 2 manômetros e 2 termopares para medição da pressão e temperatura respectivamente em diferentes pontos do sistema, 2 controladores de temperatura. 4 válvulas de bloqueio que permitem o fechamento das linhas do sistema e 1 válvula micrométrica para regular a pressão do sistema; 1 separador líquido-gás de vidro; 1 fluxômetro para medir a quantidade de gases produzidos; 1 amostrador de gases para coleta de amostras.

O reator de hidrólise de aço inox 316 com volume de 110 mL (Figura 4.5) é aquecido através de um sistema de aquecimento elétrico tipo jaqueta que permite manter e controlar a temperatura desejada. O sistema de aquecimento elétrico do reator de hidrólise conta com uma resistência de 1500 W, para permitir temperaturas de trabalho superiores a 200 °C. O sistema de isolamento utilizado foi revestido de pó de cerâmica. O sistema de lacre permite controlar problemas de vazamento podendo operar em pressões de até 30 MPa. Também foi projetado na base do reator um filtro de aço inox de 300 µm para evitar futuros entupimentos na linha do processo. O hidrolisado foi coletado em frascos de 50 mL em diferentes períodos de tempo para posteriores análise.

O reator de gaseificação (Figura 4.6) é do tipo tubular de diâmetro interno de 0.7, diâmetro externo de 0.9 mm e 6 metros de comprimento. A serpentina é de Inconel, uma liga de níquel-cromo com adição de molibdénio e nióbio que dá à liga melhores propriedades mecânicas e uma boa resistência à corrosão sem que o material tenha de ser endurecido. O volume total do reator é de 790 mL, em função da barra de Inconel existente no comércio. Adicionalmente, para que o reator não tivesse um tamanho muito grande, já que este tubo de Inconel deveria ser compactado em formato espiral, foi utilizado somente 4,5m.

O sistema de aquecimento elétrico do reator de gaseificação é composto de três resistências localizadas na parte superior, inferior e central do reator, com potência de 1500 W cada uma, para permitir temperaturas de trabalho superiores aos 400 °C. Neste reator usaram-se dois tipos de condutores térmicos pó de cerâmica e pó de quartzo com objetivo de aumentar a transferência de calor entre as resistências e a parte interior do reator.

Figura 4.6 Esquema simplificado do reator de gaseificação.

Todos os componentes são fixos na unidade, por exemplo, bomba de água, back- pressure, válvulas de bloqueio, painel elétrico e reator de gaseificação, exceto o reator de hidrólise. A cada início de ensaio o reator de hidrólise deve ser removido e aberto para introduzir a amostra inicial e lacrado novamente. Após a cinética de reação e o

resfriamento do sistema, o reator deve ser novamente removido e aberto para coleta de amostra do resíduo final. Finalmente é feita uma limpeza do reator e da tubulação para tirar ar do sistema e a adequação da unidade para operar um novo processo.

Adicionalmente, a unidade piloto foi projetada para permitir futuras adequações, como por exemplo, integração e/ou acoplamento com sistemas de análise (por exemplo, sistemas de cromatografia gasosa).

Produto final de interesse: Gases

O procedimento de partida consiste em: bombear a água a pressão ambiente, até o reator de hidrólise que previamente será alimentado com bagaço de cana-de-açúcar. Imediatamente depois se regula a pressão e temperatura do reator de hidrólise e gaseificação até estabelecer o estado subcrítico da água no reator de hidrólise.Atingida a temperatura desejada no reator de gaseificação, manobras das válvulas de by-pass são efetuadas com o propósito que o produto hidrolisado continue o trajeto até o reator de gaseificação. O produto de saída do reator de gaseificação é resfriado no trocador de calor a fim de obter dois produtos: por um lado se obtém o líquido que será analisado para verificar sua composição ao biogás, que será coletado e posteriormente analisado quanto a sua composição. O Apêndice B- Manual de Operação da Unidade de Hidrólise e Gaseificação em Água sub/supercrítica, descreve o procedimento operacional da unidade de hidrólise e gaseificação em água supercrítica.

Medição dos parâmetros de processo

A unidade é composta por indicador de temperatura contendo 2 termopares e dois indicadores de pressão conectados a 2 manômetros. Existe um controlador de temperatura para o sistema de aquecimento elétrico da jaqueta do reator de hidrólise e outro controlador para o reator de gaseificação. O fluxômetro foi instalado para medir a vazão de gases previamente ao coletor. A medição dos parâmetros: temperatura e pressão do processo, vazão de gases é realizada continuamente durante o processo.

O equipamento apresentado na Figura 4.7 foi construído para processos de hidrólise e gaseificação de biomassa com água sub/supercrítica.

Figura 4.7. Equipamento para hidrólise e gaseificação de biomassa com água sub/supercrítica. Painel eletrônico Banho Termostático Separador líquido-gás Bomba de alta pressão para água

Fluxômetro Válvula reguladora de pressão “BackPresure” Coletor de gases Reator de Gaseificação Reator de Hidrólise Trocador de calor Manômetro digital