Balanço de massa e energia

 Além de estimar os esforços mecânicos inerentes ao projeto do biodigestor, a equipe Verde Engenharia também irá realizar os cálculos de balanço de massa e energia, para determinação dos componentes formados, entalpia de formação, poder calorífico da reação e geração de energia do biodigestor.

A determinação dos parâmetros de operação ótimos para um processo requer conhecimento profundo sobre o comportamento do sistema. Os balanços de massa e energia são essenciais para o projeto de equipamentos e devem ser satisfeitos, na íntegra, para que um processo seja operado da forma mais econômica possível. Os critérios econômicos, sejam de materiais, energia ou financeiros, são imperativos na implantação ou operação de um processo. O balanço de massa representa uma peça fundamental do projeto de equipamentos e torna-se complexo quando tratamos de processos constituídos por diversos equipamentos interligados. Esta complexidade aumenta em sistemas multifásicos, heterogêneos e com reações químicas. Por isso, é necessária uma sistematização das informações disponíveis para que seja possível uma solução clara e objetiva, e a análise energética, através do balanço de energia, é imprescindível nos estudos de viabilidade econômica de um processo. Porém, não apenas por questões econômicas, mas também como requisito para o projeto de equipamentos, estudos de impacto ambiental e desenvolvimento de novos processos. O fundamento principal do balanço de energia está na primeira lei da termodinâmica, que afirma que a variação do conteúdo energético de um sistema fechado é a diferença entre o calor fornecido a este e o trabalho realizado pelo mesmo. Os estudos termodinâmicos são essenciais para a consolidação dos balanços de massa e energia.

Nosso biodigestor compõe um sistema fechado, multicomposto e que possui reação química. Análises térmicas e de composição da matéria orgânica que abastece o biodigestor estão sendo realizadas, para que se possa efetuar os cálculos de balanço de massa e energia e estimar o quão eficiente será o nosso projeto.

Até breve!

Esforços Mecânicos

A nossa equipe Verde Engenharia pensou na eficiência do biodigestor e na vida útil do mesmo, com isso vieram algumas perguntas conseqüentemente, tais como: “Quais esforços mecânicos existirão? A massa utilizada exercerá uma força grande no misturador? Qual a interferência do vento no biodigestor?”.

Buscando um maior entendimento no assunto essa semana fomos entender um pouco mais dos esforços mecânicos que o nosso biodigestor sofrerá nas condições de instalação e uso.

Esforço mecânico é quando o material sólido tende a deformar quando submetido a uma força, com isso, se faz necessário um estudo prévio dos elementos que sofreram esforços para dimensionar de forma correta com a finalidade de mitigar ou eliminar possíveis problemas. Existem alguns tipos de esforços:

Figura 1 – Esquema gráfico simplificado dos principais esforços mecânicos.

(a) Tração: a força atuante tende a provocar um alongamento do elemento na direção da mesma.

(b) Compressão: a força atuante tende a produzir uma redução de tamanho do elemento na direção da mesma.

(c) Flexão: a força atuante provoca uma deformação do eixo perpendicular à mesma.

(d) Torção: as forças atuam em um plano perpendicular ao eixo de tal forma que cada seção transversal do objeto sob ação do esforço tende a girar em relação às outras.

(e) Flambagem: é um esforço de compressão em uma barra de seção transversal pequena em relação ao comprimento, que tende a produzir uma curvatura na barra.

(f) Cisalhamento: forças atuantes tendem a produzir um efeito de corte, isto é, um deslocamento linear entre seções transversais.

Nosso biodigestor é um biodigestor de formato cilíndrico no qual todos os parâmetros são baseados no diâmetro e na altura do substrato, assim, podendo ser adaptável as formulas já conhecidas na literatura.

De acordo com a literatura estudada e o modelo do nosso biodigestor concluímos que, só sofrerá os seguintes esforços mecânicos significantes:

•       Flexão no misturador;
•       Torção no misturador;
•       Tração no misturador.  
• 
  

Posteriormente estaremos realizando cálculos, que serão necessário para analise geral do biodigestor, especificação da sua resistência física e tempo de duração em operação, aguardem as próximas postagens.

     

Até breve!

Conclusão do Biodigestor

Essa semana a equipe da Verde Engenharia, concluiu a construção do biodigestor. Foi feita a conexão da saída de gás e adicionada à mangueira para confecção do manômetro em “U”.

Após a conclusão do biodigestor nossa equipe deu inicio ao seu funcionamento, foi recolhida matéria orgânica a ser utilizada e inicio-se sua preparação, a fim de acelerar o processo de fermentação. A matéria orgânica foi triturada no liquidificador para que fosse formada uma pasta e adicionada ao biodigestor em uma quantidade total de 72 Kg.

Foi adicionado água ao biodigestor proporcionalmente a quantidade de matéria orgânica utilizada e feita sua vedação por completo para dar inicio ao processo de fermentação. Posteriormente serão feitos os cálculos termodinâmicos e o acompanhamento do gás produzido que será divulgado em nossas próximas postagens.

                                                                             Até breve!

Análise térmica: TGA

A equipe Verde Engenharia, além de realizar os ensaios mecânicos nas estruturas de Polietileno de alta densidade (PEAD) e Policloreto de vinila (PVC), realizou também análises térmicas para certificar-se de que os materiais escolhidos para a construção do biodigestor resistiriam às condições de temperatura. Foram realizados testes de Análise Termogravimétrica (TGA) e Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC). A termogravimetria  foi realizada no laboratório da Universidade Federal da Bahia (UFBA) e a calorimetria foi feita no laboratório da Faculdade de Tecnologia Senai Cimatec. A análise abordada será a termogravimétrica. 

A análise termogravimétrica  é uma técnica da análise térmica na qual a variação da massa da amostra (perda ou ganho) é determinada em função da temperatura e/ou tempo, enquanto a amostra é submetida a uma programação controlada de temperatura. Esta técnica possibilita conhecer as alterações que o aquecimento pode provocar na massa das sustâncias, permitindo estabelecer a faixa de temperatura em que elas adquirem composição química, fixa, definida e constante, a temperatura em que começam a se decompor, acompanhar o andamento de reações de desidratação, oxidação, combustão, decomposição, etc. Um aparelho de TGA apresenta como peças principais: uma balança de precisão, cadinhos feitos de material inerte, forno, termopares e um sistema de passagem de gás (comumente chamado de purga). As amostras (PVC e PE) foram inseridas em um cadinho e levadas ao forno em um suporte ligado à balança.

O experimento para se avaliar as variações de massa de um dado material em função da temperatura são executados mediante a termobalança (associação forno-balança), que deve permitir o trabalho sob as mais variadas condições experimentais (diferentes atmosferas gasosas e massa de amostra, variadas razões de aquecimento e/ou condições isotérmicas em temperaturas específicas, etc).

 As curvas geradas fornecem informações quanto à estabilidade térmica da amostra, à composição e à estabilidade dos compostos intermediários e do produto final. Obviamente que , durante os processos térmicos, a amostra deve liberar um produto volátil devido a processos físicos ou químicos, tais como desidratação, vaporização, dessorção, oxidação, redução etc; ou deve interagir com o gás da atmosfera atuante no interior do forno resultando em processos que envolve ganho de massa, tais como: absorção, oxidação de ligas ou metais e óleos,etc.

As análises termogravimétricas do PVC foram realizadas na faixa de temperatura de 22.05 ºC até 997.9 ºC e a dos PEAD, na faixa de 25,53 ºC até 997.6 ºC. Foram, portanto, realizados ensaios dinâmicos, que utilizaram aproximadamente 5,6 mg de massa de PEAD e 5,58 mg de PVC.

Figura 1. Curva do TGA do PEAD

Figura 2. Curva do TGA do PVC

No PVC pode observar que aproximadamente na temperatura de 1000 ºC a massa percentual de PVC é de apenas 7% dos 5,58 mg e no PEAD a essa mesma temperatura aproximada sua massa está negativa, entendendo-se uma perda total de massa que era de 5,6 mg.

Como o nosso biodigestor será móvel, podendo estar sendo bastante exposto ao sol, acredita-se que a temperatura máxima será de 100 ºC, podendo-se dizer que com essa temperatura a massa do PE e PVC não irá alterar consideravelmente de forma isso possa causar um problema para o projeto.

Até breve!

Construção do Biodigestor Anaeróbico: Parte 1

A nossa empresa, Verde Engenharia, passou por algumas dificuldades até realizar a entrega do projeto. Como já foi dito em nossa última postagem, o nosso maior problema foi o corte da tampa da primeira bombona que adquirimos, cujo o qual foi feito com a esmerilhadeira, um equipamento que trabalha sob temperaturas altas e que apesar de ter cortado, deixou muitos desníveis e rebarbas na tampa, dificultando a vedação final da mesma e como iriamos abri-la, sem ter tanto trabalho, para limpá-la e inserir a matéria orgânica. Por conta disso fez-se necessário comprar uma nova bombona de tampa rosqueada de 238 L e tivemos o prazo máximo de 4 dias para entregar o novo biodigestor com todas as tubulações e equipamentos. 

Etapas

Primeiro biodigestor: não nos aprofundaremos muito na explicação dessa etapa, pois, apesar de termos iniciado a construção do misturador e termos feito o furo inferior, o corte feito na bombona atrapalhou a finalização do projeto, já que a vedação estava sendo nosso maior impasse por conta do corte desnivelado feito na tampa. Pontuando que, quando resolvemos escolher esta bombona para iniciarmos o projeto, fugimos da metodologia que estamos seguindo, e isso também influenciou no crescimento das dificuldades posteriores.

Primeira bombona com a tampa retirada.

Segundo Biodigestor: aqui nossa equipe já havia trocado a bombona antiga com tampa soldada por uma com tampa rosqueada, como descreve a metodologia. Isso facilita muito a vedação, limpeza e entrada da matéria orgânica.

Segunda bombona com tampa rosqueada.

Lavamos a bombona (esta servia para armazenar azeitonas) com água e sabão para neutralizar qualquer agente que pudesse influenciar negativamente na fermentação. Desta vez os furos na tampa (para o misturador), na parte inferior (para o dreno) e na superior (para a saída de gás) da bombona foram efetuados com o auxilio de uma furadeira com um serra copo de 25 mm de diâmetro acoplado.

À esquerda, furos superiores; à direita, furo do misturador sendo feito.

O misturador foi feito com tubos de PVC de 25mm de diâmetro para melhor robustez. Na parte inferior do eixo central utilizamos um tubo com 350 mm e na parte superior, um com 310 mm. Os braços agitadores foram montados com 4 tubos de 200 mm, um tê de PVC conectado à parte inferior, uma cruzeta de ferro galvanizado para a conexão entre as partes superior e inferior e cinco adaptadores soldáveis/rosca. Um flange foi colocado para o giro do misturador e externamente foi feita uma manivela de rotação com dois pedaços de tubo de 200 mm, um com 80 mm, um cotovelo de 90º e dois caps de PVC. Os braços agitadores e os tubos que compõem a manivela foram todos colados com cola de PVC para garantir que não se soltem durante o processo de mistura.

Misturador de PVC.

Para o dreno inferior, por onde irá sair o nosso biofertilizante, foram utilizadas uma válvula esfera e uma flange, ambas com 25 mm de diâmetro. 

Dreno inferior para saída do biofertilizante.

A saída de gás é composta por um flange, uma união soldável, um tê soldável, válvula esfera soldável e outra roscada, e um adaptador e um redutor roscados (com 20 mm de diâmetro) e dois espigões com rosca de 3/4" e saída 1/8". A foto abaixo mostra, também, como ficou a saída de gás e a manivela já presas na bombona.

Saída de gás e componentes externos superiores presos a bombona.

Por fim, depois de algumas dificuldades, conseguimos montar nossa bombona quase que completamente. Agora só falta acoplar o manômetro, para controle do gás produzido e um termômetro (feito com um termopar e um multímetro) para ser acoplado externamente na lateral do biodigestor.

Biodigestor anaeróbico.

Na próxima semana iremos concluir a construção e as analises da matéria orgânica utilizada.

Até breve!