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Tipo do documento: Tese
Título: Modelagem da previsão do rendimento do bio-óleo com base nos parâmetros de processo de pirólise e composição centesimal, elementar e lignocelulósica da biomassa em diferentes reatores usados na indústria química
Título(s) alternativo(s): Modeling bio-oil yield prediction based on pyrolysis process parameters and biomass's proximate, elemental, and lignocellulosic composition in different reactors used in the chemical industry
Autor: Guedes, Raquel Escrivani 
Primeiro orientador: Luna, Aderval Severino
Segundo orientador: Torres, Alexandre Rodrigues
Primeiro membro da banca: Secchi, Argimiro Resende
Segundo membro da banca: Mendes, Marisa Fernandes
Terceiro membro da banca: Chrisman, Erika Christina Ashton Nunes
Quarto membro da banca: Segundo Neto Pinto, José Licarion
Resumo: A pirólise é um processo com alto potencial de conversão de biomassa e o bio-óleo, produto líquido da pirólise, que ganha destaque por possuir inúmeras aplicações. O rendimento de bio-óleo é afetado pela composição da biomassa e parâmetros de processo. Um desafio da pirólise é desenvolver técnicas para interpretar o grande volume de dados experimentais disponíveis que analisam a influência das variáveis no rendimento dos produtos obtidos. Esta pesquisa tem como objetivo aplicar diferentes métodos de regressão multivariada, linear e não linear, para prever a produção de bio-óleo obtido em pirólise de biomassa realizada em reatores operando em modo contínuo e em batelada. Para a modelagem, desenvolveu-se um banco de dados contendo resultados experimentais de 220 artigos disponíveis na literatura. A modelagem foi realizada com oito diferentes combinações de reatores e variáveis. Os parâmetros do processo analisados foram a taxa de aquecimento, temperatura, tempo de reação, tamanho de partícula e tempo de residência do vapor. As variáveis relacionadas à composição das biomassas incluíram a composição elementar, composição centesimal e composição lignocelulósica. Quatorze modelos de regressão foram testados. Para o reator em batelada, o modelo Cubist forneceu o melhor resultado de previsão de bio-óleo com RMSE de 0,92%, MAE de 0,73% e R2 de 0,99. Este melhor resultado foi obtido utilizando-se, como preditores, todas as variáveis estudadas e somente dados com observações completas. Para o reator contínuo, o melhor resultado foi obtido aplicando-se o modelo Árvores Extremamente Aleatórias também ao conjunto completo de preditores com observações completas. As métricas de desempenho obtidas foram um RMSE de 2,15%, MAE de 1,75% e R2 de 0,96. Ambos os modelos mostraram um excelente desempenho para previsão de rendimento de bio-óleo para reatores em batelada e contínuo. A modelagem também foi realizada utilizando-se a imputação de dados faltantes por k-NN e imputação múltipla, os resultados mostraram que não houve ganho de eficiência de previsão dos modelos utilizando os conjuntos de dados contendo os valores imputados. O método de enxame de partículas foi utilizado, nos melhores modelos obtidos na modelagem, para o estudo de otimização dos parâmetros de processo da pirólise da casca de arroz. Para o reator batelada o máximo de rendimento de bio-óleo previsto foi de 52,9% em temperatura de 605 ºC, tamanho de partícula de 7,4 mm, tempo de residência do vapor de 1400 s e taxa de aquecimento de 300 ºC/min. Para reator contínuo o rendimento máximo previsto pelo modelo foi de 52,1% em temperatura de 513 ºC, tamanho de partícula de 0,41 mm e tempo de residência do vapor de 0,6 s.
Abstract: The bio-oil yield, the liquid product of pyrolysis, is affected by biomass composition and process parameters. This research applies different multivariate regression methods, linear and non-linear, to predict bio-oil production, exploring various combinations of predictors in reactors operating in continuous and batch mode in biomass pyrolysis. A database with experimental data from 220 articles in the literature was developed for the modeling. Modeling was performed on eight case studies with different variables. Process parameters analyzed were heating rate, temperature, reaction time, particle size, and vapor residence time. The variables related to the composition of the analyzed biomass were elemental composition, proximate composition, and concentration of lignocellulosic materials. Fourteen multivariate regression models were applied to model the bio-oil yield. The Cubist model provided the best bio-oil prediction results for the batch reactor with RMSE of 0.92%, MAE of 0.73%, and R2 of 0.99. This best result was obtained using, as predictors, all the variables studied and only data with complete observations. The best result for the continuous reactor was obtained with the Extremely Randomized Trees model and a full set of predictors with complete observations. The performance metrics obtained were an RMSE of 2.15%, MAE of 1.75% and R2 of 0.96. Both models showed excellent performance for bio-oil yield prediction for batch and continuous reactors. The modeling was also carried out using the imputation of missing data by k-NN and multiple imputation; the results showed no gain in the prediction efficiency of the models using the data sets containing the imputed values. The particle swarm method was used, in the best models obtained in modeling, to study the optimization of process parameters for rice husk pyrolysis. For the batch reactor, the maximum predicted bio-oil yield was 52.9% at a temperature of 605 ºC, particle size of 7.4 mm, vapor residence time of 1400s and heating rate of 300 ºC/min. For a continuous reactor, the maximum yield predicted by the model was 52.1% at a temperature of 513 ºC, particle size of 0.41 mm and vapor residence time of 0.6 s.
Palavras-chave: Pyrolysis
Bio-oil yield
Regression models
Batch reactor
Continuous reactor
Pirólise
Rendimento de bio-óleo
Modelos de regressão
Reator batelada
Reator contínuo
Bio-óleo
Biomassa
Área(s) do CNPq: ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICA
Idioma: por
País: Brasil
Instituição: Universidade do Estado do Rio de Janeiro
Sigla da instituição: UERJ
Departamento: Centro de Tecnologia e Ciências::Instituto de Química
Programa: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química
Citação: GUEDES, Raquel Escrivani. Modelagem da previsão do rendimento do bio-óleo com base nos parâmetros de processo de pirólise e composição centesimal, elementar e lignocelulósica da biomassa em diferentes reatores usados na indústria química. 2024. 238 f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Instituto de Química, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2024.
Tipo de acesso: Acesso Aberto
URI: http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/22204
Data de defesa: 24-Abr-2024
Aparece nas coleções:Doutorado em Engenharia Química



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