Otimização de um misturador estático para a produção de biodiesel

Texto

(1)UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DE TECNOLOGIA NÚCLEO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA (PEQ-UFS). MIKELE CÂNDIDA SOUSA DE SANT’ANNA. OTIMIZAÇÃO DE UM MISTURADOR ESTÁTICO PARA A PRODUÇÃO DE BIODIESEL. São Cristóvão-SE Janeiro-2012.

(2) MIKELE CÂNDIDA SOUSA DE SANT’ANNA. OTIMIZAÇÃO DE UM MISTURADOR ESTÁTICO PARA A PRODUÇÃO DE BIODIESEL. Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, como requisito à obtenção do título de Mestre em Engenharia Química.. Nome do Orientador: Prof. Dr. Gabriel Francisco da Silva Nome da Coorientadora: Profª. Drª. Ana Eleonora de Almeida Paixão. São Cristóvão-SE Janeiro-2012.

(3) FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA CENTRAL UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE. S232o. Sant’Anna, Mikele Cândida Sousa de Otimização de um misturador estático para a produção de biodiesel / Mikele Cândida Sousa de Sant’Anna. – São Cristóvão, 2012. 101 f. : il. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Pró-Reitoria de PósGraduação e Pesquisa, Universidade Federal de Sergipe, 2012.. Orientador: Prof. Dr. Gabriel Francisco da Silva. 1. Máquinas. 2. Fluidodinâmica. 3. Máquinas - Desenho. 4. Biodiesel I. Título. CDU 602:621.

(4) MIKELE CÂNDIDA SOUSA DE SANT’ANNA. OTIMIZAÇÃO DE UM MISTURADOR ESTÁTICO PARA A PRODUÇÃO DE BIODIESEL. Dissertação de Mestrado aprovada em 27 de Janeiro de 2012. BANCA EXAMINADORA. _______________________________________________________ Prof. Dr. Gabriel Francisco da Silva – Orientador Universidade Federal de Sergipe. _______________________________________________________ Prof. Dr. André Luís Dantas Ramos. Universidade Federal de Sergipe. _______________________________________________________ Prof. Dr. Ricardo de Andrade Medronho. Universidade Federal do Rio de Janeiro.

(5) DEDICATÓRIA. Dedico este trabalho à minha mãe, dona de todas as minhas realizações. Obrigada por todo o amor, cumplicidade e paciência. Amo-te!.

(6) AGRADECIMENTOS Agradecimento é coisa muito séria e é tolhida neste sentimento que quero primeiramente agradecer à Deus por me dar a força para concluir este trabalho. À minha querida mãe Fausta, por todo o apoio, confiança, força, companheirismo, paciência e principalmente pelo amor em momentos de muito stress. Ao meu irmão Fabiano, por todo positivismo e pelo incentivo em momentos que o desanimo tocou meu coração. À meu pai de coração Edenilson, pelo incentivo e amor. À meu namorado Danilo pela força e coragem, por todos os equipamentos que precisei montar, por aguentar meu stress, minhas lágrimas e me apoiar sempre que desanimei, pela busca incansável de uma tornearia, pelos domingos e feriados em função desta dissertação. À Gabrielly pela força no CFX, pela sua grande disponibilidade comigo, por toda a ajuda ao longo destes dois anos, pelo grupo CFX, por todas as nossas publicações e principalmente pelo aprendizado que foi desenvolvido. Aos meus IC’s Alana e Isa muito obrigada pela ajuda! Aos meus PIIC’s Manu, Rodolfo e Dian valeu toda a força, suor, a garra, os feriados, e as férias de vocês. Muito obrigada! À Bárbara e à Fernanda pela disponibilidade de vocês nesta reta final, fundamental para minha vida. À galera no LTA que viveu comigo durante meus dias de stress, lágrimas e sorrisos, quero agradecer a todos, principalmente Ju, Wenna, Mairim, Nadjma, Dani, Maite, Diana, Epa, Lidi, Sheila e Michele. À todos os meus colegas de mestrado (principalmente a Francine) e aos meus amigos pela paciência em entender o meu distanciamento. À minha Coorientadora Ana Eleonora pelo incentivo e ajuda. Ao Prof. Gabriel pela grande oportunidade de aprendizado, obrigada por todo o incentivo, por todas as broncas, por todas as discussões que tivemos durante estes dois anos, posso garantir que amadureci muito com todos os ensinamentos. “O mundo é de quem luta por ele!”.

(7) EPÍGRAFE. “Sofrimento é passageiro, desistir é pra sempre!” (autor desconhecido).

(8) OTIMIZAÇÃO DE UM MISTURADOR ESTÁTICO PARA A PRODUÇÃO DE BIODIESEL. RESUMO. A fluidodinâmica computacional é uma técnica que permite a análise de sistemas envolvendo o escoamento de fluidos. Através desta técnica é possível simular novas geometrias de equipamentos, bem como otimizar os já utilizados. Neste trabalho, propõe-se o desenvolvimento de novas configurações para misturadores estáticos. Foram realizadas 27 simulações de um planejamento fatorial 24 com 3 pontos centrais e 8 pontos axiais variando o comprimento equivalente, a espessura, a altura das saliências e a distância entre cada saliência para obtenção do gradiente de velocidade como resposta. Foram obtidas duas configurações ótimas. Com a dificuldade de usinagem da configuração ótima, foram propostas modificações para facilitar a construção do misturador; assim, 14 configurações foram obtidas e a mais simples foi construída, para ser acoplada a um sistema de testes experimentais. Foram comparados os valores do gradiente de velocidade simulado e experimental. Foram construídos dois sistemas de reatores tubulares com e sem o misturador estático construído para a realização dos experimentos de obtenção de biodiesel. Para estes experimentos foi realizado um planejamento fatorial 23, variando os seguintes parâmetros: razão álcool:óleo; concentração de catalisador e temperatura. O misturador construído apresentou o valor do gradiente de velocidade de 2288,93s-1, sendo 4,01% inferior ao valor encontrado na simulação (2384,61s-1). Após os experimentos foi constatado que com a utilização do misturador a conversão em ésteres é maior. A equação obtida para o modelo empírico da conversão em éster (Y) teve um coeficiente de ajuste de 0,97 para o reator com tubo liso e 0,94 para o reator com misturador.. Palavras-chave: Misturador estático, Fluidodinâmica computacional, Biodiesel..

(9) OPTIMIZATION OF A STATIC MIXER FOR BIODIESEL PRODUCTION. ABSTRACT. The computational fluid dynamics is a technique used for the analysis of fluid flow systems By this technique, it is possible to simulate new geometries of equipments as well as optimize one in use. In this research, we propose the development of new configurations for static mixers. Is proposed 27 simulations were conducted in a 24 factorial planning with 3 central points and 8 axial points, varying the thickness and the depth of the groove and the distance between the grooves, in order to obtain the velocity gradient as response. One could obtain two optimal settings were obtained. Once the machining of the optimal geometry was difficult, modifications were proposed to facilitate the construction of the mixer. So 16 configurations were obtained and the simplest one was built to be coupled to an experimental test system. The simulated and the experimental values of the velocity gradient were compared. One set up two tubular reactor systems with and without the static mixer were built for the experiments to obtain biodiesel. In these experiments, a 23 factorial planning was done, varying alcohol:oil ratio, catalyst concentration and temperature. The static mixer presented the value of the velocity gradients of 2288.93s-1, being 4,01% lower than the value found in the (2384.61s-1). A comparison of the experiments showed that the utilization of the mixer increased the ester conversion. The equation obtained from the empirical model of conversion to ester (Y) had an adjustment coefficient of 0.97 for the smooth tube reactor and 0.94 for the reactor with mixer.. Keywords: static mixer, computational fluid dynamics, biodiesel..

(10) Nomenclatura CFD - Computational Fluid Dynamics (Fluidodinâmica Computacional) VOF - Método do Volume Fluido ASMM - Algebraic Slip Mixture Model FVM - Finite Volume Method RANS - Reynolds Averaged Navier-Stokes DNS - Direct Numerical Simulation (Simulação Numérica Direta) LES - Large Eddy Simulation (Simulação de Grandes Escalas).

(11) Índice de Tabelas Tabela 2.1 Aplicações e características dos misturadores estáticos............................. 3. Tabela 2.2 Parâmetros de mistura e perda de carga para misturadores estáticos em regime Laminar............................................................................................................ 13 Tabela 2.3 Parâmetros de mistura e perda de carga para misturadores estáticos em regime turbulento......................................................................................................... 13 Tabela 2.4 Coeficientes de arraste para diferentes regimes de escoamento................. 29. Tabela 2.5 Equações da conservação em coordenadas cartesianas.............................. 32. Tabela. 2.6. Valores. das. constantes. contidas. no. modelo. k. - 39. ɛ ........................................ Tabela 3.1 Níveis das variáveis estudadas para o planejamento estrela fatorial 24..... 42 com 3 pontos centrais.................................................................................................. Tabela 3.2 Dimensões das configurações dos misturadores para o planejamento em 43 estrela 24 com 3 pontos centrais................................................................................... Tabela 3.3 Condições de contorno utilizadas no teste de malha e nas simulações...... 44 Tabela 3.4 Propriedades físicas das substâncias.......................................................... 45 Tabela 3.5 Modificações na geometria......................................................................... 46. Tabela 3.6 Níveis das variáveis estudadas para o planejamento fatorial 2³................. 50 Tabela 3.7 Ensaios do planejamento fatorial 23........................................................... 50 Tabela 4.1 Estatísticas das malhas............................................................................... 53 Tabela 4.2 Resultados estatísticos das malhas dos pseudoexperimentos..................... 56. Tabela 4.3 Resultado do planejamento fatorial 24 com 3 pontos centrais e 8 axiais para o dimensionamento do reator .............................................................................. 57 Tabela 4.4 Matriz do planejamento fatorial 24 com 3 pontos centrais e 8 axiais........ 62. Tabela 4.5 Valores das constantes e dos desvios padrão para o planejamento 24....... 66. Tabela 4.6 Resultados das simulações para obtenção das configurações usináveis....................................................................................................................... 68 Tabela 4.7 Resultado do Planejamento Fatorial........................................................... 71. Tabela 4.8 Valores das constantes para o planejamento 23.......................................... 72.

(12) Índice de Figuras Figura 2.1 Funcionamento do misturador estático............................................................. 4 Figura 2.2 Misturador Estático Kenics KMS..................................................................... 6 Figura 2.3 Misturador Sulzer SMX.................................................................................... 7. Figura 2.4 Misturador Sulzer SMV.................................................................................... 7. Figura 2.5 Misturador estático (a) ALETAS e (b) EDA.................................................... 8 Figura 2.6 Misturador S cruzado (a), misturador S triplo cruzado (b)............................... 9. Figura 2.7 Seções transversais do misturador estático Kenics KMS em processo de mistura em escoamento laminar......................................................................................... 10. Figura 2.8 Seções transversais do misturador estático Sulzer SMX em processo de mistura em escoamento laminar......................................................................................... 10. Figura 2.9 Esquema experimental: (a) misturador estático acoplado ao sistema, e (b) estrutura do misturador estático......................................................................................... 18 Figura 2.10 Representação esquema da planta com misturador estático (a): 1 tanque de óleo, 2 tanque de metanol e KOH, 3 reator........................................................................ 19. Figura 2.11 Diagrama de um escoamento laminar reator/separador.................................. 20. Figura 2.12. Reator/separador centrífuga........................................................................... 21. Figura 2.13 Misturador estático Kenics............................................................................. 25 Figura 3.1 Vista com corte na seção transversal................................................................ 41 Figura 3.2 Representação das variáveis do planejamento.................................................. 42. Figura 3.3 Sistema para calcular a perda de carga............................................................ 47. Figura 3.4 Entrada e saídas do sistema experimental....................................................... 48. Figura 3.5 Parte interna do sistema experimental............................................................. 48. Figura 3.6 Sistemas experimentais................................................................................... 49. Figura 3.7 Cromatógrafo SCHIMADZU, modelo GC 2010.............................................. 52. Figura 4.1 Desenho comparativo do refino nas malhas..................................................... 54 Figura 4.2 Desenho demonstrativo do refino na malha..................................................... 54. Figura 4.3 Gráfico da velocidade tangencial em função do raio do misturador................. 55. Figura 4.4 Representação das configurações 8 (a) e 17 (b)................................................ 58. Figura 4.5 Plano na seção transversal no final do misturador da configuração 8 representando (a) os vetores (b) velocidade tangencial do óleo de soja............................ Figura 4.6 Plano na seção transversal no final do misturador da configuração 17. 58.

(13) representado (a) os vetores (b) velocidade tangencial do óleo de soja............................... 59. Figura 4.7 Perfil vertical (A-A’) da velocidade axial para configurações geométricas 8 e 17..................................................................................................................................... 59 Figura 4.8 Plano na seção transversal no final do misturador da geometria 8 representando o gradiente de velocidade tangencial.......................................................... 60 Figura 4.9 Plano na seção transversal no final do misturador da geometria 17 representado o gradiente de velocidade.............................................................................. 60. Figura 4.10 Perfis das frações de óleo nas seções transversais ao longo dos misturadores 8 (a) e 17 (b).................................................................................................. 61. Figura 4.11 Superfície de Resposta da distância entre as saliências (p) e o comprimento equivalente (L/D)............................................................................................................... 63 Figura 4.12 Superfície de Resposta da distância entre as saliências (p) e a altura (h)....... 63. Figura 4.13 Superfície de Resposta da distância entre as saliências (p) e a espessura (e). 64 Figura 4.14 Superfície de Resposta da espessura (e) e da altura das saliências (h)........... 64 Figura 4.15 Superfície de Resposta da espessura (e) do comprimento equivalente (L/D). 65. Figura 4.16 Superfície de Resposta da altura (h) do comprimento equivalente (L/D)....... 65. Figura 4.17 Gráfico para o modelo representado pela Equação 4.1................................... 66. Figura 4.18 Gráfico dos valores preditos função dos valores observados......................... 67 Figura 4.19 Linhas de corrente da velocidade do óleo ao longo do misturador B5........... 69. Figura 4.20 Conversão em ésteres do biodiesel................................................................. 70 Figura 4.21 Gráfico comparativo dos valores preditos e os valores observados para o modelo empírico do Tubo liso............................................................................................ 72. Figura 4.22 Gráfico comparativo dos valores preditos e os valores observados para o modelo empírico do misturador......................................................................................... 73 Figura 4.23 Superfície de resposta para a conversão em ésteres em função da razão molar dos reagentes e da concentração de catalisador....................................................... 74 Figura 4.24 Superfície de resposta e curvas de nível para o teor de ésteres em função da razão molar dos reagentes e da temperatura.................................................................. 75. Figura 4.25 Superfície de resposta e curvas de nível para a conversão em ésteres em função da temperatura e da concentração do catalisador................................................... 76.

(14) SUMÁRIO CAPITULO 1 – INTRODUÇÃO ............................................................................................... 1 CAPITULO 2 - REVISÃO DA LITERATURA ....................................................................... 3. 2.1 MISTURADORES ESTÁTICOS ............................................................................ 3 2.1.1. Mecanismo de funcionamento dos misturadores estáticos ............................. 3. 2.1.2. Tipos de Misturadores ....................................................................................... 5. 2.1.3. Eficiência de Mistura ....................................................................................... 10. 2.1.4. Parâmetros para eficiência da mistura ........................................................... 12. 2.2 PRODUÇÃO DE BIODIESEL .............................................................................. 16 2.2.1. Utilização de misturadores estáticos para a produção de biodiesel ............. 17. 2.3 FLUIDODINÂMICA COMPUTACIONAL (CFD) .............................................. 21 2.3.1. Uma Introdução ao CFD.................................................................................. 22. 2.3.2. O pacote computacional CFX .......................................................................... 23. 2.3.3. Utilização do CFD na construção de misturadores ....................................... 24. 2.4 MODELAGEM MATEMÁTICA .......................................................................... 26 2.4.1. O escoamento multifásico e a modelagem Euleriana-Euleriana .................. 26. 2.4.2. Força de Arraste ............................................................................................... 28. 2.4.3. As equações da conservação ............................................................................ 30. 2.4.4. Métodos dos volumes finitos ............................................................................ 31. 2.4.5. Escoamento Turbulento ................................................................................... 33. 2.4.6. A escolha do modelo de turbulência ............................................................... 35. 2.4.7. Modelo de Turbulência κ-ε .............................................................................. 37. CAPITULO 3 – METODOLOGIA ......................................................................................... 41. 3.1 ETAPAS DAS SIMULAÇÕES NUMÉRICAS ..................................................... 41 3.1.1. Software e Hardware ......................................................................................... 41. 3.1.2. Dados do misturador ........................................................................................ 41. 3.1.3. Planejamento fatorial 24 tipo estrela ............................................................... 42. 3.1.4. Teste de malha .................................................................................................. 43. 3.1.5. Simulações numéricas ...................................................................................... 44. 3.2 SIMULAÇÕES PARA OBTENÇÃO DE GEOMETRIAS USINÁVEIS ............. 45 3.3 MONTAGEM DO SISTEMA E ENSAIOS EXPERIMENTAIS ......................... 47 3.3.1. Montagem do sistema para o calculo da Perda de Carga ............................ 47. 3.3.2. Montagem do sistema experimental para síntese de biodiesel ..................... 47.

(15) 3.3.3. Experimentos comparativos de síntese de biodiesel ....................................... 49. 3.3.4. Planejamento fatorial para as condições dos ensaios experimentais............ 49. 3.4 ANALISES CROMATOGRÁFICAS .................................................................... 51 CAPITULO 4 - RESULTADOS E DISCUSSÃO................................................................... 53. 4.1 ANÁLISES DAS MELHORES CONFIGURAÇÕES .......................................... 53 4.2 PLANEJAMENTO ESTRELA FATORIAL ......................................................... 61 4.2.1 Obtenção do modelo empírico........................................................................... 61 4.3 OBTENÇÃO DAS CONFIGURAÇÕES USINÁVEIS ........................................ 67 4.4 RESULTADOS DOS EXPERIMENTOS ............................................................. 69 4.4.1. Resultado do experimento de Perda de Carga ............................................... 69. 4.4.2. Resultados para o estudo comparativo em temperatura ambiente .............. 69. 4.4.3. Resultados para o planejamento fatorial ........................................................ 70. 5. CONCLUSÕES ..................................................................................................................... 77 REFERÊNCIAS ........................................................................................................................ 79.

(16) 1 Capítulo 1. Introdução. CAPITULO 1 – INTRODUÇÃO. O misturador estático constitui uma alternativa aos tradicionais vasos agitados (misturadores dinâmicos) e pode ainda ser utilizado nos processos contínuos, o que proporciona um excelente ganho de produção. Os misturadores estáticos têm crescente aplicação e interesse, pois utilizam parte da energia cedida para o bombeamento dos fluidos para promover a mistura em um processo contínuo, minimizando o uso de equipamentos e instalações industriais. Os misturadores estáticos podem ser utilizados em processos envolvendo transferência de momento, troca térmica e transferência de massa. Os misturadores são habilitados a operar em uma larga faixa de temperatura, sob altas pressões e em ambientes químicos severos. Por não contarem com partes móveis, não apresentam problemas de selagem ou de rolamentos. Os custos operacionais e o capital investido para a aquisição do equipamento são muito menores do que para os misturadores dinâmicos. Segundo Joaquim Junior (2008), a aplicação destes dispositivos ainda é restrita para alguns processos específicos por questões tecnológicas, principalmente, pelo pouco conhecimento de técnicos e engenheiros dos fenômenos físicos que regem sua aplicação. A inexistência de tecnologia nesta área impõe a dependência frente a empresas de outros países, encarecendo e dificultando sua aplicação. Tendo em vista estas dificuldades, pretende-se desenvolver um misturador estático que possa ser utilizado em diversos processos, em especial na produção de biodiesel, sendo capaz de otimizar este tipo de produção. Os estudos demonstram que resultados similares são obtidos quando comparados aos tradicionais vasos agitados. Não utilizam energia, não necessitam de mão de obra, apenas são necessários os custos de aquisição e instalação do equipamento. As configurações do misturador estático foram simuladas no software CFX, fazendo uso das técnicas de fluidodinâmica computacional (CFD). A simulação computacional permite visualizar os perfis de escoamentos, entre outras características, antes que os equipamentos sejam construídos; com isso, é possível avaliar o desempenho dos equipamentos simulados, fazer alterações e otimizações sem maiores perdas financeiras e de tempo. Para a obtenção da solução numérica, é importante a habilidade da criação de um modelo matemático correspondente. Este modelo deve ser resolvido dentro das exigências do SANT’ANNA, M. C. S..

(17) 2 Capítulo 1. Introdução. projetista e o problema físico deve ser resolvido com tempo de computação não proibitivo. Para a resolução do fenômeno, é necessário o conhecimento das equações da conservação adequadas ao fenômeno (conservação da massa, energia e movimento). Entretanto, é necessário recorrer aos métodos numéricos para resolver estes tipos de sistemas, tais como o método de volumes finitos, utilizado neste trabalho. Após a escolha do método numérico utilizado para a resolução do problema, é necessário conhecer o comportamento do escoamento, ou seja, se o mesmo é laminar, transição ou turbulento. A turbulência é observada para altos valores do número de Reynolds e por ser um fenômeno tridimensional, transiente e caótico, podendo agregar efeitos significantes nos estudos dos diversos comportamentos desse tipo de escoamento. A maioria dos escoamentos no meio industrial é de caráter turbulento, os quais apresentam um alto grau de complexidade, podendo ser úteis em diversos equipamentos industriais, tais como os misturadores estáticos. O modelo de turbulência k- é baseado em uma análise estatística da turbulência. Neste modelo, as constantes necessitam ser ajustadas para atender cada tipo de escoamento, sendo um dos mais utilizados em problemas de engenharia, por ser estável e numericamente robusto. A CFD pode ser aplicada em vários problemas de engenharia, principalmente em escoamento de fluidos. Os casos mais típicos estudados são: separação de água-óleo em hidrociclone, separação de partículas em ciclone, escoamentos multifásicos, simulação em túnel de vento, simulação de turbina eólica, simulação de bombas multifásicas, simulação de bombeio de óleo-água, simulação de medidores de vazão, simulação de válvulas, simulação de lavadores e misturadores estáticos. Este trabalho tem como objetivo a simulação de configurações do misturador vortex, a construção do misturador e de um sistema experimental para avaliar a obtenção da mistura e síntese de biodiesel.. SANT’ANNA, M. C. S..

(18) 3 Capítulo 2. Revisão da Literatura. CAPITULO 2 - REVISÃO DA LITERATURA 2.1. MISTURADORES ESTÁTICOS. Os misturadores têm aplicações nos mais variados ramos industriais, tais como: alimentício, químico, farmacêutico e entre outros. A operação unitária de agitação ou mistura de fluidos desempenha importante papel nos processos industriais, podendo ser empregada com diversas finalidades, entre as quais, cita-se: a mistura de líquidos miscíveis ou imiscíveis; na aceleração de trocas térmicas; para promover incorporação de sólidos em meios líquidos; na formação de soluções ou suspensões (FERNANDES, 2005). A Tabela 2.1 ilustra as principais aplicações e características dos misturadores estáticos.. Tabela 2.1 - Aplicações e características dos misturadores estáticos. Aplicações. Características. Mistura de produtos químicos. Não possui partes móveis. Tratamento de água. Fácil instalação. Misturas de óleos. Manutenção zero. Dessalinização de petróleo. Baixo investimento. Injeção de aditivos. Grande economia de energia elétrica. Mistura de gases na água. Elimina tanques e misturadores mecânicos Fonte: SNatural Ambiente, 2011. 2.1.1 Mecanismo de funcionamento dos misturadores estáticos Os misturadores estáticos constituem-se de elementos defletores, montados no interior de trechos de tubos. A mistura ocorre pela ação de difusão do escoamento ao passar pelos elementos do misturador. A energia utilizada para a mistura é decorrente da perda de carga gerada pelo fluido ao percorrer os elementos de mistura por ação de bombeamento mecânico ou da gravidade (JOAQUIM JÚNIOR, 2008). De acordo com a Empresa SNatural Ambiente (2011), o processo de mistura em misturadores estáticos pode ser compreendido quando se relacionam as variáveis de queda de pressão, distribuições de velocidade, tempo de residência, fator de atrito, viscosidade, densidade e outras relações de fase na homogeneização do misturador estático. Conforme mostra a Figura 2.1, na fase de homogeneização ocorrem as etapas de divisão do Fluxo (1); o SANT’ANNA, M. C. S..

(19) 4 Capítulo 2. Revisão da Literatura. fluxo então é dividido e forçado contra as paredes opostas (2); desenvolvimento de um vórtice de mistura (3); divisão do vórtice na fase 1 com rotação Inversa (4).. Figura 2.1 – Funcionamento do misturador estático Fonte: SNatural Ambiente, 2011. As distribuições longitudinal e transversal dos componentes a serem misturados podem ser conseguidas em misturadores dinâmicos por meio de elementos móveis, ou seja, agitadores. Com misturadores estáticos, a homogeneização é atingida pelos elementos do misturador utilizando a energia de fluxo do fluido. Os primeiros misturadores estáticos foram desenvolvidos no final da década de 1950 para fluidos viscosos, mas somente nos anos 70 é que se iniciou um processo de estudos e desenvolvimento destes tipos de misturadores (PAHL e MUSCHELKNAUTZ, 1982 e FERNANDES, 2005). Para Joaquim Júnior. (2008), embora a aplicação empírica de misturadores estáticos remonte à década de 1950, somente a partir da década de 1970 seu estudo ganhou conotações científicas e acadêmicas. A partir das décadas de 1980 e 1990, com o desenvolvimento da fluidodinâmica computacional, os estudos sobre misturadores estáticos obtiveram avanços relevantes. No Brasil, inexistem estudos publicados sobre estes aparatos, bem como não é conhecida nenhuma empresa que os produza ou comercialize com tecnologia nacional. Suas aplicações em nossas indústrias de processos, restritas e recentes, dependem de tecnologia de desenvolvimento e de aplicação estrangeiras, encarecendo e dificultando seu emprego. Historicamente, os misturadores estáticos têm sido comparados em primeiro lugar pela perda de carga gerada por um dado fluxo e raio de tubulação. Parâmetros de eficiência de mistura têm sido introduzidos, baseados na variância da concentração, no tempo de residência SANT’ANNA, M. C. S..

(20) 5 Capítulo 2. Revisão da Literatura. e na natureza caótica do fluxo, bem como no tipo de deformação que promove na mistura (RAULINE et at., 1998 e FERNANDES, 2005). Segundo Etchells III e Meyer (2004), os misturadores estáticos podem ser utilizados em processos contínuos, em sistemas de alimentação uniforme, em reações com tempo de residência curto, com sólidos com pequenos tamanhos de partículas, em sistemas com altas pressões de operação, em sistemas com pouco espaço disponível, em locais de difícil acesso à manutenção. Segundo Boss e Czastkiwicz (1982), os misturadores estáticos consomem menos energia do que os misturadores dinâmicos, uma vez que a energia utilizada no processo de mistura é decorrente da perda de carga gerada pela passagem do fluido pelos elementos de mistura. Ainda de acordo com os mesmos autores, os misturadores estáticos podem ser empregados em uma ampla faixa de temperaturas e pressões (JOAQUIM JÚNIOR, 2008). Os misturadores estáticos são dispositivos de mistura que não possuem partes móveis, e portanto os custos de manutenção e operação são quase eliminados. Outra vantagem é a precisão com que se alcança a mistura terminal, qualquer que seja a demanda do sistema, e sem necessidade de controle (PERRY e GREEN, 1997). Segundo Oldshue (1983) e Joaquim Júnior (2008), os misturadores estáticos são também chamados de geradores de superfície interfacial; sua estrutura interna é rígida e pode ser soldada ou desmontável, fixada no interior de um trecho de tubo, conectado a uma tubulação. A construção pode ser metálica ou em outros materiais, como o poliéster reforçado com fibra de vidro. A ação de mistura ocorre pela passagem de um fluido através dos elementos do misturador e são classificados pelo regime de escoamento em que operam; laminar ou turbulento. Podem ser aplicados em processos onde existam reações químicas, em mistura de produtos sensíveis ao cisalhamento, em sistema de tratamento de água, no contato químico entre a biomassa e o lodo. São úteis em processos envolvendo transferência de momento, troca térmica e transferência de massa, podendo ser aplicados em diversas indústrias e processos.. 2.1.2 Tipos de Misturadores Taber (1959) utilizou um misturador estático em linha, composto por um metal espiralado inserido num tubo, para a mistura de resinas viscosas. Nobel (1962) descreveu um elemento de mistura que permite a divisão do escoamento em um tubo por meio de dois anéis. Schippers (1965) descreveu o processo de rotação e divisão do fluxo utilizando elementos de SANT’ANNA, M. C. S..

(21) 6 Capítulo 2. Revisão da Literatura. mistura com dutos retangulares. Ingles (1963) utilizou elementos de mistura compostos por quatro grupos de dutos circulares adjacentes, cada qual rotacionando o fluxo de líquido em 90º. Armeniades et al. (1966) desenvolveram um misturador estático com baixa geração de perda de carga, e portanto atualmente desenvolvido e utilizado pela empresa Chemineer Inc. com a marca Kenics (Figura 2.2). O misturador consiste em elementos helicoidais com torção alternada, justapostos um com o outro a um ângulo de 90º e situados dentro de uma carcaça tubular. Os meios fluidos são forçados a se misturarem mediante uma sequência de divisões e recombinações com a formação de 2n camadas por n elementos. Cada elemento promove um giro de 180º no fluxo, arranjado em sequência alternada. O desempenho deste misturador está associado à divisão do fluxo, bem como a reversão e ação de mistura radial.. Figura 2.2 – Misturador Estático Kenics KMS. Fonte: Chemineer, 2011.. O desempenho do misturador estático tipo Kenics foi investigado numericamente (ARIMOND e ERWIN, 1985; DACKSON e NAUMAN, 1987; LING e ZHANG, 1995) e com fluxos tridimensionais (KHAKHAR et al., 1987; KUSCH e OTTINO, 1992), colocandoo sempre entre os melhores misturadores para regime turbulento, tanto na questão de consumo de energia quanto de eficiência de mistura. Tauscher e Schutz (1973) desenvolveram um misturador estático para regime laminar de múltiplos canais com baixa geração de perda de carga para a empresa Sulzer Bros que foi denominado Sulzer SMX (Figura 2.3). O projeto consistiu em dividir o fluxo de fluido em correntes individuais forçando-as a se encontrarem transversalmente ao longo dos elementos de mistura, composto de barras a 45° em relação ao eixo axial do tubo. Cada elemento de mistura possui 1,0 diâmetro de comprimento, sendo cada elemento adjacente rotacionado 90° SANT’ANNA, M. C. S..

(22) 7 Capítulo 2. Revisão da Literatura. em relação ao anterior. Diversas versões deste misturador foram criadas, permitindo seu emprego em fluxos turbulentos, como mostra a Figura 2.4, com o misturador estático tipo Sulzer SMV.. Figura 2.3 – Misturador Sulzer SMX. Fonte: Sulzer, 2011. Figura 2.4 – Misturador Sulzer SMV. Fonte: Sulzer, 2011.. Harder (1971) patenteou um misturador estático com quatro dutos por elemento de mistura, usando-os para rotacionar e transladar as camadas de fluido entre si. Hobbs et al. (1998) caracterizaram numericamente o escoamento de baixo Reynolds em misturadores estáticos Kenics e avaliaram o efeito do número de Reynolds em escoamento laminar na presença de misturadores Kenics. Fernandes (2005) avaliou dois misturadores denominados de ALETAS e EDA, selecionados em um trabalho anterior. Utilizou a fluidodinâmica computacional para realizar a otimização dos misturadores estáticos. Realizou ensaios de escoamento laminar e turbulento nas novas geometrias. Após a análise dos resultados, verificou-se que o misturador tipo SANT’ANNA, M. C. S..

(23) 8 Capítulo 2. Revisão da Literatura. ALETAS é adequado para operar em regime laminar e o EDA pode ser operado em ambos regimes. Os misturadores obtiveram desempenho similar aos misturadores comerciais Kenics e ao Sulzer SMX. A Figura 2.5 ilustra este tipo de misturadores.. a). b). Figura 2.5 – Misturador estático (a) ALETAS e (b) EDA Fonte: Fernandes, 2005.. Liu et al. (2006) estudaram modificações no projeto do misturador estático SMX para melhorar a mistura e verificaram que todos os três fluxos típicos (cisalhamento simples, alongamento e espremendo) apareciam dentro do misturador. Já Kumar et al. (2008) avaliaram o comportamento de misturadores Kenics em uma larga faixa de número Reynolds, utilizando ar como fluido. Regner et al. (2008) estudaram a influência da viscosidade sobre o processo de mistura em misturadores estáticos, a técnica utilizada para o estudo foi o CFD e o método do volume fluido (VOF). Joaquim Júnior (2008) realizou um trabalho com o objetivo de aplicar as técnicas de CFD para permitir uma melhor compreensão dos fenômenos que regem o escoamento de fluidos no interior de misturadores estáticos, especificamente desenhados para esta análise, permitindo sugerir e estudar seus desenhos, propondo soluções e modificações a fim de melhorar a mistura e minimizar o gasto de energia no processo. As performances encontradas para as geometrias simuladas permitem seu emprego em condições reais de aplicação na indústria. A Figura 2.6 ilustra dois dos modelos criados.. SANT’ANNA, M. C. S..

(24) 9 Capítulo 2. Revisão da Literatura. a). b). Figura 2.6 – Misturador S cruzado (a), misturador S triplo cruzado (b). Fonte: Joaquim Júnior, 2008.. You et al. (2009) estudaram o processo de mistura por advecção e difusão em um misturador Kenics.. Madhuranthakam et al. (2009) estudaram a hidrodinâmica de um. misturador Sulzer SMX em um sistema composto por ar/água. XI et al. (2009) investigaram os misturadores estáticos combinados com misturas de fluidos de alta viscosidade. Hirschberg et al. (2009) estudaram a melhoria do misturador SMX reduzindo significativamente a queda de pressão, utilizando um número reduzido de barras, e as lacunas entre as barras, a queda de pressão pode ser reduzida em 50%, enquanto a qualidade da mistura permanece praticamente equivalente após uma certa quantidade de elementos do SMX original. Lehwald et al. (2010) destacaram a importância da utilização dos misturadores estáticos como equipamentos para mistura de fluxos altamente viscosos (por exemplo, produtos farmacêuticos, de biotecnologia, engenharia de alimentos, produção de polímeros) para quantificar o fluxo induzido por misturas em grandes escalas (macro-micro), bem como mistura induzida por difusão molecular em pequenas escalas (micro-mistura). Pianko-Oprych e Jawowrkin (2010) estudaram a predição do escoamento líquidolíquido em um misturador estático SMX utilizando LES. As substâncias misturadas foram a água (fase continua) e o óleo de silicone (fase dispersa). Os resultados obtidos confirmaram os trabalhos de Jaworski et al. (2006) para o misturador estático Kenics e mostraram que a influência da força centrífuga para a distribuição da concentração da fase foi menor utilizando a LES em comparação com o RANS.. SANT’ANNA, M. C. S..

(25) 10 Capítulo 2. Revisão da Literatura. 2.1.3 Eficiência de Mistura Segundo Etchells III e Meyer (2004) todos os misturadores estáticos utilizam o princípio de divisão do escoamento em correntes secundárias, as quais são distribuídas radialmente e recombinadas em uma sequência reordenada. O número de camadas do escoamento é aumentado e a espessura das mesmas é diminuída a cada passagem pelos sucessivos elementos do misturador. As Figuras 2.7 e 2.8 mostram este processo, para um misturador estático Kenics KMS e para um misturador Sulzer SMX, respectivamente. São apresentados cortes transversais dos misturadores, através dos quais se podem notar as divisões e recombinações dos escoamentos.. Figura 2.7 – Seções transversais do misturador estático Kenics KMS em processo de mistura em escoamento laminar. Fonte: Etchells III e Meyer (2004).. SANT’ANNA, M. C. S..

(26) 11 Capítulo 2. Revisão da Literatura. Figura 2.8 – Seções transversais do misturador estático Sulzer SMX em processo de mistura em escoamento laminar. Fonte: Etchells III e Meyer, 2004.. Segundo Oldshue (1983), a maioria dos misturadores estáticos pode ser empregada no regime turbulento. Entretanto, uma geometria de misturador estático com desempenho satisfatório em regime laminar, pode não ter bom desempenho em regime turbulento e viceversa. Por esta razão, de acordo com o autor, a maioria dos fabricantes desenvolve desenhos específicos de misturadores estáticos para cada regime de escoamento. Segundo Godfrey (1985), o processo de mistura de fluidos de baixas viscosidades em tubulações com escoamento em regime turbulento é mais fácil de ser obtida que a mistura de fluidos viscosos em regime laminar. Ainda segundo este autor, em regime turbulento a mistura radial é muito mais atuante e as características do regime levam a uma rápida redução de escala de quaisquer não-uniformidades presentes. As características deste regime de escoamento são efetivamente aplicáveis a processos multifásicos, tais como contatos gáslíquido e líquido-líquido. Karoui et al. (1998), estudaram o desempenho do misturador estático tipo Sulzer SMV, sob regime turbulento. Foi utilizado um laser de indução fluorescente para a realização das medidas. Analisaram a mistura a partir da concentração local medida na saída do misturador estático, com diferentes configurações. Estudaram ainda a influência do número de elementos, suas posições e a relação das velocidades entre os dois fluidos a serem misturados. Os estudos mostraram que a mistura do misturador estático tipo Sulzer SMV (Figura 2.4), nas condições por eles ensaiadas, se deve tanto ao fluxo tangencial como ao fluxo radial e a SANT’ANNA, M. C. S..

(27) 12 Capítulo 2. Revisão da Literatura. intensidade de turbulência é consideravelmente aumentada pelos elementos de mistura deste tipo de misturador estático.. 2.1.4 Parâmetros para eficiência da mistura a). Perda de Carga. Segundo Godfrey (1985), a energia para a mistura é decorrente da perda de carga gerada pela passagem do fluido pelos elementos de mistura. Rauline et al. (1998) definiram um fator (Z) para correlacionar a perda de carga gerada pelo misturador estático com a perda de carga gerada através do tubo vazio, nas mesmas condições de escoamento:. (2.1). Outro modo, segundo Rauline et al. (1998), é utilizar o fator de fricção ϕ/2 ou o Número de Newton, Ne:. (2.2). onde L é o comprimento do misturador estático. Rauline et al. (1998) citam que o produto NeRe (Kp) é usado analogamente ao número de potência definido para os agitadores mecânicos convencionais. A perda de carga é obtida pela seguinte equação:. (2.3). onde Q é a taxa de fluxo volumétrico ou capacidade efetiva. De acordo com Etchells III e Meyer (2004), tanto em regime laminar como em turbulento, a adição de elementos defletores presentes nos misturadores estáticos aumenta a perda de carga gerada, demandando energia para que o efeito de mistura seja obtido. O valor do aumento na perda de carga gerado pelos elementos de mistura, em relação à perda de carga gerada pelo tubo vazio, pode chegar a centenas de vezes, em função da geometria dos SANT’ANNA, M. C. S..

(28) 13 Capítulo 2. Revisão da Literatura. elementos e do número de Reynolds do escoamento. Portanto, segundo os autores, é fato que se requer energia de pressão para se alcançar ação de mistura no interior de tubos. Quanto menor o tempo de mistura desejado, maior será a taxa de dissipação de energia. Ainda segundo Etchells III e Meyer (2004), a perda de carga gerada por um determinado misturador estático é expressa como a relação entre a perda de carga gerada pelo mesmo e a perda de carga gerada nas mesmas condições, com o tubo vazio, conforme as relações:. (2.4). regime laminar. (2.5). regime turbulento. As Tabelas 2.2 e 2.3 apresentam valores de KL e KT com margens de erro de aproximadamente 15%, segundo Etchells III e Meyer (2004), baseados em Streiff (1979). Etchells III e Meyer (2004) mostraram que os resultados de mistura destes aparatos podem ser correlacionados traçando-se o gráfico dos coeficientes de variação (cv) em função dos valores correspondentes de L/D, resultando em curvas exponenciais, segundo a relação abaixo:. (2.6). Ki depende do tipo de misturador estático, valores de Ki encontram-se nas Tabelas 2.2 (escoamento laminar) e 2.3 (escoamento turbulento). Tabela 2.2 – Parâmetros de mistura e perda de carga para misturadores estáticos em regime Laminar. Misturador. KL. KiL. Tubo vazio. 1. -. KMS. 6,9. 0,87. SMX. 37,5. 0,63. SMXL. 7,8. 0,85. SMF. 5,6. 0,83. SMR. 46,9. 0,81 Fonte: STREIFF (1979) SANT’ANNA, M. C. S..

(29) 14 Capítulo 2. Revisão da Literatura. Tabela 2.3 – Parâmetros de mistura e perda de carga para misturadores estáticos em regime turbulento Misturador Tubo vazio KMS KVM SMX SMXL SMV SMF. b). KT 1 150 24 500 100 100-200 130. KiT 0,95 0,50 0,42 0,46 0,87 0,21-0,46 040 Fonte: STREIFF (1979). Gradiente de velocidade. O gradiente de velocidade (G) é um parâmetro que avalia indiretamente o padrão de escoamento em unidades de mistura, tais como os misturadores estáticos. Este gradiente é proporcional ao grau de agitação do sistema. A equação geral de cálculo de G, Equação (2.7), foi desenvolvida em 1943 por Camp e Stein apud Camp (1953), levando em conta a deformação de um elemento de volume de água devido às tensões tangenciais que atuam neste elemento.. (2.7). onde:. = trabalho realizado pelas forças viscosas, por unidade de volume, por unidade de. tempo (kg.m-3.s-1); µ = viscosidade absoluta (kg.m-1.s-1); = gradiente de velocidade absoluto no ponto (s-1); u,v e w = componentes da velocidade nas direções x, y e z, respectivamente (m.s-1). Ao longo de uma câmara de mistura, os valores pontuais do gradiente de velocidade variam consideravelmente. Contudo, em regime estacionário, pode-se definir um gradiente médio de velocidade, que corresponde ao valor médio do trabalho ao longo do reator. Com isso, o gradiente médio pode ser expresso segundo a Equação (2.8).. (2.8). SANT’ANNA, M. C. S..

(30) 15 Capítulo 2. onde:. Revisão da Literatura. P = Potência dissipada na mistura (W); V = volume da câmara (m3); µ = viscosidade absoluta (kg.m-1.s-1); A potência dissipada na mistura em misturadores estáticos pode ser definida como a. perda de carga gerada no escoamento multiplicada pela vazão volumétrica do fluido. Desta forma, a Equação (2.8) pode ser expressa em termos da vazão volumétrica e perda de carga, conforme a equação a seguir:. (2.9). Esta equação permite a obtenção de um valor médio para o gradiente de velocidade de um misturador estático. Mas na prática, observa-se uma elevada variação do gradiente de velocidade ao longo do misturador. Esta variação é proporcionada pela própria mudança de direção imposta à corrente líquida, pois, de acordo com Camp (1953), a maior parte da perda de carga ocorre nas mudanças de direção impostas ao fluxo, fazendo com que os gradientes de velocidade sejam muito maiores nessas regiões e pouco significativos ao longo do misturador. Segundo Metcalf e Eddy (1991), valores típicos de gradiente de velocidade para mistura rápida para contato inicial efetivo e dispersão de produtos químicos está na faixa de 1500-6000s-1 para um tempo de retenção menor que 1 segundo. Segundo Haarhoff e Van Der Walt (2001), a interpretação física do valor de G, no entanto, não é um gradiente de velocidade, mas mais propriamente, a raiz média da taxa de dissipação de energia por unidade de volume. Deste modo, a Equação (2.7) também pode ser escrita em termos da dissipação de energia por unidade de volume (Equação 2.10).. (2.10). onde: ε = taxa de dissipação de energia cinética turbulenta (m2.s-3); µ= viscosidade dinâmica da água (kg.m-1.s-1); ρ = Massa específica da água. SANT’ANNA, M. C. S..

(31) 16 Capítulo 2. 2.2. Revisão da Literatura. PRODUÇÃO DE BIODIESEL. Segundo Meher et al. (2006), biodiesel é um éster mono-alquil de cadeia longa de ácidos graxos derivados de fontes renováveis, provenientes de óleos vegetais ou gordura animal, utilizado em motores de ignição por compressão. Os principais processos utilizados para a produção de biodiesel são a hidroesterificação, o craqueamento e a transesterificação. A reação pode ocorrer na presença ou não de um catalisador, seja ele homogêneo ou heterogêneo. Segundo Morais (2010), a transesterificação homogênea básica, não exige muito gasto energético, nem cuidados especiais na operação e controle reacional, pois trabalham, geralmente, com pressão atmosférica e temperaturas moderadas. A Fabricação de biodiesel pode ser realizada através do processo em batelada, neste o gasto energético se resume ao aquecimento do reator e no sistema de agitação (mistura), contudo, apesar da simplicidade do processo, esta rota apresenta algumas desvantagens que torna o processo global desfavorável. Os principais problemas são: tempo de reação alto, produção de sub-produto indesejável (sabões), diminuindo o rendimento do biodiesel e, consequentemente, um processo de separação complexo. Os diversos problemas encontrados em relação à purificação dos produtos, aliados aos custos envolvidos no processo, sugerem a necessidade de se investigar novas rotas, a exemplo da rota continua. Em pesquisa recente conduzida pela BiodieselBR, 57 usinas informaram qual processo utilizam: 45% (26 unidades) processam o biodiesel por batelada e 55% (31 unidades) operam pelo processo contínuo. Segundo o químico Bill Costa, gerente da divisão de biocombustíveis do Instituto de Tecnologia do Paraná (Tecpar), a diferença fundamental entre os dois processos é a escala de produção. Para produzir de modo contínuo, é necessário um grande investimento em automação e a garantia de uma quantidade considerável de matéria-prima para não interromper o processamento. Já o processo por batelada é bem mais flexível, podendo-se fazer uma nova mistura a cada batelada; contudo, a produção é mais reduzida. Nos últimos anos, alguns trabalhos podem ser encontrados na literatura no sentido do desenvolvimento de processos contínuos. O processo contínuo para produção de biodiesel empregando álcoois supercríticos envolve, em geral, reatores tipo PFR, onde a principal vantagem do processo reside no reator (feixe de tubos), no qual elevadas pressões podem ser mais facilmente controladas e operadas. De forma genérica, os resultados indicam uma cinética mais lenta do que no processo em batelada e alguns autores sugerem problemas. SANT’ANNA, M. C. S..

(32) 17 Capítulo 2. Revisão da Literatura. relacionados à homogeneização do meio reacional e separação de fases no interior do reator durante o curso da reação (HEGEL et al., 2007).. 2.2.1 Utilização de misturadores estáticos para a produção de biodiesel Segundo Karoui (1998) e Fernandes (2005), a mistura é um processo necessário na maioria das reações químicas. A taxa e a seletividade da reação depende de sua qualidade, especialmente quando o tempo de reação é menor do. que o tempo de difusão. Os. misturadores estáticos permitem a homogeneização dos reagentes sem uso de partes móveis. Os misturadores estáticos podem ser aplicados em uma ampla gama de indústrias, abrangendo desde o processamento de polímeros (MIDDLEMAN, 1977) até processos biotecnológicos (JUNKER et al., 1994). Os misturadores estáticos podem ser aplicados em processos por batelada, em recirculação ou em processos contínuos. Em diversas aplicações, os misturadores estáticos caracterizam-se como uma alternativa ao emprego de tanques agitados convencionais, dispensando os investimentos em acionamentos, caixas redutoras, sistemas de selagem, eixosárvores, impelidores, tanques e instalações, uma vez que a mistura pode ser efetuada em linha, no interior das tubulações. Portanto, os custos operacionais e o capital empregado para o processo de mistura com os misturadores estáticos são menores do que para os misturadores dinâmicos. Adicionalmente, os misturadores estáticos podem ser empregados em sistemas de agitação e misturas existentes, atuando antes ou após o processo, contribuindo para melhorar a sua eficiência (JOAQUIM JÚNIOR., 2008). Bonaventura (2006) depositou a patente PI-0602511 que trata de um reator e processo contínuo de produção de biodiesel. O reator apresenta forma tubular e disposição horizontal compreendendo discos perfurados dispostos perpendicularmente a um eixo central do reator, os discos definindo seções nas quais são encontrados meios de agitação nos quais podem estar presentes uma quantidade de 3 a 22 palhetas de agitação. As palhetas são providas com uma pluralidade de aberturas dispostas ao longo do seu comprimento, diminuindo assim a resistência a seu movimento, ao mesmo tempo em que favorece a mistura reacional (álcool, óleo e catalisador). O reator apresenta uma razão diâmetro: comprimento (D:L) variando de 1:5 a 1:15, e é especialmente destinado à produção de biodiesel em regime contínuo. Para favorecer a eficiência do processo, uma corrente de reciclo de cerca de 20% do meio reacional é provida no reator localizada na extremidade final do reator, uma linha de reciclo do meio reacional operada por uma bomba e controlada por uma válvula, é utilizada permanentemente SANT’ANNA, M. C. S..

(33) 18 Capítulo 2. Revisão da Literatura. durante o processo continuo de conversão, reciclando entre 10 a 30% do meio reacional para a entrada do reator. Thompson e He (2007) realizaram experimentos em um sistema de circuito fechado com um reator tubular de fluxo contínuo acoplado a um misturador estático para produzir biodiesel a partir do óleo de canola com metanol, utilizando hidróxido de sódio com catalisador. A configuração experimental foi composta de dois reatores de aço inoxidável acoplados a dois misturadores estáticos Kenics, ilustrada na Figura 2.9. Após os experimentos foi obtido um biodiesel de alta qualidade (de acordo com as especificações da norma ASTM D6584), as condições mais favoráveis para a reação foi conduzida a 60ºC, com a concentração 1,5% de hidróxido de sódio e um tempo de reação de 30min. O conteúdo de glicerina total foi menor que 0,24% em peso quando a relação molar de metanol : óleo foi de 6:1.. Figura 2.9 – Esquema experimental: (a) misturador estático acoplado ao sistema, e (b) estrutura do misturador estático. Fonte: Thompson e He, 2007.. Frascari et al. (2008) destacaram em seus estudos a importância de se obter uma mistura intensa para produzir a dispersão fina de álcool no óleo, assim fornecendo área interfacial suficiente para o transporte de triglicerídeos para a fase polar. A maioria dos estudos de transesterificação é baseada na agitação mecânica, seja com impulsores ou com agitadores magnéticos. Por outro lado, poucos trabalhos investigaram a utilização de misturadores estaticos para a produção de biodiesel. O emprego do misturador SMV resultou. SANT’ANNA, M. C. S..

(34) 19 Capítulo 2. Revisão da Literatura. em um perfil de conversão de óleo equivalente ao obtido no melhor desempenho dos testes com agitação mecânica. O sistema esperimental está ilustrado na Figura 2.10.. Figura 2.10 – Representação esquema da planta com misturador estático (a): 1 tanque de óleo, 2 tanque de metanol e KOH, 3 reator. Fonte: Frascari et al., 2008.. Boucher et al. (2009) apresentaram um projeto de um reator/separador envolvendo a utilização de um misturador estático para a produção de biodiesel como ilustrado na Figura 2.11. Neste trabalho, o biodiesel foi obtido utilizando-se resíduos pré-tratados de óleo de canola e hidróxido de potássio em metanol. O reator apresentou alta conversão de óleo vegetal em biodiesel, permitindo que o glicerol fosse separado simultaneamente. A faixa de temperatura empregada foi de 40-50°C, o reator foi capaz de atingir mais de 99% de conversão de resíduos pré-tratados óleo de canola de biodiesel e remover 70-99% de glicerol produzido.. SANT’ANNA, M. C. S..

(35) 20 Capítulo 2. Revisão da Literatura. Figura 2.11 – Diagrama de um escoamento laminar reator/separador Fonte: Boucher et al., 2009.. McFarlane et al. (2010) investigaram a cinética da reação de transesterificação em um reator/separador. A reação ocorreu em temperaturas de 45-80ºC e pressões de até 2,6 bar utilizando-se o óleo de soja. A força de cisalhamento foi alta e o regime da mistura foi turbulento. O rendimento dos ésteres metílicos foram quantificados por cromatografia gasosa de detecção de ionização de chama (GC-FID). Foram obtidos 90% de conversão em 22 min. O desempenho foi melhorado através do processamento por etapas, permitindo a separação do subproduto (glicerina). A cinética foi modelada com sucesso usando um mecanismo de três etapas de reações reversíveis. A Figura 2.12 representa o sistema dos fluxos de fluido em reator/separador centrífuga. Os reagentes podem ser introduzidos separadamente através de uma ou mais entradas da solução. O aparelho inclui portas laterais adicionais, permitindo que ocorra a recirculação da mistura na zona de mistura.. SANT’ANNA, M. C. S..

(36) 21 Capítulo 2. Revisão da Literatura. Figura 2.12. Reator/separador centrífuga. Fonte: McFarlane et al., 2010.. 2.3. FLUIDODINÂMICA COMPUTACIONAL (CFD). A fluidodinâmica computacional é a análise de sistemas envolvendo o escoamento de fluidos, transferência de calor e outros processos físicos relacionados (VERSTEEG & MALALASEKERA, 1995 e RAMIREZ, 2009). A simulação numérica via técnicas da fluidodinâmica computacional requer a codificação de um programa em uma linguagem estruturada do tipo FORTRAN, por exemplo. Este programa ou conjunto de subprogramas resulta em um código computacional responsável pela obtenção dos resultados numéricos, o qual pode ser classificado em comercial ou não. Na linha dos códigos comerciais tem-se à disposição inúmeros pacotes, todos eles em códigos fechados, como, por exemplo: FLUENT, CFX, FIDAP e PHOENICS. Dentre os códigos CFD não comerciais, temos o OpenFOAM como uma alternativa devido ao fato de ser gratuito e distribuído com código aberto (RAMIREZ, 2009). A Fluidodinâmica Computacional (CFD) é definida por Fontes et al. (2005) como o conjunto de técnicas de simulação computacional usadas na análise de fenômenos físicos ou físico-químicos associados aos escoamentos. O uso dessas técnicas tem se difundido em diversas áreas de estudo nos últimos anos e permitem tais análises sem as desvantagens de custo e tempo de experimentos laboratoriais altos (SANTOS e MEDRONHO, 2007 e GUIDOLINI, 2009). SANT’ANNA, M. C. S..

(37) 22 Capítulo 2. Revisão da Literatura. 2.3.1 Uma Introdução ao CFD A Fluidodinâmica Computacional (Computational Fluid Dynamics - CFD) é a denominação conferida ao grupo de técnicas matemáticas, numéricas e computacionais usadas para obter, visualizar e interpretar soluções computacionais para as equações de conservação, de grandezas físicas de interesse (FONTES e GUIMARÃES, 2005). A fluidodinâmica computacional é uma técnica que visa à obtenção de soluções numéricas para os problemas de escoamento de fluidos utilizando o computador. É uma área de grande interesse para a solução de muitos problemas práticos. Como exemplos, podem ser citados problemas de aerodinâmica, termodinâmica, hidráulica, dentre outros. O advento dos computadores de alta velocidade e de grande capacidade de memória tem permitido à CFD a obtenção de solução para muitos problemas de escoamento, inclusive aqueles que são compressíveis ou incompressíveis, laminares ou turbulentos, quimicamente reagentes ou nãoreagentes, de fase única ou de múltiplas fases. Entre os métodos numéricos desenvolvidos para tratar as equações que regem os problemas de escoamento de fluidos, os mais amplamente utilizados são os métodos das diferenças finitas e os métodos dos volumes finitos (POTTER & WINGGERT, 2004). A fluidodinâmica computacional é hoje uma poderosa ferramenta para a solução de importantes problemas aplicados à engenharia. É capaz de predizer comportamentos de escoamento de fluidos, de transferência de calor e de massa, das reações químicas e dos fenômenos relacionados, resolvendo as equações matemáticas que governam estes processos a partir de um algoritmo numérico (MALISKA, 1995). O procedimento computacional na fluidodinâmica tem o intuito de tornar as investigações experimentais mais eficientes, possibilitando um entendimento mais profundo dos processos de escoamento. Deve ficar bem claro que a fluidodinâmica computacional tem o objetivo de complementar e não substituir os estudos teóricos e experimentais sobre o movimento de fluidos, porém, em conjunto, proporcionam um entendimento mais claro do processo como um todo (CAVALCANTI, 2003). Algumas de suas vantagens, em relação a outros métodos, é que ao criar suas equações aproximadas, este método realiza um balanço de propriedade em nível de volumes elementares que devem ser satisfeitos para qualquer tamanho de malha, ou seja, todos os princípios de conservação podem ser checados em um malha grosseira, tornando as execuções no computador mais rápidas (MALISKA, 1995).. SANT’ANNA, M. C. S..

(38) 23 Capítulo 2. Revisão da Literatura. As analises nesta área podem ser desenvolvidas com base em modelos estabelecidos pelas equações de Navier-Stokes, da conservação da quantidade de movimento, da massa e da energia. Quando são adicionadas as condições iniciais e de contorno, estas equações representam um problema particular. A solução analítica destas equações somente é possível para os casos mais triviais, para os problemas reais utilizam-se os métodos numéricos. Para Gomez (2008), os códigos de CFD são estruturados em torno de algoritmos numéricos para a resolução de escoamentos de fluidos, os códigos contêm geralmente quatro elementos principais um gerador geometria e malha, um pré-processador ou solver, e um pósprocessador. Existem diferentes pacotes computacionais para CFD, uns são para construção de geometria, como o ICEM CFD, outros já são pacotes mais completos tais como o FLUENT®, o CFX®. O CFX® é um software de CFD integrado, no qual é possível construir a geometria, fazer a malha numérica, ajustar os parâmetros da simulação, resolver e analisar posteriormente, sendo utilizado para a simulação de diversos tipos de escoamentos.. 2.3.2 O pacote computacional CFX Segundo Herckert e Neto (2004), o CFX é um software comercial, modelo "caixapreta", mas apresenta uma boa interface software-usuário, sendo que o usuário tem a possibilidade de incluir sub-rotinas computacionais escritas em linguagem FORTRAN, e além disto, apresenta a flexibilidade da inclusão de equações para o cálculo de certas variáveis. Segundo Freitas (2009), o pacote computacional ANSYS CFX é composto basicamente de cinco programas que são: O Design Modeler, para a construção das geometrias e definição do domínio no qual as equações de transferência de fluidos são resolvidas e obtidas as soluções; o Meshing App, para a geração dos volumes finitos ou elementos da malha numérica, em que podem ser criadas diferentes secções, cujo objetivo é encontrar o melhor resultado com o menor número de elementos; o CFX-Pre, para a definição do modelo físico, propriedades dos materiais ou condições de contorno, ou seja, o ajuste dos parâmetros de simulação; o CFX-Solver, para a resolução das equações e obtenção dos resultados, que podem ser obtidos utilizando um ou vários processadores; o CFX-Post para a análise dos resultados, que processa e apresenta os dados graficamente, podendo o usuário criar diferentes tipos de figuras e gráficos para melhor análise dos resultados. SANT’ANNA, M. C. S..