Project and construction of a pilot plant for hydrolysis and gasification in sub/supercritical water

Orientador: Tânia Forster CarneiroDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de AlimentosResumo: Novas tecnologias de reaproveitamento de resíduos para a produção de novos produtos com gasto energético estão emergindo como uma forma eficiente e economicamente viável. Tecnologias utilizando água supercrítica podem representar uma alternativa ambientalmente correta, uma vez que promovem o desenvolvimento sustentável em relação aos métodos convencionais. Processos de hidrólise em água supercrítica dispensam solventes ácidos e processos de gaseificação em água supercrítica dispensam a secagem da amostra, ou seja, permitem o emprego de resíduos húmidos. Adicionalmente, processos de hidrólise e gaseificação utilizando fluidos supercríticos permitem um eficiente controle do processo através de pequenas variações nas condições de operação (pressão, temperatura, vazão, etc.). Trata-se de uma tecnologia em fase de desenvolvimento, existindo poucos relatos na literatura sobre sistemas de hidrólise e/ou gaseificação com água supercrítica e processos similares. A unidade piloto proposta neste trabalho permite o estudo dessa tecnologia e utilizando água supercrítica de forma a integrar em um mesmo equipamento dois processos: hidrólise seguida de gaseificação; proporcionando uma melhor relação custo-benefício associada a essas tecnologias. O sistema proposto tem aplicações no desenvolvimento de processos com água em condições sub e supercríticas de temperatura e pressão, buscando a obtenção de açúcares fermentáveis e/ou gases de interesse energético, tais como hidrogênio e metano. O objetivo principal deste trabalho foi projetar e construir um sistema em escala piloto capaz de realizar a conversão do bagaço da cana-de-açúcar em produtos de maior valor agregado, a partir de um reator de hidrólise operando em condições subcríticas de temperatura e pressão, seguido de um reator de gaseificação operando em condições supercríticas de temperatura e pressão, em regime semicontínuo. Testes preliminares foram realizados no reator de hidrólise com o objetivo de otimizar as condições de temperatura e pressão no primeiro reator previamente ao reator de gaseificação. Os resultados das cinéticas de hidrólise, com duração entre 15 e 25 minutos, indicaram altos valores de rendimento de açúcares redutores e redutores totais nas temperaturas de 200 e 250 ºC, independentemente dos valores de pressão estudados. Por outro lado à temperatura de hidrólise de 250 °C foi obtida maior rendimento de hidrólise, esse comportamento pode ser indicado devido a maior formação de açúcares observado neste experimentoAbstract: Waste recycling technologies to produce new products with energy recovery are emerging as efficient and economically viable alternative. Technologies using supercritical water can represent an environmentally friendly alternative, as they promote sustainable development compared to conventional methods. Hydrolysis processes in supercritical water do not require acid solvents and gasification processes in supercritical water dispense sample drying, or allow the use of wet waste. Additionally, hydrolysis and gasification processes using supercritical fluids allow an efficient control of the process by small variations in the operating conditions (pressure, temperature, flow rate, etc.). Since this is a technology under development, there are few reports in the literature on hydrolysis and / or gasification systems with supercritical water and similar processes. The pilot plant proposed in this work allows the study of supercritical water technology to integrating in one device two processes: the hydrolysis followed by gasification, providing a cost-benefit associated with these technologies. The proposed system has applications in process development with water in sub- and supercritical conditions of temperature and pressure to obtain fermentable sugars and / or gases such as hydrogen and methane. The main objective of this work was to design and to build a system at pilot plant scale capable of performing the conversion of sugar cane bagasse into higher added value products and energy, from a hydrolysis reactor operating in subcritical conditions of temperature and pressure followed by a gasification reactor operating in supercritical conditions of temperature and pressure, in a semi-batch system. Preliminary tests were carried out in the hydrolysis reactor in order to determine the optimal temperature and pressure conditions in the first reactor previous to gasification reactor. The results of the hydrolysis kinetics, lasting between 15-25 minutes showed high yield values of reducing sugars and total reducing sugars at the temperatures of 200 and 250 °C, independently of the pressure values studied. On the other hand, to the hydrolysis temperature of 250 ° C was obtained a yield higher hydrolysis, this behavior may be indicated due to larger formation of sugars observed in this experimentMestradoEngenharia de AlimentosMestre em Engenharia de Alimento