análise de uma usina sucroalcooleira alimentada por uma mistura ...
Controle Da Emissao de Poluentes Da Industria Sucroalcooleira
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ndice
ndice de tabelas................................................................................................................3
ndice de figuras................................................................................................................3
ndice de grficos...............................................................................................................3
1.Resumo ............................................. 4 2.Objetivos .......................................... 5 3.Introduo ......................................... 6 4.Subprodutos da Indstria Sucroalcooleira .................................... 7
4.1 Vinhaa ................................................................................................. 7 4.2 Gs Carbnico ....................................................................................... 7 4.3 guas de lavagem ................................................................................. 8 4.4 Melao ................................................................................................... 8 4.5 Torta de filtro ........................................................................................ 8 4.6 Bagao .................................................................................................. 9
4.6.1 Fertilizantes ................................................................................... 9 4.6.2 Rao animal ................................................................................ 10 4.6.3 Xilitol ............................................................................................. 10 4.6.4 Furfural ......................................................................................... 11 4.6.5 Energia eltrica ............................................................................ 11
5. Legislao e Sade ......................... 12 5.1 O Gerenciamento Ambiental ............................................................... 12
5.1.1 ISO 14000 ..................................................................................... 13 5.2 A Indstria Sucroalcooleira e a Poluio do Ar .................................... 13 5.3 A Legislao ........................................................................................ 14 5.4 Material Particulado e a Sade Humana ............................................. 17
6. Equipamentos ................................. 19 6.1 Sedimentadores - Cmaras gravitacionais ......................................... 19 6.2 Ciclones .............................................................................................. 20 6.3 Filtro Manga ........................................................................................ 21
1
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6.4 Precipitator Eletrosttico ..................................................................... 23 6.4.1 Dimensionamento ......................................................................... 25
6.5 Lavadores de gs ................................................................................ 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 Eficincia ...................................................................................... 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 Tenso (Tensimetro) ............................ 38
9. Proposta ......................................... 43 10. Referencias Bibliogrficas ............. 44
2
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ndice de Tabelas
Pg.
Tabela 1 Principais poluentes.......................................................................................13
Tabela 2 Padres Primrios e Secundrios...................................................................15
Tabela 3 Nveis de Ateno..........................................................................................15
Tabela 4 Fator de Correo..........................................................................................33
Tabela 5 Valores por concentrao de soluo............................................................34
Tabela 6 Tenso superficial (Tensimetro)..................................................................35
Tabela 7 Tenso superficial (Tensimetro) corrigida..................................................36
ndice de Figuras
Pg.
Figura 1 Implantao de um SGA...............................................................................11
Figura 2 Sedimentador ................................................................................................17
Figura 3 Dinmica do ar dentro do ciclone..................................................................18
Figura 4 Filtro Manga..................................................................................................19
Figura 5 Esquema de funcionamento do precipitador eletrosttico.............................21
Figura 6 Mecanismo de coleta.....................................................................................24
Figura 7 Lavador Spray................................................................................................25
Figura 8 Torre de enchimento ......................................................................................25
Figura 9 Representao esquemtica do Lavador Venturi...........................................26
Figura 10 Perfil da queda de presso............................................................................27
ndice de Grficos Pg.
Grfico 1 Tenso superficial x frao etanol.............................................................. 34
Grfico 2 Tenso superficial x frao etanol (Tensimetro)........................................37
Grfico 3 Compareo entre os mtodos.....................................................................37
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1.ResumoA partir dos anos 70 quando o governo brasileiro deu inicio ao programa do
Prolcool, incentivando a indstria sucro-alcooleira, a qual teve um grande aumento.
Esta indstria tem como produtos principais o lcool e o acar, mas tm vrios outros
subprodutos como vinhaa, melao, gua de lavagem, torta de filtro, CO2 e o bagao,
este ultimo sendo o principal para o nosso estudo.
O bagao pode ter vrios usos, mas um dos principais usos no abastecimento
energtico da indstria, atravs de sua queima em caldeiras, que consegue gerar energia
eltrica para suprir a demanda energtica da indstria e para revenda. Mas essa queima
gera resduos, a fuligem, a qual um material particulado que contm partculas
menores do que 10m, que so prejudiciais ao meio ambiente e a sade tanto de
animais tanto de humanos.
O objetivo desse estudo a analise de equipamentos para a limpeza dos gases da
caldeira, o principal equipamento estudado foi o lavador Venturi, porque consegue
trabalhar com grande eficincia com os gases da caldeira que esto com alta
temperatura e presso.
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2.Objetivos O objetivo do nosso trabalho aperfeioar o processo que acontece nas usinas de
cana, principalmente no que tange as questes ambientais.
Primeiramente foram identificados os subprodutos da indstria canavieira, suas
aplicaes, e os impactos que cada um causa ao meio ambiente, assim como as formas
de minimiz-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 ento escolhido como o material particulado produzido pela
queima do bagao, que polui o ar, causa prejuzos materiais, desequilibra os
ecossitemas, causa danos pra sade humana, e considerado um vilo estufa, pois as
partculas se aquecem rapidamente, contribuindo muito para o aquecimento global. A
fuligem um problema em evidncia nas Usinas, j que desde a colonizao a
queimada o principal mtodo usado para a colheita da safra.
Com o intuito de dar continuidade aos trabalhos prvios de Desenvolvimento de
Processos Qumicos, o equipamento escolhido para remover o particulado do efluente
da caldeira foi o Lavador Venturi. Esse equipamento capaz de remover quase por
inteiro o particulado da corrente gasosa, apresentando altas eficincias, inclusive para a
faixa de partculas respirveis, que so as mais danosas para a sade do homem. O
Lavador o mais verstil dos equipamentos estudados, e alm de particulado slido ele
pode ser usado para remover particulado gasoso com alta eficincia.
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 atravs dos trabalhos realizados no
Lavador Venturi existente no Departamento, foi possvel formular a nossa prpria
proposta de trabalho, planejar o estudo das variveis e tecer hipteses a respeito da
operao do equipamento quando os parmetros forem mudados.
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3.IntroduoAs indstrias sucroalcooleiras do Brasil geram, alm dos produtos principais,
muitos subprodutos e resduos. Dentre todos os subprodutos, podemos citar alguns que
apresentam maior representatividade, como por exemplo, a vinhaa e o bagao.
O bagao apresenta uma utilidade muito importante, que a gerao de energia
atravs de sua queima. Com esse tipo de gerao de energia as usinas de cana-de-acar
podem se tornar auto-suficientes, e algumas vezes chegam a vender energia excedente
para as concessionrias de energia.
Apesar da queima da cana ser uma boa alternativa para a gerao de energia
eltrica, esta queima gera muita poluio (material particulado) e deve ser controlada. O
material particulado liberado atravs da queima da cana-de-acar muito nocivo a
sade humana, e atualmente existem legislaes muito severas com relao e esta
poluio, e, portanto as indstrias devem instalar equipamentos de limpeza de ar.
Dentre os equipamentos de limpeza de ar, podemos citar os lavadores, os
ciclones, os precipitadores eletrostticos, os sedimentadores e os filtros de manga.
No presente trabalho foi estudado o lavador Venturi, que um tipo de lavador
muito eficiente para coleta de partculas na faixa do respirvel (partculas com dimetro
menor que 10 m).
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4.Subprodutos da Indstria Sucroalcooleira
A indstria de acar e lcool produz alm dos produtos principais, alguns
subprodutos, que pode ser utilizados com diversas finalidades. Dentre os principais
subprodutos da indstria sucroalcooleira, podem ser citados o gs carbnico (CO2), o
melao, a vinhaa, o bagao, a torta de filtro e as guas de lavagem.
4.1 VinhaaAs destilarias de lcool tem como principal um dos principais subprodutos a
vinhaa, um liquido escuro com odor acentuado. Cada 1 L de lcool produz
aproximadamente de 12 a 14 L de vinhaa. Sua constituio apresenta 93% de gua,
sendo que dentre os seus componentes slidos, 74,85% so orgnicos, entre os quais
tem-se potssio, clcio, sulfatos, ferro e magnsio. Pela sua alta concentrao de sulfato,
a vinhaa considerada altamente corrosiva.
A legislao ambiental probe o descarte de vinhaa in natura. Seu efeito
poluente se faz pela quantidade de matria orgnica que oxidada, consumindo o
oxignio livre dissolvido na gua. A flora e a fauna aqutica so eliminadas e ao
morrerem geram um fenmeno em cadeia de ampliao da demanda de oxignio, at a
morte ecolgica do curso de gua, tornando-se imprpria para uso.
Atualmente a maior parte da vinhaa tratada, e seu uso mais comum como
fertilizante, devido ao seu alto pH e alto teor de compostos orgnicos. A vinhaa
tambm pode ser utilizada na produo de biogs e na fabricao de tijolos.
4.2 Gs CarbnicoO gs carbnico (CO2) gerado, na indstria canavieira, tanto na fermentao
alcolica quanto na queima do bagao. Com a preocupao atual com o meio ambiente,
o CO2 no pode ser descartado diretamente na atmosfera, pois contribui para o Efeito
Estufa e o Aquecimento Global. Portanto, o gs carbnico deve ser purificado antes de
ser comercializado. Pode ser utilizado na fabricao de cido saliclico, fabricaao de
bicarbonato de sdio, fabricao de uria, industria de refrigerantes, refrigerao, entre
outros.
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4.3 guas de lavagemPodem ser provenientes da lavagem da cana, das colunas baromtricas, dos
condensadores e da lavagem de pisos e equipamentos.
A gua de lavagem da cana considerada, depois da vinhaa, um dos efluentes
mais poluentes da indstria da cana de acar, devido ao arraste de acar, cana, terra e
palha. Em geral reutilizada no processo de embebio, no processo de lavagem e at
mesmo como fertilizante, devido ao alto teor de componentes orgnicos.
4.4 MelaoO melao um liquido que se obtm no processo de concentrao do caldo de
cana. constitudo principalmente de aucares como frutose, sacarose e maltose. Pode
ser utilizado como fertilizante devido ao alto teor de matria orgnica e tambm como
rao animal, pelo alto teor de carboidratos, vitaminas do complexo B e
micronutrientes.
4.5 Torta de filtroA torta representa cerca de 2 a 3% da produo de cana moda e constituda de
cerca de 1,2 a 1,8% de fsforo e cerca de 70% de umidade. A torta tambm apresenta
alto teor de clcio e considerveis quantidades de micronutrientes. A torta pode ser
utilizada como fertilizante para plantaes, sem precisar de muitos tratamentos
anteriormente a adubao.
Existem trs formas bsicas de utilizao da torta de filtro como fertilizante
orgnico:
Aplicao em superfcie total nas reas de renovao dos canaviais. Grandes
quantidades so adicionadas ao solo e, posteriormente, incorporadas por meio de
gradagens;
Distribuio nas entrelinhas da cana-soca e incorporaes por meio de
cultivadores de discos;
Aplicao nos sulcos de plantio. Menores quantidades de torta de filtro (15 a 35
toneladas por hectare da torta mida) so distribudas, levando-se em conta as
quantidades de nutrientes que esto sendo incorporados ao solo, sobretudo o
fsforo.
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O fertilizante produzido com a torta do filtro apresenta uma serie de vantagens
em relao ao adubo qumico que normalmente utilizado nas plantaes. Do ponto de
vista econmico, a utilizao da torta uma boa alternativa aos adubos qumicos, pois
faz com que as indstrias no precisem investir altas quantias de dinheiro em
nitrognio, fsforo e potssio, pois a torta j supri necessidade das plantas. Alm disso,
se a torta no fosse reaproveitada, a cada hectare seriam aplicados cerca de 500 mil
quilos de adubo qumico, a um custo de R$ 1,7 mil a tonelada, o que mostra uma
economia muito grande.
4.6 BagaoO bagao um subproduto da indstria sucroalcooleira e representa cerca de um
quarto da massa da cana-de-acar. Obtido da moenda da cana, o bagao apresenta um
alto teor de fibras e umidade (Aproximadamente 45% de fibras, 50% de umidade e 5%
de outros slidos. O bagao pode ser utilizado na produo dos seguintes produtos:
fertilizantes e rao animal, xilitol, energia eltrica e furfural.
4.6.1 Fertilizantes O processo utilizado para preparao de adubos a partir do bagao da cana-de-
acar denominado compostagem ou composta. Define-se compostagem como um
processo biolgico, aerbio e controlado, por meio do qual se consegue a humificao
do material orgnico, obtendo-se como produto final, o composto orgnico. Este
processo desenvolvido em duas fases distintas, em que na primeira ocorre a
degradao ativa e, na segunda, maturao (humificao) do material orgnico, ocasio
em que produzido o composto propriamente dito.
A compostagem pode ser feita no somente com o bagao da cana, mas tambm
com outros resduos vegetais provenientes da agroindstria, como por exemplo, cascas
de caf, pednculo e epicarpos de algodo.
Um processo de compostagem muito utilizado o processo feito com esterco
animal (bovinos, eqinos e aves) e bagao da cana. O material vindo da usina (bagao)
e dos estbulos ou granjas so empilhado um sobre o outro em camadas na forma de um
sanduche, nas devidas propores (quatro volumes de bagao para um volume de
esterco animal) at que a pilha chegue a altura desejada. Acima dessa pilha, para
acelerar a compostagem e enriquecer o adubo orgnico, deve-se aplicar uma camada de
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2 a 3 cm de fosfato natural em p ou superfosfato simples em p. Com o passar do
tempo necessrio que se faa o revolvimento peridico deste composto, para que o
processo se acelere e seja bem realizado.
O processo todo da compostagem dura em torno 90 dias quando feito em
galpes, e pode demorar um pouco mais, cerca de 120 a 150 dias, quando feito a cu
aberto. O produto final deve ter no mximo 25% de umidade, pH superior a 6,0 e a
relao carbono/nitrognio (C/N) na faixa de 10/1 a 15/1. Esta relao C/N muito
importante e deve ser controlada para que a operao ocorra da forma adequada.
O composto deve ser incorporado ao solo trinta dias antes da instalao da
cultura. No caso de culturas perenes (como a do caf e das frutferas), este adubo
orgnico dever ser enterrado formando uma coroa ao redor das plantas.
4.6.2 Rao animalO bagao de cana in natura no apresenta uma boa digestibilidade nem um bom
valor nutritivo, e por isso no muito eficiente quando utilizado para a alimentao de
animais. Uma alternativa para isto incluso do bagao outras raes que apresentem
um teor nutritivo alto, como por exemplo raes a base de palma forrageira, milho e
farelo de soja. Outra opo o tratamento do bagao com os nutrientes necessrios,
fazendo com que assim o bagao apresente um bom valor nutritivo e uma boa
digestibilidade para os animais. Os tratamentos mais utilizados so feitos a base de
hidrxido de sdio, uria, amnia ou com vapor sob presso (hidrolise), e dentre estes
tratamentos vapor sob presso apresenta resultados mais efetivos em termos de aumento
do valor nutritivo do material tratado.
4.6.3 Xilitol O xilitol um poliol obtido a partir da hemicelulose contida no bagao. Ele um
p branco e com formula estrutural C5H12O5.
O xilitol possui um poder adoante (semelhante sacarose) e pouco calrico.
Ele tambm ajuda a prevenir cries e da uma sensao de frescor o que faz com que seja
utilizado em balas e chicletes, alem de ser utilizado no combate a diferentes doenas no
corpo humano como a otite e a osteoporose.
No momento o processo qumico o mais utilizado, mas na indstria sulcro-
alcoleira usa-se o processo biolgico. Esse processo envolve a fermentao da xilose
contida na hemicelulose por fungos. Ele possui as vantagens em relao ao processo
convencional por ser mais barato e no ser menos prejudicial ao menos ambiente
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(toxicidade dos efluentes menor do que os do processo qumico), mas os processos
ainda esto sendo otimizados, pois ainda no h como obter grandes quantidades para
sua cristalizao.
4.6.4 FurfuralO furfural utilizado como solvente seletivo para refinao de leos
lubrificantes, resina de madeiras e leos vegetais. O uso potencial do furfural, alm da
utilizao em frmacos e resinas, a obteno de lcool furfurlico. A fabricao do
furfural a partir do bagao da cana usa praticamente os mesmos mtodos usados quando
se usa bagao de milho. Muitas empresas j esto utilizando o essa fonte para a
fabricao comercial, como uma empresa da republica dominicana patrocinada pelos
Estados Unidos e muitas empresas na China.
4.6.5 Energia eltrica Uma das principais aplicaes do bagao da cana a gerao de energia eltrica
atravs de sua queima. Esta aplicao de grande importncia porque faz com que as
indstrias se tornem auto-suficientes (em termos de energia eltrica), uma vez que elas
produzem a energia que iro utilizar nos processos de transformao da cana em
produtos (acar e lcool). Outro fator positivo desta produo de energia o fato de ela
ser limpa e renovvel, fazendo com que o pas possa vender crditos de carbono do
protocolo de Kyoto.
Apesar de apresentar muitas vantagens, a produo de energia eltrica atravs da
biomassa tambm tem desvantagens, que a poluio gerada em sua queima. A queima
da cana produz fuligens e cinzas que so prejudiciais sade humana e tambm ao meio
ambiente, e, portanto essas cinzas devem ser tratadas antes de serem despejadas no ar.
As cinzas tambm podem ser utilizadas para a fabricao de tijolos e carvo.
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5. Legislao e Sade 5.1 O Gerenciamento Ambiental
O Brasil, maior pas da Amrica Latina e quinto do mundo em rea territorial,
compreendendo 8.511.996 km2, com zonas climticas variando do trpico mido a reas
temperadas e semi-ridas, certamente o pas detentor do maior patrimnio de
biodiversidade do planeta. Mais de 16% do territrio brasileiro corresponde a reas de
proteo ambiental (sendo 5,22% em unidades de conservao federais, tais como
parques e reservas ecolgicas e extrativistas, e 11,12% em reas indgenas).
A Lei Federal n 6.938, de 31 de Agosto de 1981, constituiu o Sistema Nacional
do Meio Ambiente (SISNAMA), composto pelos rgos e entidades da Unio, dos
Estados e do Distrito Federal, dos Municpios, e pelas fundaes institudas pelo Poder
Pblico, responsveis pela proteo e melhoria da qualidade ambiental. Eles tm como
seu rgo Superior o Conselho Nacional do Meio Ambiente. O CONAMA o rgo
responsvel em todo o territrio nacional pela regulamentao dos procedimentos
referentes ao Licenciamento Ambiental estabelecidos na Poltica Nacional de Meio
Ambiente e pela incorporao ao sistema de Licenciamento Ambiental os novos
instrumentos de gesto ambiental, que visam melhoria contnua e a preveno,
No Brasil a questo ambiental chega hoje a patamares mais evoludos, e deixa-se
de encarar o ambientalismo e o desenvolvimentalismo como adversrios. O
empreendimento da atualidade h de considerar a interao entre empresa, sociedade,
mercado e rgos de controle ambiental. Responsabilidade com o meio ambiente um
quesito intrnseco ao critrio moderno de qualidade.
O sistema de Gesto Ambiental o mecanismo de controle e melhoramento da
adequao de uma empresa com as condies 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 poltica ambiental, elaborao de um plano
de ao (objetivos e metas), integrao dos planos ambientais no dia-a-dia operacional
da organizao, monitoramento e auditorias, e por fim, redefinio de objetivos. A
implementao de um sistema de Gerenciamento Ambiental visa melhoria contnua das
condies no que tange processos e matrias - primas.
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Figura 1 Implantao de um SGA
5.1.1 ISO 14000
Na Conferncia das Naes Unidas sobre Meio Ambiente e Desenvolvimento
(ECO 92) mais de 100 pases reconheceram que era preciso criar normas internacionais
de gesto ambiental, conhecidas atualmente como ISO 14000. A norma britnica BS
7750 seriu de embrio para as normas ISO 14000.
Este conjunto de normas tem como objetivo geral fornecer assistncia para as
organizaes na implantao ou no aprimoramento de um Sistema de Gesto Ambiental
(SGA). As normas proporcionam uma indicao, ou apresentam as ferramentas
disponveis para que se proceda com segurana do bom desempenho.
5.2 A Indstria Sucroalcooleira e a Poluio do Ar
O material particulado um dos poluentes emitidos em maior volume pelas
indstrias de acar e lcool. Considera-se como material particulado qualquer
substncia, exceo da gua pura, que existe como lquido ou slido na atmosfera e
tem dimenses de 10nm a mais de 100m. No caso em estudo a grande maioria das
emisses de material slido, tambm chamado de fuligem. A maior fonte de
particulado a queima de biomassa e de combustveis fsseis em motores de combusto
interna.
A partcula de fuligem que sai da caldeira (ou produzida na queimada)
composta por material inorgnico, hidrocarbonetos adsorvidos na superfcie, gotculas
de hidrocarbonetos condensados na superfcie, sulfatos e gotculas de gua aderidas
superfcie.
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Corrigir
Verificar Executar
Planejar
Melhora Contnua
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De acordo com a Unio da Indstria da Cana-de-Acar (UNICA), em 2009,
pelo menos 50% dos canaviais paulistas seriam colhidos sem uso do fogo. No entanto, o
nmero de queimadas registradas at agora pelos satlites do Instituto Nacional de
Pesquisas Espaciais (Inpe) o dobro do registrado no mesmo perodo do ano passado.
Desde a colonizao e principalmente durante a dcada de 70, com o vantajoso
subsdio oferecido pelo governo atravs do Prolcool, as queimadas foram o principal
mtodo de colheita da cultura de cana. Elas provocam vrios impactos ambientais
negativos que afetam inclusive a sustentabilidade da prpria agricultura. No solo, o fogo
altera as suas composies qumica, fsica e biolgica, prejudicando a ciclagem dos
nutrientes.
As queimadas so fortemente combatidas atravs de plebiscitos ou movimentos
populares, que culminam em leis mais severas. Em 2001, o ento governador de So
Paulo, Geraldo Alckmin, prorrogou o prazo de uma lei que obrigava a extino das
queimadas at 2008. De acordo com a nova determinao as reas mecanizveis
(relativamente planas e maiores do que 150 hectares) devem parar as queimadas at o
ano de 2021. J as reas menores e com declividade, ou seja, as no mecanizveis, tem
prazo estendido at 2031. Essa lei determina metas para cada ano, para que se possa
eliminar a prtica da queimada gradativamente.
O setor sucroalcooleiro lidera o ranking do valor de multas aplicadas pelo
governo de So Paulo por poluio ou desrespeito legislao ambiental entre todas as
reas da indstria, segundo dados da Companhia Tecnolgica de Saneamento
Ambiental (CETESB). Em segundo lugar figuram as metalrgicas, com dados mais
modestos.
5.3 A LegislaoO material particulado em suspenso na atmosfera dividido em classes, de
acordo com sua faixa de dimetro:
Particulado total em suspenso (PTS): representa o conjunto dos diversos
materiais particulados, freqentemente, ultrapassando 10 m de dimetro, podendo
atingir at 100 m;
Particulado grosso (PM10): partculas com dimetro aerodinmico de 2,5 a 10
m. So produzidas mecanicamente pela quebra de partculas maiores durante a
atividade industrial; em rodovias, provenientes do solo (p de estrada, por exemplo,
14
-
freio e p de pneu); escombros de construes; material biolgico, como plen e
bactrias; processos agrcolas;
Particulado fino (PM2,5): com dimetro aerodinmico inferior a 2,5 m.
Geralmente, formado a partir do processo de combusto, incluindo veculos a motor,
queima de madeira, queimada de plantaes ou florestas, e alguns processos
industriais. Os principais gases precursores so o dixido de enxofre (SO2), xidos
de nitrognio (NOx), amnia (NH3) e compostos orgnicos volteis;
Partculas ultrafinas (UFP): com dimetro aerodinmico inferior a 0,1 m.
Produzidas pela condensao de metais ou compostos orgnicos vaporizados a altas
temperaturas (combusto de produtos fsseis). Geralmente, so constitudas por
nitrato, sulfato, carbono, amnia e traos de metais.
A determinao sistemtica da qualidade do ar, por questes de ordem prtica,
limitada a um restrito nmero de poluentes, definidos em funo de sua importncia e
dos recursos materiais e humanos disponveis. De forma geral, o grupo de poluentes
consagrado universalmente como indicador mais abrangente da qualidade do ar :
monxido de carbono, dixido de enxofre, material particulado, oznio e dixido de
nitrognio. A razo da escolha desses parmetros como indicadores de qualidade do ar
est ligada maior ocorrncia de emisses com esse grupo poluente e aos seus efeitos
adversos ao meio ambiente e sade humana. A Tabela 1 mostra algumas mazelas
causadas pela poluio atmosfrica.Tabela 1 - Principais poluentes
Poluente Caractersticas Fontes Principais Efeitos gerais ao meio ambiente
MP10 e Fumaa
Particulado de material slido ou lquido. Tamanho
menor que 10 mProcessos de combusto Danos a vegetao, deteriorao da visibilidade, contaminao do solo
PTSParticulado de material
slido ou lquido. Tamanho menor que 100 m
Processos industriais, veculos motorizados, queima de biomassa
Danos a vegetao, deteriorao da visibilidade, contaminao do solo
SO2Gs incolor, forte odor,
pode ser facilmente transformado em SO3 e
posteriormente em H2SO4
Queima de leo combustvel, veculos a
diesel, fertilizantes
Formao de chuva cida, corroso de materiais e danos a vegetao
NO2 Odor forte, pode formar HNO3 e nitratosProcessos industriais, veculos motorizados
Formao de chuva cida, e danos a vegetao
CO Gs incolor, inodoro, inspidoCombusto incompleta
(veculos)
O3Gs incolor, principal componente da nevoa
fotoqumica
produzido indiretamente (fotoquimicamente) pela
radiaoDanos as vegetaes e plantas
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Os poluentes so ditos primrios quando emitidos diretamente pela fonte, e
secundrios caso se formem na atmosfera, por reaes fsicas ou qumicas. O oznio
um bom exemplo de poluente secundrio: formado na atmosfera por reao
fotoqumica em altitudes de 10 a 50 km.
A Resoluo CONAMA N 05, de 15 junho de 1989 instituiu o Programa
Nacional de Controle da Qualidade do Ar (PRONAR), que usa a imposio de limites
mximos de emisso, e padres nacionais de qualidade como estratgias para evitar a
poluio do ar. Os padres estabelecem concentraes de poluentes atmosfricos que, se
ultrapassadas, podero afetar a sade, a segurana e o bem-estar da populao, bem
como ocasionar danos flora e fauna, aos materiais e ao meio ambiente em geral. So
os padres primrios e secundrios.
O padro primrio de qualidade do ar uma concentrao de poluentes que, se
ultrapassada, poder afetar seriamente a sade da populao. Os padres secundrios
so as concentraes de poluente abaixo das quais se prev o mnimo efeito adverso
sobre o bem estar da sociedade, assim como mnimos danos. O objetivo do
estabelecimento de padres secundrios criar uma base para uma poltica de
preveno da degradao da qualidade do ar. Devem ser aplicados s reas de
preservao (por exemplo: parques nacionais, reas de proteo ambiental, estncias
tursticas).
A concentrao mxima permitida leva em considerao um perodo de tempo
como referncia. A Tabela 2 mostra alguns valores de padres para diferentes
poluentes, de acordo com a Resoluo CONAMA n 003, de 28 de junho de 1990.
16
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Tabela 2 - Padres Primrios e Secundrios
Poluente Tempo amostragem
Padro primrio (g/m)
Padro secundrio (g/m)
PTS24 h 240 150
Mdia geomtrica anual 80 60
Partculas inalveis
24 h 150 150
Mdia aritmtica anual 50 50
Fumaa24 h 150 100
Mdia aritmtica anual 60 40
SO224 h 365 100
Mdia aritmtica anual 80 40
NO21 h 320 190
Mdia aritmtica anual 100 100
CO1 h 40.000(35 ppm)
40.000(35 ppm)
8 h 10.000(9 ppm)10.000(9 ppm)
O3 1 h 160 160
A mesma resoluo tambm introduz padres de Ateno, Alerta e Emergncia,
sendo que os dois primeiros nveis se atingidos indicam que providencias devem ser
tomadas para que no se chegue ao padro de Emergncia. Tais padres esto dispostos
na Tabela 3 para PTS e partculas inalveis (PM10).
Tabela 3 - Nveis de ateno
Ateno (g/m3) Alerta (g/m3) Emergncia (g/m3)
PTS 375 625 875
Partculas inalveis 250 420 500
5.4 Material Particulado e a Sade Humana
Dentre os danos na sade humana, estudos verificaram que o aumento da
poluio est diretamente relacionado ao aumento das taxas de natalidade e morbidade
(doenas/enfermidades). Esses danos so verificados em todo o organismo, porm o que
se verifica que os sistemas mais afetados so o respiratrio e o cardiovascular.
17
-
Sabe-se que quanto menor o dimetro das partculas, mais danoso o seu efeito
para os seres humanos, pois ao inalar o ar poludo, as partculas sero absorvidas em
nvel dos alvolos pulmonares. Dependendo de seu tamanho a partcula tende a se
depositar em diferentes regies do trato respiratrio.
>40 m: Nariz e Muco Nasofarngeo
>10 m: Bronquolos
-
6. Equipamentos
6.1 Sedimentadores - Cmaras gravitacionais As cmaras gravitacionais so sedimentadores ,figura 2, que retiram a sujeira
grosseira do ar. Assim o ar est pronto para ter uma limpeza mais refinada
posteriormente por outro equipamento. A sedimentao um processo bem simples,
pois a coleta de partculas dada pela velocidade terminal das partculas associada
fora gravitacional. Esse processo funciona apenas se tiver espao suficiente para a
desacelerao e o peso das partculas atuarem, por isso a rea dos sedimentadores
grande para as partculas se depositarem no fundo. Para melhorar a eficincia coloca-se
chicanas ou telas, permitindo o aumento da velocidade terminal. O slido recolhido
em funis no fundo da cmara. As partculas recolhidas so maiores que 50 m. Ele
usado principalmente na indstria de refino, extrao de minrios, pr-coletores para
filtros-manga.
Figura 2 - Sedimentador
O sedimentador tem algumas vantagens que so o baixo custo, baixa demanda
energtica. E suas desvantagens so o espao fsico e a eficincia baixa para remoo de
partculas finas. Dentro dos sedimentadores existem dois modelos de disperso. Um que
a concentrao de slidos varia ao longo da direo do escoamento de gs. O outro tem
um uma distribuio uniforme dentro do equipamento.
19
-
6.2 Ciclones O ciclone um equipamento para purificar o ar, retirando, deste, partculas
maiores que 10 m. A figura 3 demonstra a dinmica do ar dentro do ciclone. Primeiro
o ar sujo entra tangencialmente no ciclone. Ao entrar na cmara interna, a expanso
causa uma perda de presso no gs e o atrito com as paredes diminui a velocidade
tangencial. Esses fatores auxiliam a coleta do material suspenso pela fora da gravidade.
O ar limpo sai do equipamento pela abertura superior. No entanto, uma parte das
partculas suspensas so carregadas com o gs para fora. Por causa disso existe a
medida do CUT SIZE, que o da tamanho de partcula para o qual a eficincia 50%
(metade sai carregada com o fluxo de ar e outra metade separada). Ento para uma
maior eficincia na coleta, eles so montados em srie e/ou acoplados com outros
purificadores de ar. Assim so capazes de lidar com maiores vazes de ar.
Figura 3 - Dinmica do ar dentro do ciclone
Fatores que aumentam a eficincia:
1. Aumento do dimetro de partcula e densidade do slido2. Aumento da velocidade do gs3. Diminuio do dimetro do ciclone
20
-
4. Aumento da altura do ciclone5. Umidificao das paredes6. Diminuio da viscosidade do fluidoDentro das vantagens do ciclone tem a versatilidade. Um ciclone pode ser projetado
para vrias caractersticas do slido. Incluindo classificao por forma, densidade ou
tamanho. Ele tem baixo custo e poucos gastos com manuteno. O espao fsico exigido
pequeno por ter tamanho pequeno, o que possibilita resposta relativamente rpida de
limpeza. Alm dessas vantagens o alto cisalhamento pode quebrar aglomerados.
Em relao s desvantagens tem-se a pouca flexibilidade, isto , um ciclone
projetado para operar em determinadas condies dificilmente adaptado a outras
(outro tipo de slido, vazo diferente...); a performance limitada em relao a
eficincia de separao para tamanho muito pequenos. E a performance altamente
dependente da taxa e composio da alimentao.
Outro tipo de Ciclone o filtrante. Este equipamento consiste na substituio da
seo cnica metlica por uma seo cnica porosa, o meio filtrante, feita de
polipropileno. Opera com menor queda de presso, mas tem um dimetro de corte
maior, o que implica uma menor eficincia.
6.3 Filtro MangaTodo sistema de filtrao tem em comum a queda de presso atravs do filtro,
que a principal forma de energia no processo de filtrao. Na prtica, a maioria dos
filtros coletores de p so operados entre 490, 21 a 1958,37 cm Pa. As velocidades
usadas na prtica variam de 0,5 a 10 cm/s. grandes velocidades reduzem a rea de
filtrao, o tamanho do filtro requerido, mas aumentam a penetrao das partculas
dentro do tecido, o que dificulta sua remoo e aumenta a queda da presso residual. A
figura 4 representa um filtro manga.
21
-
Figura 4 - Filtro Manga
As fibras mais utilizadas o filtro de mangas so:
Fibras naturais: compostas de algodo ou l. As fibras de algodo so grossas e
no recomendadas para partculas menores que 10 m. as fibras de l so mais
finas mas custam o dobro das de algodo. Tambm no podem ser utilizadas em
altas temperaturas.
Fibras sintticas: podem ser de poliamida, polipropileno, polister e teflon.
Fibras de vidro: utilizadas para filtrao a temperaturas elevadas, so pouco
resistentes ao esforo fsico.
Uma fibra forma um obstculo no qual o ar se desvia, levando consigo as partculas
ao longo de suas linhas de corrente. Mas, se o raio da partcula for maior do que sua
distncia mnima de aproximao da fibra, haver contato entre ambas, ficando a
partcula retida devido a foras intermoleculares. Fibras mais finas desviam menos as
linhas de corrente resultando em aumento da eficincia.
No inicio da filtrao, as partculas de p vo penetrando o meio filtrante e
revestindo as fibras de tecido. A reteno das partculas na superfcie do meio filtrante
forma a chamada torta de filtrao. A presena da torta aumenta a resistncia do filtro.
As tcnicas de limpeza dos filtros de manga mais comuns atualmente so:
22
-
Vibrao mecnica: O tecido e vibrado por meio de um motor a uma
freqncia de vrios ciclos por segundo. Essa tcnica exige interrupo da
filtrao pelo tempo total da operao de limpeza.
Fluxo de ar reverso: Consiste na passagem de um fluxo de ar limpo na
direo oposta ao da filtrao ate que uma quantidade de torta seja removida.
Essa tcnica tambm exige a interrupo da filtrao durante a limpeza. Sua
vantagem em relao vibratria uma maior durao no tempo de vida do
tecido.
Jato pulsante (Pulso Jet): Consiste de um jato de ar forado a atravessar a
seco do filtro na direo oposta ao fluxo do ar empoeirado. O pulso gerado
normalmente em uma linha de alta presso. Na entrada do filtro, na direo
oposta ao da filtrao, normalmente colocado um Venturi que transforma o
jato do ar em uma onda de choque. Desta forma, o tecido limpo mais
rapidamente que nos mtodos anteriores e permite que a limpeza seja feita sem
interrupo da filtrao.
6.4 Precipitator EletrostticoO precipitador eletrosttico um separador de partculas muito eficiente. Seu
principio de funcionamento a partir da energia eltrica. Uma corrente passa pelo
arame ou placa e faz deles o eletrodo negativo. Assim, a parede se torna o eletrodo
positivo. Com essa configurao, o ar sujo entra no precipitador e as partculas so
carregadas negativamente pelos eltrons gerados pelo efeito corona do eletrodo
negativo. Em seguida, as partculas migram para o eletrodo positivo, onde se aderem.
Dessa forma o ar sai limpo pelo outro lado. Um esquema dessa explicao
representado na figura 5. Esse mtodo muito eficiente, em torno de 99% das
partculas, conseguindo a captura de 2,5 m.
23
-
Figura 5 - Esquema do funcionamento do precipitador eletrosttico
Existem dois tipos de precipitadores eletrostticos. O mais utilizado industrialmente o precipitador de placa e arame e o mais utilizado em escala de laboratrio o precipitador de placas planas. Os dois so descritos abaixo.
Precipitador placa e arame.
Est aplicao ultilizada numa ampla variedade de aplicaes industriais: caldeiras
para carvo, fornos de cimento, incineradores de resduos slidos, 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 so carregados
negativamente, pq a corona negativa suporta um voltagem maior.
Precipitador de placas Planas
Utilizam-se geralmente em aplicaes de pequena escala (50 100 m3), para
partculas de alta resistividade e dimenses 1-2 m. A empresa United McGrill ultiliza
em processos industriais com capacidade mxima de at 944m3/s. Nos precipitadores
da McGrill so coletadas partculas positivas e negativas, por isso a placa de descarga
funciona como placa coletora tb, aumentando a superfcie em 30%. Limpeza mecnica.
24
-
Vantagens e Desvantagens dos precipitadores eletrostticos em geral:
Em relao as vantagens tem-se que o nico equipamento no qual as foras
atuam apenas sobre as partculas e no sobre todo o fluxo de gs. Tem pequena queda
de presso: 1,24 kPa. Alm de uma eficincia de separao de 99,5% (Lora).
E as desvantagens so o custo alto, a mo de obra especializada e em alguns
casos para diminuir a resistividade das partculas condicionamento com SO3, NH3 ou
vapor de gua. Isso traz, alm da desvantagem de necessitar de tratamento para
posterior descarte, o custo com de incluir essas substancias na limpeza.
6.4.1 DimensionamentoO componente velocidade em que as partculas se movem na corrente de gs
rumo aos eletrodos de coleta conhecido como velocidade de migrao (W) e, este
diferente para cada tipo de aplicao do precipitador em relao ao processo industrial,
cujas emisses de particulados devem ser controladas. Os valores de (W) para cada
processo a ser controlado "know-how" do fabricante e foram obtidos atravs de
pesquisas e experincias de fornecimentos ao longo do tempo, constituindo-se como sua
tecnologia. O componente um fator emprico de suma importncia para o
dimensionamento do precipitador que garante a eficincia da remoo do p. A frmula
adotada por W. Deutsch em 1922 usada, at hoje, com esse objetivo.
Outros fatores tambm exercem influncia mtua sobre os parmetros que
determinam a velocidade de migrao. Eles so a resistividade eltrica do p, o teor de
p na entrada do precipitador, o teor de p na sada do precipitador, o tamanho das
partculas do p, a composio qumica do p, a composio qumica do gs, a
temperatura do gs carreador e a umidade do gs.
A resistividade eltrica do p um dos fatores mais crticos para a eficincia de
coleta. Ela depende primariamente da composio qumica do material a ser coletado, e
na maioria dos casos muda em vrias ordens de grandeza em funo da temperatura e
umidade presente no fluxo de gs a ser tratado.
Diversos mtodos so usados para melhorar as condies fsicas para a coleta.
Entre eles esto o condicionamento com gua que aumenta a umidade do gs
resultando na reduo da resistividade do p. E tambm o condicionamento do gs
com aditivos. Por exemplo, a injeo de SO3, NH3 ou vapor de gua reduz a
resistividade do p sem provocar uma reduo substancial na temperatura do gs.
25
-
6.5 Lavadores de gs6.5.1 Mecanismos de coleta
Os mecanismos bsicos que atuam na coleta de partculas so mostrados na figura 6
e descritos a seguir:
1. Impactao inercial: mecanismo resultante da inrcia da partcula. As linhas de
corrente desviam ao passar em torno do coletor (gota), enquanto que as partculas,
dependendo de sua massa e velocidade do gs, tendem a colidir contra a superfcie do
lquido. O parmetro para o clculo da eficincia por impactao o nmero de
Stokes, o qual envolve o dimetro da partcula, a velocidade, a densidade e
viscosidade do gs.
2. Interceptao direta: resulta do tamanho relativo entre a partcula e o coletor
no filtro. Uma partcula seguindo as linhas de corrente pode ser coletada quando seu
centro passa pela superfcie do coletor a uma distncia menor ou igual ao seu raio.
3. Difuso: o mecanismo difusional resulta do movimento aleatrio
(browniano) que as partculas de pequeno dimetro esto sujeitas em um gs. Ocorre
mais efetivamente em partculas submicrmicas e/ou em baixa velocidade de fluxo.
Entre os adimensionais para o clculo da eficincia de coleta pelo mecanismo
difusional incluem-se os nmeros de Peclet (Pe), Cunningham (Cu) e Knudsen (Kn).
Figura 6: ilustrao dos mecanismos de coleta
6.5.2 Tipos de Lavadores Os principais usos dos lavadores so nas chamins de caldeiras, fornos e
incineradores. Com a vantagem de lavarem materiais txicos, de reutilizarem a gua, de
26
-
terem uma alta eficincia, do recolhimento de uma alta gama de partculas e de poderem
trabalhar a altas presses e temperaturas. E as desvantagens so a formao de lodo, a
corroso, a alta demanda energtica e a vida til pequena, pelo fato de entupir os
orifcios que alimentam os lavadores com gua. Isso acontece por serem muito
pequenos.
Tipos de lavadores:
Lavador de pratos
Equipamento parecido com uma coluna de destilao, onde o vapor sujo entra
por baixo e passa por pratos com orifcios onde o liquido limpo esta escoando.
Assim vapor limpo sai em cima e o lquido sujo sai em baixo
Ciclones midos
Princpio de funcionamento parecido com o do ciclone, mas h a injeo de
gotculas de gua (de modo que faam uma trajetria circular pelo ciclone) que
so recolhidas ao fundo
Lavadores de spray (Figura 7)
Um tanque onde o gs sujo inserido por baixo. O interior desse tanque h
vrios jatos que fazem a disperso de gotculas de gua para a lavagem do gs,
o qual sai limpo na parte superior do tanque
Lavadores de impacto
Um fluxo gasoso sujo impacta contra uma superfcie liquida
Lavadores de leito fluidizado
Um leito fluidizado, onde o gs sujo inserido e o liquido limpo inserido em
contra corrente. A coleta ocorre por impacto nas gotculas e no filme liquido que
se forma nos elementos mveis
Lavadores de leitos fibrosos
Leito de elementos fibrosos que so constantemente molhados com liquido de
lavagem
( fibras: l de vibro, l 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 h
enchimentos (varias partculas que variam de acordo com a especificao da
lavagem) que aumentam o contato do gas com o liquido, que e disperso por cima
do enchimento. Assim o liquido sujo drenado por baixo e o gs limpo sai por
cima
Figura 7 - Lavador de Spray Figura 8 - Torre de enchimento
Eficincia dos lavadores medida pela perda de carga entre a entrada e a sada,
quanto maior a perda de carga maior a eficincia do lavador. Eles so classificados
em baixa energia (perda de carga de at 75 mmCA),mdia energia (perda de carga entre
75 e 250 mmCA) e alta energia (perda de caraga acima de 250 mmCA).
7. Lavador Venturi7.1 Funcionamento
O nome Venturi deriva do fsico italiano Giovani Battista Venturi que estudou
escoamento de fluidos atravs de constries suaves em dutos caracterizados por uma
28
-
convergncia, uma garganta e uma divergncia e props um equipamento com essas
caractersticas para a medio de fluidos (GONALVES, 2000).
So equipamentos muito apropriados, especialmente em aplicaes onde a
eficincia de coleta exigida seja superior a 90% para partculas de 1 ou menores. O
fluxo de ar que passa por essa garganta forado a fluir com alta velocidade,
alcanando valores entre 50 e 90 m/s ou maiores. Aps alcanar a velocidade mxima, o
gs sofre uma desacelerao na seo divergente. Na Figura abaixo est apresentado um
esquema de um lavador Venturi.
Figura 9- representao esquemtica do lavador Venturi
O lquido de lavagem injetado no interior do Venturi, normalmente na
garganta, por diferentes formas. Utilizando geralmente gua, mas podendo utilizar
outros lquidos dependendo da natureza do contaminante. O lquido injetado seja na
forma de jato na garganta ou prximo ao topo da seo convergente na forma de um
filme lquido, atomizado pela alta velocidade de gs na garganta do Venturi. As gotas
resultantes da atomizao so arrastadas e aceleradas pelo gs desde a formao,
quando a velocidade axial das mesmas quase nula, at a sada do equipamento, onde a
velocidade das gotas aproximadamente igual velocidade do gs.
A velocidade relativa entre o gs e as gotas permite o aparecimento de uma fora
de arraste sobre as gotas, principal responsvel pela acelerao e desacelerao das
mesmas. A mistura e o contato entre as fases (lquido e gasoso) promovido devido ao
escoamento turbulento no interior do lavador. Pode-se dizer que uma chuva bem fina
gerada no interior do equipamento responsvel por lavar o gs contendo partculas.
As partculas ao se aproximarem das gotas, que so de maior tamanho, so coletadas.
29
Garganta
Injeo de lquido
Seo Divergente
Gs sujo
Sada de gota
gota
gotas
Seo Convergent
e
-
As gotas lquidas so posteriormente separadas da corrente gasosa por um separador
ciclnico.
O gs perde energia sob a forma de presso. O perfil da queda de presso em
funo da posio do lavador Venturi est ilustrado na Figura 10. Na seo convergente
o gs ganha velocidade mas perde presso, dessa forma a energia sob a forma de
presso transforma-se em energia cintica. Na seo divergente ocorre o inverso, ou
seja, o gs perde velocidade e ganha presso. A presso , portanto, na sada do
equipamento menor que na entrada, assim a perda de presso compensada por um
soprador. O soprador um equipamento que tem a finalidade de fornecer a velocidade
necessria para o sistema. A queda de presso em lavadores Venturi se deve
principalmente a trs mecanismos:o gasto de energia com acelerao das gotas, ao atrito
e a acelerao/desacelerao do gs.
Figura 10: Perfil da queda de presso em um lavador Venturi (GONALVES,2000).
7.2 Equacionamento do Lavador VenturiEm um lavador do tipo Venturi existem dois parmetros de extrema importncia
devem ser levados em considerao e calculados para fazer o seu projeto: a eficincia de
coleta e a perda de carga do Venturi.
30
-
7.2.1 EficinciaExistem dois modelos que podem ser adotados para se calcular a eficincia: o
modelo de Johnstone e o modelo de Calvert:
7.2.1.1 Modelo de JohnstoneO modelo de Johnstone o mais antigo e mais simples meio de se calcular a
eficincia do lavador. A equao para sua determinao est representada na equao 1:
1 exp LG
QE KQ
= (1)
Onde:
E: eficincia de coletaQL: vazo volumtrica de lquidoQG: vazo volumtrica de gsK: fator emprico de Johnstone (possui valores na faixa de 7,48 e 14,96) : parmetro de impactao inercial
O parmetro de impactao inercial pode ser calculado pela equao 2:
( ) 218p p G
G
d VC
D
= (2)
Sendo:
VG: a velocidade do gs na garganta do Venturip: a densidade da partculadp: o dimetro da partculaG: a viscosidade do gsD: dimetro mdio da partcula de SauterC: fator de correo de Cunningham
O fator de correo de Cunningham pode ser calculado pela equao 3:
++=
nnc K
KC 10,1exp40,0257,11 (3)
31
-
O nmero de Knudsen (Kn) funo do dimetro da partcula e do percurso livre
das molculas de gs conforme mostrado pela equao 4:
pi
gn d
K
2= (4)
Onde dpi o dimetro da partcula g o percurso livre das molculas e
calculado pela equao 5:
GG
Gg
TMP
=
1145,0 (5)
Sendo:
PG: presso do gs M: massa molecular do gsTG: temperatura do gs
J o dimetro mdio da partcula de Sauter (D) pode ser calculado de duas diferentes formas:
a) Se o spray de injeo de lquido nebulizado pelo gs de v se usar a equao 6:
602,1
932,19106,319,42
G
G
L
V
QQ
D
+
=
(6)
b) Se o spray for pr-atomizado com bocais pneumticos, que o caso mais
comum em lavadores Venturi, deve ser usada a equao de Nukiyama e
Tanasawa representada pela equao 7:
0,45 1,50,558600 597 1000L L
G L GL
QDV Q
= +
(7)
Onde:
: tenso superficial do lquidoL: densidade do lquidoL: viscosidade do lquido
32
-
7.2.1.2 O modelo de CalvertO modelo de Calvert o mais usado atualmente na indstria atualmente e
explica as diferentes influncias na performance do lavador Venturi. Eles levam em
considerao que as gotculas do lquido capturam as partculas de forma similar
filtrao de gases, predominando a coleta inicial. Calvert chegou a uma correlao semi-
emprica dada pelas equaes 8 e 9:
tiPE =1 (8)
ou
( )21 exp ,55
L G L
G G
Q V DE F f
Q
=
(9)
Sendo a Pti a penetrao da partcula e F uma funo do parmetro inercial e
do fator emprico f, dado pela equao 9:
++
+
+=fK
fKfK
KfKF
pti
ptipti
ptipti 7,0
49,07,0
7,0ln4,17,01),(
(10)
Onde Kpti o parmetro inercial dado pela equao 11:
DVd
K Gpaipti
=
9
2
(11)
Onde dpai o dimetro aerodinmico da partcula calculado pela equao 12:
22 1000 piPpai dCd = (12)
O valor do parmetro f determinado por diversos fatores que no so
mostrados explicitamente nas equaes anteriormente mencionadas. Calvert determina
que:
f = 0,25 para partculas hidrofbicas 0,4 < f < 0,5 para partculas hidroflicas f = 0,5 para lavadores Venturi em grande escala
33
-
7.2.1.3 Perda de cargaPara o clculo da queda de presso 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 gs o que superestima a perda de carga. Segundo Yung
as gotas no fim da garganta possuem uma velocidade inferior a do gs. A equao 13
mostrada abaixo define a perda de carga:
(13)
O parmetro X o comprimento adimensional da garganta mostrado pela
equao 14:
1..16
...3+=
L
GDOth
DClX
Onde:
lth: o comprimento da garganta do VenturiCDO: o coeficente de arraste na injeo do lquido calculado pela equao 15
(15)
Sendo:
ReDO: o Reynolds do plano de injeo do lquido
34
(14)
( )6,0Re.15,01.Re
2422,0 DODO
DOC ++=
+=2422 1....2 XXX
QQVP
G
LGL
(14)
-
8. Experimento RealizadoConforme foi visto, uma diminuio da tenso superficial do lquido de injeo
acarretaria uma diminuio no dimetro das gotas formadas pelo mesmo. E a
diminuio no tamanho das gotas levaria a uma conseqente maior eficincia de coleta
no lavador Venturi.
Assim, ainda na etapa de Desenvolvimento de Processos Qumicos 1,
realizaram-se dois experimentos para medir a tenso superficial de uma soluo gua-
etanol, variando as porcentagens de etanol na mesma (de 0% a 100%).
8.1 Mtodo do Peso da GotaO primeiro experimento realizado foi baseado no Mtodo do Peso da Gota
[MINATTI]. Este mtodo, assim como todos aqueles que envolvem separao de duas
superfcies, depende da suposio de que a circunferncia multiplicada pela tenso
superficial a fora que mantm juntas as duas partes de uma coluna lquida. Quando
esta fora est equilibrada pela massa da poro inferior, a gota se desprende.
A tenso superficial calculada pela equao 16:
(Lei de Tate) (16)
Onde:
mi: massa de uma gota idealr: raio do tubo (externo se o lquido molhar o tubo)g: acelerao da gravidade
O peso da gota obtido na prtica, sempre menor que o peso da gota ideal. Para
corrigir este erro, introduz-se na equao 17 um fator de correo f. Assim:
(17)
O fator de correo f uma funo do raio do tubo e do volume da gota. Alguns
valores so tabelados abaixo:
35
-
Tabela 4 - Fator de correo
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 Experimental1. Determinao do dimetro do tubo de vidro de onde se formam as gotas, com o
auxlio de um paqumetro.
2. Medidas de Tenses:
Inserir o lquido em uma bureta graduada, e regular a vazo de forma a se obter
aproximadamente 1 gota por minuto. Feito isso, recolher umas 10 gotas do lquido
problema em um frasco previamente pesado, e anotar o volume a a massa
correspondente s gotas recolhidas. Assim, dividindo-se por 10 a massa e o volume,
determinar o peso de uma gota e o volume de uma gota. Aps isso, calcular r/V1/3
E obter f utilizando a tabela 1. Com esses valores, calcular a tenso superficial
atravs da equao 2. Este procedimento foi efetuado para diferentes concentraes de
etanol, variando de 0% a 100% em volume. Os resultados obtidos so apresentados na
tabela 5:
36
-
Tabela 5 - Valores concentrao de soluo
Solues
M (g)
V (mL)
Mgota (g)
Vgota (mL) r/V
1/3 f (dina/cm)r
(cm) v1/3
0 0,40985 0,35 0,040985 0,035 0,5660,632
6 54,678 0,185 0,327
0,1 0,3373 0,4 0,03373 0,04 0,5410,638
9 44,555 0,185 0,342
0,2 0,256 0,3 0,0256 0,03 0,595 0,6261 34,508 0,185 0,311
0,3 0,2694 0,3 0,02694 0,03 0,5950,626
1 36,314 0,185 0,311
0,4 0,2102 0,2 0,02102 0,02 0,6820,612
1 28,982 0,185 0,271
0,5 0,2328 0,2 0,02328 0,02 0,6820,612
1 32,098 0,185 0,271
0,6 0,204 0,2 0,0204 0,02 0,682 0,6121 28,127 0,185 0,271
0,7 0,1621 0,3 0,01621 0,03 0,5950,626
1 21,850 0,185 0,311
0,8 0,1615 0,2 0,01615 0,02 0,6820,612
1 22,267 0,185 0,271
0,9 0,1373 0,2 0,01373 0,02 0,6820,612
1 18,931 0,185 0,271
1 0,1541 0,2 0,01541 0,02 0,6820,612
1 21,247 0,185 0,271
Com os dados da tabela, plotou-se um grfico de Tenso Superficial em funo
da concentrao de etanol, e obteve-se:
37
-
8.2 Equipamento de medida de Tenso (Tensimetro)
Outro mtodo utilizado para se obter a variao da tenso superficial com a
frao de etanol, foi a utilizao de um equipamento para medida de tenso
(Tensimetro).
O funcionamento do tensimetro consiste basicamente em um anel que
posicionado junto superfcie do lquido problema, e manualmente, possvel afastar
lentamente o anel da superfcie do lquido. Conforme se afasta este anel, existe uma
escala de tenso que vai indicando um determinado valor. No momento em que o anel
se desprender da superfcie do lquido, esta escala marcar o valor da tenso superficial.
Efetuando-se o procedimento para as diferentes concentraes de etanol,
obtiveram-se os seguintes valores:Tabela 6 - Tenso superficial (tensimetro)
Solues
' (dina/cm
)
0 76,4
0,1 56,4
0,2 46,4
38
Grfico 1 Tenso superficial x frao de etanol
-
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 tenso utilizou-se um anel de 1,9 x 10-2 m de dimetro, feito de
um fio de platina-iridium de 3,56 x 10-4 m de dimetro, resultando em uma razo entre
os dois dimetros de 53,6.
Para obter-se o valor verdadeiro da tenso superficial, necessrio corrigir a
tenso superficial aparente (), multiplicando-a por um fator de correo( f) para
obter-se a tenso superficial real da soluo () , de acordo com a seguinte equao
(17):
= f (17)
Zuidema e Waters (1941) publicaram uma equao para o fator de correo que
leva em conta o raio do anel (Ran), o dimetro do fio( dfio) utilizado para confeccionar o
anel, o empuxo total sobre o anel, a densidade do lquido (l) e densidade do ar ().
(18)
Assim, para obter-se o fator de correo f, foi necessrio encontrar as
densidades das solues, que foram obtidas por anlise picnomtrica.
Os resultados obtidos esto representados na tabela a seguir:
Tabela 7 - Tenso superficial corrigida
Solues
' (dina/cm)
l (g/cm) f
0 76,4 0,99760,9374
34 71,61992
39
-
0,1 56,4 0,98160,9181
96 51,78624
0,2 46,4 0,970,9077
53 42,11976
0,3 39,3 0,95860,8999
54 35,36821
0,4 35,8 0,94620,8962
29 32,08498
0,5 32 0,92860,8921
6 28,54911
0,6 31,7 0,90660,8927
77 28,30102
0,7 27,7 0,88180,8884
01 24,6087
0,8 28,8 0,86540,8907
16 25,65261
0,9 28 0,84440,8905
7 24,93595
1 26,2 0,80960,8895
86 23,30714
Com os resultados de tenso obtidos, plotou-se um grfico de Tenso Superficial
em funo da frao de etanol, representado a seguir:
40
-
Grfico 2 Tenso superficial x Frao de etanol (Tensimetro)
A seguir, os dados para o Mtodo da gota e para o tensimetro so colocados em
um mesmo grfico:
Grfico 3 Comparao entre os mtodos
41
-
Comparando-se os mtodos, podemos concluir que a Tenso Superficial
decresce rapidamente quando se acrescenta pequenas porcentagens (10% , 20% e 30%)
de etanol, e continua diminuindo, conforme se aumenta a frao de etanol. Este fato
nos leva a concluir que, adicionando etanol ao lquido de injeo no Venturi, ser
possvel diminuir sua tenso superficial, diminuindo assim o dimetro das gotas, e
consequentemente aumentando a eficincia de coleta.
42
-
9. PropostaNa segunda etapa da Disciplina de Desenvolvimento de Processos Qumicos
pretende-se operar o lavador Venturi projetado e construdo pelo grupo de DPQ do ano
de 2005, realizando experimentos no laboratrio. Pretende-se realizar experincias:
Em branco (sem presena de fuligem), para determinar a faixa de operao e a
perda de carga do lavador;
Utilizando gua como lquido de injeo;
Utilizando solues gua etanol como liquido de injeo em porcentagens de
10, 20 e 30% com a inteno de diminuir a tenso superficial do liquido, de
forma a aumentar a sua molhabilidade;
Analisar o custo de se utilizar lcool nas correntes;
Encontrar o ponto timo entre eficincia-custo e tenso superficial-custo
quando se utiliza etanol no lquido de injeo;
Realizar uma simulao em ASPEN para analisar a eficincia de coleta para
temperaturas mais altas.
43
-
10. Referencias Bibliogrficas
COSTA, M. A. M. Eficincia de coleta de partculas em lavadores Venturi. Tese de doutorado, So Carlos, Universidade Federal de So Carlos, 2002
GONALVES, J. A.; COURY, J. R. Uma comparao crtica entre vrios modelos matemticos para a eficincia de coleta dos lavadores Venturi. Cincia e Engenharia, 1997.
GONALVES, J. A. S. Aspectos da modelagem matemtica de Lavadores Venturi. Tese de doutorado, So Carlos, Universidade Federal de So Carlos, 2000.
LORA, E.E.S..Preveno e controle da poluio nos setores energticos, industrial e de transporte. 2 ed. Rio de Janeiro: Intercincia, 2002.
PORTAL ECODEBATE Disponvel em: . Acesso em: 27 maio 2009.
REVISTA Meio Filtrante Disponvel em: . Acesso em: 25 maio 2009.
RESOLUO CONAMA N 003 Disponvel em: . Acesso em: 14 maio 2009.
RESOLUO CONAMA N 005 Disponvel em: . Acesso em: 14 maio 2009.
SOCIEDADE PAULISTA DE PNEUMOLOGIA E TISIOLOGIA Disponvel em: . Acesso em: 26 maio 2009.
OLIVEIRA, C. A. Estudo do desempenho de um lavador de Gases Tipo Venturi para Remoo de Partculas na Faixa Respirvel. Dissertao de mestrado, So Carlos, Universidade Federal de So Carlos, 1995.
UNICA: Unio das Industrias de Cana-de-acar . Disponvel em: . Acesso em: 05 abr. 2009.
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1.Resumo2.Objetivos 3.Introduo4.Subprodutos da Indstria Sucroalcooleira 4.1 Vinhaa4.2 Gs Carbnico4.3 guas de lavagem4.4 Melao4.5 Torta de filtro4.6 Bagao4.6.1 Fertilizantes 4.6.2 Rao animal4.6.3 Xilitol4.6.4 Furfural4.6.5 Energia eltrica
5. Legislao e Sade 5.1 O Gerenciamento Ambiental5.1.1 ISO 14000
5.2 A Indstria Sucroalcooleira e a Poluio do Ar5.3 A Legislao5.4 Material Particulado e a Sade Humana
6. Equipamentos6.1 Sedimentadores - Cmaras gravitacionais 6.2 Ciclones 6.3 Filtro Manga6.4 Precipitator Eletrosttico6.4.1 Dimensionamento
6.5 Lavadores de gs6.5.1 Mecanismos de coleta6.5.2 Tipos de Lavadores
7. Lavador Venturi7.1 Funcionamento7.2 Equacionamento do Lavador Venturi 7.2.1 Eficincia 7.2.1.1 Modelo de Johnstone7.2.1.2 O modelo de Calvert7.2.1.3 Perda de carga
8. Experimento Realizado8.1.1 Procedimento Experimental8.2 Equipamento de medida de Tenso (Tensimetro)
9. Proposta10. Referencias Bibliogrficas