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6.8 EQUAÇÕES PARA DIMENSIONAMENTO

6.8.2 Pré-tratamento explosão de vapor

6.8.2.1 Dimensionamento digestor DP-1

O digestor DP-1 foi projetado como sendo um PFR onde, o tempo de residência do reator foi considerado como o tempo ótimo de degradação de hemiceluloses calculada no capítulo que descreve a cinética do pré-tratamento por explosão a vapor assim, utilizando o tempo de residência foi calculado o volume do reator.

O reator foi pré-projetado como sendo um vaso de pressão seguindo as normas da ASME (American Society of Mechanical Engineers) onde, o peso do reator foi calculado para utiliza-lo no método proposto por Seader e Lewin (2004) que utiliza esse valor para uma estimativa do preço de venda do vaso de pressão onde, são considerados todos os acessórios para a construção do mesmo além de realizar a correção do preço pelo indicador econômico CEPCI.

6.8.2.1.1 Espessura e pressão de operação para o casco

Para o cálculo do peso do reator, é necessário primeiramente o cálculo da espessura do mesmo e da pressão de operação. Foi considerado que ele se enquadra na classificação de casco cilíndrico de pequena espessura onde a seguinte relação é necessária:

(36)

t = Espessura do cilindro (in) E = Eficiência da solda P = Pressão interna (psi) R = Raio interno (in)

S = Tensão admissível no material na temperatura de operação (psi) c = Sobre espessura de corrosão (in)

{ [ ] [ ] }

P(p) = Pressão de projeto (psi) P(o) = Pressão de operação (psi)

6.8.2.1.2 Pressão máxima admissível para o casco

Para cascos cilíndricos de pequena espessura a pressão máxima de tralho (PMTA) é dada pela seguinte fórmula:

S = Tensão admissível no material na temperatura de operação (psi) T(nom) = Espessura nominal do cilindro (in)

R = Raio interno (in)

PMTA = Pressão máxima admissível para o casco (psi)

Na equação acima a pressão máxima é calculada considerando que o casco é novo e frio, para se ter certeza da possibilidade da operação numa determinada pressão é calculada a pressão máxima admissível para ele dito velho e quente onde, é desconsiderada a sobre espessura de corrosão do cálculo visto que, após certo tempo de operação essa camada é desgastada.

c = Sobre espessura de corrosão (in)

PMTA’ = Pressão máxima admissível para o casco considerando velho e quente (psi)

6.8.2.1.3 Espessura tampos elípticos 2:1

t = Espessura do tampo elíptico (in) E = Eficiência da solda

P = Pressão interna (psi) R = Raio interno (in)

S = Tensão admissível no material na temperatura de operação (psi) c = Sobre espessura de corrosão (in)

6.8.2.1.4 Pressões máximas de trabalho para os tampos

S = Tensão admissível no material na temperatura de operação (psi) T(nom) = Espessura nominal do cilindro (in)

R = Raio interno (in)

PMTA = Pressão máxima admissível para o casco (psi)

PMTA’ = Pressão máxima admissível para o casco considerando velho e quente (psi)

6.8.2.1.5 Peso do vaso de pressão

( )

W = Peso do vaso de pressão (lb) Di = Diâmetro interno (in)

t(nom) = Espessura nominal (in)

ρ = Massa específica do material (lb/ft³) L = Comprimento do vaso (lb)

6.8.2.2 Dimensionamento transportador helicoidal TrP-1 e TrP-2

6.8.2.2.1 Diâmetro da helicoide

D = Diâmetro da helicoide (m)

Q = Vasão volumétrica de sólidos (m³/h)

6.8.2.2.2 Rotação D = Diâmetro da helicoide (m) N = Rotação (RPM) 6.8.2.2.3 Capacidade D = Diâmetro da helicoide (m)

γ = Massa específica aparente do sólido (t/m³) N = Rotação (RPM) C = Capacidade (t/h) 6.8.2.2.4 Potência consumida [ ] C = Capacidade (t/h) L = Comprimento (m)

H = Desnível (m)

P = Potência consumida (HP)

6.8.2.3 Dimensionamento de deslocamento progressiva

Devido à dificuldade de encontrar dados na literatura e a não possibilidade de realizar testes em plantas piloto para obtenção das propriedades físicas do hidrolisado celulósico proveniente do reator de explosão a vapor para o cálculo dos parâmetros da bomba, foi utilizado uma carta confeccionada a partir do estudo de SCHELL 1994 em que relaciona as propriedades de bombeamento da palha de milho após o tratamento por explosão a vapor.

Onde a partir de uma pressão diferencial definida em KPa, uma vazão em kg/min e a porcentagem de sólidos pode se encontrar a potência requerida para a bomba em KW utilizando uma velocidade fixa de 200 RPM. O tipo de bomba utilizada no estudo foi uma bomba sanitária do modelo 1FFJ6 SSE AAA Moyono sanitay pump.

Figura 42 – Carta utilizada para especificação da potência da bomba sanitária

6.8.3 Hidrólise enzimática 6.8.3.1 Filtro rotativo FH-1

6.8.3.1.1 Cartas e esquema utilizados para o dimensionamento

Figura 43 – Ângulos considerados no dimensionamento para a formação da torta

Fonte: PERRY

Fonte: PERRY

Figura 45 – Fator de correlação para obtenção da umidade da torta

Fonte: PERRY

Figura 46 – Correlação do tempo de lavagem da torta com a massa de sólido seco (Wc) e lavagem (Vw) por unidade de área

Fonte: PERRY

Figura 47 – Curva de lavagem

Fonte: PERRY

Figura 48 – Taxa de ar em função do tempo

6.8.3.1.2 Equações para o dimensionamento

6.8.3.1.2.1 Cálculo da massa da torta, Tempo de filtração para a espessura estipulada e determinação do tempo mínimo de ciclo para a formação da torta

Wc = Massa da torta (lbm/ft²) L = Espessura da torta (in)

O tempo de filtração (tf) é encontrado utilizando o gráfico na Figura 24

F(t) = Taxa filtração (lbm/hft²) Wc = Massa da torta (lbm/ft²) tf = Tempo de filtração (h)

Observando-se pode se estimar a eficiência de submersão de 30% da circunferência do tanque, considerando que 18º da circunferência da zona de formação da torta não são efetivos.

C(mínimo) = Ciclo mínimo (RPM) tf = Tempo de filtração (Minutos)

Verificação se a secagem inicial ou a lavagem podem ser feitos com o tempo disponível calculado no tópico 3.3.1.2.2.

Para a sucção mínima existe uma área disponível em graus de 27º ou 7,5% de toda a circunferência do tanque.

(

)

t(d) = Tempo de secagem (minutos) c(mínimo) = Ciclo mínimo (RPM)

( )

F(td/Wc) = Fator para obtenção da umidade da torta (min(ft²)/lb) T(d) = Tempo de secagem inicial (minutos)

Wc = Massa da torta (lbm/ft²)

Utilizando o fator F(td/Wc) pode se encontrar a umidade da torta que foi retirada água mas ainda não passou pelo processo de lavagem (D/U). Especificando uma taxa de lavagem de 1.5.

( ( )

( ))

L(DU) = Líquido na torta (lbm/ft²rotação) Wc = Massa da torta (lbm/ft²)

M(L) = Massa de água na lavagem (lbm/(ft²)(rotação)) L(DU) = Líquido na torta (lbm/ft²rotação)

Q(L) = Volume de água na lavagem (gal/(ft²)(rotação)) M(L) = Massa de água na lavagem (lbm/(ft²)(rotação))

ρ = Massa específica da água na temperatura ambiente (lbm/gal)

( )

F(WcQ(L)) = Fator para obtenção do tempo de lavagem (lbgal/ft^4) Wc = Massa da torta (lbm/ft²)

Utilizando o fator F(WcQ(L)) pode-se encontrar o tempo requerido para a lavagem (t(w)). Especificando uma taxa de lavagem de 1.5.

t(w) = Tempo de lavagem (minutos) c(mínimo) = Ciclo mínimo (RPM)

Se o arco de lavagem for menor que 29% correspondente a 104º do arco de lavagem, os cálculos podem ser continuados, se não uma nova espessura deve ser proposta.

6.8.3.1.2.2 Cálculo do tempo de secagem e determinação do tempo de ciclo

Especificada uma umidade final da torta para encontrar o novo fator F’(t(d)/Wc) e encontrar o tempo de secagem t(s).

(

)

t’(d) = Tempo de secagem final (minutos)

F’(t(d)/Wc) = Fator para obtenção da umidade da torta (min(ft²)/lb) Wc = Massa da torta (lbm/ft²)

t’(d) = Tempo de secagem final (minutos) c(mínimo) = Ciclo mínimo (RPM)

Considerando que 25% do arco são utilizados para descarga da torta, 30% para formação da torta e 7,5% para secagem inicial.

( )

C(lavagem + secagem) = Ciclo mínimo baseado na secagem e na lavagem (min/rotação)

t’(d) = Tempo de secagem final (minutos) t(w) = Tempo de lavagem (minutos)

t(w) = Tempo de lavagem (minutos)

C(lavagem + secagem) = Ciclo mínimo baseado na secagem e na lavagem (min/rotação)

6.8.3.1.2.3 Cálculo do tempo inicial de secagem

( ) (

)

C(lavagem + secagem) = Ciclo mínimo baseado na secagem e na lavagem (min/rotação) ( )

F(t(id)/Wc) = Fator para obtenção da umidade da torta (min(ft²)/lb) Wc = Massa da torta (lbm/ft²)

Utilizando o fator F(t(id)/Wc) pode se encontrar a umidade da torta que foi retirada água mas ainda não passou pelo processo de lavagem (D/U)’. Especificando uma taxa de lavagem de 1.5.

( ( )

( ) )

L’(DU) = Líquido na torta (lbm/ft²rotação) Wc = Massa da torta (lbm/ft²)

M’(L) = Massa de água na secagem (lbm/(ft²)(rotação)) L’(DU) = Líquido na torta (lbm/ft²rotação)

Q’(L) = Volume de água na secagem (gal/(ft²)(rotação)) M’(L) = Massa de água na secagem (lbm/(ft²)(rotação))

ρ = Massa específica da água na temperatura ambiente (lbm/gal)

( )

F’(WcQ’(L)) = Fator para obtenção do tempo de secagem (lbgal/ft^4) Wc = Massa da torta (lbm/ft²)

Q’(L) = Volume de água na secagem (gal/(ft²)(rotação))

Utilizando o fator F’(WcQ(L)) pode se encontrar o tempo requerido para a secagem inicial (t’(d))

6.8.3.1.2.4 Tempo total de filtração e submersão requerida

( )

t = Tempo total do ciclo (minutos)/(rotação) t(w) = Tempo de lavagem (minutos)

t(id) = Tempo de secagem inicial (minutos) t’(d) = Tempo de secagem final (minutos)

SR = Submersão requerida (%) tf = Tempo de filtração (minutos) t = Tempo total (minutos)/(rotação)

6.8.3.1.2.5 Eficiência na recuperação do soluto e da eficiência do equipamento Pode-se obtém a fração do soluto que se mantém na torta (α), para fins de projeto aumenta-se esse valor em 72%.

(( ) ) ( ) 6.8.3.1.2.6 Dimensões do tambor

TX = Taxa de filtração real (lbm/hft²) F(t) = Taxa filtração (lbm/hft²) SR = Submersão requerida (%) A = Superfície do tambor (ft²) F(m) = Fluxo de entrada (lbm/h) TX = Taxa de filtração real (lbm/hft²)

(√ ( )) ( ) D = Diâmetro do tambor (m) A = Superfície do tambor (ft²) D/L = Fator adimensional 6.8.3.1.2.7 Fluxo de ar requerido

Utilizando os tempos de secagem inicial e final pode se encontrar a taxa de ar para as duas áreas do tambor.

( ) ( )

Tx(média) = Taxa de ar média para o processo (ft³/min)/(ft²)(rotação) Tx(id) = Taxa de ar para a secagem inicial (ft³/min)/(ft²)(rotação) Tx(d) = Taxa de ar para a secagem final (ft³/min)/(ft²)(rotação) t(id) = Tempo de secagem inicial (minutos)

t’(d) = Tempo de secagem final (minutos)

Tx(ciclo) = Taxa de ar média para o ciclo (ft³/min)/(ft²)

Tx(média) = Taxa de ar média para o processo (ft³/min)/(ft²)(rotação) t = Tempo total (minutos)/(rotação)

Tx(processo) = Taxa de ar média para o fluxo requerído (ft³/min)/(ft²) Tx(ciclo) = Taxa de ar média para o ciclo (ft³/min)/(ft²)

A = Superfície do tambor (ft²)

6.8.3.2 Reatores de hidrólise enzimática

6.8.3.2.1 Reator CSTR

Os reatores CSTR foram modelados como sendo reatores com múltiplas reações sendo:

V = Volume do reator CSTR (L).

F(j0) = Fluxo volumétrico do reagente j no reator (g/h). -r(j) = Equação de velocidade relacionada ao sistema (g/Lh).

Sendo r(j):

Realizando-se assim o balanço para cada espécie e substituindo com as respectivas leis de velocidade se obtém o seguinte sistema para a hidrólise enzimática da celulose em reatores CSTR.

(

) (

( )

Tabela 33 – Parâmetros cinéticos utilizados para o cálculo das concentrações finais dos componentes Ec1(gproteína/gcelulose) 0,0400 Ec2(gproteína/gcelulose) 0,0200 K1(g/Lh) 0,0181 K2(g/Lh) 0,0041 K3(g/Lh) 0,1639 KAD1(gproteína/gcelulose) 0,4000 KAD2(gproteína/gcelulose) 0,2000 Fonte: SILVA,1994.

De posse das constantes, é possível realizar o cálculo da concentração final de cada elemento utilizando o método de newton para sistemas não lineares, o algoritmo utilizado para o cálculo está nos anexos do trabalho.

6.8.3.2.2 Reator PFR

Do mesmo modo feito para os reatores CSTR, foi obtido um sistemas de três equações diferenciais onde foram simuladas junto com o reator CSTR.

(83) (84) (85)

6.9 DADOS DIMENSIONAMENTO

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