BR202020008951U2 - Biorreator anaeróbio contínuo de tanque agitado modificado com estruturas para realização de mistura homogênea com baixa velocidade do fluído para tratamento de resíduos sólidos urbanos - Google Patents

Abstract

biorreator anaeróbio contínuo de tanque agitado com estruturas para realização de mistura homogênea com baixa velocidade do fluído de resíduos sólidos urbanos. o presente modelo de utilidade conjuga adaptações em um biorreator anaeróbio contínuo de tanque agitado (cstr) com estruturas para realização de mistura homogênea de resíduos sólidos urbanos (rsu) realizada com baixa velocidade do fluido dentro do tanque. as ditas estruturas são constituídas por: conjunto de aletas (6) fixas na parede do tanque do biorreator com o intuito de deslocar o fluido impulsionado pelos agitadores para o centro do tanque; suporte do reservatório de gás com base cônica (7), direcionando o fluido para as laterais do tanque; e bordas internas inferiores do tanque curvas (8) para evitar o acúmulo de resíduos depositados no fundo do tanque. essas estruturas anexas ao cstr modificado alimentado por resíduo sólido urbano agregam na dinâmica do fluido na parte interna do tanque do biorreator, estabelecendo, assim, a necessidade de uma menor velocidade dos agitadores, e consequentemente, a redução do cisalhamento de células microbianas e diminuição da formação de escuma.

Description

BIORREATOR ANAERÓBIO CONTÍNUO DE TANQUE AGITADO MODIFICADO COM ESTRUTURAS PARA REALIZAÇÃO DE MISTURA HOMOGÊNEA COM BAIXA VELOCIDADE DO FLUÍDO PARA TRATAMENTO DE RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS CAMPO DA INVENÇÃO

[001] O presente modelo de utilidade fornece novas estruturas modificadas e projetadas para solucionar os empecilhos ocasionados pela formação de escuma, entupimento de tubulação de gás e cisalhamento de células microbianas causados, principalmente, pela agitação dentro de um Biorreator Contínuo de Tanque Agitado (CSTR) para a produção biogás a partir do tratamento de resíduos sólidos urbanos (RSU).

FUNDAMENTOS PARA A INVENÇÃO

[002] O biogás é um gás natural resultante da fermentação anaeróbia de resíduos orgânicos de origem industrial e/ou residencial, dejetos de animais, resíduos vegetais dentre outros em condições adequadas (COLDEBELLA, 2006). É um combustível gasoso com alto potencial energético e pode ser utilizado para geração de energia elétrica, térmica ou mecânica (SOUZA, 2004).

[003] Sendo uma fonte de energia limpa, eficiente e renovável, o biogás tornou-se um substituto de outros tipos de combustível (YU et. al., 2008). A sua produção e utilização é considerada como sendo uma das tecnologias mais eficientes em termos energéticos e ambientalmente benéficas para a produção de bioenergia (WEILAND, 2010).

[004] O biogás pode contribuir para um sistema energético sustentável e a eficiência da tecnologia deve ser aprimorada continuamente. Neste sentido, Wu (2006) revisou a fluidodinâmica computacional (Computational Fluid Dynamics - CFD) da conversão bioquímica de matéria orgânica em biogás em um biorreator e mencionou a importância de um ambiente com condições que favoreçam o processo biológico, em destaque a mistura e a fermentação biológica.

[005] O biodigestor anaeróbio é um sistema fechado onde é realizada a degradação da matéria orgânica por ação microbiológica. Geralmente conta com um sistema de entrada de matéria orgânica, um tanque onde ocorre a digestão e um mecanismo para retirada de subprodutos (REIS, 2012).

[006] Em um CSTR a intensidade da agitação do fluido reacional é de grande importância, pois o aumento na taxa de transferência de calor e de massa entre os reagentes promove um aumento subsequente na conversão final em biogás.

[007] Um misturador ou agitador basicamente é composto de um rotor o qual fornece energia em forma de potência para o processo de mistura um e impelidor que são lâminas acopladas à um eixo rotacional cuja geometria em movimento circulatório propicia agitação no meio que está inserido.

[008] A importância da mistura para a conversão eficiente do substrato foi relatada por vários pesquisadores. Vesvikar e Al-Dahhan (2005) demonstraram que é necessária uma mistura adequada para o desempenho e operação ideais de reatores. A mistura no digestor anaeróbio ajuda na homogeneização e na distribuição uniforme dos substratos e microorganismos.

[009] Karim et al. (2005) examinaram o efeito da mistura do substrato na produção de biogás. Relataram que os digestores de mistura completa produziam mais biogás que os não misturados quando alimentados com dejetos mais espessos. A mistura pode evitar o assentamento de partículas sólidas da biomassa.

[010] Bridgeman (2012) realizou seu experimento usando um misturador mecânico e concluiu que o uso do misturador aumenta o desempenho do digestor de biogás, contudo é uma técnica que consome energia. Bello-Mendoza e Sharratt (1998) descreveu a necessidade de uma mistura eficiente dentro de reatores anaeróbios. Weiland (2010) apresentou em seu estudo, que até 90% das plantas de biogás com reatores CSTR usam equipamentos de agitação mecânica.

[011] Em relação ao consumo de energia o estudo realizado por Ludek et al. (2013) apresentou que o autoconsumo total de energia elétrica pelas usinas de biogás investigadas estava na faixa de 7 a 8% da energia elétrica total produzida. Sendo que cerca de 40% da energia consumida é utilizada para misturar o substrato nos digestores. A mistura inadequada tende a provocar o acúmulo de escuma na superfície dos reatores.

[012] Quando se trata de resíduos urbanos, é necessário ressaltar que os reatores de mistura contínua são sensíveis a impurezas como areia, metal, pedras e vidro, sendo submetidos a um intenso desgaste quando recebem tais materiais. Os materiais leves como plástico ou materiais lenhosos podem provocar o entupimento do sistema ou a formação de uma camada grossa flutuante, conhecida como escuma, cuja retirada demanda esforço e causa dificuldades operacionais. Por isso, é recomendado que o substrato seja bem selecionado e livre de impurezas (PROBIOGÁS, 2015).

[013] A escuma pode ser definida como as substâncias mais leves que a água e que flutuam depositando-se no topo dos reatores formando uma camada de espuma. Essas substâncias podem causar empecilhos como o bloqueio em tubulações. Uma das causas é a operação ineficaz de agitadores mecânicos o que normalmente acarreta em altos custos de manutenção e mão-de-obra para os CSTRs.

[014] O acúmulo de escuma pode desestabilizar o meio reacional promovendo condições ácidas (pH < 6) e necessita ser removida dos digestores anaeróbios.

[015] As bactérias metanogênicas são suscetíveis a variações de pH e se desenvolvem em uma faixa de pH entre 6,5 a 7,5. A metanogênese, fase onde o biogás é produzido, tem sua condição otimizada em pH próximo a neutralidade (FLORENCIO et. al., 1996). Variações bruscas de pH são um indício de instabilidade e podem provocar a falha de de reatores anaeróbios.

[016] Além da qualidade do substrato utilizado para produção de biogás em reatores CSTR, a intensidade da agitação, o cisalhamento de células microbianas e a formação de escuma são fatores que afetam o desempenho do reator. Para mitigar estes empecilhos a configuração de um reator CSTR tradicional pode ser modificada, reduzindo a velocidade do fluído reacional e garantindo uma mistura homogênea.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[017] Os desafios para implementação prática bem sucedida da produção de metano em um CSTR modificado com baixa velocidade de fluido para tratamento de RSU são: a garantia da mistura homogênea em todo o biorreator, a redução do cisalhamento de células microbianas e a diminuição da formação de escuma.

[018] O presente modelo de utilidade fornece algumas alterações em um biorreator CSTR convencional que tem sido planejadas para superar a formação de escuma e cisalhamento de células microbianas através de adaptações estruturais internas do tanque do reator.

[019] O sistema divulgado aqui apresenta algumas modificações que visam atender os desafios relatados anteriormente: a presença de aletas curvas fixas na parede do biorreator para direcionamento do fluxo do fluido para o centro; construção de um cone no inferior e centro do biorreator para redirecionar o fluxo do fluido para as bordas além de servir de base para o poste de sustentação do gasômetro; borda inferior curva da parede do biorreator para minimizar o depósito de sólidos no fundo do biorreator.

[020] As aletas possuem formato curvo e são fixas na parede do biorreator CSTR modificado, de modo que haja o direcionamento do fluxo do fluido impulsionado pelos agitadores para o centro do reator e porventura a redução o cisalhamento de células microbianas. São adaptadas também para a instalação em reatores já construídos. Os materiais da aleta não devem ser suscetíveis ao choque e turbilhonamento ocasionado pela velocidade do fluido bem como devem ser resistentes a agentes corrosivos inerentes do processos da biodigestão anaeróbia e ao desgaste físico ocasionado pelo atrito, por exemplo, com material inorgânico.

[021] O poste de sustentação é utilizado para que o gasômetro não encoste no fluido dentro do reator. Aproveitando a necessidade deste suporte, a base em formato de cone tem como principal função o redirecionamento do fluxo do fluido dentro do reator. Os materiais para este suporte também devem ser resistes a agentes corrosivos e ao atrito. Este suporte pode ser construído em novos reatores, mas também pode ser projetado para reatores já construídos, porém é necessário o esgotamento de todo o reator para essa modificação.

[022] As bordas inferiores curvas do tanque do reator minimizam o acúmulo de sólidos no fundo do tanque, pois contribuem com a dinâmica do fluído impulsionado pelos agitadores do biorreator.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[023] A invenção poderá ser melhor compreendida através da seguinte descrição detalhada, em consonância com as figuras em anexo, onde:

[024] Na Figura 1 é representada uma visão frontal do CSTR modificado;

[025] Na Figura 2 é apresentada uma visão superior, em corte, do tanque do CSTR modificado;

[026] Na Figura 3 é representada uma visão frontal, em corte, do tanque e reservatório de gás do CSTR modificado.

[027] Na Figura 4 é apresentada a comparação de simulações computadorizadas da dinâmica da temperatura no tanque de um reator CSTR convencional e no tanque do reator CSTR modificado.

[028] Na Figura 5 é mostrado as comparações das simulações apresentadas na Figura 4 na perspectiva lateral.

[029] Na Figura 6 é apresentado a comparação de simulações computadorizadas do comportamento da temperatura na superfície do tanque de um reator CSTR convencional e no tanque do reator CSTR modificado.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[030] De um modo geral, as formas de realização descritas aqui são dirigidas ao CSTR modificado para a produção de biogás a partir do tratamento de resíduos sólidos urbanos. Conforme necessário, as formas de realização do presente modelo de utilidade são divulgadas aqui. Entretanto, as formas de realização divulgadas são meramente exemplares, e deve ser entendido que o modelo de utilidade pode ser incorporado em muitas formas variadas e alternativas.

[031] As figuras não são para escala e algumas características podem ser exageradas ou minimizadas para mostrar detalhes e elementos particulares. Detalhes estruturais e funcionais específicos divulgados aqui não devem ser interpretados como limitantes, mas meramente como uma base para as reivindicações e como uma base representativa para mostrar a uma pessoa habilitada na técnica a empregar variavelmente o presente modelo de utilidade.

[032] Referindo-se a Figura 1, é mostrado o duto de entrada de resíduos (1) para o CSTR modificado e a saída de resíduos (2), caracterizando a continuidade do sistema. O reservatório de biogás (3) fica acoplado ao tanque do biorreator e o gás produzido pela reação anaeróbia é transferido pelo duto de saída de gás (4). Os motores dos agitadores (5) estão apresentados na visão da Figura 1, neste modelo de utilidade são utilizados três agitadores dispostos equidistantes um dos outros.

[033] Na Figura 2 são representadas as aletas curvas (6) distribuídas equidistantes uma das outras, na parede interna do tanque do biorreator, posicionadas de forma a deslocar o fluxo de fluido que previamente iria diretamente a parede do biorreator.

[034] Na Figura 3 é apresentado o poste de suporte para o gasômetro e a sua base em formato de cone (7) bem como as bordas curvas inferiores (8) na parede do tanque do CSTR modificado.

MATERIAIS E MÉTODOS

[035] Análises utilizando fluidodinâmica computacional foram realizadas em um modelo de CSTR convencional e em um CSTR com as modificações aqui propostas. As simulações são utilizadas para identificar o grau de homogeneidade da mistura dentro do tanque dos reatores a partir de modelagens matemáticas. Para esta simulação, não serão utilizados parâmetros de aquecimento do reator.

[036] Ambos os reatores utilizados na simulação possuem formato cilíndrico. Para fins da simulação, foi delimitado como área a ser modelada os tanques do reatores, lacrados e sem a presença dos reservatórios de gás.

[037] Cada tanque cilíndrico possui 25 metros de largura e 10 metros de altura, resultando em um volume interno médio de 4908,7 metros cúbicos. Não contabilizando as estruturas internas adicionadas no reator CSTR modificado.

[038] Foram usados três agitadores angulados em cada tanque com pás do tipo propulsor. Cada agitador está posicionado a 5 metros do fundo do reator.

[039] Ao CSTR modificado foram adicionadas estruturas na parte interna do tanque: aletas curvas, bordas curvas e base do suporte para o reservatório de gás em formato cônico. Foram dispostas 3 aletas, alocadas a 120° umas das outras, com dimensões de 1,2 metro de diâmetro e 8 metros de comprimento. As bordas curvas da parte inferior da parede do tanque possuem 1,5 metro altura e 1,5 metro de comprimento. A base cônica possui um diâmetro de 6 metros e 2 metros de altura.

[040] Os parâmetros termodinâmicos utilizados como condições iniciais para as simulações são a pressão estática de 101325.00 Pa e temperatura de 293.20 K. Os parâmetros iniciais do vetor de velocidade foram de 0 m/s nas direções X, Y e Z do vetor.

[041] A simulação realizada no reator CSTR convencional teve uma malha de 17269 células para análise, tempo de análise de 109 segundos com 250 interações. A simulação do reator CSTR modificado teve uma malha de 26193 células para análise, tempo de análise de 200 segundos com 274 interações. Ambas considerando uma rotação de 60 RPM para cada agitador.

[042] Após as interações das simulações, foram obtidos os valores de temperatura do fluido e velocidade máximos e mínimos dentro do reator. Na Tabela 1 são apresentados os dados para o reator CSTR convencional:
Tabela 1. Mínimos e máximos: Reator CSTR simples.

[043] Na Tabela 2 são apresentados os valores máximos e mínimos da velocidade e temperatura do fluido para o reator CSTR modificado:
Tabela 2. Mínimos e máximos: Reator CSTR modificado.

[044] Observando os valores obtidos pelas simulações e apresentados nas Tabelas 1 e 2, verificou-se que a variação da temperatura do fluido em ambas simulações não foi significativa. Considerando o parâmetro da velocidade em cada uma das simulações, é notado que a velocidade do fluido no reator CSTR modificado é menor (2.667 m/s) do que a velocidade do fluido no reator CSTR convencional (4.235 m/s).

[045] Em um reator de mistura contínua é considerado que todos os pontos do reator possuem os mesmos parâmetros, sejam eles concentração, temperatura, densidade, etc. Deste modo é possível observar a homogeneidade da mistura analisando se um destes parâmetros é igual ou muito próximo em distintos pontos dentro do reator.

[046] Da simulação são obtidas visualizações gráficas do comportamento das trajetórias, a fluidodinâmica dentro do tanque do reator resultante da impulsão dos agitadores mecânicos e a observação da mistura no reator através da análise do comportamento temperatura do fluido em planos do reator.

[047] Foram realizados análises em três planos horizontais em 3, 5 e 7 metros da base do tanque de cada reator (convencional/simples e modificado) apresentadas na Figura 4.

[048] A Figura 4 apresenta uma comparação entre o reator CSTR simples e o reator CSTR modificado com as alterações aqui propostas. A partir da variação da temperatura, expressa na escala de cores da legenda, é possível observar a variação da temperatura em cada plano apresentado na figura. O que indica que há mistura completa em ambos os reatores.

[049] Outra visualização gráfica pode ser vista na Figura 5 do plano vertical central tanto do reator CSTR simples quanto do reator CSTR modificado. Como visto na escala de cores da legenda nas análises de temperatura, os valores ficam próximos, caracterizando que ambos os reatores apresentaram a homogeneidade de uma mistura.

[050] Observando as análises feitas para o reator CSTR modificado, verificou-se uma variação de cores, em relação a legenda, menor quando comparado às análises do reator CSTR simples, caracterizando assim que o CSTR modificado obteve melhor desempenho quanto a homogeneidade da mistura.

[051] Na Figura 6 é apresentada a variação da temperatura do fluido nas superfícies do tanque do reator CSTR simples e do reator CSTR modificado. A temperatura nas superfícies teve uma pequena variação, caracterizando a homogeneidade da mistura dentro do tanque mesmo na base, paredes e topo do reator.

[052] Foi realizada a análise do comportamento de partículas nas superfícies do tanque do reator CSTR simples e do reator CSTR modificado. Os parâmetros iniciais utilizados para ambas as análises foram a utilização de até 10.000 partículas e a densidade de partículas definida de 1190 kg/m3.

[053] De acordo com Da Silva e Dos Santos (2010), o valor da densidade aparente média de matéria orgânica em resíduos sólidos urbanos é de aproximadamente 1213 kg/m3. Por este motivo foi utilizado um valor de densidade próximo na simulação.

[054] A análise das partículas no fundo do tanque do reator CSTR simples e do reator CSTR modificado foi utilizada a fim de observar se há partículas naquela superfície. Os valores desta análise indicam o percentual de partículas que ficam depositadas no fundo do tanque do reator, avaliando a eficiência da mistura dentro do tanque. As demais partículas, que não estão depositadas no fundo do tanque, são consideradas em suspensão ou próximas a superfícies, como por exemplo, na parede do tanque do reator, poste de sustentação do reservatório de gás, etc.

[055] Para o reator CSTR modificado, foi definido o fundo do tanque como sendo: a base, acrescido da borda curva e o cone de base do poste de sustentação do reservatório de gás. Foram realizadas as análises nos reatores com a rotação dos agitadores em 60 rotações por minuto (RPM). Os resultados das análises estão mostrados na Tabela 3:
Tabela 3. Análise de partículas reator CSTR modificado e CSTR simples.

*Número de partículas no fundo do tanque.

[056] Com os dados da Tabela 3 é possível observar que o reator CSTR com as modificações propostas teve 29.5% das partículas depositadas no fundo do tanque do reator, enquanto que o reator CSTR simples teve 40.3%. Isto mostra que o reator CSTR modificado possui um desempenho melhor quanto ao depósito de partículas do fundo do tanque do que o CSTR simples.

[057] Na Tabela 3 pode ser observado a tensão de cisalhamento ocasionada pelas pás dos agitadores. Os dois valores, tanto do reator CSTR modificado, quanto do reator CSTR simples, se mantiveram próximos e próximo ao desejado.

[058] Em seguida foram realizadas simulações exclusivamente no reator CSTR simples a fim de se obter um menor percentual de partículas depositadas no fundo do tanque do reator. Para as simulações foram alterados os valores de rotação dos agitadores. Os valores utilizados foram os de 60, 85 e 110 RPM. O

[059] Os dados da análise de partículas de cada uma destas simulações do reator CSTR simples, variando a rotação do agitadores, são apresentados na Tabela 4:
Tabela 4. Análise de partículas em um reator CSTR simples variando a rotação dos agitadores.

*Número de partículas no fundo do tanque.

[060] Analisando os dados da Tabela 4, é observado que o aumento da rotação dos agitadores reduziu a porcentagem de partículas depositadas no fundo do tanque do reator CSTR simples. A simulação com a rotação de 110 RPM teve uma redução de 23% comparada com a simulação com 60 RPM.

[061] Com o aumento da rotação dos agitadores a tensão de cisalhamento ocasionada pelas pás dos agitadores aumenta. O valor da tensão de cisalhamento para a rotação de 110 RPM foi cerca de 300% maior do que o valor obtido na simulação utilizando 60 RPM.

[062] Deste modo, é possível concluir que, com o aumento da rotação dos agitadores, o percentual de partículas depositadas no fundo do tanque do reator CSTR simples diminui alcançando valore próximos aos obtidos em 60 RPM para o reator CSTR modificado, porém a tensão de cisalhamento ocasionada pelas pás dos agitadores aumenta.

[063] A partir das análises e simulações realizadas, pode-se notar que as alterações propostas para o reator CSTR modificado obtiveram resultados positivos quanto a homogeneidade da mistura associada a uma diminuição da velocidade do fluido, a qual nas análises se demonstrou mais eficiente do que a de um reator CSTR simples. Também é possível observar que a o reator CSTR modificado teve um melhor desempenho em relação ao depósito de partículas no fundo do tanque. Obtendo a homogeneidade com uma baixa velocidade, associado com baixo percentual de acúmulo de partículas no fundo do reator e o valor de tensão de cisalhamento aceitável, pode-se garantir uma mistura completa no reator e minimizar a formação de escuma ocasionada pelo cisalhamento de células microbianas e os problemas por ela causados.

Claims (4)

1. “Biorreator anaeróbio contínuo de tanque agitado modificado com estruturas para realização de mistura homogênea com baixa velocidade do fluído para tratamento de resíduos sólidos urbanos” constituído de um reservatório de gás (3) acoplado ao tanque do biorreator anaeróbio contínuo ligado pelo duto de gás (4) e com baixa velocidade dos motores agitadores (5) caracterizado pela construção de aletas curvas (6), cone na base do suporte para o reservatório de gás (7) e as bordas curvas inferiores (8) na parede do tanque do biorreator.
2. Aletas fixas de formato curvo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por aletas fixas na parede do biorreator, redirecionando o fluxo do fluido impulsionado pelos agitadores para o centro do biorreator.
3. Suporte do reservatório de gás de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo suporte do reservatório com base em formato cônico com o intuito de deslocar o fluxo do fluido para as laterais do biorreator.
4. Bordas inferiores curvas da parede do biorreator de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela curvatura na borda inferior interna do biorreator para evitar o acúmulo de resíduos e facilitar o deslocamento do fluido.

Images