Escolha do modelo termodinâmico

Em um segundo momento, o próximo passo é a seleção do método termodinâmico na aba de Métodos (Methods tab), para executar a simulação. Devido à presença de componentes não convencionais (sólidos heterogêneos) na simulação, o cálculo das propriedades da biomassa deve ser realizado pelo método de propriedades avançadas (denominado “NC Props”, Figura 59). Portanto, nesta parte da simulação, a aba NC

Props requer o tipo de modelo apropriado para cálculos das propriedades físicas

entalpia e densidade dos componentes não convencionais, que não entrem em equilíbrio químico ou de fase. O Aspen Plus® faz uso das características dos componentes para representar componentes não convencionais e calcular suas propriedades físicas.

Figura 59 – Aba NC Props – Método de Propriedades Avançadas

Dependendo do tipo de método escolhido, o simulador pode exigir dados da análise imediata (PROXANAL), análise elementar (ULTANAL) e análise de enxofre (SULFANAL) para cálculos de entalpia (Figura 59). Na mesma aba existe uma caixa de texto, na qual os "códigos de opção" podem ser inseridos. Esta opção serve para definir como o método escolhido calcula alguns parâmetros (calor de combustão, calor padrão de formação, capacidade calorífica e entalpia) para os componentes não convencionais. 4.4.2.1 Caracterização do bagaço de cana-de-açúcar

Dessa forma, para esta simulação, foi escolhido o método HCOALGEN (General

Coal Enthalpy model), que é o modelo geral para calcular entalpia de matéria-prima,

como o carvão. Como não há nenhum modelo específico para biomassa, este é o que mais se aproxima. Esse modelo inclui várias correlações para determinar calor de combustão, calor de formação e capacidade calorífica.

O calor de combustão de carvão no modelo HCOALGEN é um valor de poder calorífico superior, o qual é expresso em Btu/lb de carvão em uma base seca, livre de minerais. A norma ASTM D5865-07a define condições padrões para medir o poder calorífico superior (anteriormente a norma ASTM D-2015 usava as mesmas condições). A pressão inicial de oxigênio é de 20 a 40 atmosferas. Os produtos estão na forma de cinzas; água líquida; e CO2, SO2 e NO2 gasosos. Para calcular o poder calorífico

inferior, faz-se uma dedução do calor latente de vaporização da água. Os valores de calor de combustão são convertidos de volta a uma base seca, contendo material mineral, com uma correção para o calor de combustão da pirita.

As correlações do calor de combustão foram avaliadas pelo Instituto de Tecnologia de Gás (IGT) (IGT, 1976).

Para esse modelo, há 07 opções sobre como o calor de combustão deve ser calculado. Os possíveis métodos de cálculo são os seguintes: Correlação de Boie (1); Correlação de Dulong (2); Correlação de Grummel e Davis (3); Correlação de Mott e Spooner (4); Correlação IGT (5); Valor inserido pelo usuário (6); Correlação IGT revisada (7). Dependendo do método de cálculo escolhido, coloca-se o número do método desejado na aba dos códigos de opção, já mencionado anteriormente. O campo de ajuda (HELP) do Aspen Plus® contém todas as correlações e valores dos parâmetros para serem utilizados. Para este método, optou-se por utilizar o método 6, inserindo o próprio valor conhecido do calor de combustão do bagaço, definido pelo simulador como HCOMB (Heat of Combustion).

Para o calor de formação padrão há 02 opções de métodos de cálculo: Correlação baseada no calor de combustão (1); e Correlação direta (HFC) (2). A opção 01 foi escolhida.

A opção 01 é baseada na suposição de que a combustão resulta na oxidação completa de todos os elementos, exceto o enxofre sulfático e as cinzas, que são considerados inertes. Os coeficientes numéricos são combinações de coeficientes estequiométricos e calor de formação para CO2, H2O, HCl e NO2 a 298,15 K.

Para a capacidade calorífica também existem duas correlações: Correlação de Kirov (1); e Equação cúbica de temperatura (2). A primeira opção foi escolhida.

A correlação de Kirov (1965) (KIROV, 1965) considera o carvão uma mistura de umidade, cinzas, carbono fixo e material volátil primário e secundário. Material volátil secundário é qualquer material volátil até 10 % em uma base seca, sem cinzas; sendo primário o material volátil restante. A correlação desenvolvida por Kirov trata a capacidade calorífica como uma soma ponderada das capacidades caloríficas dos constituintes. Essa correlação calcula a capacidade calorífica em cal/g°C.

Por fim, para cálculo da entalpia, a opção 01 foi a escolhida: elementos nos estados padrões a 298,15 K e 1 atm.

Ainda nesta etapa, para o cálculo da densidade do bagaço, utiliza-se o método

DCOALIGT, o qual fornece a densidade real em base seca. Para isto, faz uso das

análises imediata e de enxofre. Esse modelo é baseado nas equações de IGT (Institute of

Gas Technology, 1976) (IGT, 1976).

A equação para o HODM é satisfatória para uma ampla gama de teores de hidrogênio. O desvio padrão dessa correlação para um conjunto de 190 pontos coletados pela IGT da literatura foi de 12x10-6 m3/kg. Os pontos são essencialmente uniformes em todo o intervalo. Isto é equivalente a um desvio padrão de cerca de 1,6 % para um carvão com um teor de hidrogênio de 5 % (IGT, 1976).

4.4.3 Simulação (Simulation tab)

Depois de preencher todos os parâmetros necessários na aba de propriedades, o próximo passo é o ambiente de simulação (Simulation tab). É importante certificar-se de iniciar a plataforma de simulação usando o modelo pré-definido de sólidos com unidades inglesas, uma vez que o processo de pirólise funciona como uma matéria- prima sólida nesse caso.

Na aba de simulação, depois de projetar o processo, o simulador solicita as especificações de fluxo de entrada. É possível escolher qual tipo de classe de fluxo a

simulação deve considerar. Normalmente, a classe de fluxo padrão corresponde a um único subconjunto MIXED. No entanto, como componentes convencionais e não convencionais, que apresentam distribuição de tamanho de partícula (PSD – Particle

Size Distribution), estão presentes, optou-se por utilizar uma classe de fluxo

denominada “MIXNCPSD”. Essa classe de fluxo permite que haja três subcorrentes:

MIXED (mistura de componentes convencionais que atingem equilíbrio de fase), CI Solid (sólidos convencionais que não participam no equilíbrio de fase), e NC Solid

(sólidos não convencionais – não participam do equilíbrio de fase).

A temperatura, pressão e o fluxo de massa da corrente de biomassa são configurados na aba NC Solid.

Essas simulações tiveram como base os dados de caracterização do bagaço de cana-de- açúcar reportados no Capítulo 3. O bagaço de cana-de-açúcar foi inserido no simulador na aba NC Solid com base nas análises imediata (Figura 19) e elementar (Figura 20). Além disso, como esta simulação contém sólidos, há um espaço para preencher com o

PSD (Tabela 15) da matéria-prima sólida também na aba NC Solid. Todas essas

informações são definidas na aba de fluxo de entrada de biomassa. Na mesma aba NC

Solid existe também a possibilidade de inserir as características dos componentes, que

no caso faz menção aos resultados de suas análises imediata (PROXANAL), elementar (ULTANAL) e de enxofre (SULFANAL). Em primeiro lugar, a aba de PROXANAL (Figura 19) solicita a inclusão dos valores (% base seca) de umidade, carbono fixo, material volátil e cinzas.

Posteriormente, a análise elementar (ULTANAL) (Figura 20) estabelece os valores de cinzas, carbono, hidrogênio, nitrogênio, cloro, enxofre e oxigênio da matéria-prima. Por fim, SULFANAL (Figura 20) preenche os espaços para valores de enxofre pirítico, sulfático e orgânico. Nessa dissertação, considerou-se apenas como enxofre geral.

Dessa forma, o bagaço de cana-de-açúcar tem suas características inseridas e é inserido no simulador como um componente do tipo não convencional, no qual exige todas essas informações mencionadas anteriormente. Além do bagaço, as cinzas, o bio- óleo e o biochar também tiveram de ser inseridos como componentes não convencionais.

No caso dos produtos, as caracterizações são inseridas nas configurações do reator, na aba de Component Attributes.

O próximo passo é a especificação dos blocos de operação a serem utilizados, que podem conter operações de secagem, reatores e outras operações unitárias. Os blocos de reator, os módulos mais importantes nessa simulação, são descritos na seção 4.3.

O último item que deve ser considerado ao realizar a simulação de um processo de pirólise neste simulador é a utilização de um bloco de cálculo para controlar os parâmetros que podem variar ao longo da simulação. A este respeito, algoritmos em linguagem Fortran são necessários para introduzir as correlações dos parâmetros a serem variados para obter melhores rendimentos dos produtos desejados. Para a eliminação de água da biomassa e a sua decomposição foram utilizados esses blocos de cálculo.

Assim, a Figura 60 ilustra as etapas que foram descritas nesta seção.

Figura 60 – Fluxograma da metodologia de simulação do processo de pirólise

Fonte: Elaborado pela autora

4.5 Simulação do Processo baseada nas caracterizações elementar e imediata