Análise da relação entre nível de mistura e mudança de escala na fluidização de biomassa-areia em leito fluidizado borbulhante

Abstract

Nesta tese foi avaliada os efeitos da mudança de escala em sistemas de leito fluidizado borbulhante contendo misturas de areia e casca de arroz. Foram projetados e construídos seis reatores de diferentes tamanhos. O estudo combinou desenvolvimento de novos projetos- como o desenvolvimento de um tubo de Venturi por impressão 3D e um novo tipo de calador - com a aplicação da metodologia Taguchi (matriz L9) e análises de variância (ANOVA), investigando quatro fatores: diâmetro do reator, velocidade do gás, proporção de casca e altura inicial do leito. Os resultados mostraram que a mudança de escala do reator, exerce forte influência sobre variáveis críticas como a velocidade mínima de fluidização (Umf). Isso evidencia uma limitação importante em modelos clássicos de predição de Umf, que não consideram o fator escala, reforçando a necessidade de incorporar essa variável em futuras equações. Também foi proposta uma nova equação para estimar o índice de mistura com base na distribuição axial dos sólidos, oferecendo maior sensibilidade na avaliação da homogeneidade interna. Com base nos experimentos realizados, foi possível propor uma configuração otimizada para reatores em maior escala voltados a processos termoquímicos com casca de arroz. A melhor combinação inclui reatores com diâmetro interno de 240 mm, altura inicial do leito de 360 mm (H₀/Dfb = 1,5), mistura contendo 5% de casca de arroz em massa e operação a uma velocidade superficial correspondente a 1,25 vezes a Umf. Essa configuração mostrou-se eficiente para garantir boa homogeneidade da mistura, fluidização estável e controle adequado da expansão e do diâmetro das bolhas. Os resultados também evidenciam a necessidade de incluir o diâmetro do reator nas equações de predição de Umf e introduzem uma nova proposta para o cálculo do índice de mistura, mais sensível à distribuição interna dos sólidos.

This work evaluated the effects of scale-up in bubbling fluidized bed systems containing mixtures of sand and rice husk. Six reactors of different sizes were designed and constructed. The study combined the development of new engineering solutions—such as a 3D-printed Venturi tube and a novel type of sampling probe—with the application of the Taguchi method (L9 matrix) and analysis of variance (ANOVA), investigating four factors: reactor diameter, gas velocity, husk-to-sand ratio, and initial bed height. The results showed that reactor scale has a strong influence on critical variables such as the minimum fluidization velocity (Umf). This highlights a key limitation in classical Umf prediction models, which often overlook geometric scale, reinforcing the need to incorporate this parameter into future equations. A new equation was also proposed to estimate the mixing index based on the axial distribution of solids, providing greater sensitivity in assessing internal homogeneity. Based on the experiments, an optimized configuration was proposed for large-scale reactors applied to thermochemical processes using rice husk. The best combination includes reactors with an internal diameter of 240 mm, an initial bed height of 360 mm (H₀/Dfb = 1,5), a mixture containing 5% rice husk by mass, and operation at a superficial gas velocity equal to 1,25 times the Umf. This setup proved effective in ensuring good mixture homogeneity, stable fluidization, and appropriate control of bed expansion and bubble size. The findings reinforce the importance of considering reactor diameter in Umf prediction models and introduce a new approach for calculating the mixing index based on solid-phase distribution.