Modelagem, simulação e otimização de um difusor de biomassa

• Ano de defesa: 2019
• Autor(a) principal: Barbosa, Larissa de Souza Noel Simas
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: Bancada experimental; Biomass diffuser; Difusor de biomassa; Flow and level sensors; Mathematical modeling; Medidores de nível; Modelagem matemática; Optimization; Experiments; Otimização
• Link de acesso: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/105/105131/tde-26072019-152904/

Difusores podem ser empregados para extração de sacarose da cana de açúcar e da beterraba, para a extração de tanino da casca de acácia negra e para extração de óleos vegetais de plantas oleaginosas. Apesar de operarem de forma simples do ponto de vista mecânico e químico, problemas que ocorrem na sua operação comprometem a eficiência de extração. A modelagem, simulação e otimização de difusores de biomassa mostra-se essencial para melhor compreender tais problemas e propor estratégias otimizadas de projeto e operação. Nesse contexto, a tese aqui proposta tem como objetivo principal modelar e simular a operação de um difusor de biomassa de 10 estágios (Biomassa entra pelo estágio 1 e sai do difusor pelo estágio 10. A água de embebição faz o trajeto em contracorrente, i.e. entra pelo estágio 10 e sai pelo estágio 1) para, posteriormente, otimizá-lo mono e multi-objetivamente considerando a possibilidade de conexão entre todos os estágios de extração. No caso da otimização mono-objetivo, no qual uma vazão de embebição de líquido fixa é considerada, o principal objetivo da otimização consiste em maximizar a concentração de soluto no líquido que deixa o difusor a partir de mudanças aleatórias nos coeficientes de conectividade do difusor. Já para a otimização multi-objetivo, a vazão de embebição de líquido que entra no difusor é considerada variável. Sendo assim, a otimização do sistema requer a maximização de dois objetivos simultaneamente (a maximização da concentração de soluto no líquido e minimização da concentração final de soluto na biomassa) a partir de mudanças aleatórias nos coeficientes de conectividade do difusor. Além disso, visto que a minimização de problemas operacionais está relacionada com a monitoração da altura de nível de líquido no leito de fibra, diferentes sinais para detecção de presença de líquido no leito de fibras em um estágio de extração experimental foram testados. Dos resultados de simulação e otimização obtidos, podemos concluir que novas conexões entre os estágios do difusor podem otimizar o processo de extração o que contraria o senso comum segundo o qual as conexões devem ser sequenciais. No caso da otimização mono-objetivo, 82 a 89% do fluido é direcionado para o estágio seguinte ao longo dos estágios de extração (exceto para o estágio 6, no qual esse valor é de 100%). A recirculação do fluido para o mesmo estágio é mais acentuada nos estágios finais (estágios 1 a 4), apresentando o difusor otimizado 14 a 18% de recirculação do fluido para o mesmo estágio nesses estágios enquanto para os demais estágios a recirculação varia entre 0 e 11%. Já para os estágios iniciais (estágios 5, 7, 8 e 9), a recirculação do fluido para o estágio anterior apresenta maior destaque, variando de 6 a 16% enquanto para os demais estágios é de apenas 0 a 2%. O estágio 6, por sua vez, é o único que se conecta exclusivamente com o estágio seguinte. Para a otimização multi-objetivo, resultados similares foram encontrados, sendo que a probabilidade de que 85 a 100% do fluido seja circulada para o estágio seguinte está entre 93 e 99%. Em relação a recirculação para o mesmo estágio, a probabilidade de que de 0 a 15% do fluido seja recirculado varia de 58 a 79% para os estágios 1 a 4, de 49 a 55% para os estágios medianos 5, 6 e 7 e de 60 a 90% para os três últimos estágios (estágios 8, 9 e 10). Para a conexão com o estágio imediatamente anterior, a probabilidade de que de 0 a 15% do fluido seja direcionado para o estágio anterior é maior nos estágios 1, 2, 8 e 9, variando entre 31 e 38%. Para a detecção da presença de líquido no leito de fibras em um estágio de extração, dois tipos de sinais diferentes, condutividade elétrica e radiação infravermelha, foram testados. Os testes foram realizados, em um estágio de extração experimental, primeiramente apenas com água e, em seguida, com bagaço de cana. Os medidores de condutividade mostraram-se estáveis e com repetitividade quando testados com água. Já nos testes realizados com bagaço de cana, o sinal de condutividade mostrou-se insuficiente para a detecção de líquido. Para os medidores de infravermelho testados com água, os mesmos apresentaram alguns sintomas de instabilidade e variabilidade. Quando testados com cana, os medidores de infravermelho também apresentam instabilidade e variâncias distintas que dependem da posição do medidor no difusor e, consequentemente, da compactação do leito de fibra. Infere-se então que um aumento da variância do sinal pode ser um indicativo de um aumento da compactação do leito e, consequentemente, de diminuição da sua permeabilidade.