Operações - ciclones

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Silva E., Controle da Poluição do Ar na Indústria Açucareira 75 5- SELEÇÃO, DIMENSIONAMENTO E AVALIAÇÃO ECONÔMICA DE EQUIPAMENTOS PARA O CONTROLE DE PARTICULADOS 5.1- Equipamentos para o controle de particulados: Seleção 5.1.1- Introdução ao controle de particulados 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. A relação entre separadores de partículas e as dimensões das mesmas aparece na Figura 5.1, cortesia da firma Lodge Sturtevant Ltda. Figura 5.1- Relação entre separadores de partículas e dimensões das mesmas (Cortesia da firma Lodge Sturtevant Ltda).

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5- SELEÇÃO, DIMENSIONAMENTO E AVALIAÇÃO ECONÔMICA DE EQUIPAMENTOS PARA O CONTROLE DE PARTICULADOS

5.1- Equipamentos para o controle de particulados: Seleção 5.1.1- Introdução ao controle de particulados 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. A relação entre separadores de partículas e as dimensões das mesmas aparece na Figura 5.1, cortesia da firma Lodge Sturtevant Ltda.

Figura 5.1- Relação entre separadores de partículas e dimensões das mesmas

(Cortesia da firma Lodge Sturtevant Ltda).

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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 (Tabela 5.1). Tabela 5.1- Forças atuantes e superfícies de separação em diferentes separadores

de partículas.

Separador Forças principais de separação Superfícies de separação

Separador ciclônico Centrífuga Cilíndrica Filtro eletrostático Eletrostática Plana e cilíndrica

Filtro de mangas Interceptação direta Cilíndrica composta de material têxtil e a “torta” de partículas.

Lavador de gás (scrubber)

Inercial Difusional Intercepção direta

Esférica ou irregular.

Durante a seleção de um separador de particulados devem ser considerados :

• Eficiência que se pretende atingir. Este parametro é calculado em base da emissão final permissível prevista nos padrões de emissão.;

• Consumo de energia; • Custo do investimento; • Natureza física e química dos particulados (composição granulométrica, densidade,

resistividade etc.). A composição granulométrica de uma amostra de particulados refere-se a sua divisão em frações atendendo ao diâmetro médio das partículas. É determinada experimentalmente utilizando separadores inerciais denominados impactadores em cascata.;

• Periculosidade (incêndios e explosões).

Vejamos num exemplo geral de um separador de particulados como se definem os conceitos de eficiência integral (ou global) e de eficiência por frações (Figura 5.2; Licht, 1988).

Particulados removidos Y Qo .co – Y = ε

SEPARADOR

Vazão de gás Qo Emissão de paticulados ε

Gás limpo c

Gás + particulados c0 [g/m3]

c - Massa de particulados por unidade de volume do gás, g/m3; Q – Vaxão de gás, m3/s; n - Número de partículas por unidade de volume do gás, 1/m3; ε - Taxa mássica de emissão de particulados, g/s; Y - Taxa mássica de particulados removidos, g/s.

Figura 5.2- Esquema geral de um separador de particulados (Licht, 1988).

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O conceito de eficiência total é:

oooo

oo

o

o

cQ1

cQcQ

cccE

⋅ε

−=⋅

ε−⋅=

−= (5.1)

A equação anterior é utilizada quando dispõe-se dos resultados de medições da carga de particulados na entrada e na saída do separador. A eficiência total pode ser calculada a partir da eficiência de separação de cada fração e se denomina eficiência por frações. Ë utilizada em cálculos de projeto quando conhece-se a granulometria do particulado

∑=

∆⋅=n

1iiif fEE (5.2)

Sendo: Efi - Eficiência por frações: eficiência de separação das partículas com diâmetro dpi; ∆fi - Fração em massa de particulados de diâmetro dpi. A Figura 5.3 ilutra estas duas formas de cálculo da eficiência de separadores de particulados. Outros conceitos importantes são: • Penetração: Fração em massa dos particulados de diâmetro dpi que não são

separados pelo separador, ou seja que passam através do mesmo.

P Ei f i= −1 (5.3)

E1cc

cQP

ooo

−==⋅ε

= (5.4)

• Diâmetro de corte (dpc): Diâmetro das partículas que são separadas com 50 % de

eficiência, ou seja Efi = 0,5. A eficiência por frações para diferentes separadores de partículas é variada. Assim um ciclone convencional para partículas de 20 µm apresenta uma eficiência de 60 %, já para um ciclone de alta eficiência com este mesmo diâmetro de partículas a mesma seria de mais de 90 %. Igual eficiência alcança um lavador de gás tipo Venturi para partículas de 1 µm. A Figura 5.4 apresenta curvas de eficiência por frações para alguns tipos de separadores, descritas por uma equação geral do tipo (Ogawa, 1983): ( )m

piif dexp1E ⋅α−−= (5.5) Utilizando o conceito de diâmetro de corte dpc (Efi = 50 %) temos:

( )mpc

mpc d

693,0d

2ln==α (5.6)

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⎥⎥

⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅−−=

m

pc

ipif d

d693,0exp1E (5.7)

SEPARADOR

Co = 850,0 mg/Nm3 C = 126,0 mg/Nm3

85100850

612608500 ,,

,,C

CCE

o

=−

=−

=

Seção de entrada

Seção de saída

a) Quando conhecida a carga de particulados na entrada e na saída do separador.

SEPARADOR

8510250703508040990 ,,.,,.,,.,fEE ifi =++=∆=∑

Seção de entrada

Seção de saída

Composição granulométrica

d1 ⇒ 40 % em massa (0,40)d2 ⇒ 35 % em massa (0,35)d3 ⇒ 25 % em massa (0,25)

Eficiência por frações

Ef1 ⇒ 99 % (0,99)Ef2 ⇒ 80 % (0,80)Ef3 ⇒ 40 % (0,40)

b) Quando conhecida a composição granulométrica e a eficiência de separação de cada

fração. Figura 5.3 Ilustração do conceito de eficiência em separadores de particulados.

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Figura 5.4- Curvas de eficiência por frações para diferentes separadores de partículas.

Para separadores ciclônicos o índice de separação é de m = 0,8 - 1,5, para torres de nebulização m = 1,5 e para lavadores tipo Venturi m = 2,0 (Ogawa, 1983). Stairmand (1970) apresenta a eficiência total de diferentes separadores para três tipos de pós “standards”: superfino, fino e grosso. A granulometria destes pós e a eficiência total de separação utilizando diferentes separadores são apresentadas nas Tabelas 5.2 e 5.3, respetivamente. Tabela 5.2 - Composição granulométrica de pós “standards” (Stairmand, 1970).

Fração em peso com dimensões menores que a indicada, %Dimensões das partículas, µm Pó superfino Pó fino Pó grosso

150 - 100 - 104 - 97 - 75 100 90 46 60 99 80 40 40 97 65 32 30 96 55 27 20 95 45 21 10 90 30 12 7,5 85 26 9 5,0 75 20 6 2,5 56 12 3

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Tabela 5.3- Eficiência total de diferentes tipos de separadores para os pós “standards” (Stairmand, 1970).

Eficiência total, % Tipo de separador Pó grosso Pó fino Pó superfinoCiclones de média eficiência. 84,6 65,3 22,4 Ciclones de alta eficiência. 93,9 84,2 52,3 Lavador tipo Venturi de médio consumo de energia. 99,94 99,8 99,3

Lavador tipo Venturi de alto consumo de energia. 99,97 99,9 99,6

Filtro de mangas com limpeza por sacudimento mecânico. 99,97 99,92 99,6

Filtro de mangas com limpeza por pulso-jet inverso. 99,98 99,95 99,8

Precipitador eletrostático. 99,5 98,5 94,8

As Tabelas 5.4 e 5.5 apresentam alguns dados úteis para a seleção do equipamento de separação de particulados. OGAWA (1983), apresenta outros parâmetros e características de separadores de particulados (Tabela 5.6).

Tabela 5.4 - Comparação qualitativa de separadores de particulados.

Tipo de separador Avaliação Ciclones Lavadores de gás Filtros de

mangas Precipitadores eletrostáticos

Vantagens

• Baixo custo; • Operação a

altas temperaturas;

• Baixo custo de manutenção (não tem partes móveis).

• Pode tratar particulados inflamáveis e explosivos;

• Absorção e remoção de particulados no mesmo equipamento;

• Variada eficiência de remoção;

• Neutralização de gases e particulados corrosivos;

• Resfriamento dos gases.

• Alta eficiência; • Pode separar

uma grande variedade de particulados;

• Projeto modular;• Baixa queda de

pressão.

• Alta eficiência; • Pode tratar

grandes volumes de gases com uma pequena queda de pressão;

• Separação seca e úmida;

• Ampla faixa de temperaturas de operação;

• Baixos custos de operação.

Desvanta-gens

• Baixa eficiência (dc < 5-10 µm);

• Alto custo de operação (queda de pressão).

• Corrosão; • Poluição secundária

(um efluente líquido a tratar);

• Contaminação das partículas (não recicláveis).

• Ocupa uma área considerável;

• Dano às mangas por altas temperaturas e gases corrosivos;

• As mangas não operam em condições úmidas;

• Perigo de fogo e explosão.

• Alto custo de investimento;

• Não controla emissões gasosas;

• Pouca flexibilidade;

• Ocupa um grande espaço;

• É afetado pela resistividade das cinzas.

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Tabela 5.5- Dados para a seleção de equipamentos de separação de particulados (HANLY & PETRONKA, 1993; SILVA & HERVAS, 1998).

φ (a) ∆p (b) Grau de limpeza esperado

η (c) T (d) Equipamento

µm mmH2O % % °C

IC (e) CO (f) ∆P (g)

Ciclones >10 25-75 80 (φ<20) 80 (φ>50) 85 500 1 1 1

Torres de nebulização >3 50-175 98 (φ>5)

50 (φ<3) 95 200-250 2 2-3 0,3

Lavadores tipo Venturi >3-1,0 375-750 90-95

(φ<5) 99 200-250 2-3 3-4 3-4

Filtros de manga >0,5-1,0 25-250 95-99 (φ<5) 99 200-250 8-10 2-3 0,8

Separadores Eletrostáticos >0,001 6-12 80-99,9

(φ<5) 99 500 10-15 1-2 0,3

a) Dimensões das partículas; b) Queda de pressão; c) Eficiência global para um pó típico; d) Temperatura máxima do gás; e) Investimento de capital relativo ao ciclone; f) Custo de operação relativo ao ciclone; g) Consumo médio de potência relativo ao ciclone. Tabela 5.6- Outros parâmetros e características de separadores de particulados (Ogawa, 1993).

Tipo de separador Diâmetro de corte dpc, µm Velocidade do gás, m/s Câmara de sedimentação 35 0,5-0,8 Ciclone, D =2-3 m 25 12,0-18,0 Ciclone, D = 0,4-1,0 m 10-16 - Ciclone, D = 0,1-0,4 m 3,5-6,0 - Ciclone, D = 0,1 m 2,5 - Filtro de mangas 0,5-1,0 - Separador eletrostático 0,5-1,0 0,5-1,0

5.1.2 - Conceitos básicos sobre propriedades de partículas e características do fluxo gás-sólido Dimensões das partículas. O termo diâmetro é geralmente aplicável a uma esfera, porém pode descrever também as dimensões de partículas irregulares a partir das seguintes expressões: Valor aritmético médio.

3

hbLd ppp

pi

⋅⋅= (5.8)

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Valor médio geométrico.

3

ppppi hbLd ⋅⋅= (5.9)

Sendo: L, b, h - Comprimento, largura e altura da partícula, respectivamente. Forma Outra característica importante que pode afetar o fluxo gás-sólido é a forma das partículas, caracterizada pela esfericidade das mesmas φs:

p

ss F

F=φ (5.10)

Sendo Fs e Fp as áreas superficiais de uma esfera e de uma partícula de igual volume, respectivamente. Por tanto, a esfericidade assume valores na faixa de 0 < φs >1. Densidade Em relação aos particulados a densidade pode ser: • Densidade em pilha (densidade do material solto, incluindo os espaços entre

partículas); • Densidade da partícula (densidade aparente do material, incluindo os poros no

sólido); • Densidade do esqueleto ou verdadeira (é a densidade própria do material sem

considerar a existência de poros, sendo medida com picnômetros gasosos). Características do fluxo gás-sólido. A força de resistência (FD) é a força líquida exercida pelo fluido sobre a partícula na direção do movimento. Pode-se calculá-la utilizando a lei de Stokes:

2uACud3F

2r

ppDrpD ⋅ρ⋅⋅=⋅⋅µ⋅π⋅= (5.11)

Sendo: CD- Coeficiente empírico de resistência; Ap- Área projetada da partícula (secção transversal) na direção normal ao fluxo, m2; ur- Velocidade relativa entre o fluido e a partícula, m/s; µ-- Viscosidade do fluido, kg/(m.s); ρp- Densidade da partícula, kg/m3; dp– Diâmetro da partícula, m; Para uma partícula esférica de diâmetro dp:

2udC

4F

2r2

ppDD ⋅⋅ρ⋅⋅π

= (5.12)

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Quando as dimensões das partículas são comparáveis com o percurso livre das moléculas de um gás é necessário levar em conta o efeito de “discontinuidade” do meio gasoso. Isto se realiza por meio do fator de correção de Cunningham ou fator de deslizamento Cc, que entra na equação de Stokes:

c

prD C

du3F

⋅⋅µ⋅π⋅= (5.13)

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⋅+⋅+=

nnc K

10,1exp40,0257,1K1C (5.14)

Sendo o número de Knudsen calculado como:

p

gn d

2Kλ

= (5.15)

Onde λg é o percurso livre das moléculas do gás:

gg

g

TMP

1145,0

µ⋅=λ , (5.16)

Sendo: Pg- Pressão do gás, kPa; M- Massa molecular do gás; Tg- Temperatura do gás, K. Assim, por exemplo, para partículas de 0,01 µm no ar (1 atm e 298 K) o fator de correção de Cunningham vale 22,7 (Benitez, 1993). 5.2- Separadores ciclônicos: dimensionamento, cálculo da eficiência e

queda de pressão 5.2.1- Classificação dos ciclones

Os separadores ciclônicos têm como princípio de operação, a ação da força centrífuga sobre as partículas sólidas em movimento num fluxo rotativo, como é mostrado na Figura 5.5. Os separadores ciclônicos podem ser classificados como: • Ciclone com entrada tangencial e fluxo em retorno (Figura 5.6-a); • Ciclone de fluxo axial (Figura 5.6-b); • Ciclone com entrada axial e fluxo em retorno (Figura 5.6-c).

A eficiência do ciclone tangencial é maior que do ciclone axial pois a força centrífuga, que causa a separação dos particulados, é maior quando é criada pela entrada

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tangencial do gás e a rotação do mesmo dentro do ciclone, do que quando é criada por meio de pás direcionadoras, como no caso dos ciclones do tipo axial. A disposição de vários ciclones em paralelo, chamados de multiciclones, permite empregar células de alta eficiência com menor diâmetro e maior velocidade de entrada do gás.

Figura 5.5- Princípio de operação de um separador ciclônico.

a) b) c)

a) Com entrada tangencial e fluxo em retorno; b) De fluxo axial; c) Com entrada axial e fluxo em retorno.

Figura 5.6 - Separadores ciclônicos.

5.2.2- Dimensionamento Como se observa na Figura 5.7 necessitam-se 8 dimensões para especificar um ciclone de entrada tangencial. Estas dimensões são determinadas através de relações

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adimensionais tipo ka = la/D, kb = b/D. Na Tabela 5.7 são apresentados os valores destas relações adimensionais para ciclones de alta eficiência e de propósito geral (convencionais), obtidos por diferentes autores para configurações que têm demonstrado serem práticas e efetivas (Koch e Licht, 1977).

Figura 5.7- Dimensões típicas de um ciclone. Independentemente da configuração selecionada, devem seguir as seguintes recomendações: • a ≤ s para evitar o curto-circuito dos particulados da seção de entrada ao tubo de

saída; • b ≤ (D - De)/2 - para evitar uma queda de pressão excessiva; • H ≥ 3 D - para manter a ponta do vórtex formado pelos gases dentro da seção cônica

do ciclone; • O ângulo de inclinação do cone do ciclone deve ser ≈ 7-8o para garantir um

deslizamento rápido do pó; • De/D ≈ 0,4-0,5, H/De ≈ 8-10 e s/De ≈ 1 para garantir a operação com máxima

eficiência; • P < 2,48 kPa.

Como dados iniciais para o cálculo temos o fluxo volumêtrico de gás e a velocidade de entrada selecionada uT1 (geralmente entre 15-30 m/s). Com estes dados calculam-se os valores de a e D pelas seguintes equações:

2/1

b1T

a

kukQa ⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅⋅

= (5.17)

ak

aD= (5.18)

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Tabela 5.7- Coeficientes adimensionais para o dimensionamento de ciclones (Koch e Licht, 1977).

Alta eficiência Propósito geral Termo Descrição Stairmand Swift Swift Peterson

e Witby

D Diâmetro da seção cilíndrica (corpo) do ciclone 1,0 1,0 1,0 1,0

a, ka Altura da seção de entrada 0,5 0,44 0,5 0,583 b, kb Largura da seção de entrada 0,2 0,21 0,25 0,208

s, ks Comprimento do tubo de saída do ciclone 0,5 0,5 0,6 0,583

De, kDe Diâmetro de tubo de saída do ciclone 0,5 0,4 0,5 0,5

H, kH Altura total 4,0 3,9 3,75 3,17 h, kh Altura da seção cilíndrica do ciclone 1,5 1,4 1,75 1,333 B, kB Diâmetro da seção de saída do pó 0,375 0,4 0,4 0,5

K Parâmetro de configuração 551,3 699,2 381,8 342,3 NH Carga de velocidade na entrada 6,40 9,24 8,0 7,76

Surf Parâmetro de superfície 3,67 3,57 3,65 3,20 Q/D2, m/h

Relação fluxo de gás/diâmetro do ciclone 5,38 4,95 6,86 -

O valor de D pode também ser calculado pela relação Q/D2 apresentada na Tabela 5.7, lembrando que trata-se somente de valores recomendados e não de especificações. Para ciclones de alta eficiência e de propósito geral segundo Dirgo e Leith (1986):

[ ]80QD

21

= , sendo Q expressado em m3/h (5.12)

As outras dimensões são calculadas sucessivamente a partir dos coeficientes adimensionais utilizando o valor calculado de D, por exemplo, Dkb b ⋅= . Seleção da velocidade do gás na entrada do ciclone. Para conseguir uma alta eficiência de separação a velocidade de entrada do gás deve ser a maior possível sem causar a re-entrada das partículas ao fluxo de gás e sem exceder a denominada “velocidade de salto” us - velocidade mínima do gás que evita a decantação das partículas sólidas do fluxo de gás que as arrasta (Koch y Licht, 1977). Kalen & Zenz (1974) demonstraram que a máxima eficiência do ciclone corresponde a um valor da relação entre a velocidade de entrada do gás e a velocidade de salto de uT1/us = 1,25 e a re-entrada das partículas ao fluxo de gás de uT1/us = 1,36. A equação para o cálculo da velocidade de salto é:

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( ) uD

Db1

Db

g3078,5u 3

2

t067,0

31

4,0

3/1

2g

ps ⋅⋅

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⋅⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

ρ

ρ⋅µ⋅⋅= m/s (5.20)

5.2.3- Cálculo da eficiência Vários autores tem desenvolvido equações para o cálculo da eficiência em ciclones, sendo atualmente mais utilizadas as de Leith & Licht (1972) e Lapple (Theodore & Buonicore, 1984). Vejamos cada uma delas em detalhe: Equações de Leith & Licht Este modelo é válido para ciclones com D > 0,203 m e não é aplicável a equipamentos que trabalham com altas pressões. Considera a influência de 3 fatores: a forma do ciclone, a natureza do fluxo gás/sólido e a distribuição da velocidade tangencial do gás. A equação principal do modelo é: ( )N

pif dMexp1E ⋅−−= (5.21) Sendo:

2N

g

p3 18

)1n(D

QK2M⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

µ⋅

+⋅ρ⋅

⋅⋅= (5.22)

K- Parâmetro de configuração do ciclone (Tabela 5.6); ρp- Densidade das partículas, kg/m3; µg- Viscosidade cinemática do gás, kg/m.s.

1n

1N+

= (5.23)

( )[ ]3,0

14,0

283TD67,011n ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛⋅⋅−−= (5.24)

O parâmetro n define a velocidade tangencial do gás dentro do ciclone em

relação à posição radial, e naturalmente define a força centrífuga e a eficiência de separação. constanteRu n

T ≈⋅ (5.25) Para um fluido ideal n = 1; no ciclone n ≈ 0,6. O diâmetro de corte dpc calcula-se como:

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( )1n

pc M6931,0d

+

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛= (5.26)

Se os valores dos coeficientes adimensionais Ka, Kb e Kc não são conhecidos (como é o caso de um ciclone já existente cuja eficiência se deseja calcular), o valor do parâmetro de configuração do ciclone K é calculado como (Dirgo & Leith, 1986):

⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

−⋅⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛++⋅⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −+⋅+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

⋅−⋅

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−⋅

⋅⋅π

=Ds

DL

DD

Dh

Dd

Dd1

DhLs

31

D2a

Ds

DD12

baDK

2e

2

2cc

2e

2

(5.27)

Sendo: L- comprimento natural do ciclone. É a maior distância na qual o vórtex de gás estendesse por baixo do duto de saída do gás.

31

2

e baDD3,2L ⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅

⋅⋅= (5.28)

dc- Diâmetro do cone no comprimento natural do ciclone.

( ) ( )( )hH

hLsBDDdc −−+⋅−

−= (5.29)

Se o comprimento natural do ciclone excede (H-s) na equação para o cálculo de K, L deve ser substituído por (H-s) e dc por B. Equações de Lapple

Também conhecida como método simplificado de Lapple e fundamenta-se em assumir que a curva Efi = f (dpi/dpc) para um ciclone dado (Figura 5.8) é a mesma que para ciclones geometricamente semelhantes. Logo que calculado o valor do diâmetro de corte, para o caso que se analiza, com a ajuda da curva da Figura 5.8, constrói-se o gráfico Efi = f (dpi) para as novas condições.

Nota: Todas as equações na continuação utilizam unidades de medida inglesas. O diâmetro de corte é calculado como:

( )21

gp1Tt

gpc uN2

b9d

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

ρ−ρ⋅⋅⋅π⋅

⋅µ⋅= (5.30)

Sendo: NT- Número efetivo de voltas que o fluxo de gás realiza no ciclone.

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D

u)Q

V(N

1Tciclon

t ⋅π

⋅= (5.31)

Vciclon- Volume efetivo do ciclone.

( )( ) ⎭

⎬⎫

⎩⎨⎧

⋅⋅−⋅+⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ −⋅⎥

⎤⎢⎣

⎡−−

⋅π

= aD2hD3

BDBDhH

4V 2

e2

33

ciclon (5.32)

Para um ciclone convencional:

3

ciclon D135,2V ⋅= (5.33)

Figura 5.8- Curva Efi = f (dpi/dpc) (Theodore & Buonicore, 1988). Mothes (1988) apresenta um gráfico que compara valores da eficiência por frações obtidos experimentalmente com os valores calculados pelos modelos de Leith e Licht, Dietz, Muschelknautz e por um modelo proposto pelo próprio Mothes. De acordo com estes resultados, o modelo de Leith & Licht é aceitável somente para partículas maiores de 1,5 µm, o que corresponde à faixa utilizada nos cálculos de engenharia (de acordo com a faixa de dimensões de partículas para os quais os separadores ciclônicos são geralmente utilizados).

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5.2.4- Cálculo da queda de pressão A queda de pressão é calculada pelo método de Shepherd e Lapple: HNu0502,0p 2

1Tg ⋅⋅ρ⋅=∆ , kPa (5.34) Sendo: ρg- Densidade da corrente gás-partícula, g/cm3; NH- Carga de velocidade na entrada. 5.2.5- Metodologia geral para o projeto de ciclones (Licht, 1980) 1. Selecionar uma configuração da Tabela 5.7; 2. Selecionar uma velocidade de entrada uT1; 3. Calcular o diâmetro da seção cilíndrica do ciclone D; 4. Calcular as outras dimensões do ciclone com base nos coeficientes adimensionais k

para a configuração selecionada; 5. Calcular a queda de pressão ∆p; 6. Analisar se uT1, D e ∆p são excessivamente grandes. O valor de uT1 deve comparar-se

com o valor de us. Analise a possibilidade de utilizar vários ciclones em paralelo. Para nc ciclones em paralelo repita os itens 2 e 3 utilizando o valor de Q/nc no lugar de Q;

7. Calcular as eficiências por frações e a total; 8. Compare a eficiência calculada com a desejada. Se não alcançar o valor desejado,

utilize um valor maior de uT1; 9. Estime o custo do ciclone. 5.3- Lavadores de gás: parâmetros de operação e eficiência 5.3.1- Classificação dos lavadores de gás: parâmetros principais. O lavador de gás ou scrubber é um dispositivo no qual realiza-se a separação de um conjunto de particulados, ou de um contaminante gasoso de um gás, mediante a lavagem do mesmo com água, que na maioria dos casos é nebulizada para formar pequenas gotas. Segundo Theodore & Buonicore (1988) os lavadores de gás podem classificar-se em três grandes grupos: • Torres de nebulização • Instalacões de leito empacotado; • Lavadores Venturi.

Calvert (1984) propõe uma classificação mais detalhada: • Lavadores de bandejas; • Lavadores com empacotamento maciço;

Page 17: Operações - ciclones

Silva E., Controle da Poluição do Ar na Indústria Açucareira 91

• Lavadores com empacotamento fibroso; • Sprays pré-formados; • Sprays nebulizados por gás; • Lavadores centrífugos; • Lavadores de chicanas e fluxo secundário; • Lavadores de impacto; • Lavadores acionados mecanicamente; • Lavadores de leito em movimento. A Figura 5.9 apresenta os parâmetros principais de alguns tipos de lavadores de gás Antes de analisar os dados incluídos nesta figura faz-se necessário definir o parâmetro relação água/ar: Relação água/ar [QL/QG]- É a relação entre o fluxo de água utilizado para a limpeza do gás e o fluxo de ar que está sendo limpo, geralmente se expressa em L/m3. É o parâmetro mais importante do lavador de gás, conjuntamente com a queda de pressão no equipamento.

Na prática industrial os tipos de lavadores mais utilizados são os lavadores de bandejas e as diferentes variantes existentes de lavadores tipo Venturi (sprays pré-formados e nebulizados por gás). Estes são os equipamentos que veremos com mais detalhes a seguir:

• Lavadores de bandejas: São construídos na forma de torre vertical com uma ou mais bandejas perfuradas em seu interior (Figura 5.10). A lavagem do gás acontece durante o contato do mesmo com as gotas de água no volume do lavador e durante o burbulhamento na camada de água que cobre as bandejas. A eficiência de separação aumenta com a diminuição do diâmetro dos orifícios das bandejas. Para orifícios de 3,2 mm o diâmetro de corte é de dpc = 1,0 µm (Calvert, 1984);

• Sprays pré-formados: Neste tipo de lavador de gás o líquido entra na garganta do Venturi já atomizado por um sistema de bocais (Figura 5.11). A eficiência de separação de particulados é função do tamanho e trajetória das gotas, da velocidade do gás e da relação líquido/gás. O diâmetro das gotas de água é de 100-500 µm, o diâmetro de corte dpc = 0.7-2.0 µm, e a relação líquido/gás 4-13 l/m3 (Calvert, 1984);

• Sprays atomizados por gás: É o mais comum dos lavadores tipo Venturi. A nebulização do líquido é causada pelo próprio gás, que alcança uma velocidade na garganta do Venturi de 60-120 m/s (Figura 5.12). O diâmetro de corte nestes equipamentos é dpc = 0,1-0,4 µm.

Page 18: Operações - ciclones

Silva E., Controle da Poluição do Ar na Indústria Açucareira 92

Figura 5.9 - Parâmetros de operação alguns tipos de lavadores de gás.

a) b) a) Bandeja com bubblecaps b)Bandeja perfurada. Figura 5.10- Lavador de bandejas (Calvert, 1984).

Page 19: Operações - ciclones

Silva E., Controle da Poluição do Ar na Indústria Açucareira 93

Vo

Água

Ar Ar

Bocal nebulizador

Garganta do Venturi

Vg

Figura 5.11- Lavador Venturi com spray pré-formado por bocais pneumáticos.

Figura 5.12- Esquema dos processos que acontecem num lavador tipo Venturi (spray nebulizado pelo gás). Cortesia da empresa Lodge Sturtevant. Cálculo da eficiência em um lavador tipo torre de nebulização

Em torres de nebulização a penetração para particulas de diâmetro i.

Page 20: Operações - ciclones

Silva E., Controle da Poluição do Ar na Indústria Açucareira 94

( ) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ η⋅⋅⋅−=⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

−⋅⋅⋅η⋅⋅⋅⋅

−=g

itdd

gtddg

itdlti Q

VA25,0expVVrQ4

ZVQ3expP (5.35)

Onde: Ql- Vazão volumétrica de líquido, m3/s; Qg- Vazão volumétrica do gás, m3/s; Vg- Velocidade superficial do gás, m/s; Vtd- Velocidade terminal de queda livre das gotas, m/s; ηi- Eficiência de remoção de partículas de diâmetro i por uma gotícula; rd- Radio das gotas, m. Z- Comprimento da região de contato gás / líquido no lavador, m; Ad- Seção do lavador ocupada pelas gotas.

2

p

pi 7,0K

K⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

+=η (5.36)

Kp- Parâmetro de impacto.

dG

p2pp

p D9dC

K⋅µ⋅

ν⋅⋅ρ⋅= (5.37)

C- Fator de correção de Cunningham, adimensional. ρp- Densidade da partícula, kg/m3;

dD - Diâmetro da gota, m; νp- Velocidade da partícula (νp = νG), m/s; dP- Diâmetro da partícula, m; µg- Viscosidade do gás, kg/m.s. A velocidade terminal das gotas calcula-se como:

( )

g

gd

2

dtd 18000000

gDµ⋅⋅ρ−ρ⋅

=ν (5.38)

ρd- Densidade da gota, kg/m3; ρg- Densidade do gás, kg/m3; µg- Viscosidade do gás, kg/(m.s); g– Constante da aceleração da gravidade, m/s2. Como resultados dos cálculos pode-se determinar o diâmetro médio ótimo das gotas de água no lavador de gás (Figura 5.13) e a dependência do diâmetro de corte do cumprimento da zona de contato gás/liquido Z para diferentes diâmetros médios das gotas de água (Figura 5.14).

Page 21: Operações - ciclones

Silva E., Controle da Poluição do Ar na Indústria Açucareira 95

Figura 5.13- Determinação do diâmetro médio ótimo das gotas de água num

lavador de gás.

Figura 5.14- Dependência do diâmetro de corte do cumprimento da zona de

contato gás/líquido Z para diferentes diâmetros médios das gotas de água.

Cálculo da eficiência e da queda de pressão em um lavador tipo Venturi. Calvert propõe uma metodologia para a determinação da eficiência de separação em um lavador tipo Venturi (Licht, 1988), que será descrita a seguir: 1- Determinação do número de Knudsen e do fator de Cunningham (ver equações 5.15 e

5.14); 2- Determinação do diâmetro das gotas por nebulização no Venturi.

Page 22: Operações - ciclones

Silva E., Controle da Poluição do Ar na Indústria Açucareira 96

a) No caso em que o spray é nebulizado pelo gás, a equação de cálculo é:

602.1g

932.1

G

L9

d V

QQ

106,319,42

D⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅⋅+

= (5.39)

Sendo: dD - Diâmetro das gotas de água logo após a nebulização, µm;

vg- Velocidade média da mescla gás/água no Venturi, m/s (valor entre 30,4 e 91,4);

G

L

QQ - Relação fluxo de líquido / fluxo de gás, m3

L/ m3G (valor entre 0,0006012 e

0,0024048). e vg – 0,752 vgarg Onde vgarg- Velocidade do gás na garganta do Venturi; b) Para o caso de sprays pré-formados com bocais pneumáticos utiliza-se a equação de

Nukiyama e Tanasawa. O bocal pneumático consiste num anel central de líquido circulando por um bocal concêntrico de ar (ver Figura 5.11).

5,1

G

L

45,0

D

D

Dreld Q

Q53207681V

585000D ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

ρ⋅σµ

⋅+ρσ

⋅= (5.40)

Sendo: Vrel- Velocidade relativa do gás Vrel = (Vg - Vo), m/s; σ- Tensão superficial do líquido, N/m; ρD- Densidade do líquido, kg/m3; µD- Viscosidade cinemática do líquido, kg/m.s; QL- Fluxo de líquido, m3/min; QG- Fluxo de gás, m3/min. 3- Cálculo do diâmetro aerodinâmico das partículas de cinzas. 2

pipi2pai dc1000d ⋅ρ⋅⋅= (5.41)

Neste caso ci é o fator de Cunningham para a partícula de diâmetro dpi.

Page 23: Operações - ciclones

Silva E., Controle da Poluição do Ar na Indústria Açucareira 97

4- Cálculo do parâmetro inercial Kpti .

dg

argg2pai

pti D9V.d

K⋅µ⋅

= (5.42)

5- Cálculo do parâmetro F (Kpti * f).

( )⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

++⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ +⋅⋅+⋅−−⋅=⋅

f*K7,049,0

7,07,0fK

ln4,1fK7,0K

1fKFpti

ptipti

ptipti (5.43)

O coeficiente experimental f leva em conta todos os parâmetros não

considerados explicitamente durante o cálculo da penetração e da eficiência. Que valor tomar para coeficiente ? • Calvert recomenda f = 0,25 para partículas hidrófobas; f = 0,4 – 0,5 para partículas

hidrofílicas; f = 0,5 para lavadores Venturi de grande escala. • Calvert em seu livro “Scrubber Handbook” realiza todos os cálculos para f = 0,25. • Um estudo de Rudnick et al. (1986) mostrou que com o valor f = 0,31 obtém-se um

ajuste muito melhor que com 0,25. 6- Cálculo da penetração Pti.

( )⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⋅⋅⋅

µ⋅ρ

⋅⋅= fKFVDQQ

552expP ptiargg

g

dd

G

Lit (5.44)

Unidades:

G

L

QQ - m3/m3;

ρd- kg/m3; dD - m;

µg- kg/m.s; Vgarg- m/s. 7- Cálculo da eficiência por frações. itif P1E −= (5.45) 8- A eficiência total.

∑=

∆⋅=m

1iifit fEE (5.46)

Além do método de Calvert para o cálculo da eficiência em lavadores Venturi utiliza-se o método de Johnstone (Theodore & Buonicore, 1988) e o método de Yung et al. (1978).

Page 24: Operações - ciclones

Silva E., Controle da Poluição do Ar na Indústria Açucareira 98

Método de Johnstone

( ) ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ϕ⋅⋅⋅−−= 5,0

iG

Lif Q

Qk1337,0exp1E (5.47)

dg

arggp2p

i DVd

03387,0⋅µ

⋅ρ⋅⋅=ϕ (5.48)

Sendo: ϕ1 - Parâmetro de impacto inercial (adimensional); k - Coeficiente de correlação (valores entre 7,48 e 14,96 m3/m3). Unidades: ρp- kg/m3; Vgarg- m/s; µg- kg/m.s;

dD - µm. Projeto de lavadores tipo Venturi. Licht (1988) propõe um método geral para o projeto de lavadores tipo Venturi que consta dos seguintes passos: 1. Selecione, na faixa de valores usualmente utilizados, um par de valores para QL/QG e

Vgarg; 2. Com base nestes valores calcule o diâmetro Sauter das gotas de água dD através das

equações vistas anteriormente no texto; 3. Para o valor selecionado de Vgarg e o calculado de dD calcule Red e Cd.

( )

g

gDarggd1D

VVDRe

µ

ρ⋅−⋅= (5.49)

313,01D1D

1D Re60,3

Re24C += (5.50)

A expressão anterior é a equação de Schiller & Naumann, válida na faixa de

valores 0,5 < Rep< 3;

4. Utilizando os valores determinados no ponto 3, calcular dgG

dL

CQQB

⋅ρ⋅ρ⋅

= , (5.51)

5. Selecione uma dimensão de partícula dpi e calcule o valor do fator de Cunningham Cci;

6. Para esta partícula, calcular ( )

dg

dargg2pigci

pti D9VVdC

K⋅µ⋅

−⋅⋅ρ⋅= ; (5.52)

Page 25: Operações - ciclones

Silva E., Controle da Poluição do Ar na Indústria Açucareira 99

7. Selecione um valor de L (comprimento adimensional da garganta; recomenda-se assumir L = 2-3), calcule o comprimento da garganta lgarg e ugarg;

arggDd

gD lD2C3

L ⋅ρ⋅⋅

ρ⋅⋅= (5.53)

( )1XXX12VVu 22

t

dargg −⋅+−⋅== (5.54)

Onde o valor de X calcula-se como 1D16Cx3

Xdd

gd +ρ⋅⋅

ρ⋅⋅⋅= e argglx = (5.55)

8. Calcule a penetração Pti (Yung et al., 1978);

( ) ( )[ ]

( )( )

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−+

+−

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛ −⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−

+−−

−+−+−

=

5,0il1

il

5,0ilil

il

5,0ilt1

ilt

5,0il

til

5,0t

5,1til

til

i

7,0Ktan

K7,01K02,52,4K4

7,0K1

7,0Ku1tan

K7,0u1K02,5

7,0u1K1

u12,4u1K47,0)u1(K

1BPln

(5.56)

9. Repita os passos 5-7 para diferentes dimensões de partículas; 10. Calcule a eficiência total de separação; 11. Repita todos os cálculos para diferentes valores de QL/QG e/ou Vgarg. Considere

também outros valores para L e para ugarg; 12. Determine o comprimento da garganta e a queda de pressão total. 5.4- Precipitadores eletrostáticos: características construtivas e dimensionamento. 5.4.1 Fundamentos teóricos da operação de precipitadores eletrostáticos. Tipos de precipitadores e aplicações. O separador ou precipitador eletrostático é um equipamento para o controle de particulados, que utiliza forças elétricas para movimentar as partículas desde o fluxo de gases até os eletrodos coletores. Os precipitadores são os únicos equipamentos de controle de particulados nos quais as forças de remoção atuam somente sobre as partículas e não sobre todo o fluxo de gás. Isto provoca altas eficiências de separação (99,5 %) com uma pequena queda de pressão do gás, de aproximadamente 5 polegadas de H2O (Keifer). Entre os maiores fabricantes destes equipamentos no mundo destaca-se a firma Lodge Sturtevant subsidíaria da FLS miljo a/s, que tem comercializado e instalado mais de 4000 precipitadores eletrostáticos. Outros fabricantes de renome são a United McGill, a Marsulex Environmental Technologies e a ASEA Brown-Bovery (ABB).

Page 26: Operações - ciclones

Silva E., Controle da Poluição do Ar na Indústria Açucareira 100

Principio de operação (Figura 5.15): • Dá-se uma descarga elétrica nas partículas, forçando-as a passar através de uma

coroa (região de ionização do gás). O efeito coroa é produzido pelos eletrodos de descarga, mantidos com alta voltagem no centro do fluxo de gás;

• Deposição das partículas nos eletrodos coletores e remoção dos mesmos por sacudimento dos eletrodos ou lavagem com água.

Figura 5.15- Princípio de operação de um precipitador eletrostático (Cortesia da

Marsulex Environmental Technologies). A Figura 5.16 ilustra como varia a concentração de particulados desde a entrada

até a saída do precipitador.

Figura 5.16- Variação da concentração de cinzas desde a entrada até a saída do

precipitador (Cortesia da Marsulex Environmental Technologies). Os precipitadores eletrostáticos tem aumentado extraordinariamente sua eficiência nos últimos anos (Figura 5.17) em conseqüência da aprovação de normas de emissão cada vez mais rigorosas e à acirrada concorrência com os filtros de mangas. Atualmente já é possível alcançar concentrações de particulados no gás de 5-10 mg/Nm3 à saída destes equipamentos (Gaiotto, 1997).

Os tipos de precipitadores mais difundidos são os seguintes: • De placa e arame; • De placas planas; • Úmido.

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Silva E., Controle da Poluição do Ar na Indústria Açucareira 101

Figura 5.17- Emissões garantidas e obtidas após os precipitadores eletrostáticos.

Valores médios de vários países e aplicações (Gaiotto, 1997). Precipitador de placa e arame (Figuras 5.18 e 5.19). Esta configuração é utilizada em uma ampla variedade de aplicações industriais: caldeiras para carvão, fornos de cimento, incineradores de resíduos sólidos, caldeiras recuperadoras de plantas de papel, etc.

Figura 5.18- Precipitador eletrostático de placa e arame (Cortesia da ABB do

Brasil).

Nos precipitadores de placa e arame o fluxo de gás passa entre placas metálicas paralelas. Os arames suspensos entre as placas constituem os eletrodos de descarga de

Page 28: Operações - ciclones

Silva E., Controle da Poluição do Ar na Indústria Açucareira 102

alta voltagem. Os eletrodos geralmente recebem uma polaridade negativa, já que uma coroa negativa suporta uma voltagem maior que uma positiva antes que ocorra a descarga. Os íons gerados na coroa seguem as linhas do campo elétrico desde os arames até as placas coletoras. Assim cada arame estabelece uma zona de carga através da qual passam as partículas, absorvendo parte dos íons. A Figura 5.20 mostra detalhes construtivos dos eletrodos de descarga e coletores.

Figura 5.19- Disposição dos eletrodos coletores e de descarga em um precipitador

de placa e arame (Cortesia da Marsulex Environmental Technologies).

Precipitador de placas planas (Figura 5.21).

Utilizados, geralmente, em aplicações de pequena escala (50-100 m3/s) para partículas de alta resistividade e dimensões 1-2 µm. A firma United McGill’s utiliza este tipo de precipitador para o controle de particulados em caldeiras, fornos, incineradores e outros tipos de processos industriais com capacidades máximas de até 944 m3/s. Os precipitadores fabricados por esta firma diferencia-se dos projetos convencionais por terem o eletrodo coletor de alta voltagem rodeado por agulhas em suas bordas laterais que geram o efeito coroa e o campo eletrostático (Figura 5.22).

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Silva E., Controle da Poluição do Ar na Indústria Açucareira 103

Figura 5.20- Detalhes construtivos dos eletrodos de descarga e coletores de um

precipitador de placa e arame (Cortesia da firma Lodge Sturtevant Ltda).

As superfícies coletoras neste precipitador consistem em fileiras paralelas

alternadas de placas coletoras de alta voltagem e de placas coletoras conectadas à terra. Ambos tipos de placas estão carregadas com polaridade oposta e colocadas à distâncias menores entre elas do que nos precipitadores convencionais. A carga das partículas é aleatória, podendo ser positiva ou negativa. Desta maneira nos precipitadores da McGill a placa de descarga também é coletora, o que incrementa a área de superfície coletora em 30 %. O consumo de energia é menor 70 % do que em precipitadores convencionais devido ao uso mais eficiente da energia (operação com baixos níveis de voltagem: 20-30 kV e corrente). A construção dos precipitadores é modular, o que permite dimensioná-lo para diferentes capacidades. A limpeza das placas é feita por sacudimento mecânico através de um martelo móvel ou por acionamento pneumático.

Page 30: Operações - ciclones

Silva E., Controle da Poluição do Ar na Indústria Açucareira 104

Figura 5.21- Disposição dos eletrodos no precipitador de placas planas (Cortesia

da United McGill). Precipitador úmido (Figura 5.23). O método de remoção úmida é efetivo para partículas com características aglomerantes. A utilização de precipitadores convencionais para este tipo de particulado provocará a acumulação das mesmas na placa coletora, reduzindo a eficiência de remoção e exigindo uma limpeza mais frequente. A água é nebulizada no fluxo de gás para esfriá-lo e condensar a maioria dos poluentes. As partículas sólidas e poluentes condensados recebem descarga elétrica e são coletados nas placas bipolares. Os bocais de nebulização primários nebulizam a seção de pré-resfriamento e os difusores de entrada afim de saturar o fluxo de gás, prevenindo o endurecimento e a combustão do material coletado. Os bocais secundários além de complementar os primários removem o material coletado das placas. A água após filtrada é reincorporada ao sistema.

Page 31: Operações - ciclones

Silva E., Controle da Poluição do Ar na Indústria Açucareira 105

Figura 5.22- Disposição das agulhas nas bordas da placa coletora de alta voltagem

e fotografia do efeito coroa criado ao aplicar corrente à placa (Cortesia da United McGill).

Durante a operação de precipitadores eletrostáticos o parâmetro mais importante é a voltagem. O gráfico das características típicas de operação (Figura 5.24) mostra que a menor concentração de particulados à saída do precipitador corresponde ao valor máximo de voltagem e não da corrente.

Figura 5.23- Esquema de um precipitador eletrostático tipo úmido indicando a

disposição dos bocais de nebulização da água (Cortesia da Krebs).

Page 32: Operações - ciclones

Silva E., Controle da Poluição do Ar na Indústria Açucareira 106

Figura 5.24- Características típicas de operação de um precipitador eletrostático

(Cortesia da firma Lodge Sturtevant Ltd). Influência da resistividade do particulado sobre a eficiência do precipitador A resistividade das partículas é um dos fatores que mais afeta a eficiência dos precipitadores eletrostáticos. As partículas depositadas sobre as superfícies coletoras devem possuir ao menos uma condutividade elétrica pequena, afim de conduzir as correntes de íons da coroa à terra. Caso contrário aparece um campo elétrico no material depositado nos eletrodos coletores, por causa da passagem dos íons através da camada de material para alcançar o eletrodo. Este fenômeno pode chegar a provocar uma coroa inversa ou re-ionização das partículas (Figura 5.25) que afeta o processo de carga das partículas e em consequência a eficiência do precipitador. Para resistividades maiores de 2.1011 ohm.cm começa aparecer o efeito de coroa inversa (Turner, 1988), fazendo-se necessário reduzir a voltagem e a corrente para diminuir o excessivo cintilar. Evidentemente que a redução da voltagem e da corrente provoca a diminuição da eficiência de separação. Segundo Keifer o projeto da placa coletora da United McGill permite a operação eficiente com particulados de resistividade 8.104 – 5.1011 ohm.cm.

Figura 5.25- Descrição física do efeito de coroa inversa em precipitadores

eletrostáticos (Cortesia da ABB do Brasil).

Page 33: Operações - ciclones

Silva E., Controle da Poluição do Ar na Indústria Açucareira 107

Métodos para resolver os problemas relacionados com a alta resistividade da cinza. • Melhorar a limpeza dos eletrodos coletores; • Melhorar os métodos de energização elétrica (por exemplo aplicação de voltagem

pulsante); • Condicionamento químico e térmico do gás: adição de umidade, adição de

pequenas quantidades de reativos químicos tais como o SO3, baixar a temperatura do gás até um valor inferior a 130 oC ou elevá-la acima de 350 oC.

Cálculo da área de coleção do precipitador

A eficiência por frações em precipitadores eletrostáticos calcula-se pela equação de Deutsh-Anderson:

( ) ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ ⋅−−=η

QUA

exp1d ticpi (5.57)

Sendo: Uti- Velocidade terminal da partícula no campo elétrico; dpi- Diâmetro da partícula; Ac- Área total de eletrodos coletores; Q- Fluxo volumétrico de gás. O termo We é a velocidade efetiva de migração que define o comportamento de um conglomerado de particulados para condições de operação dadas (We é o equivalente a Uti para um conglomerado de partículas). Utilizando a equação de Deutsh-Anderson pode-se calcular a área específica de coleção SCA.

( )e

tc

W1ln

QASCA η−

−== (5.58)

Turner et al. (1988) apresenta Tabelas com os valores de We para diferentes tipos de particulados e de separadores eletrostáticos (Tabelas 5.8, 5.9 e 5.10). A eficiência é determinada a partir da concentração de particulados que necessita-se obter à saída do precipitador e da ocorrência ou não do efeito coroa em base à resistividade do particulado.

Tabela 5.8- Velocidade efetiva de migração (m/s) para precipitadores eletrostáticos do tipo placa e arame (Turner et al., 1988).

Eficiência % Fonte de particulados (a) 95 99 99,5 99,9

sem CI com CI sem CI com CI sem CI com CI sem CI com CICarvão

betuminoso 0,126 0,031 0,101 0,025 0,093 0,024 0,082 0,021

Outros tipos de carvão 0,097 0,029 0,079 0,022 0,079 0,021 0,072 0,019

Incineradores 0,153 0,114 0,106 0,094 a) Cinza volátil com uma temperatura de 420 K para carvão e de 530 K em incineradores; CI, Coroa Inversa.

Page 34: Operações - ciclones

Silva E., Controle da Poluição do Ar na Indústria Açucareira 108

Tabela 5.9- Velocidade efetiva de migração (m/s) para precipitadores eletrostáticos úmidos do tipo placa-arame* (Turner et al., 1988).

Eficiência % Fonte de particulados 95 99 99,5 99,9 Cinza volátil de carvâo betuminoso 0,314 0,330 0,338 0,249 Cinza volátil de outros tipos de carvão 0,400 0,427 0,441 0,314

Tabela 5.10- Velocidade efetiva de migração (m/s) para precipitadores

eletrostáticos de placa plana (Turner et al., 1988).

Eficiência % Fonte de particulados 95 99 99,5 99,9 Cinza volátil de carvão betuminosoa 0,132 0,151 0,186 0,160 Cinza volátil de outros tipos de carvãoa 0,155 0,112 0,151 0,135 Cinza volátil de incineradoresb 0,252 0,169 0,211 0,183

a) A uma temperatura de 420 K e sem coroa inversa; b) A uma temperatura de 395 K e sem coroa inversa. 5.5-O separador de núcleo O separador de núcleo “Core separator” é um novo sistema de separação de particulados baseado no efeito centrífugo. O sistema tem eficiência superior aos ciclones, porquanto os processos de separação e coleta são realizados em dois componentes separados (Figuras 5.26 e 5.27) , evitando-se assim o arraste de particulados que acontece na seção de saída do gás dos ciclones.

Figura 5.26- Principio de operação de um separador de núcleo (Cortesia da firma LSR Technologies)

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Figura 5.27- Disposição modular de um separador de núcleo (Cortesia da firma

LSR Technologies). O separador de núcleo tem um custo aproximadamente três vezes maior que um ciclone. Porém para partículas de dimensões menores de 10 µm a eficiência do separador de núcleo e do multiciclone é de 94 e 20 % respectivamente (Wysk, 1996). A Figura 5.28 mostra que o separador de núcleo é tão eficiente como um lavador tipo Venturi.

Figura 5.28- Curvas de eficiência por frações para diferentes separadores de particulados (Cortesia da firma LSR Technologies)

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5.6- Avaliação preliminar do custo de sistemas de separação de particulados 5.6.1- Aspectos gerais. Dois problemas gerais que aparecem durante a avaliação do custo de sistemas de separação de particulados são: • A atualização de custos de anos anteriores; • O cálculo do custo de um sistema de uma dada capacidade, conhecendo-se dados

sobre custos de sistemas semelhantes de capacidades diferentes. As equações utilizadas nestes casos são:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅=

Antigo

tesenePrAntigotesenePr Indice

IndiceCustoCusto (5.59)

b

A

BAB Capacidade

CapacidadeCustoCusto ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅= (5.60)

Os índices de custo são publicados mensalmente pela Chemical Engineering. O expoente b da segunda equação são mostrados na Tabela 5.11 (Cooper & Alley, 1994). Tabela 5.11- Valor do expoente de custo b para diferentes separadores de

particulados.

Equipamento b Ciclones 0,65 Multiciclones 0,65 Torres de atomização 0,62 Venturi de baixo consumo de energia 0,76 Venturi de alto consumo de energia 0,72 Precipitadores 0,62 Filtros de mangas 0,60

5.6.2- Determinação do custo de separadores ciclônicos. Segundo Vatavuk (1990) o custo de um ciclone (valores de junho de 1990) pode ser calculado pela seguinte expressão: [ ] 903,0ba57800EC ⋅⋅= , $ (5.61) Sendo: a- Altura da seção de entrada do ciclone; b- Largura da seção de entrada do ciclone.

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Para um multiciclone (valores de junho de 1990) segundo Benitez (1993): cc N72baN7000EC ⋅+⋅⋅⋅= , $ (5.62) Sendo: Nc - Número de ciclones. Em ciclones e multiciclones o custo total do investimento (incluindo custos de montagem e tubulações) é aproximadamente o dobro do custo do equipamento EC. 5.6.3- Determinação do custo de lavadores de gás. Na Figura 5.29 apresentam-se dados de custos aproximados de lavadores de gás, obtidos por consulta a vários fabricantes brasileiros e estrangeiros para a aplicação específica em caldeiras para bagaço. Estes valores não incluem os custos de montagem. O material de fabricação do lavador tipo torre de nebulização é aço carbono, enquanto o lavador tipo Venturi é construído de aço inox. De acordo com COOPER & ALLEY (1994) se o lavador de gás for construído em aço inox 304, o valor do custo para um lavador construído de aço carbono deve-se multiplicar por 1,9; se construído em aço inox 306, por 2,7; e se construído em fibra de vidro, por 1,7.

0,00,10,20,30,40,50,60,7

0 20 40 60 80

Vazão de gás, Nm3/s

Preç

o do

lava

dor d

e gá

s,

Milh

ões

de U

S$

Torre de Nebulização Lavador tipo Venturi

Figura 5.29- Custo aproximado de lavadores de gás tipo torre de nebulização e

Venturi (1999). 5.6.4- Determinação do custo de precipitadores eletrostáticos. Turner et al. (1988) apresentam uma equação para o cálculo do custo de investimento em precipitadores eletrostáticos: epb

cep AaEC ⋅= (5.63) Os valores de aep e bep são tomados da Tabela 5.20.

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Tabela 5.20- Valores dos coeficientes aep e bep para a determinação do custo de

investimento em precipitadores eletrostáticos (Turner et al., 1988).

Área de eletrodos Ac, m2 aep bep 930-4600 4551 0,6276

4600-93000 715 0,8431 O custo total de instalação de precipitadores eletrostáticos é 2,2 vezes maior que o custo do equipamento EC. REFERÊNCIAS BENÍTEZ, J., Process engineering and design for air pollution control. PTR

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] 3 [g/m o c Gás + particulados ε Emissão de particulados gás Q Vazão de limpo c Gás - Y = C o .c o Q removidos Particulados o gás Q Vazão de SEPARADOR