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Optimization of fermenters for ethanol production: residence time analysis applying computational fluid dynamics
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Resumo
A procura por novas formas de garantir combustível para a sociedade é um grande desafio para cientistas.
Uma alternativa interessante ao combustível derivado do petróleo é o etanol produzido a partir da cana-deaçúcar. Apesar do Brasil estar em condições de vantagem na produção de etanol, os equipamentos utilizados
na usinas sucroalcooleiras, como os fermentadores por exemplo, ainda necessitam de melhorias em sua
eficiência. A geometria do tanque do fermentador tem uma grande influência nos parâmetros do escoamento
interno, e consequentemente, afetam fortemente as reações químicas envolvidas no processo. Para melhor
eficiência do equipamento, é preciso garantir que o mosto permaneça o tempo adequado dentro do tanque
para que as reações químicas sejam completadas. Caso permaneça um tempo maior que o exigido, as reações
químicas são prejudicadas. Neste estudo, a influência da geometria do tanque do fermentador na distribuição
de tempo de residência (DTR) foi avaliada através da simulação computacional da injeção de um traçador no
escoamento. Além disso, vinte geometrias foram simuladas através de um processo de otimização univariada.
Resultados mostram que o ângulo entre a tubulação de entrada do tanque é o parâmetro geométrico com maior
influência no escoamento. A geometria que garante o ângulo de escoamento ideal deve ter 22,5◦ de ângulo de
entrada, combinada com uma altura de 120 cm para a tubulação de saída. Considerando que os fermentadores
são utilizados em processamento de alta escala, as melhorias propostas na geometria do fermentador podem
aumentar sua eficiência e reduzir impacto ambiental.
Abstract
The search for new ways to provide fuel for the society is a great challenge for scientists. An interesting
alternative to petroleum-derived fuels is the ethanol produced from sugar cane. Brazil has an advantaged
position in ethanol production, but the equipment used in the sugar cane plants, the fermenters, for example,
still need efficiency improvements. The fermenter geometry has a great influence on the flow parameters and,
consequently, in the chemical reactions involved in the fermentation process. It is necessary to ensure that the
sugar cane juice remains enough time in the fermenter to complete the chemical reaction, but not more than
the ideal time required, which can reduce the process efficiency. In this study, the influence of the geometry in
the Residence Time Distribution (RTD) was analyzed by a computational tracer injection technique. Besides,
twenty geometries were performed applying a univariate optimization process. Results show the inlet angle
has the major influence in the flow and the optimum geometry for the continuous fermenter must have 22.5◦
for inlet angle and 120 cm for outlet tube height. Considering the fermenters large scales in sugarcane juice
processing, the improvement proposed in the fermenter geometry can increase its efficiency and reduce
environmental impacts.
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FREIRE, E. R. C. G.; SELEGHIM JÚNIOR, P. Optimization of fermenters for ethanol production: residence time analysis applying computational fluid dynamics. Semina: Ciências Exatas e Tecnológicas, Londrina, v. 41, n. 1, p. 51-58, Jan./June 2020.
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