Borbulhamento - LEQ2 4

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<p>LABORATÓRIO DE ENGENHARIA QUÍMICA 2UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA</p><p>Prática 4 pp. 1-10</p><p>RELATÓRIO DE AULA PRÁTICA</p><p>HIDRODINÃMICA E TRANSFERÊNCIA DE MASSA EM CONTATORES GÁS-LÍQUIDO</p><p>SÉRGIO GONZAGA DOS SANTOS JÚNIOR</p><p>ELIANE B. MEDEIROS</p><p>Março/2021</p><p>Recife</p><p>1. INTRODUÇÃO</p><p>A transferência de massa é um fenômeno de transporte em que há a migração de espécies químicas de um dado meio para outro (podendo esse ser sólido, líquido ou gasoso), devido a diferença de concentração da espécie em questão. Esta transferência ocorre da parte mais concentrada para uma menos concentrada. O transporte das espécies químicas pode ser feito por dois mecanismos: difusão e/ou convecção.</p><p>A absorção é uma operação unitária que acontece devido à transferência de massa entre os componentes utilizada. É comumente utilizada na separação de um composto presente em uma mistura gasosa, por um líquido, através da solubilidade entre os dois, purificando o gás de interesse e em reações químicas que os reagentes estão em fases distintas.</p><p>Dentre as várias técnicas de absorção, pode-se destacar a coluna de borbulhamento que consiste em uma fase líquida que passa por uma fase gasosa e os componentes da fase gasosa são transferidos para a fase líquida (FOUST et al., 1980)</p><p>O	 objetivo do presente experimento é determinar a potência dissipada na coluna de borbulhamento (W), devido à contribuição do gás, avaliar a retenção gasosa na coluna de borbulhamento (ɛG), determinando a condutância da sonda (KP) e o seu tempo de resposta e, por último, estimar o coeficiente volumétrico de transferência de massa gás-líquido (kLa).</p><p>2. MATERIAIS E MÉTODOS</p><p>2.1 Coluna de borbulhamento</p><p>O esquema de operação do experimento é apresentado na Figura 1 logo abaixo:</p><p>Figura 1 - Representação esquemática do sistema estudado.</p><p>2.2 Material</p><p>Os materiais e equipamentos utilizados nesta prática estão descritos na Tabela 1.</p><p>Tabela 1. Materiais e equipamentos</p><p>Materiais</p><p>Quantidades</p><p>Reagentes</p><p>Água destilada</p><p>Cilindro de O2 pressurizado</p><p>Cilindro de N2 pressurizado</p><p>2,5 L</p><p>01</p><p>01</p><p>Outros materiais:</p><p>Rotâmetro</p><p>01</p><p>Sonda de oxigênio</p><p>01</p><p>2.3 Procedimento experimental</p><p>Vazão de gás estabelecida:</p><p>· Registrou-se o regime de borbulhamento;</p><p>· Mediu-se a pressão estática do gás na entrada da coluna;</p><p>· Após uma medição no estado de repouso, avaliou-se a altura da dispersão.</p><p>Calibração da sonda de medição de oxigênio:</p><p>· Inseriu-se a sonda de oxigênio num béquer contendo água destilada isenta de oxigênio;</p><p>· Esperou-se a estabilização e registrou-se zero na sonda;</p><p>· Após a retirada da sonda do béquer, colocou-se a mesma num segundo béquer contendo água destilada saturada em oxigênio;</p><p>· Acompanhou-se a evolução da medição de oxigênio no béquer;</p><p>Para a determinação do coeficiente volumétrico de transferência de massa, segue-se:</p><p>· Com uma corrente de nitrogênio, expulsou-se todo oxigênio presente no sistema;</p><p>· Eliminou-se a corrente de nitrogênio, substituindo por corrente de ar na mesma vazão, constituindo-se assim uma perturbação de degrau positivo;</p><p>· Registrou-se a evolução da concentração de oxigênio até a saturação do meio.</p><p>3. RESULTADOS E DISCUSSÃO</p><p>3.1 Regime da operação</p><p>Ao longo do experimento observou-se que até 120 L/h o sistema se manteve homogêneo, com bolhas de tamanho uniforme e igualmente distribuídas. Somente a partir dessa vazão que notou-se o início da formação de um regime turbulento, chegando até o regime pulsante, onde as bolhas coalescentes ocupam toda a largura da coluna.</p><p>3.2 Potência Dissipada Na Coluna De Borbulhamento (W)</p><p>A partir dos dados obtidos experimentalmente de pressão hidrostática de gás na entrada e a vazão volumétrica do gás, pode-se, com a Equação 1, encontrar a potência dissipada na coluna.</p><p>(1)</p><p>Em que:</p><p>W = Potencia dissipada, [W];</p><p>= Pressão estática do gás na entrada da coluna, [Pa];</p><p>Vazão volumétrica do gás, [m3/s].</p><p>O valor da pressão estática na base da coluna foi registrado para cada vazão volumétrica de operação e pode-se calcular o valor da potência dissipada. Os resultados obtidos para a potência dissipada na coluna em função da vazão volumétrica do gás estão expressos na Figura 2 logo abaixo e no anexo 1.</p><p>Figura 2 – potência dissipada em função da vazão volumétrica de gás.</p><p>Analisando o comportamento da Figura 1 e a Equação 1 percebe-se que ao elevar a vazão do gás também aumenta-se a potência dissipada.</p><p>3.3 Determinação De Retenção Gasosa (Εg)</p><p>A retenção gasosa é a fração volumétrica de fase gasosa que fica retida no líquido. Medindo a altura do fluido na coluna sem a passagem de gás (HI) e altura da mistura entre fluidos (HF), pode-se, através da Equação 2, calcular a retenção gasosa.</p><p>(2)</p><p>Em que:</p><p>H0 = Altura do fluido na coluna em repouso, [cm];</p><p>HF = Altura da coluna de fluidos após a passagem de gás, [cm];</p><p>εG = Retenção gasosa.</p><p>A partir dos dados experimentais foi possível traçar a curva entre a retenção gasosa e a vazão volumétrica de gás (Figura 3, resultados no anexo 2).</p><p>Figura 3 - Retenção gasosa em função da vazão volumétrica</p><p>Analogamente ao comportamento observado para potência dissipada, a variação da vazão faz com que a retenção gasosa aumente, quanto maior a vazão mais gás passa pelo líquido e assim, maior será a retenção.</p><p>3.4 Dinâmica da sonda de oxigênio</p><p>Todo equipamento tem um tempo morto, isto é, o tempo que ele precisa para começar a responder a uma alteração na variável de medida. Como o cálculo para concentração do oxigênio é realizado com auxílio de uma sonda, é importante determinar esse tempo. Para que não ocorra a consideração de uma contribuição/resistência que é provinda, exclusivamente, da limitação física do sensor.</p><p>Na análise da constante de tempo, algumas considerações precisam ser feitas:</p><p>· A fase líquida fechada é homogênea;</p><p>· A fase líquida é saturada com oxigênio;</p><p>· O equilíbrio termodinâmico é estabelecido na interface gás-líquido.</p><p>Realizando o balanço de massa no nível da sonda de oxigênio no béquer saturado com oxigênio encontra-se a Equação 3.</p><p>(3)</p><p>Em que:</p><p>Cp = concentração de oxigênio lida pela sonda, [mg/L];</p><p>CO2* = concentração de saturação de oxigênio, [mg/L];</p><p>t = tempo, [s].</p><p>Solucionando a EDO expressa na Equação 3 encontra-se a seguinte solução (Equação 4):</p><p>(4)</p><p>Pode-se realizar a regressão linear da Equação 4 para encontrar KP da sonda para cada uma das vezes analisadas, conforme apresentado na Figura 4.</p><p>(a)(b)</p><p>(c)</p><p>Figura 4 - Testes para determinação do KP: (a) Kp1; (b) Kp2; (C) Kp3</p><p>A partir das curvas obtidas pode-se tirar uma média dos valores de KP para cada teste (disponíveis no anexo 3) e determinou-se o seu valor como sendo igual a 0,0798s-1. Com o dado de KP é possível determinar o tempo de resposta da sonda (τ), sendo o inverso do Kp. Com isso, o valor de τ é de aproximadamente 12,526 s.</p><p>3.5 Coeficiente volumétrico de transferência de massa</p><p>Na determinação do coeficiente volumétrico de transferência de massa, utiliza-se um modelo que considera o volume da fase líquida homogêneo e que há um equilíbrio termodinâmico na interface gás-líquido. O balanço de massa do oxigênio no nível da sonda e na fase líquida é dado por um sistema de equações diferenciais ordinárias de primeira ordem:</p><p>(5)</p><p>Como é a área interfacial de contato gás-líquido por unidade de volume do líquido, pode-se, para efeitos de cálculo, considerar as condições iniciais em que em t=0. A resolução da EDO é dada pela Equação 7:</p><p>(6)</p><p>Com a Equação 6, o tempo morto da sonda e a constante KP, pode-se determinar o coeficiente volumétrico de massa kLa. Para a curva teórica, foram estimados diferentes valores de kLa para cada uma das vazões, e foi analisada qual curva mais se aproximava da curva experimental (valores disponíveis no anexo 4). Os resultados para cada vazão são apresentados nas Figuras **, com seus respectivos coeficientes de correlação (R2).</p><p>(a)(b)</p><p>(c)(d)</p><p>(e)(f)</p><p>(g)(h)</p><p>(i) (j)</p><p>Figura 5 - (a) Curva com diferentes</p><p>Kla para vazão de 100 L/h; (b) Curva escolhida para vazão de 100 L/h (kLa=0,025 s-1); (c) Curva com diferentes Kla para vazão de 180 L/h; (d) Curva escolhida para vazão de 180 L/h (kLa=0,04 s-1); (e) Curva com diferentes Kla para vazão de 230 L/h; (f) Curva escolhida para vazão de 230 L/h (kLa=0,06 s-1); (g) Curva com diferentes Kla para vazão de 360 L/h; (h) Curva escolhida para vazão de 360 L/h (kLa=0,09 s-1); (i) Curva com diferentes Kla para vazão de 440 L/h; (j) Curva escolhida para vazão de 440 L/h (kLa=0,12 s-1);</p><p>A partir dos valores de kla obtidos para cada vazão (Anexo 4), foi possível traçar a curva do coeficiente volumétrico de transferência de massa em função da vazão volumétrica (Figura 6).</p><p>Figura 6 – Análise de kLa em função da vazão volumétrica</p><p>Analisando os dados da Figura 6 percebe-se que, ao aumentar a vazão, se aumenta o coeficiente de transferência de massa. Esse comportamento já era esperado visto que ao aumentar a quantidade de gás também se aumenta o contato entre as fases e a quantidade que será transferido para a fase líquida, representada pelo valor do coeficiente volumétrico de transferência de massa.</p><p>5. CONCLUSÕES</p><p>Devido a atual conjuntura global, os alunos não puderam realizar o experimento, sendo disponibilizado apenas o vídeo da prática e os dados experimentais, o que dificulta o entendimento dos eventos que ocorreram. Tirando as dificuldades naturais no novo sistema de ensino, o experimento realizado possibilitou uma revisão dos conteúdos abordados em semestres anteriores e permitiu aliar a teoria com a prática. Além disso, possibilitou o estudo de um fenômeno de transporte, a transferência de massa.</p><p>As análises de potência dissipada, retenção gasosa e coeficiente volumétrico de transferência de massa foram determinadas e pode-se entender um pouco mais sobre seus comportamentos.</p><p>6. REFERÊNCIAS</p><p>A. Foust et al., "Principles of Unit Operations", 2nd ed., Jonh Wiley and Sons, N.Y., 1980.</p><p>J.R. Welty, C.E. Wicks, Rorrer, R.E.Wilson, “Fundamentals of momentum, heat and mass transfer”, 5th ed. John Wiley &Sons, Inc; N.Y., 2008.</p><p>7. ANEXOS</p><p>Anexo 1 - Cálculo da potência dissipada</p><p>Vazão (L/h)</p><p>Pressão (bar)</p><p>Vazão (m³/s)</p><p>Pressão (Pa)</p><p>Potência (W)</p><p>100</p><p>0,8</p><p>2,78E-05</p><p>80000</p><p>2,22</p><p>180</p><p>1</p><p>5,00E-05</p><p>100000</p><p>5,00</p><p>230</p><p>1,15</p><p>6,39E-05</p><p>115000</p><p>7,35</p><p>360</p><p>1,85</p><p>1,00E-04</p><p>185000</p><p>18,50</p><p>420</p><p>2,45</p><p>1,17E-04</p><p>245000</p><p>28,58</p><p>Anexo 2 - Cálculo da retenção gasosa</p><p>HI (m)</p><p>HF (m)</p><p>εG</p><p>1,03</p><p>1,070</p><p>0,037</p><p>1,03</p><p>1,105</p><p>0,068</p><p>1,03</p><p>1,160</p><p>0,112</p><p>1,03</p><p>1,194</p><p>0,137</p><p>1,03</p><p>1,245</p><p>0,173</p><p>Anexo 3 - Valores de KP</p><p>Teste</p><p>KP</p><p>1</p><p>0,0728</p><p>2</p><p>0,0925</p><p>3</p><p>0,0742</p><p>Anexo 4 - Valores de kLa</p><p>Vazão (L/h)</p><p>100</p><p>180</p><p>230</p><p>360</p><p>440</p><p>kLa (s-1)</p><p>0,025</p><p>0,04</p><p>0,06</p><p>0,09</p><p>0,12</p><p>Relação entre potência dissipada e vazão de gás</p><p>W x Qg	2.7777777777777779E-5	4.9999999999999996E-5	6.3888888888888895E-5	9.9999999999999991E-5	1.1666666666666667E-4	2.2222222222222223	5	7.3472222222222223	18.5	28.583333333333336	Vazão de gás (m³/s)</p><p>Potência (Watt)</p><p>Relação entre retenção gasosa e vazão de gás</p><p>εg x Qg	2.7777777777777779E-5	4.9999999999999996E-5	6.3888888888888895E-5	9.9999999999999991E-5	1.1	666666666666667E-4	3.738317757009349E-2	6.7873303167420782E-2	0.11206896551724146	0.13735343383584583	0.17269076305220887	Vazão de gás (m³/s)</p><p>Retenção gasosa (εg )</p><p>Kla x Qg	100	180	230	360	440	2.5000000000000001E-2	0.04	0.06	0.09	0.12	Qg (L/h)</p><p>Kla (s^-1)</p><p>image3.png</p><p>image4.png</p><p>image5.png</p><p>image6.png</p><p>image7.png</p><p>image8.png</p><p>image9.png</p><p>image10.png</p><p>image11.png</p><p>image12.png</p><p>image13.png</p><p>image14.png</p><p>image15.png</p><p>image16.png</p><p>image1.png</p><p>image2.png</p>