Aula_4_2024_2S_EB803 (1)

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<p>Esta Foto de Autor Desconhecido está licenciado em CC BY-SA</p><p>1</p><p>EB 803 - Controle da Poluição do Ar</p><p>Aula 4</p><p>Profa. Simone Andréa Pozza</p><p>spozza@unicamp.br</p><p>https://www.labcidade.fau.usp.br/pandemia-e-o-futuro-das-cidades/</p><p>https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/</p><p>https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/</p><p>https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/</p><p>Objetivos</p><p>2</p><p>Ao final da aula, entender:</p><p>Tamanho de partícula;</p><p>Distribuição granulométrica;</p><p>Eficiência fracionada;</p><p>Mecanismos de coleta;</p><p>Principais ECPs.</p><p>Morfologia</p><p>das partículas</p><p>• Pode variar de acordo com a</p><p>composição química.</p><p>• Se a partícula é higroscópica</p><p>e a umidade relativa do ar</p><p>está alta, ela absorve água e</p><p>se torna esférica e lisa.</p><p>• Caso existam íons presentes</p><p>e a umidade relativa esteja</p><p>baixa, cristais sólidos podem</p><p>se formar dentro da</p><p>partícula, podendo também</p><p>ser rugosa (Jacobson, 2002).</p><p>3</p><p>Fontes de poluição, em</p><p>relação ao tamanho da</p><p>partícula</p><p>• O MP é dividido em dois</p><p>grandes grupos, com</p><p>subdivisão do primeiro:</p><p>o partículas finas (partículas</p><p>ultrafinas, núcleo de Aitken</p><p>e moda de acumulação) e</p><p>o partículas grossas (aerossol</p><p>gerado mecanicamente).</p><p>4</p><p>Relação entre o diâmetro das partículas com os mecanismos de formação.</p><p>Fonte: Adaptado de Finlayson-Pitts e Pitts, 2000.</p><p>5</p><p>Tamanho médio de partículas de alguns</p><p>materiais</p><p>Fonte: Merkus, 2009</p><p>• Aerossol (Schumauss -1920)  suspensões</p><p>relativamente estáveis de partículas sólidas ou</p><p>líquidas dispersas num gás com dimensões  100 μm</p><p>• MP (Aerocolóides)  poeiras, fumos, cinzas,</p><p>nevoeiros e “sprays”</p><p>Principais propriedades:</p><p>(i) deposição gravitacional negligenciável;</p><p>(ii) efeitos inerciais desprezáveis;</p><p>(iii) movimentos Brownianos significativos, devidos à</p><p>agitação térmica das moléculas do gás</p><p>(iv) elevada área superficial específica</p><p>• PTS = Particulado total em suspensão (g/m3)</p><p>Fontes dominantes e compostos presentes nas partículas, em cada moda</p><p>6</p><p>Fonte: Adaptado de Jacobson, 2002.</p><p>Tamanho da partícula</p><p>• Partículas atmosféricas são geralmente consideradas como</p><p>tendo um raio ou diâmetro, ou seja, idealizadas como</p><p>partículas esféricas.</p><p>• A maior parte das partículas atmosféricas têm formas</p><p>irregulares, portanto raios e diâmetros geométricos podem</p><p>não ser significativos.</p><p>• Na prática, o tamanho das partículas de forma irregular é</p><p>expresso em termos de algum tipo de diâmetro equivalente</p><p>ou efetivo que dependem de propriedade físicas, em vez de</p><p>propriedade geométrica.</p><p>7</p><p>Diâmetro de Feret</p><p>• Círculo que tem a mesma área</p><p>que a projeção da partícula,</p><p>num plano.</p><p>• A média da distância entre duas</p><p>linhas paralelas tangente à</p><p>projeção da partícula.</p><p>• Também chamado de diâmetro</p><p>de Heywood.</p><p>8</p><p>Diâmetro de Martin</p><p>• A média do comprimento de</p><p>duas cordas tiradas em duas</p><p>direções da projeção da</p><p>partícula, em que as áreas de</p><p>projeção, para um lado e para</p><p>o outro da corda são iguais.</p><p>9</p><p>Diâmetro de Área Projetada (dap)</p><p>• É o diâmetro de um círculo de área igual ao perfil da área projetada da</p><p>partícula.</p><p>10</p><p>Tamanho da</p><p>partícula</p><p>Diâmetro aerodinâmico é o mais usado para “diâmetro</p><p>equivalente ou efetivo”. É definido como o diâmetro de</p><p>uma esfera de densidade unitária (1 g/cm3) que tem a</p><p>mesma velocidade terminal de queda no ar como a</p><p>partícula em consideração (Hinds, 1999).</p><p>11</p><p>Diâmetro aerodinâmico,</p><p>referente a uma partícula de</p><p>forma qualquer.</p><p>Fonte: Ruzer e Harley, 2004</p><p>𝒅𝒂 = 𝒅𝒈𝒌 𝝆𝒑𝝆𝟎</p><p>onde: 𝑑𝑎= diâmetro aerodinâmico; 𝑑𝑔 = diâmetro geométrico; 𝑘 = fator de forma*; 𝜌𝑝 = densidade da partícula; 𝜌0 = densidade de referência (1 g/cm3).</p><p>12</p><p>*Fator de forma: constante de proporcionalidade que relaciona a área</p><p>superficial ou o volume de uma partícula ou de uma amostra de</p><p>partículas, a uma dimensão linear medida de modo padronizado.</p><p>Tamanho da</p><p>partícula</p><p>Diâmetro de Stokes (dS)</p><p>• É o diâmetro aerodinâmico, que considera como diâmetro de partícula o</p><p>diâmetro de uma esfera e que tem a mesma velocidade terminal de</p><p>sedimentação, a mesma densidade da partícula em estudo, e corrigida pelo</p><p>fator de correção de Cunningham (Ch).</p><p>13</p><p>Fator de correção de</p><p>Cunningham (Ch)</p><p>• Corrige o modelo de Stokes de movimento</p><p>de partículas num fluido para o efeito de</p><p>escorregamento entre as moléculas do fluido</p><p>verificado para as partículas pequenas,</p><p>basicamente abaixo de 5 µm, não previstas</p><p>pelo modelo.</p><p>• Para as condições de pressão próxima da</p><p>normal, 𝑪𝒉 pode ser expresso por:</p><p>14</p><p>𝑪𝒉 = 𝟏 + 𝟔, 𝟐𝟏 𝟏𝟎−𝟒 𝑻 𝒅𝒑</p><p>Temperatura em</p><p>K e diâmetro da</p><p>partícula em m.</p><p>Diâmetro Aerodinâmico Equivalente (dae)</p><p>• É o diâmetro de uma esfera de densidade unitária (ρp=1g/cm3), que tem a mesma</p><p>velocidade terminal de sedimentação da partícula em estudo, corrigida pelo fator de</p><p>escorregamento de Cunningham (Ch).</p><p>• Conversão de Diâmetro de Stokes para Diâmetro Aerodinâmico Equivalente segue a</p><p>fórmula:</p><p>15</p><p>𝒅𝒂𝒆 = 𝒅𝒔 𝝆𝒑 𝑪𝒉</p><p>Distribuição Granulométrica</p><p>• O MP emitido por fontes de poluição do</p><p>ar e as partículas atmosféricas se</p><p>apresentam como sistemas polidispersos,</p><p>ou seja, um conjunto de partículas de</p><p>tamanhos variados.</p><p>• Esse MP segue, em geral, uma</p><p>distribuição log normal.</p><p>• Os dois parâmetros que definem a</p><p>distribuição log normal são a média</p><p>geométrica (dg) e o desvio padrão</p><p>geométrico (g).</p><p>16</p><p>Eficiência Fracionada</p><p>17</p><p>Tipo de Equipamento</p><p>Faixas de diâmetro (µm)</p><p>0-5 5-10 10-20 20-44 >44</p><p>Câmara de Sedimentação 7,5 22,0 43,0 80,0 90,0</p><p>Ciclone de baixa pressão 12,0 33,0 57,0 82,0 91,0</p><p>Ciclone de alta pressão 40,0 79,0 92,0 95,0 97,0</p><p>Multiciclone 25,0 54,0 74,0 95,0 98,0</p><p>Lavadores de média energia 8,0 90,0 98,0 100 100</p><p>Lavadores Venturi (lavador</p><p>de alta energia)</p><p>95,0 99,5 100 100 100</p><p>Filtros de mangas 99,0 100 100 100 100</p><p>Precipitador eletrostático 97,0 99,0 99,5 100 100</p><p>** Valores somente para fins comparativos. Valores reais dependem do projeto</p><p>e de condições de operação e de manutenção do equipamento</p><p>Eficiência Total</p><p>• Conhecendo-se a distribuição granulométrica das partículas e a eficiência</p><p>fracionada, pode-se calcular a eficiência total da coleta:</p><p>onde: 𝜼𝒕 = eficiência total do equipamento; 𝒎𝒊 = fração em massa de partículas de tamanho (na granulometria “i”, que representa</p><p>uma faixa de partículas); 𝜼𝒊 = eficiência fracionada.</p><p>18</p><p>𝜼𝒕 = 𝒎𝒊 × 𝜼𝒊𝒏</p><p>𝒊=𝟏</p><p>Mecanismos de coleta</p><p>19</p><p>Sedimentação</p><p>gravitacional</p><p>Força centrífuga Impactação inercial</p><p>Interceptação Difusão Força elétrica</p><p>Sedimentação Gravitacional</p><p>• A sedimentação gravitacional é um mecanismo de deposição</p><p>importante somente para partículas grandes (maiores que 30 µm).</p><p>• Expressa em termos de velocidade terminal da partícula, dada por:</p><p>20</p><p>onde: 𝐯𝐭 = velocidade terminal da partícula (m/s); 𝒅𝒑= diâmetro da partícula (m); 𝒈 = constante gravitacional (m/s2); 𝛒𝐩 = densidade da partícula (kg/m3); 𝛒𝐠 = densidade do gás carreador (kg/m3); 𝛍𝐠 = viscosidade do gás carreador (kg/m.s); 𝐂𝐡 = fator de correção de Cunningham (adimensional).</p><p>𝐯𝐭 = 𝒅𝒑𝟐 𝒈 𝛒𝐩 − 𝛒𝐠 𝐂𝐡𝟏𝟖 𝛍𝐠</p><p>Velocidade de sedimentação = velocidade terminal de queda.</p><p>• Pela expressão anterior verifica-se que a sedimentação gravitacional é diretamente</p><p>proporcional à densidade e diâmetro da partícula.</p><p>• O fator de Cunningham corrige o efeito de deslizamento das partículas, o qual só</p><p>deve ser considerado para partículas pequenas (menores ≈ 1 μm) em condições de</p><p>ar padrão (temperatura ambiente e pressão próxima do normal).</p><p>21</p><p>Sedimentação Gravitacional</p><p>• A força centrífuga (Fc) age sobre partículas que estejam em movimento numa</p><p>trajetória circular, fazendo com que a partícula se afaste do centro do círculo e no</p><p>caso de ciclones, se dirigirem às paredes dos mesmos.</p><p>• Matematicamente a força centrífuga é expressa por:</p><p>sendo 𝒎𝒑, a massa da partícula, 𝒗𝒕,</p><p>a sua velocidade terminal e 𝑹, o raio da curva.</p><p>22</p><p>𝑭𝒄 = 𝒎𝒑 × 𝒗𝒕𝟐𝑹</p><p>• Da expressão, verifica-se que a coleta por esse mecanismo será tanto maior quanto</p><p>maiores forem o diâmetro da partícula e sua velocidade tangencial e quanto menor</p><p>o diâmetro do coletor.</p><p>• A coleta por força centrífuga na prática é limitada a fontes de poluição do ar que</p><p>emitem quantidades razoáveis de partículas maiores que 5 a 10 µm.</p><p>• Em geral, os coletores centrífugos (ciclones) são utilizados como pré coletores.</p><p>23</p><p>Impactação Inercial</p><p>• O controle das partículas por impactação é geralmente conseguido através de</p><p>pequenos obstáculos secos (fibras de tecido, por exemplo) ou úmidos (gotas).</p><p>• O Parâmetro de Impactação (KI), que indica eficiência de coleta por este mecanismo</p><p>é dado por:</p><p>onde 𝑣𝑝 é a velocidade da partícula em relação ao obstáculo (coletor) e 𝐷𝑐 o diâmetro</p><p>ou tamanho do coletor.</p><p>24</p><p>𝐾𝐼 = 𝐶ℎ 𝑑𝑝2 𝜌𝑝 𝑣𝑝18 𝜇𝑔 𝐷𝑐</p><p>Impactação Inercial</p><p>• A impactação representa a "batida" da partícula contra um obstáculo que faz com</p><p>que a partícula que estava em movimento diminua a sua energia e se separe do</p><p>fluxo gasoso que a transportava.</p><p>• É um importante mecanismo de coleta, mas se restringe a partículas maiores que</p><p>1 μm de diâmetro.</p><p>25</p><p>Interceptação</p><p>• É um mecanismo de coleta que pode ser considerado como um caso limite da</p><p>impactação, pois representa o mecanismo de coleta para as partículas que, ao</p><p>atingir o coletor (obstáculo), estejam a uma distância igual ao seu diâmetro, ou seja,</p><p>aquelas partículas que tangencial (“raspam”) o coletor.</p><p>26</p><p>Interceptação</p><p>• Quanto maior a relação diâmetro da partícula, diâmetro do coletor, maior será o</p><p>efeito da interceptação.</p><p>• O Parâmetro Interceptação (Kint) é dado por:</p><p>27</p><p>𝑲𝒊𝒏𝒕 = 𝒅𝒑𝑫𝒄</p><p>Difusão</p><p>• O mecanismo de difusão torna-se mais importante a medida que o tamanho das</p><p>partículas diminui.</p><p>• Mecanismo de coleta que apresenta importância para partículas de diâmetros</p><p>menores que 1 µm.</p><p>• As partículas menores em função da sua energia térmica estão em constante</p><p>movimento similarmente ao que ocorre com as moléculas dos gases (Movimento</p><p>Browniano*) o qual é diretamente proporcional à temperatura e inversamente</p><p>proporcional ao diâmetro da partícula.</p><p>28</p><p>*É o deslocamento aleatório de partículas em suspensão num meio fluido. O primeiro</p><p>cientista a estudar o fenômeno, em 1827, foi o botânico escocês Robert Brown.</p><p>Resultado de choques das moléculas do fluido contra as partículas em suspensão.</p><p>Difusão</p><p>• A difusividade da partícula é dada por:</p><p>onde Dp é a difusividade em m2/s, KB é a constante de Boltzmann (1,23 ×10−23kg.m2/s2.K) e T é a temperatura absoluta do gás (K).</p><p>29</p><p>𝐃𝐩 = 𝐂𝐡 𝐊𝐁𝐓𝟑𝛑 𝛍𝐠 𝐝𝐩</p><p>Força Elétrica</p><p>• A força eletrostática é um mecanismo de coleta predominante em precipitadores</p><p>(filtros) eletrostáticos.</p><p>• É um mecanismo de coleta predominante em precipitadores eletrostáticos. Mas</p><p>também apresenta importância em outros tipos de equipamentos de controle de</p><p>poluição do ar, como os filtros de tecidos, uma vez que as partículas podem ter cargas</p><p>elétricas positivas ou negativas na ausência de campo elétrico.</p><p>30</p><p>Força Elétrica</p><p>• De acordo com a Lei de Coulomb, a força elétrica é expressa por:</p><p>sendo: Fe = força elétrica q = carga elétrica da partícula E = intensidade do campo elétrico</p><p>31</p><p>𝐅𝐞 = 𝐪 × 𝐄</p><p>Força Elétrica</p><p>• O carregamento elétrico das partículas ocorre não só por ação do campo elétrico, mas</p><p>também por difusão:</p><p>– Para as partículas de diâmetros maiores que 0,5 µm – ação predominante do</p><p>campo elétrico;</p><p>– Para as partículas com diâmetro entre 0,2 µm e 0,5 µm - carregamento elétrico</p><p>ocorre por ambos os mecanismos;</p><p>– Para as partículas com diâmetro menores (≤ 0,2 µm) – ação predominante da</p><p>difusão</p><p>32</p><p>Termosferese</p><p>• É o fenômeno que faz com que as partículas submetidas a um gradiente térmico</p><p>tendem a migrar de uma zona mais quente para uma mais fria de um meio gasoso.</p><p>• Esse mecanismo é utilizado em precipitadores térmicos, que só se aplicam em técnicas</p><p>de amostragem e não de controle de produção.</p><p>33</p><p>Gases e MP – características gerais</p><p>• Os vapores, gases e poeiras contidos no ar captado com dispositivos</p><p>estudados devem ser removidos do mesmo, a fim de que ele possa ser</p><p>liberado na atmosfera ambiente ou exterior, devidamente purificados, sem</p><p>que ofereça, portanto, riscos à saúde das pessoas e danos ecológicos.</p><p>• Os equipamentos empregados com esta finalidade podem ser divididos nos</p><p>grupos que seguem:</p><p>34</p><p>Gases e MP – Filtros de ar</p><p>• A finalidade é a remoção de poeira no grau de concentração em que possam</p><p>encontrar-se no ar ambiente exterior ou interior e na recirculação de ar no</p><p>recinto. São empregados, normalmente, na tomada de ar exterior, nas</p><p>instalações de ventilação e ar condicionado.</p><p>• São muito usados, também, na retenção de poeiras produzidas em ambientes</p><p>fechados e instalados, as vezes, próximo ao local de captura ou em locais</p><p>onde o ar contendo poeiras é conduzido ao longo dos dutos.</p><p>35</p><p>Gases e MP – Coletores de poeiras</p><p>• Destinados a remover cargas consideráveis de poeiras oriundas de processos</p><p>e captados nos locais onde serão produzidas.</p><p>• A amplitude do grau de concentração de poeiras é muito grande, bastando</p><p>mencionar que pode varias de 100 a 20.000 vezes o teor de concentração</p><p>para o qual os filtros de ar são destinados a operar.</p><p>• Existem coletores inerciais, centrífugos, lavadores, depuradores e</p><p>precipitadores eletrostáticos.</p><p>36</p><p>Gases e MP</p><p>• Lavadores de gases, torres de absorção, condensadores, depuradores,</p><p>precipitadores hidrodinâmicos, incineradores visam a remoção de gases e</p><p>vapores do ar antes da liberação do mesmo.</p><p>• Quando se tratar de dissolução de gases ou vapores na água, pode ser</p><p>necessário um tratamento químico complementar acompanhado de</p><p>filtragem, decantação ou destilação, para que a água possa ser purificada e</p><p>reutilizada e reciclada certos produtos industriais.</p><p>37</p><p>Coleta de MP</p><p>• Os elementos estranhos à composição do ar, uma vez captados,</p><p>conduzidos em dutos pela ação de ventiladores, devem ser coletados e</p><p>eliminados do ar e finalmente recolhidos, e em certos casos tratados, de</p><p>tal modo que o ar (ou outro gás carreador) descontaminado possa ser</p><p>finalmente, liberado na atmosfera.</p><p>• São classificados de acordo com o princípio físico ou mecânico segundo o</p><p>qual o objetivo é alcançado.</p><p>38</p><p>Coleta de MP</p><p>A separação</p><p>dos poluentes</p><p>da corrente do</p><p>ar pode</p><p>ocorrer:</p><p>Ação de filtragem através de meio poroso;</p><p>Ação de forças de inércia: coletores inerciais;</p><p>Ação da gravidade: coletores gravitacionais;</p><p>Ação de forças centrífugas: ciclones;</p><p>Ação de umedecimento ou lavagem pela água, que realiza a ação de impactação,</p><p>interceptação, dissolução, difusão e condensação: lavadores, câmaras ou torres de borrifo, ou</p><p>aspersão, precipitadores dinâmicos úmidos, lavadores Venturi (de água, de solução, de</p><p>espumas, e de outros tipos). Os lavadores ou absorvedores são designados genericamente por</p><p>“scrubbers”.</p><p>Ação de ionização e atração eletrostática: precipitadores eletrostáticos.</p><p>39</p><p>Coleta de gases e vapores</p><p>Fenômenos ou operações unitárias</p><p>• Absorção por um líquido no qual um gás seja solúvel. Baseiam-se nesse fenômeno</p><p>físico as torres de enchimento, as torres de pratos, as torres de borrifo, os</p><p>absorvedores tipo Venturi.</p><p>• Adsorção, que vem a ser a capacidade de certas substâncias de alta porosidade</p><p>possuem de reter determinados poluentes pela ação de forcas de atração moleculares</p><p>superficiais. As mais empregadas dentre estas substâncias, denominadas adsorvedores</p><p>são o carvão ativado, a alumina ativada e a sílica-gel (peneiras moleculares).</p><p>• Incineração de resíduos gasosos, desde que os gases não sejam, por sua vez, também</p><p>poluidores. Os equipamentos, no</p><p>caso, chamam-se queimadores de chama direta, os</p><p>flares e pós-queimadores catalíticos.</p><p>40</p><p>Tamanhos de névoas e poeiras</p><p>41</p><p>Poeira/névoa Diâmetro médio das partículas (m)</p><p>Cabelo humano 500-2000</p><p>Limite visto a olho nu 10-40</p><p>Poeira atmosférica 0,5</p><p>Poeira alumínio 2,2</p><p>Poeira mineração de carvão (perfuração) 1,0</p><p>Poeira mineração de carvão (carregamento) 0,8</p><p>Fumaça tabaco 0,2</p><p>Zinco (jateado) 15</p><p>Zinco (condensado) 2</p><p>Fog atmosférico 2 - 15</p><p>Névoa de ácido sulfúrico 0,5-15</p><p>Relação entre</p><p>separadores de</p><p>partículas e dimensões</p><p>das mesmas</p><p>• Fonte: LORA, E.E.S.</p><p>Prevenção e controle da</p><p>poluição nos setores</p><p>energético industrial e de</p><p>transporte. 2 ed. Rio de</p><p>Janeiro: Interciência, 2002.</p><p>42</p><p>Checagem</p><p>43</p><p>Ao final da aula, entender:</p><p>Tamanho de partícula;</p><p>Distribuição granulométrica;</p><p>Eficiência fracionada;</p><p>Mecanismos de coleta;</p><p>Principais ECPs.</p>