Ferramentas computacionais para projetos de biodigestores

Jos de Souza1, Elton Gimenez Rossini2, Lirio Schaeffer3

1 Fundao Educacional Encosta Inferior do Nordeste (FACCAT) http://www.faccat.br/ Av. Oscar Martins Rangel, 4500 (RS115) 95600-000 Fone (51) 3541-6600 Fax (51) 3541-6626 Taquara, RS, Brasil josesouza@liberato.com.br

2 Universidade Estadual do Rio Grande do Sul (UERGS) http://www.uergs.edu.br/ Rua Inconfidentes, 395 Bairro Primavera Novo Hamburgo CEP: 93340-140 Fone: (51) 3595-8091 elton-rossini@uergs.edu.br

3 Programa de Ps-Graduao em Engenharia de Minas, Metalrgica e Materiais (PPGE3M), Depto. de Metalurgia, UFRGS. Av: Bento Gonalves, 9500. Fone/Fax: (51) 3308-9475 CEP: 91501-970, Porto Alegre, RS, Brasil schaefer@ufrgs.br

RESUMO

Na busca por alternativas para melhorar o sistema de projetos e dimensionamento de biodigestores e centrais de biogs desenvolveu-se este trabalho. O mesmo fundamenta-se na adoo de ferramentas computacionais (software) na definio de projeto, assim como na fabricao dos principais componentes e partes aplicadas ao sistema de biodigesto. Essas ferramentas computacionais compem-se dos softwares CAD (Projeto Assistido por Computador) de modelagem e simulao. Como objetivo de aperfeioar e inovar o projeto e a fabricao das centrais de biodigesto desenvolveu-se a modelagem de partes de uma central de biodigesto.

Palavras Chave: biodigestores, modelagem, biogs

ABSTRACT

In the searching for alternatives in order to improve projects for digestion systems and design of digesters and biogas plants this paper was proposed. This work is based on the adoption of computational tools (software) in the project definition, as well as in components and parts manufacture applied to the biodigestion system. These computational tools consist of CAD (Computer Aided Design) software modeling and simulation. In order to improve and innovate the biodigestion plants design and manufacturing modeling and simulation of biodigestion plant parts were developed.

Key-words: biodigesters, modeling, biogas

INTRODUO

Centrais de biodigesto so mecanismos de tratamento de resduos e produo de energia renovvel. A grande produo nacional de biomassa, principalmente a partir de resduos, demanda tecnologias aplicadas para a sua utilizao, sendo essa uma alternativa apropriada. Alm das vantagens ambientais obtidas na recuperao de resduos, a biodigesto proporciona a gerao de biogs que contm metano, um excelente combustvel. O rendimento e eficincia de tais mecanismos dependem da configurao e dimensionamento de biodigestores, alm de tecnologias associadas. Centrais de biodigesto podem ser projetadas considerando-se a quantidade de biomassa, tipo e clima do local de implantao. Contudo, a melhor configurao depende de outros fatores como a acelerao da quebra do composto, separao de fases em tanques, diminuio do tempo para digesto, melhor aproveitamento energtico, preparao e filtragem dos gases, entre outros. Outro aspecto fundamental e que influencia a viabilidade econmica do empreendimento de tais centrais so os recursos tecnolgicos relacionados fabricao dos biodigestores. A fabricao e montagem de tais mecanismos so aspectos fundamentais em tais projetos. A fabricao dos tanques, de misturadores, filtros, dutos,

mecanismos de selagem, entre outros, ainda demanda maior ateno de pesquisa e desenvolvimento. Outro ponto a ser destacado o alto custo envolvido na implantao de centrais de biodigesto quando comparado com outras fontes de energia. A utilizao de processos convencionais encarece e inviabiliza economicamente a implantao das mesmas.

O metano representa uma fonte de energia cada vez mais comum devido ao simples sistema de produo e facilidade de emprego direto ou queima. Pode ser produzido em reas rurais com vasta produo de biomassa, bem como em reas urbanas com grande quantidade de biomassa produzida por meio da fermentao e oxidao da parcela orgnica dos RSU (Resduos Slidos Urbanos). Em pases em desenvolvimento ocorre um incremento na construo de biodigestores de biogs. Todo material orgnico representa uma fonte em potencial e importante de combustvel porque mesmo sendo resduo poluidor pode ser transformado em energia limpa e renovvel.

Um grande desafio nos pases em desenvolvimento, sobretudo com relao ao gerenciamento de seus efluentes domsticos, diminuir o custo de tratamento dos mesmos. Em geral, a anlise econmica, a simplicidade do projeto e do desempenho revela que a tecnologia de biodigestores pode ser de interesse particular para o tratamento de esgoto (MENDOZA et al., 2009).

A gerao de metano a partir de RSU ocorre com a transformao da biomassa em biogs. Essa mistura gasosa obtida com a decomposio dos resduos e encerramento em biodigestores controlados (PICK et al., 2012). Na figura 1, apresenta-se um exemplo de produo e utilizao do metano.

Figura 1 Esquema de produo e utilizao do metano a partir da biomassa.

Projetos de centrais biodigestoras podem ser implantados nas mais diversas regies, de forma descentralizada (SOUZA, 2010). Isso incentiva a produo energtica local nas regies de maior produo de biomassa, portanto, em regies que demandam maiores recursos energticos. Na figura 2 pode ser observada uma central de biodigesto com a separao em diferentes tanques.

Figura 2 Central de biodigesto em blocos 3D. Fonte do Autor.

BIOMASSA

SECA

BIOMASSA

MIDA

CH4

CO2

H2S

OUTROS GMV

Calor e

Eletricidade

H2

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BIO

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A biodigesto pode ser empregada na converso de quase todos os tipos de biomassa. Embora a biomassa de origem celulsica seca geralmente oferea maior dificuldade de degradao, mesmo assim pode ser utilizada em misturas com biomassa mida (VATTAMPARAMBIL, 2012). O processo digestivo compe-se de um procedimento anaerbio, separado em fases e desenvolvido em tanques, biodigestores. Estes so projetados de modo a se obter o melhor desempenho e produo de gs combustvel, metano.

A necessidade de aumentar a versatilidade e utilizao desta fonte de combustvel, viabilizar o aproveitamento eficiente deste potencial produtivo, de diminuir custos de gerao e a otimizar processos leva pesquisadores e projetistas a empregarem ferramentas computacionais para a modelagem de tais sistemas. A construo de centrais de biodigesto depende de aspectos como fatores climticos, manejo, recursos tecnolgicos disponveis, diversidade da biomassa, materiais utilizados, entre outros. O projeto e o dimensionamento da converso, tratamento e produo do biogs um processo dinmico e adaptativo situao (SOUZA et al., 2012).

A modelagem e simulao com softwares CAD 3D so meios de dimensionar e modelar peas, partes e conjuntos, para facilitar a fabricao e montagem de centrais de biodigesto. Algumas ferramentas computacionais fornecem solues poderosas para o planejamento e concepo de instalaes complexas, linhas de montagem e locais de trabalho. No contexto de prototipagem digital, essas ferramentas podem ser usadas para reduzir ciclo de desenvolvimento de produtos (CHABLAT et al., 2010).

O sucesso de empreendimentos de gerao de biogs est diretamente ligado ao projeto e dimensionamento de centrais para biodigesto. A dificuldade de reproduzir todos os aspectos reais aplicados ao sistema diminui drasticamente as chances de sucesso na produo. O mau dimensionamento pode interromper o fluxo de produo devido sensibilidade microbiolgica do processo. O controle refinado de carregamento, homogeneizao, descarga e parametrizao auxiliam no desenvolvimento da gaseificao do substrato. A escolha dos materiais aplicados e do processo de fabricao interfere na durabilidade e estabilidade da central, principalmente, nos biodigestores, filtragem e acondicionamento do biogs. A tecnologia de simuladores computacionais uma ferramenta para a fabricao de peas e montagens de dispositivos. Com base em uma melhoria dos parmetros mecnicos, peas melhores podem ser obtidas e fabricadas (RITZBERGER et al., 2010).

Uma das razes que levaram centrais de biogs a apresentarem ineficincia o inadequado dimensionamento da relao entre o volume til e gasmetros. Em geral, para utilizao eficiente necessrio estimar a produo e a variao desta ao longo do tempo, sendo que os gasmetros devero armazenar 60% da produo diria de gs (CUN, 2011). A criao dos modelos em CAD 3D visa facilitar a fabricao de dispositivos e a montagem de biodigestores. A construo e simulao do funcionamento com ferramentas de CAD visam a facilitar os projetos de tais centrais desde que adaptadas e implementadas de forma correta.

REVISO BIBLIOGRFICA

O processo de formao do biogs ocorre em diferentes estgios: a fermentao inicial ou hidrlise, seguida pela acidognese1, acetognese2 e finalmente, pela metanizao onde ocorre a formao da maior parte do metano (CONNAUGHTON et al., 2006). Se o processo de degradao for conduzido de forma controlada, por meio dos reatores, onde so oferecidas as condies ambientais adequadas para desenvolvimento da cultura microbiana, o processo ser acelerado e o volume de gs produzido ser maximizado. As diferentes rotas metablicas do processo de decomposio da matria orgnica para a produo de metano esto ilustradas na

1 Quebra em molculas menores ocorrendo formao de cidos graxos volteis (ex. actico, propinico, butrico,

valrico) e produo de amnia, dixido de carbono e H2S como subprodutos. 2 Processo de quebra das molculas com formao de acetato.

figura 3.

Figura 3 Rotas metablicas e grupos microbianos envolvidos na digesto anaerbia. Adaptado de Lettinga et al., (1996).

Centrais de gerao de biogs tambm podem ser usadas como estaes de tratamento e tratamento de resduos slidos urbanos (RSU). A separao da parcela inorgnica dos resduos necessria para a degradao posterior em cmaras biodigestoras. A utilizao do biogs depende do tratamento e do acondicionamento do mesmo. A secagem do biofertilizante compe o ltimo estgio do processo. Usinas de gerao de biogs compem uma alternativas de tratamento de RSU e esgoto uma vez que os reatores anaerbios criam condies propcias para o desenvolvimento bacteriolgico e assim geram o gs digerindo o substrato orgnico. Alm disso, o tempo de permanncia dos resduos em biodigestores menor, no mximo noventa dias ao passo que em aterro sanitrio pode permanecer por dcadas (WARITH, 2001).

A energia proveniente da usina pode ser utilizada em equipamentos que empregam combustveis fsseis, pois esses equipamentos so facilmente readaptados para o biogs, alm disso, esse combustvel representa um imenso potencial e uma alternativa como combustvel veicular com funcionamento idntico ao GNV (KAPDI et al., 2005). Alm de reduzir drasticamente a emisso do dixido de carbono (CO2) o biogs poder tornar-se um biocombustvel competitivo no mercado.

De um modo geral e, com rarssimas excees, a grande maioria das empresas de pequeno e mdio porte, vista sob os aspectos tecnolgico, comercial e institucional, vai muito mal.

Isto porque falta apoio tecnolgico para a melhoria e desenvolvimento de novos produtos, o mercado consumidor instvel e est mal informado sobre o uso e a relao custo/benefcio dessas tecnologias e, praticamente, no h apoio institucional (BONANNI, 1991).

As unidades de biogs precisam de ferramentas fceis e prticas para monitorar e avaliar a sua eficincia do processo biolgico. Logo que, em muitos casos, a biomassa de fornecimento presentes custos considerveis, em grande escala de digesto anaerbia (AD) processos deve aproximar-se, tanto quanto possvel, o rendimento de biogs potencial da mistura orgnica alimentado para os biodigestores (SCHIEVANO et al., 2011).

A construo de centrais biodigestoras necessita de otimizao das dimenses com respeito ao ngulo das paredes e a relao entre o comprimento e a largura dos tanques. A influncia da presso de biogs deve ser considerada. A parametrizao pode ser aplicada numa grande variedade de situaes (MART-HERRERO; CIPRIANO, 2012).

Ferramentas computacionais aplicadas projetos

No mercado competitivo as ferramentas tecnolgicas desempenham um papel importante no desenvolvimento de novos produtos e processos. O CAD (Projeto Auxiliado por Computador) integrado com CAM (Manufatura Auxiliada por Computador) so solues de software e sistemas industriais para o projeto e dimensionamento de processos e produtos (HOUSHMAND et al., 2010).

Os processos atuais de manufatura devem ser adaptados para vrias evolues na gerao de processos como usinagem: CAD/CAM modelos, solues de software de CAM. Neste contexto, a adequao entre a forma da matriz e processo no ncleo da preparao de mquinas e abordagens de planeamento de processo (TAPIE e MAWUSSI, 2008).

A rea de pesquisa "Produo Virtual'' pertence ao uso da tecnologia da informao e simulao computacional para modelar processos do mundo real de fabricao com a finalidade de analisar e compreend-los. Como as tecnologias de automao, tais como CAD/CAM substancialmente vem reduzido o tempo necessrio para produtos de design, a Manufatura Virtual (VM) ter um efeito semelhante nas graas de fabricao de fase para a modelagem, simulao e otimizao do produto e dos processos envolvidos em sua fabricao (DPINC et al., 2004).

As caractersticas do projeto de construo de centrais de produo representadas pelo departamento de design so: desenhos correspondentes; normas; grande nmero de pequenos projetos para diferentes partes; variedade de tipos de desenhos de um nico projeto; grande arquivo de folhas. Os modelos e mtodos de desenvolvimento do sistema de CAD de ambientes complexos uniformizam e criam uma concepo amigvel, com a configurao de um perfil de operaes, uso das partes gerais do projeto, com uma srie de problemas orientados, subsistemas so descritos em um exemplo de um CAD (MIGUNOV, 2004).

A tecnologia modular de desenvolvimento de expanses orientadas CAD pode ser aplicada em tarefas como a de projetar produtos e peas a partir de uma exigncia fsica ambiental com a realizao de programa de sistema conhecido como TechnoCAD GlassX. O modelo de sistema dos desenhos de proteo contra exigncias atmosfricas desenvolvido, incluindo a representao paramtrica estruturada (propriedades dos objetos e sua interdependncia, configuraes gerais e configuraes padro) e operaes com ele, que de forma eficiente automatiza o projeto (MIGUNOV et al., 2004).

O desenvolvimento da indstria de tecnologia da informao aplicada reas de integrao de diferentes sistemas tais como CAD, CAM, CAE e outros vem crescendo nos ltimos anos. A fim de conseguir vincular sistemas de projeto automatizado (Computer Aided Design CAD), com sistemas automatizados de manufatura (Computer Aided Manufacturing CAM), automao do planejamento de processo de fabricao necessrio, ou seja CAPP (Computer Aided Planning Process). Os sistemas podem preencher uma lacuna entre o design e a fabricao (TODI et al., 2012).

A simulao de sistemas de movimentao como relao de transmisso e torque em sistemas rotativos pode ser dimensionada com ferramentas chamadas de motion. Construes podem ser projetadas em softwares CAD 3D. As simulaes das unidades fornecem informaes sobre posies, velocidades, aceleraes, trajetrias de ponto, as foras e momentos, energias, bem como as foras de contato no contato entre os dentes de engrenagens e outros dados relativos ao sistema (BOSTAN et al., 2010).

Trabalhos desenvolvidos sobre os novos mtodos de seleo de recursos tecnolgicos so realizado atravs da substituio das fases repetveis com as fases que representam rotinas sensveis ao auxlio de computador. A principal ferramenta de algoritimizao a teoria desenvolvida de similaridade tecnolgica, apoiada pela aplicao de dados bases mtodo. Os principais mtodos so o orientado no computador auxiliar e de programa de computador, ambos usados na concepo de processo dos novos recursos tcnicos. Programas e bases de dados apresentados em papel so a base de seleo dos recursos tecnolgicos na srie de tipos de processo da tecnologia de criao. Todas estas aplicaes suportam o desenvolvimento intensivo dos tipos de caractersticas tcnicas e afetam a sua competitividade no mercado pronto (RZASISKI, 2011).

Softwares de Modelagem 3D

A modelagem tridimensional (ou modelagem 3D) o processo de desenvolvimento relacionado a uma representao matemtica de qualquer superfcie tridimensional de um item atravs de software especializado. O produto dessa representao um modelo 3D virtual com aspectos idnticos ao projeto ou produto real. A criao de um produto ou montagem passa pela adaptao de formas, objetos, e cenrios virtuais. Para elaborao so utilizadas ferramentas computacionais de modelagem tridimensionais avanadas e direcionadas para este tipo de trabalho. A modelagem em trs dimenses, modelagem 3D, se utiliza de uma variedade de ferramentas genricas, permitindo uma comunicao mais fcil entre dois programas diferentes e usurios iguais, so as mais conhecidas: tcnica por polgonos, tcnica por vrtices e tcnica por bordas. Todas elas so realizadas atravs da criao de uma malha complexa de segmentos que do forma ao objeto. A seguir um modelo criado no software Autodesk Inventor 2013 (Verso educacional) para este trabalho.

Autodesk Inventor um programa desenvolvido pela empresa Autodesk que permite modelar imagens tridimensionais. Os modelos 3D gerados pelo programa Autodesk Inventor, tambm so funcionais, ou seja, eles podem ser utilizados atribuindo-se informaes reais como, resistncia mecnica, textura, aparncia e propriedades mecnicas. Podem ser definidos movimentos, execuo de deslocamentos, interferncias e outras transformaes mecnicas. As verses mais atuais apresentam o mdulo de simulao dinmica (Dynamic Simulation), onde um determinado mecanismo pode ser colocado sob os efeitos da acelerao da gravidade e de todas as outras foras presentes no sistema, permitindo-se observar e analisar seu comportamento.

METODOLOGIA

Para este trabalho foram criados modelos em CAD 3D para facilitar a fabricao de dispositivos e a montagem dos biodigestores. O desenvolvimento e simulao do funcionamento deram-se com as seguintes fases:

Modelagem de Biodigestores (Montagem e fabricao);

Modelagem de Misturadores (Dimensionamento e simulao);

Simulao da fabricao de partes especiais (fusos, selos, faces isolantes, separadores, janelas de inspeo, etc.).

A modelagem foi iniciada criando-se os biodigestores. Os tanques foram projetados em chapas com cobertura cermica, processo glass-fused-to-steel. A montagem foi projetada para que ocorra em partes sob uma estrutura soldada. O resultado pode ser visto na figura 4.

Figura 4 Tanques biodigestores modelados em software Inventor Professional 2013 (Student Version).

Foram modelados dois tanques para separao hidrlise e fermentao. Em seguida foram modelados os misturadores para homogeneizao da biomassa. O resultado pode ser visto na figura 5.

Figura 5 Misturadores para biodigestores modelados em software Inventor Professional 2013 (Student Version).

CONSIDERAES FINAIS

O sucesso de empreendimentos de gerao de biogs est diretamente ligado ao projeto e dimensionamento de centrais para biodigesto. A dificuldade de reproduzir todos os aspectos reais e aplicados ao sistema diminui drasticamente as chances de sucesso na produo. O mau dimensionamento pode interromper o fluxo de produo devido a sensibilidade microbiolgica do processo. O controle refinado de carregamento, mistura, descarga e parametrizao auxilia no desenvolvimento da gaseificao do substrato. A escolha dos materiais aplicados e do processo de fabricao interfere na durabilidade e estabilidade da central, principalmente nos biodigestores, filtragem e acondicionamento do gs.

REFERNCIAS

BONANNI, F. S. Avaliao da indstria de equipamentos para aproveitamento de fontes renovveis de energia. Prod. [online]., vol.1, n.2 [cited 2012-06-03], pp. 113-119. 1991.

BOSTAN, I; DULGHERU, V; SOCHIREANU, A. Cae development of Precessional Drives using Autodesk Inventor Plataform - Fiabilitate si Durabilitate Editura Academica Brncui, Trgu Jiu, 2010.

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