Sessão Técnica12 – Etanol e Biomassa de
Cana-de-Açúcar
Trabalho No 64, 14/12/2010, 16:00-18:00
Estudo experimental da classificação
pneumática contínua de bagaço de cana-deaçúcar
8º Congresso Internacional sobre Geração Distribuída e Energia no Meio
Rural – AGRENER GD 2010
“ Expansão da Produção de Biocombustíveis na Região CentroOeste do Brasil”
13 a 15 de Dezembro de 2010, Campinas, São Paulo, Brasil
Edgardo Olivares Gómez - Apresentador
Guillermo Alfonso Roca Alarcón
Luis Augusto Barbosa Cortez
Eduardo de Almeida
Bruno Rodrigues de Oliveira
George Jackson de Moraes Rocha
Estudo experimental da classificação
pneumática contínua de bagaço de canade-açúcar
Esta apresentação está baseada em resultados dos estudos preliminares de
classificação pneumática realizados com bagaço de cana-de-açúcar em 3
condições físicas diferentes. A proposta de estudo foi financiada pela FAPESP
como Projeto de Auxílio à Pesquisa, Processo No 2007/01888-4, outorgado Prof.
Luís A. B. Cortez-FEAGRI/UNICAMP. O protótipo de coluna de classificação
gerou a abertura de um processo para depósito de patente pela INOVA da
UNICAMP, atualmente em re-avaliação.
Biomassa da Cana-de-açúcar!
O que é biomassa da Cana-de-açúcar?
Palha de cana (folhas verdes e secas na planta, no
campo, e na saída da colheitadeira)
Colmos de Cana-de-açúcar
em pé
Colmos cortados
O BAGAÇO DE CANA é um subproduto industrial!
BAGAÇO DE CANA
ESTOCAGEM DE BAGAÇO DE CANA SOB COBERTURA
Partículas
grossas (Fração
FIBRA do
interior do
colmo e da
casca)
Partículas
finas (Fração
MEDULA e
outros finos)
CONGLOMERADO DE
PARTÍCULAS
HETEROGÊNEAS EM
FORMA E TAMANHO, E
COM ELEVADO TEOR DE
UMIDADE
Amostra de FIBRA LAVADA de bagaço de cana
Sample of the CTBE, Campinas, SP (19/09/2008)
Amostra de MEDULA SEPARADA do bagaço de cana
Sample of the CTBE, Campinas, SP (19/09/2008)
A PALHA DE CANA é um subproduto agrícola!
PALHA DE CANA (PARTÍCULAS)
Foto ampliada de partículas de PALHA DE CANA
(-11.2 +9.52 mm de classe de tamanho)
Laboratório de Termodinâmica e Energia– FEAGRI/UNICAMP(10/04/2008)
Objetivos
Objetivo geral:
Projeto e avaliação de uma coluna para a classificação pneumática contínua de
bagaço de cana-de-açúcar em frações compostas de grupos de partículas definidas
pelo diâmetro médio do conglomerado.
Objetivos Específicos:
1. Projetar, construir, montar e operar uma coluna de classificação experimental em
escala piloto onde seja possível alcançar regimes de fluxo adequados para a
classificação pneumática contínua do bagaço de cana com ar– Primeira etapa da
Pesquisa;
2. Estudar o processo de classificação pneumática do bagaço de cana integral seco
(umidade de equilíbrio), úmido (50% de umidade – b.u.), e pré-tratado por
moagem. Examinar, a partir do comportamento das funções de distribuição de
tamanhos das partículas do conglomerado e dos fluxos de entrada e saída da
coluna, o diâmetro médio do conglomerado e as taxas de classificação e arraste
para cada fração separada na coluna (GROSSA, MÉDIA e FINA) – Segunda e
Terceira etapa da Pesquisa.
Material e Metodologia
Estudo experimental:
1. Bases do estudo:
1.1) Testes de classificação pneumática de bagaço de cana em 3 condições físicas
distintas: a) bagaço integral seco (umidade de equilíbrio); b) bagaço integral úmido
(50% b.u.); c) bagaço moído e à umidade de equilíbrio com dp=10mm e dp=5mm
respectivamente.
1.2) Bagaço de cana integral úmido (50% de umidade – b.u.) gentilmente cedido pela
Usina Açucareira Ester S.A., localizada na cidade de Cosmópolis – SP;
1.3) Um estudo preliminar das funções de distribuição de tamanhos das partículas do
bagaço integral permitiu definir as Frações a serem classificadas em termos do
diâmetro médio de partícula de cada fração: Grossa ≥2,36 mm; Média 2,36≥ dp
≥1,00 mm; Fina ≤ 1,00 mm;
1.4) Etapas da pesquisa: 1ª etapa – projeto da instalação experimental; 2ª etapa –
experimentos de classificação com bagaço integral seco (umidade de equilíbrio); 3ª
etapa - experimentos de classificação com bagaço integral úmido e moído (à
umidade de equilíbrio).
2. Instalação experimental para testes de classificação pneumática:
2.1) Instalada no LTE – Laboratório de Termodinâmica e Energia da
FEAGRI/UNICAMP.
Material e Metodologia
Instalação experimental para testes de
classificação
Algumas características técnicas:
1. Capacidade nominal de alimentação de bagaço de
20 kg/h;
2. Sistema modular e compacto, com particular
dimensionamento;
3. Alimentação de ar e bagaço uniforme, contínua e
estável, com controle por inversor de freqüência.
4. Considera 1 fluxo de entrada, 2 fluxos de saída e
um fluxo de arraste por transporte pneumático.
Material e Metodologia
Instalação experimental para testes de
classificação
Material e Metodologia
Instalação experimental para testes de
classificação
Funções de alimentação de bagaço de cana à
coluna de classificação
60
Vazão mássica de bagaço de cana (kg/h)
Experimental
Analitico
50
40
30
Y= 4,0629x-1,1625
R2=0,9926
20
10
0
0
2
4
6
Velocidade angular, RPM
8
10
Material e Metodologia
Instalação experimental para testes de
classificação
Funções de alimentação de ar à coluna de
classificação
180
Vazão volumétrica de ar (m³/h)
160
140
(1)fluxo medido anemometro fio quente area quadrada 12x12cm
120
y = 0,0713x - 1,7297
R² = 0,9914
100
(2)fluxo medido diretamente - area circular
(D=11cm)
80
(3)fluxo calculado atraves da vel medida
diretamente - area circular (D=10,7cm)
60
(4)fluxo calculado pela vel calculada atraves
fluxo medido - area circular(D=10,7cm)
40
Linear ((3)fluxo calculado atraves da vel
medida diretamente - area circular
(D=10,7cm))
20
0
0
500
1000
1500
Velocidade angular, RPM
2000
2500
Metodologia experimental
Matriz dos experimentos e valores das variáveis
Experimentos de classificação pneumática:
Bagaço integral seco
Tabela 1. Matriz dos experimentos de classificação pneumática
(segunda etapa da pesquisa)
No.
Vazão de bagaço
Vazão de ar
1
-1
-1
2
1
-1
3
-1
1
4
1
1
5
0
0
6
0
0
7
0
0
8
0
0
Tabela 2. Níveis dos fatores (segunda etapa da pesquisa)
Níveis
Fator
Ar (A), m3 s-1 (m3 h1)
-1
0
1
0,0183 (66) (16)
0,0244 (88)
0,0300 (108)
(21)
(26)
0,0019 (6,77)
0,0052 (18,76)
0,0084 (30,42)
(10)
(25)
(40)
(Hz)
Bagaço (B), kg s-1
(kg h-1) (Hz)
Experimentos de classificação pneumática:
Bagaço integral úmido e moído
Tabela 3 - Planejamento dos experimentos de classificação pneumática
(terceira etapa da pesquisa)
No.
Vazão de bagaço, kg s-1 (kg
h-1) (Hz)
Vazão de ar, m-3 s-1 (m3 h-1)
(Hz)
1
2
3
0,0069 (25) (29,3)
0,0069 (25) (29,3)
0,0069 (25) (29,3)
0,0183 (66) (16)
0,0244 (88) (21)
0,0300 (108) (26)
Resultados experimentais
Distribuição por tamanhos das partículas de
bagaço
Figura - Função de distribuição acumulativa do bagaço
de cana-de-açúcar integral (experimentos a seco e a
úmido)
Figura - Função de distribuição acumulativa do bagaço
de cana-de-açúcar moído e seco (dp=10mm)
Figura - Função de distribuição acumulativa do bagaço
de cana-de-açúcar moído e seco (dp=5mm)
Resultados experimentais
Etapas da pesquisa experimental
I - Etapa 2 - Experimentos com bagaço integral “in
natura” e seco (umidade de equilíbrio): Frações
GROSSA, MÉDIA E FINA;
II – Etapa 3 - Experimentos com bagaço integral “in
natura”, úmido (50% de umidade): Frações
GROSSA, MÉDIA E FINA;
III – Etapa 3 - Experimentos com bagaço seco
(umidade de equilíbrio) e moído, 2 malhas de
controle ou tamanhos de referência (10 e 5 mm
respectivamente): Frações GROSSA, MÉDIA E
FINA.
Resultados experimentais
0,60
Bagaço de cana integral seco, Fb=6,77kg/h;
Fa=66m3/h
Fração Grossa
Fração Média
Fração Fina
Fração em massa das partículas
Fração em massa das partículas
Distribuição por tamanhos das partículas de
bagaço – Etapa 2
0,50
Experimento 1
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
9,08
4,01
1,88
1,20
0,75
0,38
0,60
Bagaço de cana integral seco, Fb=30,42kg/h;
Fa=66m3/h
Fração Grossa
Experimento 2
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
0,13
9,08
Fração em massa das partículas
Fração em massa das partículas
Fração Média
Fração Fina
0,50
Experimento 3
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
9,08
4,01
1,88
1,20
0,75
4,01
1,88
1,20
0,75
0,38
0,13
Diâmetro médio de partícula, mm
Bagaço de Cana integral seco, Fb=6,77kg/h;
Fa=108m3/h
Fração Grossa
Fração Fina
0,50
Diâmetro médio de partícula, mm
0,60
Fração Média
0,38
Diâmetro médio de partícula, mm
0,13
0,45
0,40
0,35
0,30
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
Bagaço de cana integral seco, Fb=30,42kg/h;
Fa=108m3/h
Fração Grossa
Fração Média
Fração Fina
Experimento 4
9,08
4,01
1,88
1,20
0,75
0,38
Diâmetro médio de partícula, mm
0,13
Resultados experimentais
Distribuição por tamanhos das partículas de
bagaço – Etapa 2
Fração Grossa
0,45
0,40
0,35
0,30
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
Fração Média
Bagaço de cana integral seco, Fb=18,76kg/h;
Fa=88m3/h
0,50
Fração Fina
Fração em massa das partículas
Fração em massa das partículas
Bagaço de cana integral seco, Fb=18,76kg/h;
Fa=88m3/h
0,50
Experimento 5
9,08
4,01
1,88
1,20
0,75
0,38
Fração Grossa
0,45
0,40
0,35
0,30
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
Fração Média
Fração Fina
Fração em massa das partículas
Fração em massa das partículas
Bagaço de cana integral seco, Fb=18,76kg/h;
Fa=88m3/h
0,50
Fração Grossa
4,01
1,88
1,20
0,75
0,38
0,13
Diâmetro médio de partícula, mm
Diâmetro médio de partícula, mm
0,45
0,40
0,35
0,30
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
Fração Fina
Experimento 6
9,08
0,13
Fração Média
Experimento 7
Bagaço de cana integral seco, Fb=18,76kg/h;
Fa=88m3/h
0,60
Fração Grossa
Fração Média
Fração Fina
0,50
Experimento 8
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
9,08
4,01
1,88
1,20
0,75
0,38
Diâmetro médio de partícula, mm
0,13
9,08
4,01
1,88
1,20
0,75
0,38
Diâmetro médio de partícula, mm
0,13
Resultados experimentais
Fluxos de saída e tamanho médio das partículas
de bagaço por fração classificada – Etapa 2
Experimento
Vazão
bagaço
(kg/h)
Vazão Ar
(m3/h)
1
6,77
66
2
30,42
3
(%)
Grossa
(%)
Média
(%)
Fina
78,11
5,38
16,51
66
85,16
4,04
10,80
6,77
108
50,34
11,02
38,64
4
30,42
108
55,34
6,56
38,10
5
18,76
88
64,84
6,28
28,88
6
18,76
88
67,84
6,40
25,76
7
18,76
88
68,40
5,78
25,82
8
18,76
88
68,76
6,50
24,73
D. Médio
Fr. Grossa
(mm)
D. Médio
Fr. Média
(mm)
D. Médio
Fr. Fina
(mm)
3,29
0,64
0,43
2,84
0,60
0,40
5,90
1,47
1,00
3,35
0,95
0,62
2,94
0,76
0,52
4,02
0,81
0,54
4,25
0,78
0,52
3,83
0,77
0,54
Vazão de Bagaço = Vazão de bagaço de cana obtida a partir da curva de calibração da válvula rotativa de alimentação, em kg/h;
Vazão de Ar = Vazão de ar medida próximo ao ventilador e obtida a partir da curva de calibração do mesmo, em m3/h;
(%) Grossa = Porcentagem da massa de bagaço, em relação à massa total de bagaço inserido no equipamento, classificado como sendo grossa,
valor adimensional;
(%) Média = Porcentagem da massa de bagaço, em relação à massa total de bagaço inserido no equipamento, classificado como sendo média, valor
adimensional;
(%) Fina = Porcentagem da massa de bagaço, em relação à massa total de bagaço inserido no equipamento, classificado como sendo fina, valor
adimensional;
D. Médio F. Grossa = Diâmetro Médio calculado para a fração de bagaço grossa a partir da análise de distribuição de tamanhos das partículas da
mesma, medida em milímetros (mm);
D. Médio F. Média = Diâmetro Médio calculado para a fração de bagaço média a partir da análise de distribuição de tamanhos das partículas da
mesma, medida em milímetros (mm);
D. Médio F. Fina = Diâmetro Médio calculado para a fração de bagaço fina a partir da análise de distribuição de tamanhos das partículas da mesma,
medida em milímetros (mm);
Resultados experimentais
Distribuição por tamanhos das partículas de
bagaço – Etapa 3
Bagaço integral úmido, Fa=66m3/h, Fb=25kg/h
Média
Fina
Grossa
Porcentagem em massa, %
50%
40%
30%
20%
10%
0%
9,08
4,01
1,88
1,20
0,75
0,38
0,13
Média
40%
30%
20%
10%
0%
9,08
4,01
1,88
1,20
0,75
Diâmetro médio de partícula, mm
Bagaço integral úmido, Fa=108m3/h, Fb=25kg/h
Grossa
Média
Fina
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
9,08
Fina
50%
Diâmetro médio de partícula, mm
Porcentagem em massa, %
Porcentagem em massa, %
Grossa
Bagaço integral úmido, Fa=88m3/h, Fb=25kg/h
4,01
1,88
1,20
0,75
Diâmetro médio de partícula, mm
0,38
0,13
0,38
0,13
Resultados experimentais
Distribuição por tamanhos das partículas de
bagaço – Etapa 3
Bagaço cana moído, dp=10mm; Fa=88m3/h, Fb=25kg/h
Bagaço cana moído, dp=10mm; Fa=66m3/h, Fb=25kg/h
Grossa
Fina
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
9,08
4,01
1,88
1,20
0,75
0,38
0,13
Diâmetro médio de partícula, mm
Porcentagem em massa, %
Média
Média
Grossa
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
9,08
4,01
1,88
Fina
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
9,08
4,01
1,88
Média
1,20
1,20
0,75
Diâmetro médio de partícula, mm
Bagaço cana moído, dp=10mm; Fa=108m3/h, Fb=25kg/h
Porcentagem em massa, %
Porcentagem em massa, %
Grossa
Fina
0,75
Diâmetro médio de partícula, mm
0,38
0,13
0,38
0,13
Resultados experimentais
Distribuição por tamanhos das partículas de
bagaço – Etapa 3
Bagaço cana moído, dp=5mm; Fa=66m3/h, Fb=25kg/h
Média
Fina
Grossa
Porcentagem em massa, %
80%
60%
40%
20%
0%
9,08
4,01
1,88
1,20
0,75
0,38
0,13
Diâmetro médio de partícula, mm
Média
Grossa
60%
40%
20%
0%
9,08
4,01
1,88
1,20
Média
Fina
40%
30%
20%
10%
0%
4,01
1,88
0,75
Diâmetro médio de partícula, mm
50%
9,08
Fina
80%
Bagaço cana moído, dp=5mm; Fa=108m3/h, Fb=25kg/h
Porcentagem em massa, %
Porcentagem em massa, %
Grossa
Bagaço cana moído, dp=5mm; Fa=88m3/h, Fb=25kg/h
1,20
0,75
Diâmetro médio de partícula, mm
0,38
0,13
0,38
0,13
Resultados experimentais
Fluxos de saída e tamanho médio das partículas
de bagaço por fração classificada – Etapa 3
Experimento
Vazão
bagaço
(kg/h)
Vazão Ar
(m3/h)
(%)
Grossa
(%)
Média
(%)
Fina
D. Médio
Fr. Grossa
(mm)
D. Médio
Fr. Média
(mm)
D. Médio
Fr. Fina
(mm)
Experimentos classificação Bagaço integral úmido
1
66
97,02
0,92
2,06
3,16
1,09
0,75
2
25
25
88
87,15
2,73
10,12
4,10
0,90
0,56
3
25
108
28,24
39,32
32,44
1,28
0,76
4
25
66
80,42
3,35
16,23
5,72
1,20
0,61
5
25
88
62,30
5,74
31,97
4,98
0,83
0,56
6
25
108
48,85
6,78
44,37
0,93
0,67
7
25
66
79,00
3,41
17,59
1,16
0,76
0,68
8
25
88
64,87
6,03
29,10
1,26
0,81
0,65
25
108
46,86
6,22
46,93
1,24
0,83
0,61
3,37
Experimentos classificação Bagaço moído (dp=10mm)
5,95
Experimentos classificação Bagaço moído (dp=5mm)
Vazão de Bagaço = Vazão de bagaço de cana obtida a partir da curva de calibração da válvula rotativa de alimentação, em kg/h;
Vazão de Ar = Vazão de ar medida próximo ao ventilador e obtida a partir da curva de calibração do mesmo, em m3/h;
(%) Grossa = Porcentagem da massa de bagaço, em relação à massa total de bagaço inserido no equipamento, classificado como sendo grossa,
valor adimensional;
(%) Média = Porcentagem da massa de bagaço, em relação à massa total de bagaço inserido no equipamento, classificado como sendo média, valor
adimensional;
(%) Fina = Porcentagem da massa de bagaço, em relação à massa total de bagaço inserido no equipamento, classificado como sendo fina, valor
adimensional;
D. Médio F. Grossa = Diâmetro Médio calculado para a fração de bagaço grossa a partir da análise de distribuição de tamanhos das partículas da
mesma, medida em milímetros (mm);
D. Médio F. Média = Diâmetro Médio calculado para a fração de bagaço média a partir da análise de distribuição de tamanhos das partículas da
mesma, medida em milímetros (mm);
D. Médio F. Fina = Diâmetro Médio calculado para a fração de bagaço fina a partir da análise de distribuição de tamanhos das partículas da mesma,
medida em milímetros (mm);
Resultados Analíticos
BAGAÇO DE CANA TRATADO FISICAMENTE POR MÉTODOS PNEUMÁTICOS
E MECANOFÍSICOS MOLHADOS
EXPERIMENTOS PNEUMÁTICOS – BAGAÇO DE CANA INTEGRAL SECO
Teores médios de cinza:
Partícula Fibra: 2,58%
Partícula Medula: 4,37%
DEQ – Depto. De Engenharia Química/UFSCar
EXPERIMENTOS MECANOFÍSICOS – DESMEDULADO MOLHADO
Celulose
Hem icelulose
grupos acetila
Lignina
1
41,08
28,67
2,78
22,30
2
41,34
27,53
2,87
22,68
3
40,94
27,81
2,95
22,11
Média
41,1
28,0
2,9
22,4
desv pad
0,20
0,59
0,08
0,29
Cinza
1,03
0,91
1,00
1,0
0,06
Extrativos
3,63
3,87
3,77
3,8
0,12
Total
99,49
99,20
98,58
99,1
0,47
Celulose
Hemicelulose
grupos acetila
Lignina
Cinza
Extrativos
1
36,04
31,52
3,10
21,51
2,07
4,94
2
35,91
31,69
3,09
21,86
2,16
4,44
3
35,75
32,04
2,91
22,15
2,08
3,85
Média
35,9
31,8
3,0
21,8
2,1
4,4
desv pad
0,14
0,27
0,11
0,32
0,05
0,54
Total
99,18
99,15
98,79
99,0
0,22
FIBRA
Teores médios de
cinza:
Fibra: 1,0%
Medula: 2,1%
MEDULA
DPQ – Depto. de Processos
Químicos/UNICAMP
Estudos de Simulação –
Resultados Aproximados
Conclusões
1. Nos três casos (seco, úmido e seco moído) o bagaço de cana foi classificado nas 3 frações
predefinidas durante o projeto básico da instalação experimental, mostrando sempre um
comportamento reproduzível, sendo os diâmetros médios de partícula dos conglomerados
grosso, médio e fino, coerentes em relação aos valores considerados na etapa de projeto.
2. No caso da classificação pneumática contínua com bagaço úmido especificamente foi possível
definir os seguintes critérios de projeto e operacionais como os mais significativos:
2.1) modelo do sistema de alimentação de bagaço de cana à coluna de classificação;
2.2) umidade inicial e tamanho médio das partículas de bagaço de cana integral comumente
produzidos nas usinas sucroalcooleira no Brasil podem ou não serem compatíveis com a taxa
de alimentação de bagaço;
2.3) razão de alimentação sólido/gás, em kg/m3.
3. Em todos os casos o grau de dispersão de tamanhos em cada fração separada aumenta com o
diâmetro médio do conglomerado das partículas de cada fração. Desta forma, o grau de
dispersão aumenta desde a fração fina até a fração grossa.
4. A vazão de ar mostrou ser um fator determinante no controle da eficiência de classificação das
partículas de bagaço de cana.
5. A partir das análises físico-químicas realizadas nas frações de bagaço de cana obtidas por
métodos diferentes de fracionamento de partículas, pode-se observar que valores médios finais
de teor de cinza de 1,0% para a fração fibra e de 2,1% para a fração medula foram obtidos no
caso do desmedulamento molhado, comparados com 2,58% para a fração fibra e 4,37% para a
fração medula no caso das frações obtidas por classificação pneumática.
Agradecimentos
À FAPESP – Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo, Projeto de
Auxílio à Pesquisa, Processo No 2007/01888-4, outorgado Prof. Dr. Luís A. B. Cortez,
pelo financiamento ao projeto.
À TERMOQUIP Energia Alternativa Ltda., empresa atuante na área de bio-energia e
meio ambiente, onde foi construída a instalação experimental de classificação
pneumática.
À Usina Açucareira Ester S.A. pela gentileza no fornecimento do bagaço de cana
utilizado nos experimentos de classificação.
À Dra. Sarita Cândida Rabelo e à Dra. Maria Tereza Borges Pimenta Barbosa,
pesquisadores do CTBE – Laboratório Nacional de Ciência e Tecnologia do Bio-etanol,
pelas análises de composição química das diferentes frações de bagaço de cana.
Obrigado
pela atenção
[email protected]
14 de Dezembro de 2010