Transcript
Índice Índice de tabelas................................................................................................................3 Índice de figuras................................................................................................................3 Índice de gráficos...............................................................................................................3
1.Resumo.............................................4 2.Objetivos ..........................................5 3.Introdução.........................................6 4.Subprodutos da Indústria Sucroalcooleira ....................................7 4.1 Vinhaça................................................................................................. 7 4.2 Gás Carbônico.......................................................................................7 4.3 Águas de lavagem.................................................................................8 4.4 Melaço...................................................................................................8 4.5 Torta de filtro........................................................................................8 4.6 Bagaço..................................................................................................9 4.6.1 Fertilizantes ...................................................................................9 4.6.2 Ração animal................................................................................10 4.6.3 Xilitol.............................................................................................10 4.6.4 Furfural.........................................................................................11 4.6.5 Energia elétrica ............................................................................11
5. Legislação e Saúde .........................12 5.1 O Gerenciamento Ambiental...............................................................12 5.1.1 ISO 14000.....................................................................................13 5.2 A Indústria Sucroalcooleira e a Poluição do Ar....................................13 5.3 A Legislação........................................................................................14 5.4 Material Particulado e a Saúde Humana.............................................17
6. Equipamentos.................................19 6.1 Sedimentadores - Câmaras gravitacionais .........................................19 6.2 Ciclones ..............................................................................................20 6.3 Filtro Manga........................................................................................21 1
6.4 Precipitator Eletrostático.....................................................................23 6.4.1 Dimensionamento.........................................................................25 6.5 Lavadores de gás................................................................................26 6.5.1 Mecanismos de coleta...................................................................26 6.5.2 Tipos de Lavadores ......................................................................26
7. Lavador Venturi...............................28 7.1 Funcionamento...................................................................................28 7.2 Equacionamento do Lavador Venturi..................................................30 7.2.1 Eficiência......................................................................................31 7.2.1.1 Modelo de Johnstone..............................................................31 7.2.1.2 O modelo de Calvert...............................................................33 7.2.1.3 Perda de carga.......................................................................34
8. Experimento Realizado....................35 8.1.1 Procedimento Experimental..........................................................36 8.2 Equipamento de medida de Tensão (Tensiômetro)............................38
9. Proposta.........................................43 10. Referencias Bibliográficas .............44
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Índice de Tabelas Pág. Tabela 1 – Principais poluentes.......................................................................................13 Tabela 2 – Padrões Primários e Secundários...................................................................15 Tabela 3 – Níveis de Atenção..........................................................................................15 Tabela 4 – Fator de Correção..........................................................................................33 Tabela 5 – Valores por concentração de solução............................................................34 Tabela 6 – Tensão superficial (Tensiômetro)..................................................................35 Tabela 7 – Tensão superficial (Tensiômetro) corrigida..................................................36
Índice de Figuras Pág. Figura 1 – Implantação de um SGA...............................................................................11 Figura 2 – Sedimentador ................................................................................................17 Figura 3 – Dinâmica do ar dentro do ciclone..................................................................18 Figura 4 – Filtro Manga..................................................................................................19 Figura 5 – Esquema de funcionamento do precipitador eletrostático.............................21 Figura 6 – Mecanismo de coleta.....................................................................................24 Figura 7 – Lavador Spray................................................................................................25 Figura 8 – Torre de enchimento ......................................................................................25 Figura 9 – Representação esquemática do Lavador Venturi...........................................26 Figura 10 – Perfil da queda de pressão............................................................................27
Índice de Gráficos Pág. Gráfico 1 – Tensão superficial x fração etanol.............................................................. 34 Gráfico 2 – Tensão superficial x fração etanol (Tensiômetro)........................................37 Gráfico 3 – Compareção entre os métodos.....................................................................37
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1.Resumo A partir dos anos 70 quando o governo brasileiro deu inicio ao programa do Proálcool, incentivando a indústria sucro-alcooleira, a qual teve um grande aumento. Esta indústria tem como produtos principais o álcool e o açúcar, mas têm vários outros subprodutos como vinhaça, melaço, água de lavagem, torta de filtro, CO2 e o bagaço, este ultimo sendo o principal para o nosso estudo. O bagaço pode ter vários usos, mas um dos principais usos é no abastecimento energético da indústria, através de sua queima em caldeiras, que consegue gerar energia elétrica para suprir a demanda energética da indústria e para revenda. Mas essa queima gera resíduos, a fuligem, a qual é um material particulado que contém partículas menores do que 10µm, que são prejudiciais ao meio ambiente e a saúde tanto de animais tanto de humanos. O objetivo desse estudo é a analise de equipamentos para a limpeza dos gases da caldeira, o principal equipamento estudado foi o lavador Venturi, porque consegue trabalhar com grande eficiência com os gases da caldeira que estão com alta temperatura e pressão.
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2.Objetivos O objetivo do nosso trabalho é aperfeiçoar o processo que acontece nas usinas de cana, principalmente no que tange as questões ambientais. Primeiramente foram identificados os subprodutos da indústria canavieira, suas aplicações, e os impactos que cada um causa ao meio ambiente, assim como as formas de minimizá-los. Entre as formas de executar processos ecologicamente corretos, foram estudados equipamentos que atenuam os efeitos adversos para a natureza. O foco de estudo foi então escolhido como o material particulado produzido pela queima do bagaço, que polui o ar, causa prejuízos materiais, desequilibra os ecossitemas, causa danos pra saúde humana, e é considerado um “vilão estufa”, pois as partículas se aquecem rapidamente, contribuindo muito para o aquecimento global. A fuligem é um problema em evidência nas Usinas, já que desde a colonização a queimada é o principal método usado para a colheita da safra. Com o intuito de dar continuidade aos trabalhos prévios de Desenvolvimento de Processos Químicos, o equipamento escolhido para remover o particulado do efluente da caldeira foi o Lavador Venturi. Esse equipamento é capaz de remover quase por inteiro o particulado da corrente gasosa, apresentando altas eficiências, inclusive para a faixa de partículas respiráveis, que são as mais danosas para a saúde do homem. O Lavador é o mais versátil dos equipamentos estudados, e além de particulado sólido ele pode ser usado para remover particulado gasoso com alta eficiência. Sendo assim, o grupo estudou as propostas realizadas pelos grupos precedentes, que projetou o equipamento (2005), e dos demais (2006, 2007), que usaram o Venturi a fim de validar suas propostas de trabalho. Fundamentados pelo conhecimento adquirido através dos trabalhos realizados no Lavador Venturi existente no Departamento, foi possível formular a nossa própria proposta de trabalho, planejar o estudo das variáveis e tecer hipóteses a respeito da operação do equipamento quando os parâmetros forem mudados.
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3.Introdução As indústrias sucroalcooleiras do Brasil geram, além dos produtos principais, muitos subprodutos e resíduos. Dentre todos os subprodutos, podemos citar alguns que apresentam maior representatividade, como por exemplo, a vinhaça e o bagaço. O bagaço apresenta uma utilidade muito importante, que é a geração de energia através de sua queima. Com esse tipo de geração de energia as usinas de cana-de-açúcar podem se tornar auto-suficientes, e algumas vezes chegam a vender energia excedente para as concessionárias de energia. Apesar da queima da cana ser uma boa alternativa para a geração de energia elétrica, esta queima gera muita poluição (material particulado) e deve ser controlada. O material particulado liberado através da queima da cana-de-açúcar é muito nocivo a saúde humana, e atualmente existem legislações muito severas com relação e esta poluição, e, portanto as indústrias devem instalar equipamentos de limpeza de ar. Dentre os equipamentos de limpeza de ar, podemos citar os lavadores, os ciclones, os precipitadores eletrostáticos, os sedimentadores e os filtros de manga. No presente trabalho foi estudado o lavador Venturi, que é um tipo de lavador muito eficiente para coleta de partículas na faixa do respirável (partículas com diâmetro menor que 10 µm).
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4.Subprodutos da Indústria Sucroalcooleira A indústria de açúcar e álcool produz além dos produtos principais, alguns subprodutos, que pode ser utilizados com diversas finalidades. Dentre os principais subprodutos da indústria sucroalcooleira, podem ser citados o gás carbônico (CO2), o melaço, a vinhaça, o bagaço, a torta de filtro e as águas de lavagem.
4.1 Vinhaça As destilarias de álcool tem como principal um dos principais subprodutos a vinhaça, um liquido escuro com odor acentuado. Cada 1 L de álcool produz aproximadamente de 12 a 14 L de vinhaça. Sua constituição apresenta 93% de água, sendo que dentre os seus componentes sólidos, 74,85% são orgânicos, entre os quais tem-se potássio, cálcio, sulfatos, ferro e magnésio. Pela sua alta concentração de sulfato, a vinhaça é considerada altamente corrosiva. A legislação ambiental proíbe o descarte de vinhaça in natura. Seu efeito poluente se faz pela quantidade de matéria orgânica que é oxidada, consumindo o oxigênio livre dissolvido na água. A flora e a fauna aquática são eliminadas e ao morrerem geram um fenômeno em cadeia de ampliação da demanda de oxigênio, até a morte ecológica do curso de água, tornando-se imprópria para uso. Atualmente a maior parte da vinhaça é tratada, e seu uso mais comum é como fertilizante, devido ao seu alto pH e alto teor de compostos orgânicos. A vinhaça também pode ser utilizada na produção de biogás e na fabricação de tijolos.
4.2 Gás Carbônico O gás carbônico (CO2) é gerado, na indústria canavieira, tanto na fermentação alcoólica quanto na queima do bagaço. Com a preocupação atual com o meio ambiente, o CO2 não pode ser descartado diretamente na atmosfera, pois contribui para o Efeito Estufa e o Aquecimento Global. Portanto, o gás carbônico deve ser purificado antes de ser comercializado. Pode ser utilizado na fabricação de ácido salicílico, fabricaçao de bicarbonato de sódio, fabricação de uréia, industria de refrigerantes, refrigeração, entre outros. 7
4.3 Águas de lavagem Podem ser provenientes da lavagem da cana, das colunas barométricas, dos condensadores e da lavagem de pisos e equipamentos. A água de lavagem da cana é considerada, depois da vinhaça, um dos efluentes mais poluentes da indústria da cana de açúcar, devido ao arraste de açúcar, cana, terra e palha. Em geral é reutilizada no processo de embebição, no processo de lavagem e até mesmo como fertilizante, devido ao alto teor de componentes orgânicos.
4.4 Melaço O melaço é um liquido que se obtém no processo de concentração do caldo de cana. É constituído principalmente de açucares como frutose, sacarose e maltose. Pode ser utilizado como fertilizante devido ao alto teor de matéria orgânica e também como ração animal, pelo alto teor de carboidratos, vitaminas do complexo B e micronutrientes.
4.5 Torta de filtro A torta representa cerca de 2 a 3% da produção de cana moída e é constituída de cerca de 1,2 a 1,8% de fósforo e cerca de 70% de umidade. A torta também apresenta alto teor de cálcio e consideráveis quantidades de micronutrientes. A torta pode ser utilizada como fertilizante para plantações, sem precisar de muitos tratamentos anteriormente a adubação. Existem três formas básicas de utilização da torta de filtro como fertilizante orgânico: •
Aplicação em superfície total nas áreas de renovação dos canaviais. Grandes quantidades são adicionadas ao solo e, posteriormente, incorporadas por meio de gradagens;
•
Distribuição nas entrelinhas da cana-soca e incorporações por meio de cultivadores de discos;
•
Aplicação nos sulcos de plantio. Menores quantidades de torta de filtro (15 a 35 toneladas por hectare da torta úmida) são distribuídas, levando-se em conta as quantidades de nutrientes que estão sendo incorporados ao solo, sobretudo o fósforo.
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O fertilizante produzido com a torta do filtro apresenta uma serie de vantagens em relação ao adubo químico que normalmente é utilizado nas plantações. Do ponto de vista econômico, a utilização da torta é uma boa alternativa aos adubos químicos, pois faz com que as indústrias não precisem investir altas quantias de dinheiro em nitrogênio, fósforo e potássio, pois a torta já supri necessidade das plantas. Além disso, se a torta não fosse reaproveitada, a cada hectare seriam aplicados cerca de 500 mil quilos de adubo químico, a um custo de R$ 1,7 mil a tonelada, o que mostra uma economia muito grande.
4.6 Bagaço O bagaço é um subproduto da indústria sucroalcooleira e representa cerca de um quarto da massa da cana-de-açúcar. Obtido da moenda da cana, o bagaço apresenta um alto teor de fibras e umidade (Aproximadamente 45% de fibras, 50% de umidade e 5% de outros sólidos. O bagaço pode ser utilizado na produção dos seguintes produtos: fertilizantes e ração animal, xilitol, energia elétrica e furfural. 4.6.1 Fertilizantes O processo utilizado para preparação de adubos a partir do bagaço da cana-deaçúcar é denominado compostagem ou composta. Define-se compostagem como um processo biológico, aeróbio e controlado, por meio do qual se consegue a humificação do material orgânico, obtendo-se como produto final, o “composto orgânico”. Este processo é desenvolvido em duas fases distintas, em que na primeira ocorre a degradação ativa e, na segunda, maturação (humificação) do material orgânico, ocasião em que é produzido o composto propriamente dito. A compostagem pode ser feita não somente com o bagaço da cana, mas também com outros resíduos vegetais provenientes da agroindústria, como por exemplo, cascas de café, pedúnculo e epicarpos de algodão. Um processo de compostagem muito utilizado é o processo feito com esterco animal (bovinos, eqüinos e aves) e bagaço da cana. O material vindo da usina (bagaço) e dos estábulos ou granjas são empilhado um sobre o outro em camadas na forma de um sanduíche, nas devidas proporções (quatro volumes de bagaço para um volume de esterco animal) até que a pilha chegue a altura desejada. Acima dessa pilha, para acelerar a compostagem e enriquecer o adubo orgânico, deve-se aplicar uma camada de
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2 a 3 cm de fosfato natural em pó ou superfosfato simples em pó. Com o passar do tempo é necessário que se faça o revolvimento periódico deste composto, para que o processo se acelere e seja bem realizado. O processo todo da compostagem dura em torno 90 dias quando é feito em galpões, e pode demorar um pouco mais, cerca de 120 a 150 dias, quando feito a céu aberto. O produto final deve ter no máximo 25% de umidade, pH superior a 6,0 e a relação carbono/nitrogênio (C/N) na faixa de 10/1 a 15/1. Esta relação C/N é muito importante e deve ser controlada para que a operação ocorra da forma adequada. O composto deve ser incorporado ao solo trinta dias antes da instalação da cultura. No caso de culturas perenes (como a do café e das frutíferas), este adubo orgânico deverá ser enterrado formando uma coroa ao redor das plantas. 4.6.2 Ração animal O bagaço de cana in natura não apresenta uma boa digestibilidade nem um bom valor nutritivo, e por isso não é muito eficiente quando utilizado para a alimentação de animais. Uma alternativa para isto é inclusão do bagaço à outras rações que apresentem um teor nutritivo alto, como por exemplo rações a base de palma forrageira, milho e farelo de soja. Outra opção é o tratamento do bagaço com os nutrientes necessários, fazendo com que assim o bagaço apresente um bom valor nutritivo e uma boa digestibilidade para os animais. Os tratamentos mais utilizados são feitos a base de hidróxido de sódio, uréia, amônia ou com vapor sob pressão (hidrolise), e dentre estes tratamentos vapor sob pressão apresenta resultados mais efetivos em termos de aumento do valor nutritivo do material tratado. 4.6.3 Xilitol O xilitol é um poliol obtido a partir da hemicelulose contida no bagaço. Ele é um pó branco e com formula estrutural C5H12O5. O xilitol possui um poder adoçante (semelhante à sacarose) e é pouco calórico. Ele também ajuda a prevenir cáries e da uma sensação de frescor o que faz com que seja utilizado em balas e chicletes, alem de ser utilizado no combate a diferentes doenças no corpo humano como a otite e a osteoporose. No momento o processo químico é o mais utilizado, mas na indústria sulcroalcoleira usa-se o processo biológico. Esse processo envolve a fermentação da xilose contida na hemicelulose por fungos. Ele possui as vantagens em relação ao processo convencional por ser mais barato e não ser menos prejudicial ao menos ambiente 10
(toxicidade dos efluentes é menor do que os do processo químico), mas os processos ainda estão sendo otimizados, pois ainda não há como obter grandes quantidades para sua cristalização. 4.6.4 Furfural O furfural é utilizado como solvente seletivo para refinação de óleos lubrificantes, resina de madeiras e óleos vegetais. O uso potencial do furfural, além da utilização em fármacos e resinas, é a obtenção de álcool furfurílico. A fabricação do furfural a partir do bagaço da cana usa praticamente os mesmos métodos usados quando se usa bagaço de milho. Muitas empresas já estão utilizando o essa fonte para a fabricação comercial, como uma empresa da republica dominicana patrocinada pelos Estados Unidos e muitas empresas na China. 4.6.5 Energia elétrica Uma das principais aplicações do bagaço da cana é a geração de energia elétrica através de sua queima. Esta aplicação é de grande importância porque faz com que as indústrias se tornem auto-suficientes (em termos de energia elétrica), uma vez que elas produzem a energia que irão utilizar nos processos de transformação da cana em produtos (açúcar e álcool). Outro fator positivo desta produção de energia é o fato de ela ser limpa e renovável, fazendo com que o país possa vender créditos de carbono do protocolo de Kyoto. Apesar de apresentar muitas vantagens, a produção de energia elétrica através da biomassa também tem desvantagens, que é a poluição gerada em sua queima. A queima da cana produz fuligens e cinzas que são prejudiciais à saúde humana e também ao meio ambiente, e, portanto essas cinzas devem ser tratadas antes de serem despejadas no ar. As cinzas também podem ser utilizadas para a fabricação de tijolos e carvão.
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5. Legislação e Saúde 5.1 O Gerenciamento Ambiental O Brasil, maior país da América Latina e quinto do mundo em área territorial, compreendendo 8.511.996 km2, com zonas climáticas variando do trópico úmido a áreas temperadas e semi-áridas, é certamente o país detentor do maior patrimônio de biodiversidade do planeta. Mais de 16% do território brasileiro corresponde a áreas de proteção ambiental (sendo 5,22% em unidades de conservação federais, tais como parques e reservas ecológicas e extrativistas, e 11,12% em áreas indígenas). A Lei Federal nº 6.938, de 31 de Agosto de 1981, constituiu o Sistema Nacional do Meio Ambiente (SISNAMA), composto pelos órgãos e entidades da União, dos Estados e do Distrito Federal, dos Municípios, e pelas fundações instituídas pelo Poder Público, responsáveis pela proteção e melhoria da qualidade ambiental. Eles têm como seu Órgão Superior o Conselho Nacional do Meio Ambiente. O CONAMA é o órgão responsável em todo o território nacional pela regulamentação dos procedimentos referentes ao Licenciamento Ambiental estabelecidos na Política Nacional de Meio Ambiente e pela incorporação ao sistema de Licenciamento Ambiental os novos instrumentos de gestão ambiental, que visam à melhoria contínua e a prevenção, No Brasil a questão ambiental chega hoje a patamares mais evoluídos, e deixa-se de encarar o ambientalismo e o desenvolvimentalismo como adversários. O empreendimento da atualidade há de considerar a interação entre empresa, sociedade, mercado e órgãos de controle ambiental. Responsabilidade com o meio ambiente é um quesito intrínseco ao critério moderno de qualidade. O sistema de Gestão Ambiental é o mecanismo de controle e melhoramento da adequação de uma empresa com as condições limitantes do meio em que ela se encontra. Para que seja bem sucedido, ele precisa de diretrizes, tais como: o comprometimento geral da empresa com a política ambiental, elaboração de um plano de ação (objetivos e metas), integração dos planos ambientais no dia-a-dia operacional da organização, monitoramento e auditorias, e por fim, redefinição de objetivos. A implementação de um sistema de Gerenciamento Ambiental visa melhoria contínua das condições no que tange processos e matérias - primas.
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Figura 1 – Implantação de um SGA
5.1.1 ISO 14000 Na Conferência das Nações Unidas sobre Meio Ambiente e Desenvolvimento (ECO 92) mais de 100 países reconheceram que era preciso criar normas internacionais de gestão ambiental, conhecidas atualmente como ISO 14000. A norma britânica BS 7750 seriu de “embrião” para as normas ISO 14000. Este conjunto de normas tem como objetivo geral fornecer assistência para as organizações na implantação ou no aprimoramento de um Sistema de Gestão Ambiental (SGA). As normas proporcionam uma indicação, ou apresentam as ferramentas disponíveis para que se proceda com segurança do bom desempenho.
5.2 A Indústria Sucroalcooleira e a Poluição do Ar O material particulado é um dos poluentes emitidos em maior volume pelas indústrias de açúcar e álcool. Considera-se como material particulado qualquer substância, à exceção da água pura, que existe como líquido ou sólido na atmosfera e tem dimensões de 10nm a mais de 100μm. No caso em estudo a grande maioria das emissões é de material sólido, também chamado de fuligem. A maior fonte de particulado é a queima de biomassa e de combustíveis fósseis em motores de combustão interna. A partícula de fuligem que sai da caldeira (ou é produzida na queimada) é composta por material inorgânico, hidrocarbonetos adsorvidos na superfície, gotículas de hidrocarbonetos condensados na superfície, sulfatos e gotículas de água aderidas à superfície.
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De acordo com a União da Indústria da Cana-de-Açúcar (UNICA), em 2009, pelo menos 50% dos canaviais paulistas seriam colhidos sem uso do fogo. No entanto, o número de queimadas registradas até agora pelos satélites do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe) é o dobro do registrado no mesmo período do ano passado. Desde a colonização e principalmente durante a década de 70, com o vantajoso subsídio oferecido pelo governo através do ProÁlcool, as queimadas foram o principal método de colheita da cultura de cana. Elas provocam vários impactos ambientais negativos que afetam inclusive a sustentabilidade da própria agricultura. No solo, o fogo altera as suas composições química, física e biológica, prejudicando a ciclagem dos nutrientes. As queimadas são fortemente combatidas através de plebiscitos ou movimentos populares, que culminam em leis mais severas. Em 2001, o então governador de São Paulo, Geraldo Alckmin, prorrogou o prazo de uma lei que obrigava a extinção das queimadas até 2008. De acordo com a nova determinação as áreas mecanizáveis (relativamente planas e maiores do que 150 hectares) devem parar as queimadas até o ano de 2021. Já as áreas menores e com declividade, ou seja, as não mecanizáveis, tem prazo estendido até 2031. Essa lei determina metas para cada ano, para que se possa eliminar a prática da queimada gradativamente. O setor sucroalcooleiro lidera o ranking do valor de multas aplicadas pelo governo de São Paulo por poluição ou desrespeito à legislação ambiental entre todas as áreas da indústria, segundo dados da Companhia Tecnológica de Saneamento Ambiental (CETESB). Em segundo lugar figuram as metalúrgicas, com dados mais modestos.
5.3 A Legislação O material particulado em suspensão na atmosfera é dividido em classes, de acordo com sua faixa de diâmetro: •
Particulado total em suspensão (PTS): representa o conjunto dos diversos
materiais particulados, freqüentemente, ultrapassando 10 μm de diâmetro, podendo atingir até 100 μm; • Particulado grosso (PM10): partículas com diâmetro aerodinâmico de 2,5 a 10 μm. São produzidas mecanicamente pela quebra de partículas maiores durante a atividade industrial; em rodovias, provenientes do solo (pó de estrada, por exemplo,
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freio e pó de pneu); escombros de construções; material biológico, como pólen e bactérias; processos agrícolas; • Particulado fino (PM2,5): com diâmetro aerodinâmico inferior a 2,5 μm. Geralmente, formado a partir do processo de combustão, incluindo veículos a motor, queima de madeira, queimada de plantações ou florestas, e alguns processos industriais. Os principais gases precursores são o dióxido de enxofre (SO2), óxidos de nitrogênio (NOx), amônia (NH3) e compostos orgânicos voláteis; • Partículas ultrafinas (UFP): com diâmetro aerodinâmico inferior a 0,1 μm. Produzidas pela condensação de metais ou compostos orgânicos vaporizados a altas temperaturas (combustão de produtos fósseis). Geralmente, são constituídas por nitrato, sulfato, carbono, amônia e traços de metais. A determinação sistemática da qualidade do ar, por questões de ordem prática, é limitada a um restrito número de poluentes, definidos em função de sua importância e dos recursos materiais e humanos disponíveis. De forma geral, o grupo de poluentes consagrado universalmente como indicador mais abrangente da qualidade do ar é: monóxido de carbono, dióxido de enxofre, material particulado, ozônio e dióxido de nitrogênio. A razão da escolha desses parâmetros como indicadores de qualidade do ar está ligada à maior ocorrência de emissões com esse grupo poluente e aos seus efeitos adversos ao meio ambiente e à saúde humana. A Tabela 1 mostra algumas mazelas causadas pela poluição atmosférica. Tabela 1 - Principais poluentes
Poluente
Características
Fontes Principais
MP10 e Fumaça
Particulado de material sólido ou líquido. Tamanho menor que 10 µm
Processos de combustão
Danos a vegetação, deterioração da visibilidade, contaminação do solo
PTS
Particulado de material sólido ou líquido. Tamanho menor que 100 µm
Processos industriais, veículos motorizados, queima de biomassa
Danos a vegetação, deterioração da visibilidade, contaminação do solo
SO2
Gás incolor, forte odor, pode ser facilmente transformado em SO3 e posteriormente em H2SO4
Queima de óleo combustível, veículos a diesel, fertilizantes
Formação de chuva ácida, corrosão de materiais e danos a vegetação
NO2
Odor forte, pode formar HNO3 e nitratos
Processos industriais, veículos motorizados
Formação de chuva ácida, e danos a vegetação
CO
Gás incolor, inodoro, insípido Gás incolor, principal componente da nevoa fotoquímica
Combustão incompleta (veículos) É produzido indiretamente (fotoquimicamente) pela radiação
O3
Efeitos gerais ao meio ambiente
Danos as vegetações e plantas
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Os poluentes são ditos primários quando emitidos diretamente pela fonte, e secundários caso se formem na atmosfera, por reações físicas ou químicas. O ozônio é um bom exemplo de poluente secundário: é formado na atmosfera por reação fotoquímica em altitudes de 10 a 50 km. A Resolução CONAMA Nº 05, de 15 junho de 1989 instituiu o Programa Nacional de Controle da Qualidade do Ar (PRONAR), que usa a imposição de limites máximos de emissão, e padrões nacionais de qualidade como estratégias para evitar a poluição do ar. Os padrões estabelecem concentrações de poluentes atmosféricos que, se ultrapassadas, poderão afetar a saúde, a segurança e o bem-estar da população, bem como ocasionar danos à flora e à fauna, aos materiais e ao meio ambiente em geral. São os padrões primários e secundários. O padrão primário de qualidade do ar é uma concentração de poluentes que, se ultrapassada, poderá afetar seriamente a saúde da população. Os padrões secundários são as concentrações de poluente abaixo das quais se prevê o mínimo efeito adverso sobre o bem estar da sociedade, assim como mínimos danos. O objetivo do estabelecimento de padrões secundários é criar uma base para uma política de prevenção da degradação da qualidade do ar. Devem ser aplicados às áreas de preservação (por exemplo: parques nacionais, áreas de proteção ambiental, estâncias turísticas). A concentração máxima permitida leva em consideração um período de tempo como referência. A Tabela 2
mostra alguns valores de padrões para diferentes
poluentes, de acordo com a Resolução CONAMA nº 003, de 28 de junho de 1990.
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Tabela 2 - Padrões Primários e Secundários
Poluente PTS Partículas inaláveis Fumaça SO2 NO2
Tempo amostragem
Padrão primário (µg/m³)
Padrão secundário (µg/m³)
24 h
240
150
Média geométrica anual
80
60
24 h
150
150
Média aritmética anual
50
50
24 h
150
100
Média aritmética anual
60
40
24 h
365
100
Média aritmética anual
80
40
1h
320
190
Média aritmética anual
100
100
40.000 (35 ppm) 10.000 (9 ppm) 160
40.000 (35 ppm) 10.000 (9 ppm) 160
1h
CO 8h
O3
1h
A mesma resolução também introduz padrões de Atenção, Alerta e Emergência, sendo que os dois primeiros níveis se atingidos indicam que providencias devem ser tomadas para que não se chegue ao padrão de Emergência. Tais padrões estão dispostos na Tabela 3 para PTS e partículas inaláveis (PM10). Tabela 3 - Níveis de atenção
Atenção (µg/m3)
Alerta (µg/m3)
Emergência (µg/m3)
PTS
375
625
875
Partículas inaláveis
250
420
500
5.4 Material Particulado e a Saúde Humana Dentre os danos na saúde humana, estudos verificaram que o aumento da poluição está diretamente relacionado ao aumento das taxas de natalidade e morbidade (doenças/enfermidades). Esses danos são verificados em todo o organismo, porém o que se verifica é que os sistemas mais afetados são o respiratório e o cardiovascular.
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Sabe-se que quanto menor o diâmetro das partículas, mais danoso o seu efeito para os seres humanos, pois ao inalar o ar poluído, as partículas serão absorvidas em nível dos alvéolos pulmonares. Dependendo de seu tamanho a partícula tende a se depositar em diferentes regiões do trato respiratório. • >40 μm: Nariz e Muco Nasofaríngeo • >10 μm: Bronquíolos • <2 μm: Alvéolos Existem algumas controvérsias entre pesquisadores no que se diz respeito à questão dos problemas de saúde, pois alguns afirmam que não se pode provar que o aumento de certas doenças está relacionado somente a poluição. Porém, estudos apresentam conclusões em comum a respeito da mortalidade, e podemos citar: 1. Os grupos mais afetados são fetos, crianças com menos de 5 anos e idosos; 2. As doenças já começam a aparecer antes mesmo que as concentrações de poluentes atinjam o limite de qualidade imposto como tolerável; 3. As principais causas de morte são doença pulmonar obstrutiva crônica, insuficiência cardíaca e infarte; 4. Os mecanismos que regulam as mortes respiratórias e cardiovasculares são aparentemente distintos; 5. Há uma relação entre aumento de material particulado e aumento de mortalidade; 6. Há uma relação entre aumento de material particulado e diminuição da expectativa de vida. A gravidade de uma complicação depende diretamente da dose de material particulado inalado, e não existe uma concentração onde não se verifica dano à saúde. Essas conclusões nos mostram que a qualidade do ar está de algum modo relacionada à morbidade humana, e evidenciam que condições ambientais adversas são também prejudiciais ao homem.
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6. Equipamentos 6.1 Sedimentadores - Câmaras gravitacionais As câmaras gravitacionais são sedimentadores ,figura 2, que retiram a sujeira grosseira do ar. Assim o ar está pronto para ter uma limpeza mais refinada posteriormente por outro equipamento. A sedimentação é um processo bem simples, pois a coleta de partículas é dada pela velocidade terminal das partículas associada à força gravitacional. Esse processo funciona apenas se tiver espaço suficiente para a desaceleração e o peso das partículas atuarem, por isso a área dos sedimentadores é grande para as partículas se depositarem no fundo. Para melhorar a eficiência coloca-se chicanas ou telas, permitindo o aumento da velocidade terminal. O sólido é recolhido em funis no fundo da câmara. As partículas recolhidas são maiores que 50 m. Ele é usado principalmente na indústria de refino, extração de minérios, pré-coletores para filtros-manga.
Figura 2 - Sedimentador
O sedimentador tem algumas vantagens que são o baixo custo, baixa demanda energética. E suas desvantagens são o espaço físico e a eficiência baixa para remoção de partículas finas. Dentro dos sedimentadores existem dois modelos de dispersão. Um que a concentração de sólidos varia ao longo da direção do escoamento de gás. O outro tem um uma distribuição uniforme dentro do equipamento. 19
6.2 Ciclones O ciclone é um equipamento para purificar o ar, retirando, deste, partículas maiores que 10 µm. A figura 3 demonstra a dinâmica do ar dentro do ciclone. Primeiro o ar sujo entra tangencialmente no ciclone. Ao entrar na câmara interna, a expansão causa uma perda de pressão no gás e o atrito com as paredes diminui a velocidade tangencial. Esses fatores auxiliam a coleta do material suspenso pela força da gravidade. O ar limpo sai do equipamento pela abertura superior. No entanto, uma parte das partículas suspensas são carregadas com o gás para fora. Por causa disso existe a medida do “CUT SIZE”, que é o da tamanho de partícula para o qual a eficiência é 50% (metade sai carregada com o fluxo de ar e outra metade é separada). Então para uma maior eficiência na coleta, eles são montados em série e/ou acoplados com outros purificadores de ar. Assim são capazes de lidar com maiores vazões de ar.
Figura 3 - Dinâmica do ar dentro do ciclone
Fatores que aumentam a eficiência: 1. Aumento do diâmetro de partícula e densidade do sólido 2. Aumento da velocidade do gás 3. Diminuição do diâmetro do ciclone 20
4. Aumento da altura do ciclone 5. Umidificação das paredes 6. Diminuição da viscosidade do fluido Dentro das vantagens do ciclone tem a versatilidade. Um ciclone pode ser projetado para várias características do sólido. Incluindo classificação por forma, densidade ou tamanho. Ele tem baixo custo e poucos gastos com manutenção. O espaço físico exigido é pequeno por ter tamanho pequeno, o que possibilita resposta relativamente rápida de limpeza. Além dessas vantagens o alto cisalhamento pode quebrar aglomerados. Em relação às desvantagens tem-se a pouca flexibilidade, isto é, um ciclone projetado para operar em determinadas condições é dificilmente adaptado a outras (outro tipo de sólido, vazão diferente...); a performance é limitada em relação a eficiência de separação para tamanho muito pequenos. E a performance é altamente dependente da taxa e composição da alimentação. Outro tipo de Ciclone é o filtrante. Este equipamento consiste na substituição da seção cônica metálica por uma seção cônica porosa, o meio filtrante, feita de polipropileno. Opera com menor queda de pressão, mas tem um diâmetro de corte maior, o que implica uma menor eficiência.
6.3 Filtro Manga Todo sistema de filtração tem em comum a queda de pressão através do filtro, que é a principal forma de energia no processo de filtração. Na prática, a maioria dos filtros coletores de pó são operados entre 490, 21 a 1958,37 cm Pa. As velocidades usadas na prática variam de 0,5 a 10 cm/s. grandes velocidades reduzem a área de filtração, o tamanho do filtro requerido, mas aumentam a penetração das partículas dentro do tecido, o que dificulta sua remoção e aumenta a queda da pressão residual. A figura 4 representa um filtro manga.
21
Figura 4 - Filtro Manga
As fibras mais utilizadas o filtro de mangas são: • Fibras naturais: compostas de algodão ou lã. As fibras de algodão são grossas e não recomendadas para partículas menores que 10 µm. as fibras de lã são mais finas mas custam o dobro das de algodão. Também não podem ser utilizadas em altas temperaturas. • Fibras sintéticas: podem ser de poliamida, polipropileno, poliéster e teflon. • Fibras de vidro: utilizadas para filtração a temperaturas elevadas, são pouco resistentes ao esforço físico.
Uma fibra forma um obstáculo no qual o ar se desvia, levando consigo as partículas ao longo de suas linhas de corrente. Mas, se o raio da partícula for maior do que sua distância mínima de aproximação da fibra, haverá contato entre ambas, ficando a partícula retida devido a forças intermoleculares. Fibras mais finas desviam menos as linhas de corrente resultando em aumento da eficiência. No inicio da filtração, as partículas de pó vão penetrando o meio filtrante e revestindo as fibras de tecido. A retenção das partículas na superfície do meio filtrante forma a chamada torta de filtração. A presença da torta aumenta a resistência do filtro.
As técnicas de limpeza dos filtros de manga mais comuns atualmente são:
22
• Vibração mecânica: O tecido e vibrado por meio de um motor a uma freqüência de vários ciclos por segundo. Essa técnica exige interrupção da filtração pelo tempo total da operação de limpeza. • Fluxo de ar reverso: Consiste na passagem de um fluxo de ar “limpo” na direção oposta ao da filtração ate que uma quantidade de torta seja removida. Essa técnica também exige a interrupção da filtração durante a limpeza. Sua vantagem em relação à vibratória é uma maior duração no tempo de vida do tecido. • Jato pulsante (Pulso Jet): Consiste de um jato de ar forçado a atravessar a secção do filtro na direção oposta ao fluxo do ar empoeirado. O pulso é gerado normalmente em uma linha de alta pressão. Na entrada do filtro, na direção oposta ao da filtração, é normalmente colocado um Venturi que transforma o jato do ar em uma onda de choque. Desta forma, o tecido é limpo mais rapidamente que nos métodos anteriores e permite que a limpeza seja feita sem interrupção da filtração.
6.4 Precipitator Eletrostático O precipitador eletrostático é um separador de partículas muito eficiente. Seu principio de funcionamento é a partir da energia elétrica. Uma corrente passa pelo arame ou placa e faz deles o eletrodo negativo. Assim, a parede se torna o eletrodo positivo. Com essa configuração, o ar sujo entra no precipitador e as partículas são carregadas negativamente pelos elétrons gerados pelo efeito corona do eletrodo negativo. Em seguida, as partículas migram para o eletrodo positivo, onde se aderem. Dessa forma o ar sai limpo pelo outro lado. Um esquema dessa explicação é representado na figura 5. Esse método é muito eficiente, em torno de 99% das partículas, conseguindo a captura de 2,5 µm.
23
Figura 5 - Esquema do funcionamento do precipitador eletrostático
Existem dois tipos de precipitadores eletrostáticos. O mais utilizado industrialmente é o precipitador de placa e arame e o mais utilizado em escala de laboratório é o precipitador de placas planas. Os dois são descritos abaixo.
• Precipitador placa e arame. Está aplicação é ultilizada numa ampla variedade de aplicações industriais: caldeiras para carvão, fornos de cimento, incineradores de resíduos sólidos, caldeiras recuperativas de plantas de papel, etc. O fluxo e ar passa pelo meio das placas. Os arames supensos entre as placas constituiem os eletrodos de descarga de alta voltagem. Os arames são carregados negativamente, pq a corona negativa suporta um voltagem maior. • Precipitador de placas Planas Utilizam-se geralmente em aplicações de pequena escala (50 – 100 m3), para partículas de alta resistividade e dimensões 1-2 µm. A empresa United McGrill ultiliza em processos industriais com capacidade máxima de até 944m3/s. Nos precipitadores da McGrill são coletadas partículas positivas e negativas, por isso a placa de descarga funciona como placa coletora tb, aumentando a superfície em 30%. Limpeza mecânica. 24
Vantagens e Desvantagens dos precipitadores eletrostáticos em geral: Em relação as vantagens tem-se que é o único equipamento no qual as forças atuam apenas sobre as partículas e não sobre todo o fluxo de gás. Tem pequena queda de pressão: 1,24 kPa. Além de uma eficiência de separação de 99,5% (Lora). E as desvantagens são o custo alto, a mão de obra especializada e em alguns casos para diminuir a resistividade das partículas condicionamento com SO3, NH3 ou vapor de água. Isso traz, além da desvantagem de necessitar de tratamento para posterior descarte, o custo com de incluir essas substancias na limpeza. 6.4.1 Dimensionamento O componente velocidade em que as partículas se movem na corrente de gás rumo aos eletrodos de coleta é conhecido como velocidade de migração (W) e, este é diferente para cada tipo de aplicação do precipitador em relação ao processo industrial, cujas emissões de particulados devem ser controladas. Os valores de (W) para cada processo a ser controlado é "know-how" do fabricante e foram obtidos através de pesquisas e experiências de fornecimentos ao longo do tempo, constituindo-se como sua tecnologia. O componente é um fator empírico de suma importância para o dimensionamento do precipitador que garante a eficiência da remoção do pó. A fórmula adotada por W. Deutsch em 1922 é usada, até hoje, com esse objetivo. Outros fatores também exercem influência mútua sobre os parâmetros que determinam a velocidade de migração. Eles são a resistividade elétrica do pó, o teor de pó na entrada do precipitador, o teor de pó na saída do precipitador, o tamanho das partículas do pó, a composição química do pó, a composição química do gás, a temperatura do gás carreador e a umidade do gás. A resistividade elétrica do pó é um dos fatores mais críticos para a eficiência de coleta. Ela depende primariamente da composição química do material a ser coletado, e na maioria dos casos muda em várias ordens de grandeza em função da temperatura e umidade presente no fluxo de gás a ser tratado. Diversos métodos são usados para melhorar as condições físicas para a coleta. Entre eles estão o “condicionamento com água” que aumenta a umidade do gás resultando na redução da resistividade do pó. E também o “condicionamento do gás” com aditivos. Por exemplo, a injeção de SO3, NH3 ou vapor de água reduz a resistividade do pó sem provocar uma redução substancial na temperatura do gás.
25
6.5 Lavadores de gás 6.5.1 Mecanismos de coleta Os mecanismos básicos que atuam na coleta de partículas são mostrados na figura 6 e descritos a seguir: 1. Impactação inercial: mecanismo resultante da inércia da partícula. As linhas de corrente desviam ao passar em torno do coletor (gota), enquanto que as partículas, dependendo de sua massa e velocidade do gás, tendem a colidir contra a superfície do líquido. O parâmetro para o cálculo da eficiência por impactação é o número de Stokes, o qual envolve o diâmetro da partícula, a velocidade, a densidade e viscosidade do gás. 2.
Interceptação direta: resulta do tamanho relativo entre a partícula e o coletor
no filtro. Uma partícula seguindo as linhas de corrente pode ser coletada quando seu centro passa pela superfície do coletor a uma distância menor ou igual ao seu raio. 3.
Difusão: o mecanismo difusional resulta do movimento aleatório
(browniano) que as partículas de pequeno diâmetro estão sujeitas em um gás. Ocorre mais efetivamente em partículas submicrômicas e/ou em baixa velocidade de fluxo. Entre os adimensionais para o cálculo da eficiência de coleta pelo mecanismo difusional incluem-se os números de Peclet (Pe), Cunningham (Cu) e Knudsen (Kn).
Figura 6: ilustração dos mecanismos de coleta
6.5.2 Tipos de Lavadores Os principais usos dos lavadores são nas chaminés de caldeiras, fornos e incineradores. Com a vantagem de lavarem materiais tóxicos, de reutilizarem a água, de 26
terem uma alta eficiência, do recolhimento de uma alta gama de partículas e de poderem trabalhar a altas pressões e temperaturas. E as desvantagens são a formação de lodo, a corrosão, a alta demanda energética e a vida útil pequena, pelo fato de entupir os orifícios que alimentam os lavadores com água. Isso acontece por serem muito pequenos.
Tipos de lavadores: • Lavador de pratos Equipamento parecido com uma coluna de destilação, onde o vapor sujo entra por baixo e passa por pratos com orifícios onde o liquido limpo esta escoando. Assim vapor limpo sai em cima e o líquido sujo sai em baixo • Ciclones úmidos Princípio de funcionamento parecido com o do ciclone, mas há a injeção de gotículas de água (de modo que façam uma trajetória circular pelo ciclone) que são recolhidas ao fundo
•
Lavadores de spray (Figura 7) Um tanque onde o gás sujo é inserido por baixo. O interior desse tanque há vários jatos que fazem a dispersão de gotículas de água para a lavagem do gás, o qual sai limpo na parte superior do tanque
• Lavadores de impacto Um fluxo gasoso sujo impacta contra uma superfície liquida • Lavadores de leito fluidizado Um leito fluidizado, onde o gás sujo é inserido e o liquido limpo é inserido em contra corrente. A coleta ocorre por impacto nas gotículas e no filme liquido que se forma nos elementos móveis • Lavadores de leitos fibrosos Leito de elementos fibrosos que são constantemente molhados com liquido de lavagem ( fibras: lã de vibro, lã de rocha, vibra de vidro, etc.) •
Lavadores de torre de enchimento (Figura 8). 27
Torre onde o ar sujo entra por baixo e passa pelo interior da torre, onde há enchimentos (varias partículas que variam de acordo com a especificação da lavagem) que aumentam o contato do gas com o liquido, que e disperso por cima do enchimento. Assim o liquido sujo é drenado por baixo e o gás limpo sai por cima
Figura 7 - Lavador de Spray enchimento
Figura
8
-
Torre
de
Eficiência dos lavadores é medida pela perda de carga entre a entrada e a saída, quanto maior a perda de carga maior é a eficiência do lavador. Eles são classificados em baixa energia (perda de carga de até 75 mmCA),média energia (perda de carga entre 75 e 250 mmCA) e alta energia (perda de caraga acima de 250 mmCA).
7. Lavador Venturi 7.1 Funcionamento O nome Venturi deriva do físico italiano Giovani Battista Venturi que estudou escoamento de fluidos através de constrições suaves em dutos caracterizados por uma 28
convergência, uma garganta e uma divergência e propôs um equipamento com essas características para a medição de fluidos (GONÇALVES, 2000). São equipamentos muito apropriados, especialmente em aplicações onde a eficiência de coleta exigida seja superior a 90% para partículas de 1µ ou menores. O fluxo de ar que passa por essa garganta é forçado a fluir com alta velocidade, alcançando valores entre 50 e 90 m/s ou maiores. Após alcançar a velocidade máxima, o gás sofre uma desaceleração na seção divergente. Na Figura abaixo está apresentado um esquema de um lavador Venturi.
Injeção de líquido Gás sujo
Seção Convergent e
Garganta
Seção Divergente Saída de gota
gota gotas Figura 9- representação esquemática do lavador Venturi O líquido de lavagem é injetado no interior do Venturi, normalmente na garganta, por diferentes formas. Utilizando geralmente água, mas podendo utilizar outros líquidos dependendo da natureza do contaminante. O líquido injetado seja na forma de jato na garganta ou próximo ao topo da seção convergente na forma de um filme líquido, é atomizado pela alta velocidade de gás na garganta do Venturi. As gotas resultantes da atomização são arrastadas e aceleradas pelo gás desde a formação, quando a velocidade axial das mesmas é quase nula, até a saída do equipamento, onde a velocidade das gotas é aproximadamente igual à velocidade do gás. A velocidade relativa entre o gás e as gotas permite o aparecimento de uma força de arraste sobre as gotas, principal responsável pela aceleração e desaceleração das mesmas. A mistura e o contato entre as fases (líquido e gasoso) é promovido devido ao escoamento turbulento no interior do lavador. Pode-se dizer que uma “chuva bem fina” gerada no interior do equipamento é responsável por “lavar” o gás contendo partículas. As partículas ao se aproximarem das gotas, que são de maior tamanho, são coletadas.
29
As gotas líquidas são posteriormente separadas da corrente gasosa por um separador ciclônico. O gás perde energia sob a forma de pressão. O perfil da queda de pressão em função da posição do lavador Venturi está ilustrado na Figura 10. Na seção convergente o gás ganha velocidade mas perde pressão, dessa forma a energia sob a forma de pressão transforma-se em energia cinética. Na seção divergente ocorre o inverso, ou seja, o gás perde velocidade e ganha pressão. A pressão , portanto, na saída do equipamento é menor que na entrada, assim a perda de pressão é compensada por um soprador. O soprador é um equipamento que tem a finalidade de fornecer a velocidade necessária para o sistema. A queda de pressão em lavadores Venturi se deve principalmente a três mecanismos:o gasto de energia com aceleração das gotas, ao atrito e a aceleração/desaceleração do gás.
Figura 10: Perfil da queda de pressão em um lavador Venturi (GONÇALVES,2000).
7.2 Equacionamento do Lavador Venturi Em um lavador do tipo Venturi existem dois parâmetros de extrema importância devem ser levados em consideração e calculados para fazer o seu projeto: a eficiência de coleta e a perda de carga do Venturi.
30
7.2.1 Eficiência Existem dois modelos que podem ser adotados para se calcular a eficiência: o modelo de Johnstone e o modelo de Calvert: 7.2.1.1 Modelo de Johnstone O modelo de Johnstone é o mais antigo e mais simples meio de se calcular a eficiência do lavador. A equação para sua determinação está representada na equação 1:
Q E = 1 − exp − K L QG
Ψ
(1)
Onde: E: eficiência de coleta QL: vazão volumétrica de líquido QG: vazão volumétrica de gás K: fator empírico de Johnstone (possui valores na faixa de 7,48 e 14,96) Ψ : parâmetro de impactação inercial O parâmetro de impactação inercial pode ser calculado pela equação 2:
ρ p ( d p ) VG 2
Ψ=
18µG D
C
(2)
Sendo: VG: a velocidade do gás na garganta do Venturi ρp: a densidade da partícula dp: o diâmetro da partícula μG: a viscosidade do gás D: diâmetro médio da partícula de Sauter C: fator de correção de Cunningham
O fator de correção de Cunningham pode ser calculado pela equação 3: 1,10 C c = 1 + K n × 1,257 + 0,40 × exp − K n
(3)
31
O número de Knudsen (Kn) é função do diâmetro da partícula e do percurso livre das moléculas de gás conforme mostrado pela equação 4: Kn = 2
λg
(4)
d pi
Onde dpi é o diâmetro da partícula λg é o percurso livre das moléculas e é calculado pela equação 5:
λg =
0,1145 × µG PG ×
M TG
(5)
Sendo: PG: pressão do gás M: massa molecular do gás TG: temperatura do gás Já o diâmetro médio da partícula de Sauter (D) pode ser calculado de duas diferentes formas: a) Se o spray de injeção de líquido é nebulizado pelo gás de vê se usar a equação 6:
Q 42,19 + 3,6 × 10 9 × L QG D= 1, 602 VG
1, 932
(6)
b) Se o spray for pré-atomizado com bocais pneumáticos, que é o caso mais comum em lavadores Venturi, deve ser usada a equação de Nukiyama e Tanasawa representada pela equação 7: 0,5
58600 σ D= VG ρ L
0,45
µ + 597 L ρ Lσ
1,5
QL 1000 (7) Q G
Onde: σ: tensão superficial do líquido ρL: densidade do líquido μL: viscosidade do líquido 32
7.2.1.2 O modelo de Calvert O modelo de Calvert é o mais usado atualmente na indústria atualmente e explica as diferentes influências na performance do lavador Venturi. Eles levam em consideração que as gotículas do líquido capturam as partículas de forma similar à filtração de gases, predominando a coleta inicial. Calvert chegou a uma correlação semiempírica dada pelas equações 8 e 9: E =1 − Pti
(8) ou
2QLVG ρ L D E = 1 − exp F (Ψ , f 55QG µG
)
(9)
Sendo a Pti a penetração da partícula e F uma função do parâmetro inercial Ψ e do fator empírico f, dado pela equação 9: F ( K pti , f ) =
K pti × f + 0,7 1 0,49 + × − 0,7 − K pti × f + 1,4 × ln K pti 0,7 0,7 + K pti × f (10)
Onde Kpti é o parâmetro inercial dado pela equação 11: K pti =
2 d pai ×VG
9×µ×D
(11)
Onde dpai é o diâmetro aerodinâmico da partícula calculado pela equação 12: 2 d pai =1000 ×C × ρP × d pi2
(12)
O valor do parâmetro f é determinado por diversos fatores que não são mostrados explicitamente nas equações anteriormente mencionadas. Calvert determina que: • f = 0,25 para partículas hidrofóbicas • 0,4 < f < 0,5 para partículas hidrofílicas • f = 0,5 para lavadores Venturi em grande escala
33
7.2.1.3 Perda de carga Para o cálculo da queda de pressão é adotado o modelo de Yung que se baseou no trabalho de Calvert. O modelo de Calvert define a velocidade da gota no fim da garganta como sendo igual a do gás o que superestima a perda de carga. Segundo Yung as gotas no fim da garganta possuem uma velocidade inferior a do gás. A equação 13 mostrada abaixo define a perda de carga:
∆P = 2.ρ L .VG . 2
2 QL .1 − X 2 + X 4 − X QG
(13)
O parâmetro X é o comprimento adimensional da garganta é mostrado pela equação 14: X =
3.lth .C DO .ρG +1 16 .D.ρL
(14)
Onde: lth: é o comprimento da garganta do Venturi CDO: o coeficente de arraste na injeção do líquido calculado pela equação 15
C DO = 0,22 +
(
24 0, 6 . 1 + 0,15 . Re DO Re DO
)
(15)
Sendo: ReDO: o Reynolds do plano de injeção do líquido
34
8. Experimento Realizado Conforme foi visto, uma diminuição da tensão superficial do líquido de injeção acarretaria uma diminuição no diâmetro das gotas formadas pelo mesmo. E a diminuição no tamanho das gotas levaria a uma conseqüente maior eficiência de coleta no lavador Venturi. Assim, ainda na etapa de Desenvolvimento de Processos Químicos 1, realizaram-se dois experimentos para medir a tensão superficial de uma solução águaetanol, variando as porcentagens de etanol na mesma (de 0% a 100%).
8.1 Método do Peso da Gota O primeiro experimento realizado foi baseado no Método do Peso da Gota [MINATTI]. Este método, assim como todos aqueles que envolvem separação de duas superfícies, depende da suposição de que a circunferência multiplicada pela tensão superficial é a força que mantém juntas as duas partes de uma coluna líquida. Quando esta força está equilibrada pela massa da porção inferior, a gota se desprende. A tensão superficial é calculada pela equação 16: (Lei de Tate)
(16)
Onde: mi: massa de uma gota ideal r: raio do tubo (externo se o líquido molhar o tubo) g: aceleração da gravidade O peso da gota obtido na prática, é sempre menor que o peso da gota ideal. Para corrigir este erro, introduz-se na equação 17 um fator de correção f. Assim: (17)
O fator de correção f é uma função do raio do tubo e do volume da gota. Alguns valores são tabelados abaixo:
35
Tabela 4 - Fator de correção
r/V1/3
f
0,50
0,6515
0,55
0,6362
0,60
0,6250
0,65
0,6171
0,70
0,6093
8.1.1 Procedimento Experimental 1. Determinação do diâmetro do tubo de vidro de onde se formam as gotas, com o auxílio de um paquímetro. 2. Medidas de Tensões: Inserir o líquido em uma bureta graduada, e regular a vazão de forma a se obter aproximadamente 1 gota por minuto. Feito isso, recolher umas 10 gotas do líquido problema em um frasco previamente pesado, e anotar o volume a a massa correspondente às gotas recolhidas. Assim, dividindo-se por 10 a massa e o volume, determinar o peso de uma gota e o volume de uma gota. Após isso, calcular r/V1/3 E obter f utilizando a tabela 1. Com esses valores, calcular a tensão superficial através da equação 2. Este procedimento foi efetuado para diferentes concentrações de etanol, variando de 0% a 100% em volume. Os resultados obtidos são apresentados na tabela 5:
36
Tabela 5 - Valores concentração de solução
Soluçõ es
M (g)
V (mL)
Mgota (g)
Vgota (mL)
r/V1/3
f
σ(dina/c r m²) (cm)
0
0,409 85
0,35
0,040985
0,035
0,566
0,632 6
54,678
0,185
0,327
0,1
0,337 3
0,4
0,03373
0,04
0,541
0,638 9
44,555
0,185
0,342
0,2
0,256
0,3
0,0256
0,03
0,595
0,626 1
34,508
0,185
0,311
0,3
0,269 4
0,3
0,02694
0,03
0,595
0,626 1
36,314
0,185
0,311
0,4
0,210 2
0,2
0,02102
0,02
0,682
0,612 1
28,982
0,185
0,271
0,5
0,232 8
0,2
0,02328
0,02
0,682
0,612 1
32,098
0,185
0,271
0,6
0,204
0,2
0,0204
0,02
0,682
0,612 1
28,127
0,185
0,271
0,7
0,162 1
0,3
0,01621
0,03
0,595
0,626 1
21,850
0,185
0,311
0,8
0,161 5
0,2
0,01615
0,02
0,682
0,612 1
22,267
0,185
0,271
0,9
0,137 3
0,2
0,01373
0,02
0,682
0,612 1
18,931
0,185
0,271
1
0,154 1
0,2
0,01541
0,02
0,682
0,612 1
21,247
0,185
0,271
Com os dados da tabela, plotou-se um gráfico de Tensão Superficial em função da concentração de etanol, e obteve-se:
37
v1/3
8.2 Equipamento de medida de Tensão Gráfico 1 – Tensão superficial x fração de etanol (Tensiômetro)
Outro método utilizado para se obter a variação da tensão superficial com a fração de etanol, foi a utilização de um equipamento para medida de tensão (Tensiômetro). O funcionamento do tensiômetro consiste basicamente em um anel que é posicionado junto à superfície do líquido problema, e manualmente, é possível afastar lentamente o anel da superfície do líquido. Conforme se afasta este anel, existe uma escala de tensão que vai indicando um determinado valor. No momento em que o anel se desprender da superfície do líquido, esta escala marcará o valor da tensão superficial. Efetuando-se o procedimento para as diferentes concentrações de etanol, obtiveram-se os seguintes valores: Tabela 6 - Tensão superficial (tensiômetro)
σ' Soluç (dina/cm² ões ) 0
76,4
0,1
56,4
0,2
46,4
38
0,3
39,3
0,4
35,8
0,5
32
0,6
31,7
0,7
27,7
0,8
28,8
0,9
28
1
26,2
Nas medidas da tensão utilizou-se um anel de 1,9 x 10-2 m de diâmetro, feito de um fio de platina-iridium de 3,56 x 10-4 m de diâmetro, resultando em uma razão entre os dois diâmetros de 53,6. Para obter-se o valor verdadeiro da tensão superficial, é necessário corrigir a tensão superficial aparente (σ’), multiplicando-a por um fator de correção( f’) para obter-se a tensão superficial real da solução (σ) , de acordo com a seguinte equação (17): σ = f’ σ’
(17)
Zuidema e Waters (1941) publicaram uma equação para o fator de correção que leva em conta o raio do anel (Ran), o diâmetro do fio( dfio) utilizado para confeccionar o anel, o empuxo total sobre o anel, a densidade do líquido (ρl) e densidade do ar (ρ). (18)
Assim, para obter-se o fator de correção f’, foi necessário encontrar as densidades das soluções, que foram obtidas por análise picnométrica. Os resultados obtidos estão representados na tabela a seguir: Tabela 7 - Tensão superficial corrigida
Soluçõ es
σ' (dina/cm²)
0
76,4
ρl (g/cm³) 0,9976
f’
σ
0,9374 34
71,61992
39
0,1
56,4
0,2
46,4
0,3
39,3
0,4
35,8
0,5
32
0,6
31,7
0,7
27,7
0,8
28,8
0,9
28
1
26,2
0,9816
0,9181 96
51,78624
0,97
0,9077 53
42,11976
0,9586
0,8999 54
35,36821
0,9462
0,8962 29
32,08498
0,9286
0,8921 6
28,54911
0,9066
0,8927 77
28,30102
0,8818
0,8884 01
24,6087
0,8654
0,8907 16
25,65261
0,8444
0,8905 7
24,93595
0,8096
0,8895 86
23,30714
Com os resultados de tensão obtidos, plotou-se um gráfico de Tensão Superficial em função da fração de etanol, representado a seguir:
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Gráfico 2 – Tensão superficial x Fração de etanol (Tensiômetro)
A seguir, os dados para o Método da gota e para o tensiômetro são colocados em um mesmo gráfico:
Gráfico 3 – Comparação entre os métodos
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Comparando-se os métodos, podemos concluir que a Tensão Superficial decresce rapidamente quando se acrescenta pequenas porcentagens (10% , 20% e 30%) de etanol, e continua diminuindo, conforme se aumenta a fração de etanol. Este fato nos leva a concluir que, adicionando etanol ao líquido de injeção no Venturi, será possível diminuir sua tensão superficial, diminuindo assim o diâmetro das gotas, e consequentemente aumentando a eficiência de coleta.
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9. Proposta Na segunda etapa da Disciplina de Desenvolvimento de Processos Químicos pretende-se operar o lavador Venturi projetado e construído pelo grupo de DPQ do ano de 2005, realizando experimentos no laboratório. Pretende-se realizar experiências: •
Em branco (sem presença de fuligem), para determinar a faixa de operação e a perda de carga do lavador;
•
Utilizando água como líquido de injeção;
•
Utilizando soluções água – etanol como liquido de injeção em porcentagens de 10, 20 e 30% com a intenção de diminuir a tensão superficial do liquido, de forma a aumentar a sua molhabilidade;
•
Analisar o custo de se utilizar álcool nas correntes;
•
Encontrar o ponto ótimo entre eficiência-custo
e tensão superficial-custo
quando se utiliza etanol no líquido de injeção; •
Realizar uma simulação em ASPEN para analisar a eficiência de coleta para temperaturas mais altas.
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10. Referencias Bibliográficas COSTA, M. A. M. Eficiência de coleta de partículas em lavadores Venturi. Tese de doutorado, São Carlos, Universidade Federal de São Carlos, 2002 GONÇALVES, J. A.; COURY, J. R. Uma comparação crítica entre vários modelos matemáticos para a eficiência de coleta dos lavadores Venturi. Ciência e Engenharia, 1997. GONÇALVES, J. A. S. Aspectos da modelagem matemática de Lavadores Venturi. Tese de doutorado, São Carlos, Universidade Federal de São Carlos, 2000. LORA, E.E.S..Prevenção e controle da poluição nos setores energéticos, industrial e de transporte. 2 ed. Rio de Janeiro: Interciência, 2002. PORTAL ECODEBATE Disponível em: . Acesso em: 27 maio 2009. REVISTA Meio Filtrante Disponível em: . Acesso em: 25 maio 2009. RESOLUÇÃO CONAMA Nº 003 Disponível em: . Acesso em: 14 maio 2009. RESOLUÇÃO CONAMA Nº 005 Disponível em: . Acesso em: 14 maio 2009. SOCIEDADE PAULISTA DE PNEUMOLOGIA E TISIOLOGIA Disponível em: . Acesso em: 26 maio 2009. OLIVEIRA, C. A. Estudo do desempenho de um lavador de Gases Tipo Venturi para Remoção de Partículas na Faixa Respirável. Dissertação de mestrado, São Carlos, Universidade Federal de São Carlos, 1995. UNICA: União das Industrias de Cana-de-açúcar . Disponível em: . Acesso em: 05 abr. 2009.
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