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O aumento da competitividade na indústria de concretos refratários tem estimulado estudos de engenharia na busca de melhorar o desempenho desses materiais e reduzir custos. Falhas prematuras em refratário causam prejuízos com custo de reparo, mas principalmente com perda da produção, deixando de atender clientes e cumprir com o planejamento de produção. A oxidação do carbono é um dos mecanismos de falha mais complexos, e uma alternativa muito explorada na tentativa de controlar a degradação de concretos refratários é a adição do carbeto de silício (SiC) que é reconhecido como um importante composto, por possuir bom desempenho em altas temperaturas, boa resistência a corrosão e ao choque térmico. Neste contexto, o objetivo deste trabalho é estudar a influência da adição de carbetos de silício em concreto refratário, entendendo o comportamento mecânico e químico quando exposto a meios alcalinos e alta temperatura. Para isso foram construídos corpos de prova de concreto sem carbeto de silício e com adição de 10, 30 e 60% de SiC (em massa) para análise do seu processo de oxidação. Essas matrizes foram levadas ao forno com diferentes rampas (taxas) de aquecimento e tempo de residência. Todas as amostras foram pesadas antes e após o procedimento no forno, sendo utilizadas as técnicas de difração de raios e microscopia eletrônica de varredura para entendimento das reações. Foi verificado através desses ensaios menor taxa de redução de massa da matriz com 10% de SiC, o que indica maior resistência à oxidação, associada principalmente à formação de mulita Al6Si2O13 através da reação entre SiC e óxido de alumínio Al2O3 presente na composição do concreto, a presença de cinzas volantes e à formação de uma camada de sílica SiO2 sobre a superfície do SiC, sendo que essa deposição atua como um protetor antioxidante e, por consequência, anticorrosivo. The increase in competitiveness in the refractory castable industry has stimulated engineering studies in the search to improve the performance of these materials and reduce costs. Premature failures in refractory cause huge losses with repair costs, but mainly with the loss of production, failing to serve customers and comply with production planning. Carbon oxidation is one of the most complex failure mechanisms. An alternative explored to control the degradation of refractory castable is the addition of silicon carbide (SiC), which is recognized as an essential compound for resistance to high temperatures, good resistance to corrosion and thermal shock. In this context, the objective of this work is to study the influence of the addition of silicon carbides in refractory castable, understanding the mechanical and chemical behavior when exposed to an alkaline environment and high temperature. For this, concrete specimens were constructed without silicon carbide and with the addition of 10, 30 and 60% of SiC for analysis of its oxidation process comparing the results. These matrices were heated with different heating rates and residence time in the kiln. All samples were weighed before and after the kiln procedure, using x-ray diffraction and scanning electron microscopy techniques to understand the reactions. A lower rate of mass reduction of the matrix with 10% SiC was verified through these tests, which indicates greater resistance to oxidation, mainly associated with the formation of mullite Al6Si2O13 through the reaction between SiC and aluminum oxide Al2O3 present in the concrete composition, the presence of fly ash and the formation of a layer of silica SiO2 on the surface of the SiC, and this deposition acts as an antioxidant protector and, consequently, anticorrosion.

Esse estudo pretende dar prosseguimento a um trabalho de referência desenvolvido no Departamento de Engenharia Química da UFMG e avaliar, através de uma análise termodinâmica de exergia, exergia avançada e custo aplicado, o impacto real da utilização de combustíveis alternativos e o ponto de equilíbrio entre a eficiência exergética e baixo custo de produção. Para tal, o algoritmo desenvolvido no trabalho já mencionado foi adaptado para uma nova unidade de piroprocessamento. Dados reais de processo foram coletados em uma planta ao longo de 48 horas de operação estável e esse cenário foi utilizado para a análise. A eficiência exergética da condição operacional avaliada foi de 31,9% e o custo aplicado dos combustíveis utilizados foi de 81,1% do custo equivalente. Já a análise exergética avançada resultou em uma eficiência exergética da operação ideal de 38,8%. A exergia destruída evitável para o processo em questão correspondeu a 29,0% da exergia destruída total do processo, sendo que a temperatura das reações de combustão, o excesso de ar e a eficiência de separação entre as correntes sólida e gasosa na torre de ciclones e a eficiência da troca de calor entre clínquer e ar frio foram comprovados como sendo importantes pontos de destruição de exergia que podem ser otimizados com ajustes de processo e melhorias tecnológicas. A otimização permitiu identificar a operação com 65% da carga térmica direcionada ao calcinador, 60% de substituição térmica por combustíveis alternativos, sendo este composto totalmente por blend, e o uso exclusivo de coque como combustível convencional como o ponto ótimo para a eficiência exergética. O ponto ótimo para o custo aplicado resulta no mesmo cenário para a divisão da carga térmica e utilização de combustíveis alternativos, mas prioriza o uso exclusivo do carvão mineral como combustível convencional. Embora os ganhos de eficiência exergética sejam menores comparados à otimização desse parâmetro, a otimização do custo aplicado ainda resulta em uma operação de maior eficiência exergética em comparação à operação avaliada. Due to the high energy demand related to its production, and the global importance of this material, the study of the optimization of the cement production process is greatly relevant. The clinker production process has undergone important evolutions over the years to allow greater operational efficiency and the use of alternative fuel. This study intends to continue the work of reference developed in the same department and evaluate, through a thermodynamic analysis of exergy, advanced exergy and cost, the real impact of the use of these materials and the balance point between an efficient process and low production cost. To this end, the algorithm developed in the previous study was adapted to a new pyroprocessing unit. Real process data was collected in a plant during a 48h interval of stable operation and used for the analysis. The exergy efficiency of the analyzed operation was found to be 38,8%. The avoidable exergy destruction corresponded to 29,0% of the process destroyed exergy and it was possible to verify that the combustion temperature, excess air, gas and solid streams separation efficiency at the cyclones and the efficiency of the heat exchange in the cooler were important sources of exergy destruction that van be improved by means of process adjustments and technology improvements. The optimization allowed the identification of the operation with 65% thermal split to the calciner, 60% thermal substitution by alternative fuels, which consists fully of blended residue, and the exclusive use of petcoke as a conventional fuel as the optimal point regarding exergy efficiency. Cost optimization results in the same conditions for thermal split and alternative fuel usage but prioritizes the exclusive use of coal as conventional fuel. While the gain on exergy efficiency is lower compared to the optimization of this parameter, the cost optimization still resulted in an operation with higher exergy efficiency compared to the actual operation conditions.

O transporte pneumático de biomassa tem sido amplamente utilizado por indústrias químicas e de energia. As características e a estabilidade do fluxo gás-sólido são muito importantes para a qualidade do produto final e para o projeto e operação de plantas industriais. Devido às suas diferentes propriedades físicas, problemas operacionais são frequentemente verificados durante o transporte de biomassas, geralmente associados ao controle do processo de alimentação. Tendo isso em vista, um dos objetivos desse trabalho foi avaliar a eficiência de alimentação de uma válvula rotativa em uma linha de transporte pneumático de pressão positiva, empregando biomassas com diferentes propriedades físicas e variando condições operacionais, tais como: velocidade do ar, velocidade de rotação da válvula e diferentes alturas de material no silo de alimentação. As biomassas utilizadas foram: milho moído (MMO), sabugo de milho (SMI), palha de milho (PMI), casca de arroz (CAR) e farelo de trigo (FTR). Estas foram caracterizadas quanto à sua densidade, tamanho, forma, ângulo de repouso e teor de umidade. Foi observado que a altura de material no silo influenciou na eficiência de alimentação. Materiais de baixa densidade bulk obtiveram maiores eficiências de alimentação para as condições de menor altura, devido à maior facilidade de quebra dos arcos mecânicos/coesivos formados acima da abertura de saída do silo. Ainda no sistema de alimentação, foi proposta uma modificação de um modelo empírico apresentado por Lourenço (2019), para a previsão da queda de pressão no Tee de alimentação, a partir da inserção de um fator de forma em seu equacionamento, devido à irregularidade das partículas de biomassa. Os resultados obtidos pela correlação modificada mostraram boa concordância com os dados experimentais, com desvio máximo inferior a 10%. Além disso, foi realizado o estudo da perda de carga para o transporte pneumático de biomassas em fase diluída em um trecho horizontal de 9 m, no qual foi possível observar que o aumento da taxa mássica de sólidos, bem como da velocidade do ar, proporcionou o aumento da queda de pressão na linha. Por meio dos perfis de pressão estática ao longo do comprimento, foram identificadas as regiões de aceleração e de fluxo totalmente desenvolvido e, então, determinado o comprimento de aceleração para cada material e condição operacional avaliada. Concluiu-se que o comprimento de aceleração aumenta com aumento da velocidade do ar, da taxa mássica de sólidos e, consequentemente, da carga de sólidos. Simulações numéricas em CFD (Fluidodinâmica Computacional) foram realizadas para a previsão da queda de pressão no trecho horizontal para descrever o transporte pneumático em fase diluída do sabugo de milho, utilizando a abordagem Euleriana Granular e aplicando o modelo de turbulência RGN (k-ε) – Dispersed. O estudo numérico conseguiu prever de forma satisfatória o perfil de pressão estática ao longo do comprimento, apresentando um desvio médio de 0,71% em relação aos dados experimentais para a condição operacional de velocidade do ar de 16 m/s e taxa mássica de sólidos de 437 kg/h. Além disso, o modelo conseguiu descrever qualitativamente a distribuição de partículas ao longo da linha, sendo possível identificar a formação de rope na curva e o estabelecimento da região de fluxo totalmente desenvolvido de acordo com similaridade dos perfis de frações volumétricas de sólidos nas seções transversais do trecho reto. Biomass pneumatic conveying has been widely used in energy and chemical industries. The characteristics and stability of the gas-solid flow are very important for the final product quality, design, and operation of the industrial plants. Due to its different physical properties, operational problems are frequently verified during the transport of biomass, generally associated with the feeding process control. Bearing this in mind, one of the aims of this work was to evaluate the rotary valve feeding efficiency in a positive pressure pneumatic conveying line, using biomass with different physical properties and varying operating conditions such as: air velocity, valve rotational speed, and height of material in the feeding silo. The biomasses used were: milled corn, corn cob, corn straw, rice husk, and wheat bran. They were characterized as to their density, size, shape, angle of repose, and moisture content. It was observed that the height of material in the silo influenced the feeding efficiency. Materials of low bulk density obtained greater feeding efficiencies for the conditions of lower material height in the silo due to easier breaking of the mechanical/cohesive arches formed. Moreover, it was proposed a modification in an empirical correlation presented by Lourenço (2019) to predict the pressure drop in the feeding Tee, from the insertion of a form factor in its equation, due to the irregularity of the biomass particles. The results obtained by the modified correlation showed good agreement with the experimental data, with a maximum deviation of less than 10%. In addition, a study of the pressure drop was carried out for the pneumatic conveying of biomass in dilute phase in a horizontal stretch of 9 m, in which it was possible to observe that the increase in the solids' mass flow rate, as well as the air velocity, provided the increase of the pressure drop in the line. Through static pressure profiles along the length, the regions of acceleration and fully developed flow were identified and, then, the acceleration length was determined for each material and operational condition evaluated. It was concluded that the acceleration length increases with increasing air velocity, solids' mass flow rate, and, consequently, solids loading. Numerical simulations in CFD (Computational Fluid Dynamics) were performed to predict the pressure drop in the horizontal length to describe the dilute phase pneumatic conveying of corn cob, using the Granular Eulerian approach and applying the RGN turbulence model (k-ε) – Dispersed. The numerical study was able to satisfactorily predict the static pressure profile along its length, showing an average deviation of 0.71% in relation to the experimental data for the operational condition of air velocity of 16 m/s and solids' mass flow rate of 437 kg/h. In addition, the model was able to describe qualitatively the distribution of particles along the line, making it possible to identify the formation of rope in the curve and the establishment of the fully developed flow region according to the similarity of the profiles of solids' volumetric fractions in the cross-sections of the straight stretch. Tese (Doutorado)

Pesquisa sem auxílio de agências de fomento Dentre os fertilizantes nitrogenados, o mais utilizado mundialmente é a ureia, com 46% de nitrogênio, porém, perdas por volatilização e lixiviação podem alcançar até 60%. Fertilizantes de liberação controlada possuem em sua superfície camadas semipermeáveis que controlam a liberação de nutrientes, minimizando perdas. O presente estudo realizou revestimentos com poliuretano e sulfato de cálcio em percentuais mássicos de 4, 6, 8, 10 e 12% e solubilização em água. As imagens de MEV apresentaram coberturas sem danos estruturais, porém rugosas devido presença de sulfato de cálcio e os revestimentos apresentaram espessuras de 20,63 ± 7,34, 36,01 ± 9,74, 41,90 ± 7,92, 52,56 ± 7,67 e 65,05 ± 7,08 μm, respectivamente. O incremento de espessura aumentou o retardo na liberação chegando 90% em 6 h para recobrimento de 4% e 291 h para 12%. A ureia sem revestimento atingiu liberação completa em, aproximadamente, 4 min. O processo de liberação apresentou a difusividade como principal mecanismo e os ajustes cinéticos descritos pelos modelos da Hipérbole modificada, Peppas e Sahlin e Korsmeyer-Peppas melhor descreveram os processos de liberação. O modelo empírico com dependência da espessura a partir do modelo da Hipérbole Modificada melhor descreveu o processo de liberação para a ureia recoberta com poliuretano. Para a ureia sem revestimento o modelo de Peppas e Sahlin dependente da espessura apresentou melhores resultados. O modelo neural representou de modo significativo os resultados experimentais para ureia revestida, mas não para a ureia sem revestimento devido à rápida liberação para esta condição. Among the nitrogen fertilizers, the most used worldwide is urea, with 46% of nitrogen, but losses by volatilization and leaching can reach up to 60%. Controlled-released fertilizers have semi-permeable layers on their surface that control the nutrients release, minimizing losses. The present study carried out coatings with polyurethane and calcium sulfate in mass percentages of 4, 6, 8, 10 and 12% and solubilization in water. The MEV images showed coverings without structural damage, but rough due to the presence of calcium sulfate. The coatings had thicknesses of 20,63 ± 7,34, 36,01 ± 9,74, 41,90 ± 7,92, 52,56 ± 7,67 and 65,05 ± 7,08 μm. The thickness increment increased the release delay reaching 90% at 6 h for 4% coating and 291 h to 12%. Uncoated urea achieved complete release in approximately 4 min. The release process presented diffusivity as the main mechanism and the kinetic adjustments that best described the release process were the Modified Hyperbole models, Peppas and Sahlin and Korsmeyer-Peppas. The empirical model with thickness dependence from the Modified Hyperbola model best described the release process for polyurethane-covered urea. For uncoated urea, the peppas and sahlin model dependent on thickness showed better results. The neural model significantly represented the experimental results for coated urea, but not for uncoated urea due to rapid release for this condition. Dissertação (Mestrado) 2024-07-24