Estudo da cinética de materiais complexos: modelos de reação e de distribuição de energia de ativação através de redes neurais de Hopfield
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Dissertação de mestrado
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Primeiro orientador
Membros da banca
Arilza de Oliveira Porto
Vanya Marcia Duarte Pasa
Vanya Marcia Duarte Pasa
Resumo
O estudo cinético da decomposição térmica de sólidos fornece informações essenciais sobre o comportamento térmico de um sistema e suas possíveis aplicações industriais. A determinação correta do tripleto cinético (energia de ativação, fator de frequência e parâmetros do modelo reacional) depende, sobretudo, da escolha do modelo cinético mais adequado para descrever o sistema. Para avaliar o coque verde de petróleo e lodo da estação de tratamento de esgoto de Belo Horizonte foram utilizadas três metodologias de cinética: análise isoconversional, modelo empírico de Cai-Liu e modelo de distribuição de energia de ativação (DAEM). As duas últimas foram otimizadas por rede neural de Hopfield (RNH). A determinação da distribuição de energia de ativação, através do algoritmo RNH, foi realizada pela primeira vez neste trabalho e dados simulados foram utilizados para validar o código computacional desenvolvido. O coque verde de petróleo apresentou o menor erro de ajuste utilizando a equação de Cai-Liu que aponta para uma reação com contribuição dos modelos de Avrami-Erofeev e de primeira ordem. Os parâmetros cinéticos que melhor representam a decomposição do coque são k0=3,1009e6 min^-1 e E0=112,51 kJ/mol. Já o lodo da estação de tratamento de esgoto apresentou uma cinética multi etapas melhor representada um processo 5-DAEM, Os parâmetros cinéticos que melhor representam a decomposição do lodo são k0=1,26e10 min^-1 e E0=83,984; 111,328; 119,140; 130,859 e 146,375 kJ/mol.
Abstract
The kinetic study of thermal decomposition of solids provides essential information about the thermal behavior of a system and its possible industrial applications. The correct determination of the kinetic triplet (activation energy, frequency factor, and parameters of the reaction model) depends, above all, on the choice of the most appropriate kinetic model to describe the system. To evaluate the green petroleum coke and sewage sludge, three kinetic analysis methods were used: isoconversional analysis, Cai-Liu empirical model, and distribution activation energy model (DAEM). The last two were optimized by Hopfield's neural network (HNN). The determination of the activation energy distribution, using the HNN algorithm, was performed for the first time in this work and simulated data were used to validate the computational code developed. The green petroleum coke was better adjusted using the Cai-Liu equation, which points to a reaction with the contribution of Avrami-Erofeev and first-order models. The kinetic parameters that best represent the coke decomposition are k0=3,1009e6 min^-1 e E0=112,51 kJ/mol. The sewage sludge presented multi-stage kinetics represented by a 5-DAEM process. The kinetic parameters that best represent the sludge decomposition are k0=1,26e10 min^-1 e E0=83,984; 111,328; 119,140; 130,859 e 146,375 kJ/mol.
Assunto
Físico-química, Cinética química, Coque de petróleo, Lodo de esgoto, Redes neurais (Computação), Combustíveis sólidos
Palavras-chave
Modelos reacionais, Distribution of activation energy model DAEM, Rede artificial de Hopfield, Combustível sólido, Coque verde de petróleo, Lodo de estação de tratamento de esgoto, Modelo de distribuição de energia de ativação DAEM