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UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DE TECNOLOGIA CURSO DE ENGENHARIA AMBIENTAL ANDERFIL MENEGAZ LERNER FRANCINE THAÍS CAGOL ROBSON TADEU BOLSON VIRGÍNIA VIGANÓ PROJETO DE UM SISTEMA DE LAVADOR DE GASES EXAUSTOS DO TIPO CICLONE - VENTURI SCRUBBER Caxias do Sul 2016 ANDERFIL MENEGAZ LERNER FRANCINE THAÍS CAGOL ROBSON TADEU BOLSON VIRGÍNIA VIGANÓ PROJETO DE UM SISTEMA DE LAVADOR DE GASES EXAUSTOS DO TIPO CICLONE – VENTURI SCRUBBER Trabalho apresentado como forma de avaliação parcial para aprovação na disciplina de Controle de Poluição Atmosférica, do curso de Engenharia Ambiental da Universidade de Caxias do Sul, sob orientação do professor Marcelo Godinho. Caxias do Sul 2016 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO .................................................................................................................. 4 2. OBJETIVOS........................................................................................................................ 5 3. REFERENCIAL TEÓRICO ............................................................................................... 5 3.1 MECANISMOS DE COLETA EM LAVADORES ............................................................ 6 3.2 LAVADORES DE GÁS TIPO CICLONE .......................................................................... 9 3.3 LAVADOR DE GÁS DO TIPO VENTURI ...................................................................... 10 3.4 SEPARADORES DE NÉVOA - “DEMISTER” ............................................................... 11 4. MEMORIAL DE CÁLCULO ........................................................................................... 12 4.1 CICLONE ........................................................................................................................... 12 4.2 VENTURI SCRUBBER ..................................................................................................... 14 5. RESULTADOS E DISCUSSÕES .................................................................................... 16 5.1 CICLONE ........................................................................................................................... 16 5.2 VENTURI SCRUBBER .................................................................................................... 18 6. CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................................ 21 REFERÊNCIAS ....................................................................................................................... 22 1. INTRODUÇÃO A atmosfera é composta por uma camada de gases que se situam sobre a superfície da Terra. Ela absorve uma variedade de sólidos, gases e líquidos provenientes de fontes naturais e antrópicas, que podem se dispersar, reagir entre si ou com outras substâncias já presentes na atmosfera. Segundo Lora (2002) as emissões de poluentes atmosféricos podem classificar-se em: • Antropogênicas: aquelas provocadas pela ação do homem (indústria, transporte, geração de energia, etc.) • Naturais: causadas por processos naturais, tais como emissões vulcânicas, processos microbiológicos, etc. O padrão de qualidade do ar define legalmente as concentrações máximas de um componente gasoso presente na atmosfera de modo a garantir a proteção da saúde e do bem estar das pessoas. A Resolução nº 003, do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA), de 28 de junho de 1990 estabelece os padrões nacionais de qualidade do ar. No Brasil são estabelecidos dois tipos de padrões de qualidade do ar, os primários e os secundários. Os padrões primários são as concentrações de poluentes que se ultrapassadas poderão afetar a saúde da população e os secundários representam as concentrações de poluentes atmosféricos abaixo das quais se prevê o mínimo efeito adverso sobre o bem estar da população, assim como o mínimo dano à fauna, flora, materiais e ao meio ambiente em geral. Pode-se controlar a emissão de gases nos processos industriais por inúmeras técnicas. Estas técnicas são divididas em dois grupos: • Métodos indiretos (tecnologias limpas); • Métodos diretos ou técnicas de tratamento. Este projeto refere-se ao dimensionamento de dois equipamentos de controle de material particulado: • Ciclone (coletor seco); • Lavador Venturi (coletor úmido). 2. OBJETIVOS O presente trabalho tem como objetivo dimensionar um sistema de lavadores de gases exaustos constituído por um Ciclone e um Venturi Scrubber, que atenda a uma vazão de gás efluente de 163.645,10 m³/h. 3. REFERENCIAL TEÓRICO As fontes de emissão de poluentes podem ser as mais variadas possíveis. A maior fonte de poluição atmosférica são as emissões de gases tóxicos por veículos automotores, sendo responsável por 40% da poluição do ar. A fim de promover a orientação e controle da poluição atmosférica no país foi criado o Programa Nacional de Controle de Qualidade do Ar (PRONAR), por meio da Resolução nº 05, do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA), de 15 de junho de 1989. Este programa utilizou-se de estratégias de cunho normativo, como o estabelecimento de padrões nacionais de qualidade do ar e de emissão na fonte, a implementação de uma política de prevenção de deterioração da qualidade do ar, a implementação da rede nacional de monitoramento do ar e o desenvolvimento de inventários de fontes e poluentes atmosféricos prioritários. Assim, o primeiro dispositivo legal decorrente do PRONAR, foi a Resolução nº 03, do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA), de 28 de junho de 1990. O rigor atual da legislação exige a utilização de equipamentos capazes de remover eficientemente partículas suspensas em efluentes gasosos. Para Lora (2002), os equipamentos mais utilizados para o controle de particulados são: • Separadores ciclônicos; • Separadores úmidos (lavadores de gás ou scrubbers); • Filtros eletrostáticos; • Filtros de manga. Na indústria e outras atividades humanas, apresentam-se emissões de particulados de diferentes características (dimensões e densidade das partículas, concentração, etc). A granulometria das partículas constitui o parâmetro mais importante para definir o tipo de separador que é possível utilizar com alta eficiência. O efeito de separação dos particulados do fluxo de gás deve-se à ação de diferentes forças que garantem a deposição das partículas sobre uma superfície, conforme observado na Tabela 1. Tabela 1 - Forças atuantes em diferentes separadores Separador Forças principais de separação Separador ciclônico Centrífuga Filtro eletrostático Eletrostática Filtro de mangas Interceptação direta Lavador de gás Inercial Difusional Intercepção direta Fonte: Lora (2000) Dentre os diversos equipamentos existentes, um de grande aplicação industrial é o lavador de gases. O controle das emissões de poluentes particulados utilizando-se lavadores de gases envolve o contato dos mesmos com um líquido, geralmente a água. As partículas são transferidas da corrente gasosa para o líquido de lavagem via diferentes mecanismos de coleta. 3.1 MECANISMOS DE COLETA EM LAVADORES Os mecanismos mediante os quais as partículas dispersas são removidas dos gases são: impacto inercial, difusão browniana e interceptação. Dentre os três mecanismos de coleta o predominante é a colisão por impacto inercial. Os outros dois são considerados como modificadores de parâmetros que, em alguns casos, podem contribuir com uma ação significativa. 3.1.1 Impacto Inercial Se pequenas partículas são dispersas através de um gás fluindo no qual há um obstáculo, a inércia fará as partículas abrirem caminho através da corrente de fluxo que viaja ao redor do obstáculo e algumas das partículasse chocarão com ele. Esse mecanismo pode ser visualizado na figura 1. Nos lavadores, a impactação inercial ocorre entre as partículas de poeira e gotas relativamente grandes. Figura 1 - Mecanismo de impactação inercial Fonte: Guerra (2009) 3.1.2 Difusão Browniana As partículas menores, de diâmetro inferior a 0,3 µm, têm significativo movimento browniano e não se movimentam uniformemente ao longo da linha de corrente de gás. Estas partículas difundem-se do gás para a superfície das gotas, e são coletadas. Esse mecanismo pode ser visualizado na figura 2. Figura 2 – Mecanismo de Difusão Browniana Fonte: Guerra (2009) 3.1.3 Interceptação As partículas também podem ser coletadas por interceptação direta. A partícula pode seguir uma linha de corrente de gás e ser coletada sem impacto inercial ou difusão browniana quando a linha de corrente for muito próxima do corpo coletor, porque a partícula acaba tocando a gota e consequentemente sendo coletada. Figura 3 - Mecanismo da interceptação Fonte: Guerra (2009) Durante a seleção de um separador de particulados devem ser considerados: • Eficiência que se pretende atingir. • Consumo de energia; • Custo do investimento; • Natureza física e química dos particulados (composição granulométrica, densidade, resistividade etc.) • Periculosidade (incêndios e explosões). A eficiência total dos lavadores pode ser calculada a partir da eficiência de separação de cada fração e se denomina eficiência por frações, sendo que esta á bastante variada para cada tipo de lavador, conforme apresentado na figura 4. Figura 4 - Curvas de eficiência por frações para diferentes separadores de partículas Fonte: Lora (2000) 3.2 LAVADORES DE GÁS TIPO CICLONE O lavador de gás do tipo ciclone baseia-se na ação da força centrífuga que age sobre as partículas carregadas pelo fluxo de gás, empurrando-as na direção das paredes, e retirando- as do fluxo gasoso. Os ciclones possuem baixos custos de fabricação, operação e manutenção bem como baixas perdas de carga. Todavia, não possuem boa eficiência para a remoção de partículas de pequenas dimensões. A figura 5 apresenta esquematicamente a operação de um cilone. Figura 5 - Princípio de operação de um separador ciclônico Fonte: Lora (2000) 3.3 LAVADOR DE GÁS DO TIPO VENTURI Lavadores Venturi utilizam um fluxo de líquido para remover partículas sólidas. No purificador Venturi, o gás carregado de partículas passa através de um tubo curto com extremidades alargadas e uma média constringida. Esta constrição faz com que o fluxo de gás acelere quando a pressão é aumentada. Um jato de água é dirigido para a corrente de gás antes ou durante a constrição no tubo. A diferença na velocidade e pressão resultante da constrição faz com que as partículas e água se misturem. A velocidade reduzida na seção expandida da garganta permite que as gotículas de água contendo as partículas que vão cair para fora do fluxo de gás (Figura 6). Quando utilizado para tratamento de gases exaustos de uma caldeira, por exemplo, o lavador é insensível às variações de carga (volume de gás) da mesma, pois é capaz de trabalhar com carga total ou com fogo baixo, sem que a tiragem do seu exaustor interfira no rendimento da caldeira e do lavador devido à instalação de um registro de compensação na chaminé. Figura 6 - Esquema dos processos que acontecem num lavador tipo Venturi Fonte: Lora (2000) 3.4 SEPARADORES DE NÉVOA - “DEMISTER” São dispositivos instalados após o tratamento do gás para remover as gotículas de água que são arrastadas pelo gás tratado. Sua função é agregar a nevoa em gotas que são pesadas o suficiente para se separar do fluxo de gás. O esquema de funcionamento do demister pode ser visualizado na figura 7. Figura 7 - Princípio de funcionamento de um demister Fonte: Fernandes (2009) 4. MEMORIAL DE CÁLCULO 4.1 CICLONE As dimensões do ciclone foram calculadas de acordo com a relação de dimensão de alta eficiência, que pode ser visualizada na tabela 2. Tabela 2 - Relação de dimensões Relação Alta eficiência D/D 1 H/D 0,5 W/D 0,2 De/D 0,5 S/D 0,5 Ld/D 1,5 Lc/D 2,5 Dd/D 0,375 4.1.1 Número de Voltas Um parâmetro importante para o dimensionamento de um ciclone é o número de voltas realizadas pelo fluxo de gás no interior do ciclone, que pode ser calculado utilizando a equação 1. �� = �� . � + � � � Eq. (1) Onde: Ne: número de voltas; 4.1.2 Velocidade do gás A velocidade do gás foi calculada de acordo com a equação 2: �� = ��.� Eq. (2) Onde: Vg: velocidade do gás na entrada do ciclone (m/s); 4.1.3 Massa específica do gás A equação 3 dos gases ideais foi utilizada para calcular a massa específica do gás. �� = �.�����.� Eq. (3) Onde: Ρg: massa específica do gás P: pressão (Pa); PM ar: peso molecular do ar (kg/mol); R: constante dos gases ideais (J/mol.K); T: temperatura (K). 4.1.4 Diâmetro de corte O diâmetro de corte do ciclone, ou seja, o diâmetro da partícula que é coletada com 50% de eficiência, foi calculado pela equação 4. ��50 = � �. .��!."#.$%.&'� (,* Eq. (4) 4.1.5 Queda de Pressão A queda de pressão representada pela perda de carga foi obtida com a equação 5. ∆, = 0,5. ��. ���. -. Eq. (5) Onde: ΔP: perda de carga (Pa); Ρg: massa específica do gás (kg/m³); Vg: velocidade do gás na entrada do ciclone (m/s). Sendo que, o parâmetro Hv foi calculado pela equação 6. -. = /. ��0#1 Eq. (6) 4.1.6 Eficiência do Ciclone A eficiência do ciclone foi calculada pela equação 7. 2 = � 3�4�567856 � 19 Eq. (7) Onde: Dp: Diâmetro da partícula (m). 4.2 VENTURI SCRUBBER Os gases e as partículas escoam a velocidades entre 30 e 100 m/s. Nestes equipamentos predomina o mecanismo de impacto inercial para a remoção das partículas. A eficiência global de coleta em um lavador venturi é dada pela equação 8. 2: = 1 − exp(− A�B(CD8,7D = 1 − ,E FG. (8D Onde: k: constante; I: parâmetro de impacto inercial = Stk/2; Pt: penetração total das partículas. A constante k foi reportada como 0,2 (baseado em razões líquido-gás de 1000 ft³/gal). Calvert propôs a equação 9 para calcular a penetração total das partículas. ,E exp 3� . J�. . K�55. L�. M 9 . (ND FG. (9D Onde: ρL = massa específica do líquido (kg/m³); ug = velocidade do gás na garganta (m/s); A constante F utilizada foi igual a 0,25. O parâmetro F foi calculado pela equação 10: N = 3 1PEQ9 . 31,4. ST 3 PEQ. U + 0,7 0,7 9 + 0,49 0,7 + PEQ. U − PEQ. U − 0,79 FG. (10D O diâmetro da gota na garganta (Ddg) foi obtido pela equação 11. K�� = 50J� + 91,8. 3 M9 �,* FG. (11D A equação 12 foi utilizada para estimar a perda de carga no venturi. ∆, = J��. ��. W(,�XX. � M� (,YZ 3870 FG. (12D Onde: ΔP = perda de carga (cm H2O); ug = velocidade do gás na garganta (cm/s); A = área da seção transversal da garganta (cm²); L/G = razão líquido/gás (L/m³); ρg = massa A Tabela 3 apresenta os parâmetros de operação do lavador Venturi. Tabela 3 - Parâmetros de operação Parâmetro Valor Unidade Perda de carga 10-150 in H2O L/G 2-20 gal/1000 ft³) Pressão de líquido 0,5-20 Psig Diâmetro de corte 0,2 μm 5. RESULTADOS E DISCUSSÕES 5.1 CICLONE A Figura 8 mostra a eficiência de remoção do ciclone em função do diâmetro das partículas. Figura 8 - Gráficodas curvas de eficiência x diâmetro Fonte: Autores (2016) 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 0 20 40 60 80 100 120 n Diâmetro da partícula A partir da figura 8Figura, é possível perceber que com a perda de carga de 200 mm H2O, obtém-se uma boa eficiência, como pode ser observado no gráfico, acima de 90% e com um valor intermediário de perda de carga. Observou-se que ao aumentar o diâmetro da tubulação, embora a eficiência ficasse em torno de 100%, a perda de carga atingia valores extremamente altos, o que tornava o processo inviável. Ou seja, mesmo reduzindo um pouco a eficiência da remoção das partículas, pelo ciclone possuir baixo custo de fabricação, operação e manutenção, apresenta um bom custo benefício. A Tabela 4 apresenta os dados iniciais para dimensionamento do ciclone de alta eficiência. Tabela 4 - Parâmetros para dimensionamento do Ciclone. Parâmetro Valor Unidade Vazão de gás (Q) 50.000 Nm³/h Vazão de gás (Q) 16.3645 m³/h Temperatura 873 K Pressão absoluta (Pabs) 99.000 Pa Pressão atmosférica (Patm) 760 mmHg Massa específica da partícula (ρp) 300 kg/m³ Massa específica do gás (ρg) 0,40 kg/m³ Viscosidade do gás (µg) 3,845E-05 kgs/m³ Perda de carga (ΔP) 200 mmH2O Constante dos gases (R) 8,314 Pa.m³/mol.K Diâmetro adotado (D) 0,29 m Fonte: Autores (2016) Os valores calculados para o dimensionamento do ciclone podem ser visualizados nas tabela 5. Tabela 5 - Valores referentes ao Ciclone Parâmetro Valor Unidade D 0,29 m H 1,70202818 m W 0,680811272 m De 1,70202818 m S 1,70202818 m Parâmetro Valor Unidade Lb 5,106084541 m Lc 8,510140901 m Dd 1,276521135 m K 16 Vg 39,23 m/s Dp50 2,407E-05 m Ne 5,5 Hv 6,40 Fonte: Autores (2016) 5.2 VENTURI SCRUBBER A Figura 9 apresenta a eficiência de remoção em função do diâmetro da partícula (μm) do Venturi para os seguintes os diâmetro da garganta (Dg1 = 0,4 m, Dg2 = 0,50 m e Dg3 = 0,60 m), onde a curva representa as diferenças de perda de carga. Figura 9 - Gráfico da eficiência (%) x diâmetro (µm) Fonte: Os autores (2014). -20 0 20 40 60 80 100 120 0 20 40 60 80 100 120 Ef ic iÊ n ci a (% ) Diâmetro da partícula (µm) Curvas da efiência (%) em função do diâmetro da partícula (µm) Dg 0,5 Dg 0,4 Dg 0,6 Para o dimensionamento do Venturi Scrubber, foram utilizados os dados informados na Tabela 6. Tabela 6 - Parâmetros para dimensionamento do Venturi Scrubber Parâmetro Valor Unidade Vazão de entrada (Qe) 50.000 Nm³/h Temperatura (Tb) 323 K Pressão atmosférica (Patm) 101.325 Pa Massa específica da partícula (ρp) 300 kg/m³ Viscosidade do gás (µg) 1,96E-05 Pa.s F 0,25 - ρLíquido 1000 kg/m³ ρar a 50°C 1,08 kg/m³ L/G 0,06 gal/ft³ T após H2O 323 K T normal 273 K Fonte: Os autores (2016). Os valores calculados para o dimensionamento do ciclone podem ser visualizados na Tabela 7 e Tabela 8. O Diâmetro da garganta que apresentou melhor relação entre a perda de carga e a eficiência foi Dg = 0,60 m. Tabela 7 - Valores referentes ao Ciclone Parâmetro Valor Unidade Diâmetro garganta (Dg) 0,60 m Área garganta (Ag) 0,283 m² Pressão no Venturi (Pv) 100.000,00 Pa Vazão do gás na garganta (Qg) 59.941,35 m³/h Velocidade na garganta (Vg) 58,89 m/s Vazão de líquido (QL) 0,1335 m³/s Diâmetro da gota (Dgota) 0,0007 m Diâmetro da gota (Dgota) 744,12 µm Velocidade terminal da gota (Vgota) 15,35 m/s Perda de carga no Venturi (ΔP) 55,43 inH2O Fonte: Os autores (2016). Tabela 8 - Resultados (Stokes, F, Penetração total das partículas e Eficiência) gerados com diferentes diâmetros de partículas D partícula (μm) Stokes F Pt η (%) 0 0 0 0 0 1 0,03506 -1,28E-05 0,995833064 0,416693647 2 0,14022 -0,000194 0,938711226 6,128877385 3 0,3155 -0,000901 0,745757852 25,42421482 4 0,56089 -0,002536 0,437744171 56,22558291 5 0,87639 -0,005396 0,17246896 82,753104 6 1,26201 -0,009589 0,044027406 95,59725945 7 1,71773 -0,015043 0,007450444 99,25495565 8 2,24357 -0,021567 0,000890118 99,91098821 9 2,83952 -0,028907 8,15085E-05 99,99184915 10 3,50557 -0,036803 6,22635E-06 99,99937737 20 14,0223 -0,112588 1,19E-16 100 30 31,5502 -0,159134 3,10E-23 100 40 56,0892 -0,185857 5,14E-27 100 50 87,6394 -0,202227 2,49E-29 100 60 126,201 -0,212936 7,60E-31 100 70 171,773 -0,220327 6,84E-32 100 80 224,357 -0,22565 1,21E-32 100 90 283,952 -0,229618 3,32E-33 100 100 350,557 -0,23266 1,23E-33 100 Fonte: Os autores (2016). A Figura 10 apresenta a eficiência de remoção em função do diâmetro da partícula (μm) entre o Ciclone e o Venturi. Pode-se perceber a importância do lavador Venturi, pois o ciclone não é capaz de remover com eficiência partículas com diâmetro iguais ou inferiores a 50 μm, enquanto que o Venturi, que será instalado após o ciclone, poderá remover partículas cujos diâmetros sejam de 10 μm. Figura 10 - Gráfico da Curva da eficiência x diâmetro Fonte: Os autores (2014). 6. CONSIDERAÇÕES FINAIS Os lavadores úmidos de gases constituem-se como alternativas que apresentam alta eficiência de separação desses componentes, numa ampla faixa granulométrica e de fácil operação. Conclui-se que o lavador do tipo Venturi se destaca pela sua alta eficiência de coleta, pois o mesmo tem a capacidade de remover partículas da ordem de 10 µm e apresenta habilidade tanto no controle de pó quanto de aerossóis. Com o presente projeto, levou-se em consideração o custo e o desempenho do sistema. Verificou-se que o aumento das vazões dos gases geram altos valores de perda de carga, e esses aumentos, não são compensados pela eficiência, visto que, o aumento da eficiência não é tão significativo. Portanto, optou-se por utilizar uma garganta de 0,6 m de diâmetro lavador do tipo Venturi, uma vez que avaliando-se as perdas de cargas no sistema a redução do diâmetro desta estrutura não é vantajosa em relação ao ganho em eficiência obtido e às perdas de carga resultantes. -20 0 20 40 60 80 100 120 0 20 40 60 80 100 120 Ef ic iÊ n ci a (% ) Diâmetro da partícula (µm) Comparativo em termos de eficiência Ciclone e Venturi Venturi Ciclone REFERÊNCIAS FERNANDES, W. B.; Controle de poluição do ar – Lavadores de gases. Universidade de Santa Cecília, Santos, SP, 2009. GUERRA, V. G.; Investigação do efeito de injeção de líquido por orifícios múltiplos na formação de gotas em um lavador Venturi. Universidade Federal de São Carlos. São Carlos, SP, 2009. LISBOA, H. M.; SCHIRMER, W. N.; Metodologia de controle da poluição atmosférica. Universidade Federal de Santa Catarina. Florianópolis, SC, 2007. LORA, E. S.; Controle da poluição do ar na indústria açucareira. Escola Federal de Engenharia de Itajubá. Itajubá, MG, 2000. APÊNDICE A - Croqui do Sistema de lavador de gases exaustos do tipo ciclone - Venturi Scrubber
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