Alcançar o maior rendimento de energia a partir da matéria-prima em questão é um dos critérios mais importantes. Altas taxas de transferência e tempos de residência curtos são as principais características que candidata uma tecnologia de reator para uso em pirólise rápida de biomassa, pois propiciam um maior rendimento de bio-óleo. A pirólise rápida pode ser realizada nos seguintes reatores [89,128]:
Leito fluidizado (borbulhante e circulante) Reator de prato rotativo (Pirólise ablativa) Reator de cone rotativo (Pirólise ablativa) Reator de pirólise a vácuo
Reator de cilindro rotativo
Dentre as tecnologias citadas, reatores de leito fluidizado (borbulhante, circulante) têm sido extensivamente estudados [93-95]. Não obstante, a tecnologia de reator de cilindro rotativo vem ganhando espaço para aplicação na pirólise rápida [96-100].
1.5.1. Reatores de leito fluidizado
Reatores de leito fluidizado são reatores de pirólise que utilizam uma combinação de condução e convecção para transferir calor de uma fonte para a partícula de biomassa. Para obter rendimentos substanciais de líquidos as partículas devem ser muito pequenas (<2 mm). As principais características
deste tipo de reator são: a sua capacidade para controlar com precisão a temperatura; separação de biocarvão feito por arrastamento; uso de ciclone para separação; e fácil adaptação para mudança de escala [91]. As Figuras 9 e 10 apresentam a esquematização dos sistemas de leito fluidizado circulante e borbulhante, respectivamente.
Figura 9. Processo esquemático de um projeto de pirólise de leito fluidizado circulante. Fonte: Adaptado da referência [136].
Figura 10. Processo esquemático de um projeto de pirólise de leito fluidizado borbulhante. Fonte: Adaptado de referência [136].
Nesta tecnologia de reator ocorre o contato sólido-fluido, em que o fluido tem velocidade de arraste maior que o do sólido. Os leitos fluidizados são caracterizados, basicamente, por apresentar partículas suspensas e distanciadas entre si quando submetidas ao escoamento da fase fluídica sem, contudo sofrerem arraste. Tais leitos são largamente utilizados em processos industriais por proporcionarem mistura intensa entre as fases fluídica e particulada, criando taxas elevadas de transferência de calor e de massa, assim como acarretando uniformidade de distribuição de temperatura e de concentração das fases no interior do equipamento. A vantagem em se utilizar o leito fluidizado está na grande área de interação fluido-sólido favorecido pelo movimento contínuo do fluido, as elevadas taxas de transferência de massa e de energia que se dão em decorrência dessa maior interação sólido-fluído, a elevada mistura e homogeneização e a facilidade de se executar processos endotérmicos e exotérmicos [90-91].
1.5.2. Reatores de cilindro rotativo
Cilindros rotativos são amplamente utilizados em indústrias químicas como fornos, misturadores, secadores e reatores [98]. Os fornos rotativos são aparelhos cilíndricos, os quais são caracterizados pelo seu próprio movimento de rotação em torno do eixo do forno, assim como pela inclinação em relação à posição horizontal. Na extremidade superior do cilindro rotativo, o material sólido é alimentado. Devido à rotação do tubo, há um fluxo uniforme de material resultante. O material é fluidizado e devido à força da gravidade pode fluir na direção axial para a extremidade inferior [125].
Os fornos rotativos são utilizados numa variedade de processos industriais como a calcinação de pedra calcária, de quartzo, a sinterização de cimento, da argila refratária, redução de minério de ferro, desidratação do gesso e os seus sais [92, 98] e, em processos térmicos como pirólise [96]. Esse uso generalizado pode ser atribuído a fatores tais como a capacidade de lidar com matéria-prima variada e a capacidade de manter ambientes distintos. A natureza do forno rotativo permite que sejam alcançados tempos de permanência da ordem de 2-5 s e temperaturas de mais de 2000 K, essas características tornam esses fornos uma alternativa competitiva para diversas aplicações [95], inclusive pirólise rápida de biomassa [99,100].
Além das características citadas, o reator de leito rotativo combina todas as vantagens do forno de leito fluidizado e do forno rotativo, fornecendo uma atmosfera controlada e ao mesmo tempo, a agitação do material. Desta forma nenhuma aglomeração e uma boa mistura de partículas do leito são asseguradas pela rotação do reator [98,101].
A transferência de calor em um forno rotativo é um fenômeno relativamente complexo, essencialmente dependente do diâmetro e da velocidade de rotação do tubo, além do tamanho das partículas processadas. Dependendo das exigências dos processos térmicos, fornos rotativos podem ser aquecidos direta ou indiretamente. Em fornos rotativos aquecidos indiretamente, a transferência de calor entre parede interna e a cama sólida é dominante. Fornos aquecidos externamente são pequenos, e são usados para aplicações tais como a calcinação de materiais especiais [92,125].
Uma característica única de fornos rotativos aquecidos indiretamente é a presença de múltiplas e compartimentadas zonas de controle de temperatura, que podem ser aquecidos eletricamente ou a gás. Portanto, eles fornecem a capacidade de atingir altas temperaturas. Em alguns casos, por exemplo, fornos de grafite, podem atingir temperaturas da ordem de 2400 °C [92].
Fundamentalmente, fornos rotativos são trocadores de calor em que a energia a partir de uma fase de gás quente é extraída pelo material do leito. Durante a sua passagem ao longo do forno, o material do leito será submetido a vários processos de troca de calor, gerando a ocorrência de reações químicas que cobrem um amplo intervalo de temperaturas. A energia da superfície interna da parede do reator é transferida para o leito envolvendo simultaneamente trocas por condução, convecção, radiação e aquela devido à interação entre partículas em movimento [92,102,125].
Aquecimento do leito, dessorção de gases produtos da decomposição, difusão intrapartícula e interpartícula, transporte para o leito e reação química, compreendem a decomposição térmica e os processos primários envolvidos em reatores de cilindro rotativo. A rotação, a vazão volumétrica da fase gasosa, diâmetro de partícula, modelo cinético e a temperatura requerida para ocorrência da reação determinam a taxa e o tempo total de conversão [102].
2 OBJETIVOS