Physical characterization of biomass particles separated by elutriation and sieving

Orientador: Waldir Antonio BizzoTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: Diversos processos utilizam as características fluidodinâmicas das partículas sólidas, tais como processos de separação, a combustão em leito fixo, leito fluidizado ou em suspensão e transporte de sólidos. Assim, otimizá-los, reduzir seu impacto no meio ambiente e torná-lo mais atrativo economicamente requer uma boa compreensão da influência da forma, tamanho e densidade dessas partículas. Este trabalho tem como objetivo determinar o coeficiente de arraste mediante a caracterização física das biomassas (bagaço e palha da cana-de-açúcar, bambu e ramo de mandioca) através de dois métodos separação: elutriação e peneiramento. Uma bancada experimental foi construída para separar as partículas de biomassa a partir da sua velocidade de arrasto. Na separação da biomassa, usaram-se 10 velocidades de arrasto (0,6 até 6 m/s ) na elutriação e 10 aberturas de malha (388 até 2360 ?m) no peneiramento. As características dimensionais das partículas das frações obtidas, tanto pela elutriação quanto pelo peneiramento, foram determinadas através de análise de imagem. Densidade aparente da partícula (picnometria) e teor das cinzas (norma ASTM E1755 de 2015) foram determinadas para todas as frações separadas através da elutriação. Os resultados mostraram que a metodologia de separação usada tem uma grande influência na determinação e medição das características físicas (comprimento maior e menor, área projetada, volume e esfericidade) das partículas de biomassa. Assim mesmo, os fatores de forma existentes na literatura foram insuficientes para quantificar a irregularidade das partículas de biomassa, em ambos processo de separação. As análises da morfologia das partículas de biomassa mostraram que nas partículas mais finas de bagaço e bambu existem dois tipos de partículas: medula e fibra. As partículas mais finas de todas as biomassas apresentaram maior quantidade de cinzas: 6,5 % para a palha, 3,4% para a mandioca, 3,1% para o bagaço e 2,1% para o bambu. As correlações da literatura para calcular as velocidades e coeficientes de arrasto apresentaram resultados diferentes das medidas experimentalmente, principalmente para as partículas de maior relação comprimento-diâmetro. O bagaço apresentou os maiores desvios, de até 10,7 vezes entre a velocidade estimada e experimental. O coeficiente de arrasto das partículas de bagaço foram mais claramente afetados pela relação comprimento-diâmetro. As estimativas feitas para o coeficiente de arrasto usando uma equação estabelecida apenas em função das características físicas da partícula (sem fatores de forma) estiveram muito próximas às obtidas pelas correlações da literatura (com a esfericidade). O anterior mostra que o fator de correção da esfericidade, nos termos estabelecidos nas correlações da literatura, não fornece uma significação equivalente à irregularidade das biomassas estudadasAbstract: Several processes use the fluid dynamics characteristics of the solid particles, such as separation processes, fixed bed combustion, fluidized bed or suspended and solid transport. Thus, optimizing them, reducing their impact on the environment, and making it more economically attractive requires a good understanding of the influence of the shape, size, and density of these particles. This work aims to determine the drag coefficient through the physical characterization of biomasses (sugarcane bagasse and straw, bamboo and cassava branch) through two separation methods: elutriation and sieving. An experimental workbench was built to separate the biomass particles from their drag velocities. In the biomass separation, 10 drag velocities (0.6 to 6 m/s) were used in the elutriation and 10 mesh openings (388 to 2360 ?m) were used in the sieving. The dimensional characteristics of the particles of the fractions obtained, by both elutriation and sieving, were determined by image analysis. Apparent particle density (pycnometry) and ash content (ASTM E1755 of 2015) were determined for all fractions separated by elutriation. The results showed that the separation methodology used has a great influence on the determination and measurement of the physical characteristics (major and minor length, projected area, volume and sphericity) of the biomass particles. Likewise, the existing form factors in the literature were insufficient to quantify the irregularity of the biomass particles in both separation processes. The morphology analysis of the biomass particles showed that in the finer particles of bagasse and bamboo there are two types of particles: spongy pith and fiber. The finer particles of all biomasses presented the highest ash amount: 6.5% for the straw, 3.4% for the cassava branch, 3.1% for the bagasse and 2.1% for the bamboo. The literature correlations to calculate the velocities and drag coefficients showed different results from those measured experimentally, especially for the particles of greater length-diameter ratio. The bagasse presented the greatest deviations, up to 10.7 times between estimated and experimental velocity. The drag coefficient of the bagasse particles was more clearly affected by the length-diameter ratio. The estimates made for the drag coefficient using an equation established only in function of the physical characteristics of the particle (without form factors) were very close to those obtained by the correlations in the literature (include sphericity). The previous one shows that the correction factor of the sphericity, in the terms established in the correlations of the literature, does not provide a signification equivalent to the irregularity of the studied biomassesDoutoradoTermica e FluidosDoutor em Engenharia Mecânica141252/2015-4 CNP