Prática 2 - reatores

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UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL – UCS 
ÁREA DO CONHECIMENTO DE EXATAS E ENGENHARIAS 
ENGENHARIA QUÍMICA 
ENQ0253A - ENGENHARIA DAS REAÇÕES QUÍMICAS III 
PROFESSOR LUÍS RAFAEL BONETTO 
 
 
 
 
 PIRÓLISE DE PINUS ELLIOTTII 
 
 
 
Gabriela Scopel Lovatel 
Juliana Mazzarollo 
Leonardo Galli Engler 
Paula De Marco 
 
 
 
Caxias do Sul, 11 de junho de 2019. 
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1. INTRODUÇÃO 
Reatores químicos são vasos projetados para conter reações químicas tanto 
em escala industrial como laboratorial, dependendo do objetivo. Os reatores podem 
ser classificados em 2 tipos, conforme a fase dos reagentes. Existem os reatores 
homogêneos, que são para meios totalmente líquidos ou gasosos. 
Os reatores heterogêneos, por sua vez, trabalham com os reagentes nas suas 
mais diversas fases possíveis. Em virtude dessa diversidade, há 4 tipos de reatores 
heterogêneos, sendo eles: 
 
● Reator de leito fixo 
 No reator de leito fixo, o gás entra no leito com velocidade menor que a 
velocidade mínima de fluidização, não promovendo a movimentação do material 
sólido do leito. São bastante utilizados em conversões de combustíveis muito voláteis, 
como madeira e biomassa. A Figura 1 ilustra um reator de leito fixo. 
Figura 1 - Reator de leito fixo. 
 
Fonte: Levenspiel (2000). 
 
● Reator de leito fluidizado borbulhante (BRB) 
 Nesse tipo de reator, o leito fluidizado borbulhante ocorre quando um gás passa 
pelas partículas finas em uma velocidade de entrada bem maior que a velocidade 
mínima de fluidização. As grandes bolhas de gás ascendem pelo leito, causando a 
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aparência de um líquido em ebulição (LEVENSPIEL, 2000). Proporciona boa 
transferência de massa e calor devido à agitação e mistura. É aplicado em processos 
de combustão, como o de carvão mineral para obtenção de energia. A Figura 2 
exemplifica as bolhas de gás passando pelo leito: 
Figura 2 - Reator de leito fluidizado borbulhante 
 
Fonte: Levenspiel (2000). 
 
● Reator de leito fluidizado com circulação (CFB) 
 O CFB tem funcionamento semelhante ao leito fluidizado borbulhante, porém a 
velocidade de entrada do gás é maior e há grande agitação dos sólidos (COLETTA, 
2018). São utilizados em processos nos quais o catalisador precisa ser regenerado, 
pois com o estado fluidizado das partículas sólidas ele pode ser facilmente bombeado 
para outras unidades do processo (LEVENSPIEL, 2000), como ilustra a Figura 3. 
 
 
 
 
 
 
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Figura 3 - Reator de leito circulante 
Fonte: Levenspiel (2000). 
● Reator trifásico 
 O processo em um reator trifásico utiliza a injeção simultânea de líquido e gás 
no leito, que contém partículas sólidas. Esse tipo de leito proporciona melhor mistura 
das partículas e aumenta a porosidade do leito, o que melhora a distribuição do gás e 
diminui a perda de carga (WOLF, 1997). Reatores de leito trifásico são comumente 
utilizados em tratamentos de efluentes com biomassa fixa, no qual partículas sólidas 
são usadas como suporte para microrganismos que decompõem matéria orgânica 
(MARTINS, 2003). 
Figura 4 - Reator de leito circulante 
 
Fonte: Fogler (2009). 
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2. RESULTADOS E DISCUSSÃO 
2.1 Discorra a respeito do funcionamento geral do sistema com os 
equipamentos, escrevendo um pouco sobre a importância de cada item 
presente (tubulações, sistemas de isolamento e de troca térmica, linhas de gás, 
etc.). 
 Segundo Basu (2010), pirólise é um processo de decomposição térmica da 
biomassa de compostos com grandes cadeias hidrocarbônicas para produção de 
compostos com cadeias menores. Os produtos da pirólise são obtidos por meio de 
gases, líquidos e sólidos, podendo ocorrer por meio da torrefação, pirólise lenta ou 
pirólise rápida. A reação utilizada no experimento foi a pirólise rápida, cujo principal 
produto é um combustível líquido, chamado de bio-óleo. 
 Como a reação necessita da completa ausência de gases reativos (oxigênio), 
utilizou-se sistemas de completo isolamento com tubulações canalizando um gás 
inerte (N2), impedindo que ocorresse a combustão do material. O sistema de 
isolamento de troca térmica possui fundamental importância em reações de 
decomposição térmica, visto que são utilizadas temperaturas elevadas para o 
processo. O sistema é isolado geralmente por lã de rocha (~10 cm de espessura), um 
material incombustível produzido com fibras minerais de rochas basálticas. Esse 
sistema previne a perda de calor do reator, evitando gradientes de temperatura 
durante a reação. 
 
2.2 Determinar a conversão em char do processo através da seguinte 
expressão: 
 𝑋 = (𝑊0 − 𝑊𝑐) / (1 − 𝐴)*𝑊0 
onde: 
W0 → massa inicial da amostra (g); 
Wc → massa de char medida ao final da amostra (g); 
A → teor de cinzas da amostra de Pinus Elliottii (inerte). Para esse caso, A = 0,001. 
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 Tem-se, como resultados da pirólise do Pinus Elliottii, que a massa de char no 
final foi de 20,67 g. Sabe-se que a massa inicial foi de 100,25 g. 
 
𝑋 = (100,25 − 20,67) / (1 − 0,001)*100,25 
 𝑋 = 0,7946 
 A partir do cálculo realizado, determinou-se que a conversão no processo de 
pirólise foi de aproximadamente 0,79, ou seja, 79%. 
 
2.3 Determinar a conversão em bio-óleo do processo através da seguinte 
expressão: 
𝑋 = (𝑊0 − 𝑊𝑏𝑜)/ (1 − 𝐴)*𝑊0 
onde: 
Wbo→ massa final de bio-óleo medida ao final do processo (g). É a diferença entre a 
massa final e a inicial do borbulhador e a massa adicionada de álcool isopropílico. 
 Já o rendimento pode ser calculado pela seguinte fórmula: 
R = ((𝑊𝑏𝑜)/𝑊0)*100% 
 Na prática da pirólise foram usados 10 borbulhadores, pesados antes do 
processo iniciar e no final. A Tabela 1 mostra as massas obtidas. 
 
Tabela 1 - Massas dos borbulhadores antes e depois da realização da pirólise 
Borbulhador Massa Inicial (g) Massa Final (g) 
1 264,35 311,70 
2 365,81 356,39 
3 337,29 339,46 
4 335,40 336,04 
7 
 
5 345,20 338,07 
6 339,02 339,18 
7 338,13 338,22 
8 330,35 330,44 
9 337,90 337,81 
10 266,98 267,07 
Mangueiras 255,62 258,32 
 Total = 3516,05 Total = 3552,37 
Fonte: Autores (2019) 
 Para o cálculo do Wbo, fez-se a massa final total dos borbulhadores menos a 
massa inicial total dos mesmos. Assim: 
 Wbo = 3552,37 - 3516,05 = 36,32 gramas de bio-óleo 
 Com a quantidade bio-óleo, calcula-se a sua conversão e o seu rendimento. 
𝑋 = (100,25 − 36,32)/ (1 − 0,001)*100,25 
𝑋 = 0,6383 
 
R = (36,32/100,25)*100% 
R = 36,23% 
A conversão de bio-óleo obtida foi de aproximadamente 64%, sendo que o 
rendimento foi de 36,23%. 
 
2.4 Discutir a influência da taxa de aquecimento no processo na 
conversão. 
 Considerando a taxa de aquecimento, a reação de pirólise pode ser classificada 
como rápida (tempo de aquecimento >> tempo de reação) ou lenta (tempo de 
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aquecimento << tempo de reação). Na pirólise lenta, o tempo de residência dos 
vapores formados é da ordem de minutos e o principal produto obtido é o char. Já na 
pirólise rápida, o tempo de residência é da ordem de poucos segundos, produzindo 
principalmente gases e bio-óleo. 
 A temperatura do processo de pirólise tem influência no rendimento de char da 
reação. Basu (2010), por meio de experimentos, determinou o rendimento de char 
pela temperatura da reação (Figura 5) e constatou que o seu rendimento reduzia 
conforme a temperatura da pirólise aumentava. 
Figura 5 - Rendimento de char (% massa) em função da temperatura da reação de 
pirólise. 
 
Fonte: Basu, 2010. 
 
 Basu (2010) verificou também que a taxa de aquecimento seguea mesma 
lógica da temperatura. Elevadas temperaturas irão favorecer a formação de líquidos 
e gases, enquanto que taxas de aquecimento menores proporcionarão a maior 
formação de produtos sólidos, como o bio-char. Isto ocorre porque, uma taxa de 
aquecimento mais lenta está associada com a remoção mais lenta dos compostos 
voláteis da amostra e isso promove a segunda reação de formação de char, 
aumentando o rendimento de produtos sólidos. 
 
 
 
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CONCLUSÃO 
A reação de pirólise realizada no laboratório pode ser classificada como rápida 
(60 minutos), com taxa de aquecimento (128 oC/min) e temperatura (900 oC) elevadas. 
Tais fatores favorecem a conversão da matéria orgânica em gás e bio-óleo, 
observando as massas dos produtos obtidas, que foram de 36,32 g de bio-óleo e 20,67 
g de char. 
Conclui-se que a técnica de pirólise é uma poderosa aliada na geração de 
energia. Como demonstrado através de cálculos, obteve-se um grande rendimento de 
óleo (36,23%) durante o procedimento, o qual era o objetivo. 
Os resultados expressos em termos de conversão, indicam 79% de char e 64% 
de bio-óleo. Ademais, a conversão de gás não foi calculada, uma vez que a massa 
desse produto não pode ser medida. 
 
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
 
BASU, P. Biomass gasification and pyrolysis. Burlington: Academic Press, 2010. 
COLLETTA, Letícia de Oliveira Silva Della. Estudo do dimensionamento e 
modelagem em CFD de um gaseificador de leito fluidizado borbulhante. 2018. 
129 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Energia) – Universidade Federal de 
Itajubá, Itajubá, 2018. 
FOGLER, H. Scott. Elementos de engenharia das reações químicas. 4. ed. Rio de 
Janeiro, RJ:LTC, 2009. 
MARTINS, Cláudia Livina. Comportamento de Reator de Leito Fluidizado 
Trifásico Aeróbico Utilizando Diferentes Materiais Suporte. 2003. Dissertação 
(mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa 
de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental, Universidade Federal de Santa 
Catarina, Florianópolis, 2013. Disponível em : 
<http://repositorio.ufsc.br/xmlui/handle/123456789/86382>. Acesso em: 7 jun. 2019. 
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LEVENSPIEL, Octave. Engenharia das reações químicas. São Paulo: E. Blücher, 
2000. 
WOLF, Delmira Beatriz. Estudo da Tratabilidade de um Efluente Têxtil por 
Biomassa Fixa através de um Leito Fluidizado Trifásico Aeróbio. Tese de 
Mestrado em Engenharia Ambiental, Universidade Federal de Santa Catarina, 90 
p.;1997.