Produção de biodiesel em reator de membrana com uso de misturador estático e simulação em CFD

The use of membrane reactors for the production of biodiesel has been presented as one of the most promising alternatives for the production of biofuels due to the need to reduce the use of fossil fuels due to damage to the environment. However, little has been studied about the influence of con...

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Detalhes bibliográficos
Autor principal: Lira, Daniel Silveira
Outros Autores: Souza, Domingos Fabiano de Santana
Formato: doctoralThesis
Idioma:pt_BR
Publicado em: Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Assuntos:
Reator de membrana
Transesterificação
Polarização da concentração
Misturador estático
Biodiesel
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
Endereço do item:https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/57361
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Produção de biodiesel em reator de membrana com uso de misturador estático e simulação em CFD
description The use of membrane reactors for the production of biodiesel has been presented as one of the most promising alternatives for the production of biofuels due to the need to reduce the use of fossil fuels due to damage to the environment. However, little has been studied about the influence of concentration polarization in membranes where there is a reaction occurring. Due to the difficulty of detecting this phenomenon by experimental means, computational fluid dynamics is shown to be a robust tool for the study of mass transfer phenomena in membranes. Thus, in this work the influence of the presence of a static helical mixer on the thickness of the concentration polarization layer in a membrane reactor and by means of CFD simulations was studied. The influence of the following conditions on permeate conversions and masses was experimentally studied: transmembrane pressure of 1.0, 1.5 and 2.0 bar, molar ratio between methanol/sunflower oil of 9/1, 12/1 and 15/1, pore size of the ceramic membrane of 0.05, 0.1 and 0.2 μm, as well as in the presence of a static mixer of the Kenics type. For the simulations, the Navier-Stokes equation was used to solve the mass and continuity balances of the problem, while the Kozeny-Carman equation was used to model the porous medium of the membrane. The results show good agreement of the computational results with the experimental ones, where the thickness of the polarization layer increases with the reaction time, due to the action of mass convection, but the effect of permeability on the thickness of the layer was negligible. The highest conversions were achieved under conditions with molar ratio 15/1, transmembrane pressure of 1.0 bar, in the presence of static mixer, reaching values of 92.49%, 85.25%, respectively, while pore size did not have a significant influence on conversion. The results also showed that the use of a static mixer was efficient in reducing the thickness of the polarization layer of the concentration. Thus, the use of static mixer in membrane reactor showed great improvement in relation to the formation of concentration polarization.
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spelling ri-123456789-573612024-01-22T21:23:03Z Produção de biodiesel em reator de membrana com uso de misturador estático e simulação em CFD Biodiesel production in membrane reactor using atatic mixer and CFD simulation Lira, Daniel Silveira Souza, Domingos Fabiano de Santana http://lattes.cnpq.br/3735828553511978 https://orcid.org/0000-0002-1594-6814 http://lattes.cnpq.br/7400460833577257 Oliveira, Jackson Araújo de http://lattes.cnpq.br/5058617634570704 Jesus, Anderson Alles de Padilha, Carlos Eduardo de Araújo Ruiz, Juan Alberto Chavez Padilha, Liana Franco Reator de membrana Transesterificação Polarização da concentração Misturador estático Biodiesel CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA The use of membrane reactors for the production of biodiesel has been presented as one of the most promising alternatives for the production of biofuels due to the need to reduce the use of fossil fuels due to damage to the environment. However, little has been studied about the influence of concentration polarization in membranes where there is a reaction occurring. Due to the difficulty of detecting this phenomenon by experimental means, computational fluid dynamics is shown to be a robust tool for the study of mass transfer phenomena in membranes. Thus, in this work the influence of the presence of a static helical mixer on the thickness of the concentration polarization layer in a membrane reactor and by means of CFD simulations was studied. The influence of the following conditions on permeate conversions and masses was experimentally studied: transmembrane pressure of 1.0, 1.5 and 2.0 bar, molar ratio between methanol/sunflower oil of 9/1, 12/1 and 15/1, pore size of the ceramic membrane of 0.05, 0.1 and 0.2 μm, as well as in the presence of a static mixer of the Kenics type. For the simulations, the Navier-Stokes equation was used to solve the mass and continuity balances of the problem, while the Kozeny-Carman equation was used to model the porous medium of the membrane. The results show good agreement of the computational results with the experimental ones, where the thickness of the polarization layer increases with the reaction time, due to the action of mass convection, but the effect of permeability on the thickness of the layer was negligible. The highest conversions were achieved under conditions with molar ratio 15/1, transmembrane pressure of 1.0 bar, in the presence of static mixer, reaching values of 92.49%, 85.25%, respectively, while pore size did not have a significant influence on conversion. The results also showed that the use of a static mixer was efficient in reducing the thickness of the polarization layer of the concentration. Thus, the use of static mixer in membrane reactor showed great improvement in relation to the formation of concentration polarization. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES O uso de reatores de membrana para produção de biodiesel vêm se apresentando como uma das alternativas mais promissoras para a produção de biocombustíveis face à necessidade de redução do uso de combustíveis fósseis devido aos danos ao meio ambiente. Porém pouco se têm estudado sobre a influência da polarização de concentração em membranas onde há uma reação ocorrendo. Devido à dificuldade de detecção desse fenômeno por meios experimentais, a fluidodinâmica computacional se mostra como uma ferramenta robusta para o estudo dos fenômenos de transferência de massa em membranas. Sendo assim, o objetivo deste trabalho foi estudar a influência da presença de um misturador estático do tipo helicoidal sobre a espessura da camada de polarização de concentração em reator de membrana e por meio de simulações CFD. Foram estudadas experimentalmente a influencia das seguintes condições sobre as conversões e massas de permeado: pressão transmembrana de 1,0, 1,5 e 2,0 bar, razão molar entre metanol/óleo de girassol de 9/1, 12/1 e 15/1, tamanho de poros da membrana cerâmica de 0,05, 0,1 e 0,2 µm, bem como na presença de misturador estático do tipo Kenics. Para as simulações foi utilizada a equação de Navier-Stokes para solucionar os balanços de massa e continuidade do problema, já a equação de Kozeny-Carman foi utilizada para modelar o meio poroso da membrana. Os resultados demonstram que a espessura da camada de polarização aumenta com o tempo de reação, devido à ação da convecção de massa, porém o efeito da permeabilidade sobre a espessura da camada foi negligenciável. As maiores conversões foram atingidas nas condições com razão molar 15/1, pressão transmembrana de 1,0 bar, na presença de misturador estático, atingindo valores de 92,49%, 85,25%, respectivamente, enquanto o tamanho de poros não apresentou influência significativa na conversão. Os resultados também mostraram que a utilização de um misturador estático foi eficiente em reduzir a espessura da camada de polarização da concentração. Dessa forma, a utilização de misturador estático em reator de membrana apresentou grande melhoria em relação à formação da polarização de concentração. 2024-01-22T21:22:28Z 2024-01-22T21:22:28Z 2023-08-15 doctoralThesis LIRA, Daniel Silveira. Produção de biodiesel em reator de membrana com uso de misturador estático e simulação em CFD. Orientador: Dr. Domingos Fabiano de Santana Souza. 2023. 86f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2023. https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/57361 pt_BR Acesso Aberto application/pdf Universidade Federal do Rio Grande do Norte Brasil UFRN PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA

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