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7/25/2019 CICLONE - CALCULOS
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Silva E., Controle da Poluio do Ar na Indstria Aucareira 75
5- SELEO, DIMENSIONAMENTO E AVALIAO ECONMICADE EQUIPAMENTOS PARA O CONTROLE DEPARTICULADOS
5.1- Equipamentos para o controle de particulados: Seleo5.1.1- Introduo ao controle de particulados
Os equipamentos mais utilizados para o controle de particulados so: Separadores ciclnicos; Separadores midos (lavadores de gs ou scrubbers); Filtros eletrostticos; Filtros de manga.
Na indstria e outras atividades humanas, apresentam-se emisses departiculados de diferentes caractersticas (dimenses e densidade das partculas,
concentrao, etc). A granulometria das partculas constitui o parmetro maisimportante para definir o tipo de separador que possvel utilizar com alta eficincia. Arelao entre separadores de partculas e as dimenses das mesmas aparece na Figura5.1, cortesia da firma Lodge Sturtevant Ltda.
Figura 5.1- Relao entre separadores de partculas e dimenses das mesmas(Cortesia da firma Lodge Sturtevant Ltda).
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O efeito de separao dos particulados do fluxo de gs deve-se ao dediferentes foras que garantem a deposio das partculas sobre uma superfcie (Tabela5.1).
Tabela 5.1- Foras atuantes e superfcies de separao em diferentes separadores
de partculas.
SeparadorForas principais de
separaoSuperfcies de separao
Separador ciclnico Centrfuga CilndricaFiltro eletrosttico Eletrosttica Plana e cilndrica
Filtro de mangas Interceptao diretaCilndrica composta de material txtile a torta de partculas.
Lavador de gs(scrubber)
InercialDifusionalIntercepo direta
Esfrica ou irregular.
Durante a seleo de um separador de particulados devem ser considerados : Eficincia que se pretende atingir. Este parametro calculado em base da emisso
final permissvel prevista nos padres de emisso.; Consumo de energia; Custo do investimento; Natureza fsica e qumica dos particulados (composio granulomtrica, densidade,
resistividade etc.). A composio granulomtrica de uma amostra de particuladosrefere-se a sua diviso em fraes atendendo ao dimetro mdio das partculas. determinada experimentalmente utilizando separadores inerciais denominados
impactadores em cascata.; Periculosidade (incndios e exploses).
Vejamos num exemplo geral de um separador de particulados como se definemos conceitos de eficincia integral (ou global) e de eficincia por fraes (Figura 5.2;Licht, 1988).
Particulados removidos Y
Qo.co Y =
SEPARADOR
Vazo de gs Qo Emisso de paticulados
Gs limpo c
Gs + particuladosc0[g/m
3]
c - Massa de particulados por unidade de volume do gs, g/m3;Q Vaxo de gs, m3/s;n - Nmero de partculas por unidade de volume do gs, 1/m3;- Taxa mssica de emisso de particulados, g/s;Y - Taxa mssica de particulados removidos, g/s.
Figura 5.2- Esquema geral de um separador de particulados (Licht, 1988).
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O conceito de eficincia total :
oooo
oo
o
o
cQ1
cQ
cQ
c
ccE
=
=
= (5.1)
A equao anterior utilizada quando dispe-se dos resultados de medies dacarga de particulados na entrada e na sada do separador. A eficincia total pode sercalculada a partir da eficincia de separao de cada frao e se denomina eficincia porfraes. utilizada em clculos de projeto quando conhece-se a granulometria do
particulado
=
=n
1iiif fEE (5.2)
Sendo:Efi- Eficincia por fraes: eficincia de separao das partculas com dimetro dpi;
fi- Frao em massa de particulados de dimetro dpi.A Figura 5.3 ilutra estas duas formas de clculo da eficincia de separadores de
particulados.Outros conceitos importantes so:
Penetrao: Frao em massa dos particulados de dimetro dpi que no soseparados pelo separador, ou seja que passam atravs do mesmo.
P Ei f i= 1 (5.3)
E1cc
cQP
ooo
==
= (5.4)
Dimetro de corte (dpc):Dimetro das partculas que so separadas com 50 % deeficincia, ou seja Efi= 0,5.
A eficincia por fraes para diferentes separadores de partculas variada.Assim um ciclone convencional para partculas de 20 m apresenta uma eficincia de60 %, j para um ciclone de alta eficincia com este mesmo dimetro de partculas amesma seria de mais de 90 %. Igual eficincia alcana um lavador de gs tipo Venturi
para partculas de 1 m. A Figura 5.4 apresenta curvas de eficincia por fraes paraalguns tipos de separadores, descritas por uma equao geral do tipo (Ogawa, 1983):
( )mpiif dexp1E = (5.5)
Utilizando o conceito de dimetro de corte dpc (Efi = 50 %) temos:
( )mpc
mpc d
693,0
d
2ln== (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
=
=
=
Seo de entrada
Seo de sada
a) Quando conhecida a carga de particulados na entrada e na sada do separador.
SEPARADOR
8510250703508040990 ,,.,,.,,.,fEE ifi =++==
Seo de entrada
Seo de sada
Composio granulomtrica
d140 % em massa (0,40)d235 % em massa (0,35)d325 % em massa (0,25)
Eficincia por fraes
Ef199 % (0,99)Ef280 % (0,80)Ef340 % (0,40)
b) Quando conhecida a composio granulomtrica e a eficincia de separao de cadafrao.
Figura 5.3 Ilustrao do conceito de eficincia em separadores de particulados.
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Figura 5.4- Curvas de eficincia por fraes para diferentes separadores departculas.
Para separadores ciclnicos o ndice de separao de m = 0,8 - 1,5, para torresde nebulizao m = 1,5 e para lavadores tipo Venturi m = 2,0 (Ogawa, 1983).
Stairmand (1970) apresenta a eficincia total de diferentes separadores para trstipos de ps standards: superfino, fino e grosso. A granulometria destes ps e aeficincia total de separao utilizando diferentes separadores so apresentadas nasTabelas 5.2 e 5.3, respetivamente.
Tabela 5.2 - Composio granulomtrica de ps standards (Stairmand, 1970).
Frao em peso com dimenses menores que a indicada, %Dimenses daspartculas, m P superfino P fino P grosso
150 - 100 -104 - 97 -
75 100 90 4660 99 80 4040 97 65 3230 96 55 2720 95 45 2110 90 30 127,5 85 26 95,0 75 20 62,5 56 12 3
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Tabela 5.3- Eficincia total de diferentes tipos de separadores para os psstandards (Stairmand, 1970).
Eficincia total, %Tipo de separadorP grosso P fino P superfino
Ciclones de mdia eficincia. 84,6 65,3 22,4Ciclones de alta eficincia. 93,9 84,2 52,3Lavador tipo Venturi de mdio consumo deenergia.
99,94 99,8 99,3
Lavador tipo Venturi de alto consumo deenergia.
99,97 99,9 99,6
Filtro de mangas com limpeza porsacudimento mecnico.
99,97 99,92 99,6
Filtro de mangas com limpeza por pulso-jetinverso.
99,98 99,95 99,8
Precipitador eletrosttico. 99,5 98,5 94,8
As Tabelas 5.4 e 5.5 apresentam alguns dados teis para a seleo doequipamento de separao de particulados. OGAWA (1983), apresenta outrosparmetros e caractersticas de separadores de particulados (Tabela 5.6).
Tabela 5.4 - Comparao qualitativa de separadores de particulados.
Tipo de separadorAvaliao
Ciclones Lavadores de gsFiltros demangas
Precipitadoreseletrostticos
Vantagens
Baixo custo; Operao a
altas
temperaturas; Baixo custo demanuteno(no tem partesmveis).
Pode tratarparticuladosinflamveis e
explosivos; Absoro eremoo departiculados nomesmoequipamento;
Variada eficinciade remoo;
Neutralizao degases e particuladoscorrosivos;
Resfriamento dosgases.
Alta eficincia; Pode separar
uma grande
variedade departiculados; Projeto modular; Baixa queda de
presso.
Alta eficincia; Pode tratar
grandes volumes
de gases comuma pequenaqueda depresso;
Separao seca emida;
Ampla faixa detemperaturas deoperao;
Baixos custos deoperao.
Desvanta-gens
Baixaeficincia(dc< 5-10 m);
Alto custo deoperao(queda depresso).
Corroso; Poluio secundria
(um efluente lquidoa tratar);
Contaminao daspartculas (noreciclveis).
Ocupa uma reaconsidervel;
Dano s mangaspor altastemperaturas egasescorrosivos;
As mangas nooperam emcondiesmidas;
Perigo de fogo eexploso.
Alto custo deinvestimento;
No controlaemissesgasosas;
Poucaflexibilidade;
Ocupa umgrande espao;
afetado pelaresistividade dascinzas.
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Tabela 5.5- Dados para a seleo de equipamentos de separao de particulados(HANLY & PETRONKA, 1993; SILVA & HERVAS, 1998).
(a) p (b)Grau delimpeza
esperado
(c) T (d)Equipamento
m mmH2O % % C
IC (e) CO (f) P (g)
Ciclones >10 25-7580 (50)
85 500 1 1 1
Torres denebulizao
>3 50-17598 (>5)50 (3-1,0 375-75090-95(0,5-1,0 25-25095-99(0,001 6-1280-99,9(
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Valor mdio geomtrico.
3ppppi hbLd = (5.9)
Sendo: L, b, h - Comprimento, largura e altura da partcula, respectivamente.
Forma
Outra caracterstica importante que pode afetar o fluxo gs-slido a forma daspartculas, caracterizada pela esfericidade das mesmas s:
p
ss F
F= (5.10)
Sendo Fse F
pas reas superficiais de uma esfera e de uma partcula de igual volume,
respectivamente. Por tanto, a esfericidade assume valores na faixa de 0 < s>1.
Densidade
Em relao aos particulados a densidade pode ser: Densidade em pilha (densidade do material solto, incluindo os espaos entre
partculas); Densidade da partcula (densidade aparente do material, incluindo os poros no
slido); Densidade do esqueleto ou verdadeira ( a densidade prpria do material sem
considerar a existncia de poros, sendo medida com picnmetros gasosos).
Caractersticas do fluxo gs-slido.
A fora de resistncia (FD) a fora lquida exercida pelo fluido sobre a partculana direo do movimento. Pode-se calcul-la utilizando a lei de Stokes:
2
uACud3F
2r
ppDrpD == (5.11)
Sendo:CD- Coeficiente emprico de resistncia;Ap- rea projetada da partcula (seco transversal) na direo normal ao fluxo, m
2;ur- Velocidade relativa entre o fluido e a partcula, m/s;-- Viscosidade do fluido, kg/(m.s);p- Densidade da partcula, kg/m
3;dp Dimetro da partcula, m;
Para uma partcula esfrica de dimetro dp:
2
u
dC4F
2r2
ppDD
= (5.12)
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Quando as dimenses das partculas so comparveis com o percurso livre dasmolculas de um gs necessrio levar em conta o efeito de discontinuidade do meiogasoso. Isto se realiza por meio do fator de correo de Cunningham ou fator dedeslizamento Cc, que entra na equao de Stokes:
c
prD C
du3F = (5.13)
++=
nnc K
10,1exp40,0257,1K1C (5.14)
Sendo o nmero de Knudsen calculado como:
p
gn
d2K
= (5.15)
Onde g o percurso livre das molculas do gs:
gg
g
T
MP
1145,0
= , (5.16)
Sendo:
Pg- Presso do gs, kPa;M- Massa molecular do gs;Tg- Temperatura do gs, K.
Assim, por exemplo, para partculas de 0,01 m no ar (1 atm e 298 K) o fator decorreo de Cunningham vale 22,7 (Benitez, 1993).
5.2- Separadores ciclnicos: dimensionamento, clculo da eficincia equeda de presso
5.2.1- Classificao dos ciclones
Os separadores ciclnicos tm como princpio de operao, a ao da foracentrfuga sobre as partculas slidas em movimento num fluxo rotativo, como mostrado na Figura 5.5.
Os separadores ciclnicos 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 eficincia do ciclone tangencial maior que do ciclone axial pois a fora
centrfuga, que causa a separao dos particulados, maior quando criada pela entrada
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tangencial do gs e a rotao do mesmo dentro do ciclone, do que quando criada pormeio de ps direcionadoras, como no caso dos ciclones do tipo axial. A disposio devrios ciclones em paralelo, chamados de multiciclones, permite empregar clulas dealta eficincia com menor dimetro e maior velocidade de entrada do gs.
Figura 5.5- Princpio de operao de um separador ciclnico.
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 ciclnicos.
5.2.2- Dimensionamento
Como se observa na Figura 5.7 necessitam-se 8 dimenses para especificar um
ciclone de entrada tangencial. Estas dimenses so determinadas atravs de relaes
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adimensionais tipo ka= la/D, kb= b/D. Na Tabela 5.7 so apresentados os valores destasrelaes adimensionais para ciclones de alta eficincia e de propsito geral(convencionais), obtidos por diferentes autores para configuraes que tm demonstradoserem prticas e efetivas (Koch e Licht, 1977).
Figura 5.7- Dimenses tpicas de um ciclone.
Independentemente da configurao selecionada, devem seguir as seguintesrecomendaes:
a s para evitar o curto-circuito dos particulados da seo de entrada ao tubo desada; b (D - De)/2 - para evitar uma queda de presso excessiva; H 3 D - para manter a ponta do vrtex formado pelos gases dentro da seo cnica
do ciclone; O ngulo de inclinao do cone do ciclone deve ser 7-8o para garantir um
deslizamento rpido do p; De/D 0,4-0,5, H/De 8-10 e s/De 1 para garantir a operao com mxima
eficincia; P < 2,48 kPa.
Como dados iniciais para o clculo temos o fluxo volumtrico de gs e avelocidade de entrada selecionada uT1(geralmente entre 15-30 m/s). Com estes dadoscalculam-se os valores de a e D pelas seguintes equaes:
2/1
b1T
a
ku
kQa
= (5.17)
ak
aD= (5.18)
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Tabela 5.7- Coeficientes adimensionais para o dimensionamento de ciclones (Koche Licht, 1977).
Alta eficincia Propsito geralTermo Descrio
Stairmand Swift SwiftPeterson
e WitbyD
Dimetro da seo cilndrica (corpo)do ciclone
1,0 1,0 1,0 1,0
a, ka Altura da seo de entrada 0,5 0,44 0,5 0,583b, kb Largura da seo de entrada 0,2 0,21 0,25 0,208
s, ksComprimento do tubo de sada dociclone
0,5 0,5 0,6 0,583
De, kDeDimetro de tubo de sada dociclone
0,5 0,4 0,5 0,5
H, kH Altura total 4,0 3,9 3,75 3,17h, kh Altura da seo cilndrica do ciclone 1,5 1,4 1,75 1,333B, kB Dimetro da seo de sada do p 0,375 0,4 0,4 0,5
K Parmetro de configurao 551,3 699,2 381,8 342,3NH Carga de velocidade na entrada 6,40 9,24 8,0 7,76Surf Parmetro de superfcie 3,67 3,57 3,65 3,20
Q/D2,m/h
Relao fluxo de gs/dimetro dociclone
5,38 4,95 6,86 -
O valor de D pode tambm ser calculado pela relao Q/D2 apresentada naTabela 5.7, lembrando que trata-se somente de valores recomendados e no deespecificaes. Para ciclones de alta eficincia e de propsito geral segundo Dirgo e
Leith (1986):
[ ]80
QD
2
1
= , sendo Q expressado em m3/h (5.12)
As outras dimenses so calculadas sucessivamente a partir dos coeficientesadimensionais utilizando o valor calculado de D, por exemplo, Dkb b= .Seleo da velocidade do gs na entrada do ciclone.
Para conseguir uma alta eficincia de separao a velocidade de entrada do gs
deve ser a maior possvel sem causar a re-entrada das partculas ao fluxo de gs e semexceder a denominada velocidade de salto us- velocidade mnima do gs que evita adecantao das partculas slidas do fluxo de gs que as arrasta (Koch y Licht, 1977).
Kalen & Zenz (1974) demonstraram que a mxima eficincia do ciclonecorresponde a um valor da relao entre a velocidade de entrada do gs e a velocidadede salto de uT1/us= 1,25 e a re-entrada das partculas ao fluxo de gs de uT1/us= 1,36.
A equao para o clculo da velocidade de salto :
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( ) uD
D
b1
D
bg
3078,5u 32
t067,0
3
1
4,0
3/1
2g
ps
= m/s (5.20)
5.2.3- Clculo da eficincia
Vrios autores tem desenvolvido equaes para o clculo da eficincia emciclones, sendo atualmente mais utilizadas as de Leith & Licht (1972) e Lapple(Theodore & Buonicore, 1984). Vejamos cada uma delas em detalhe:
Equaes de Leith & Licht
Este modelo vlido para ciclones com D > 0,203 m e no aplicvel aequipamentos que trabalham com altas presses. Considera a influncia de 3 fatores: a
forma do ciclone, a natureza do fluxo gs/slido e a distribuio da velocidadetangencial do gs. A equao principal do modelo :
( )Npif dMexp1E = (5.21)
Sendo:
2
N
g
p
3 18
)1n(
D
QK2M
+
= (5.22)
K- Parmetro de configurao do ciclone (Tabela 5.6);p- Densidade das partculas, kg/m
3;g- Viscosidade cinemtica do gs, kg/m.s.
1n
1N
+= (5.23)
( )[ ]3,0
14,0
283
TD67,011n
= (5.24)
O parmetro n define a velocidade tangencial do gs dentro do ciclone emrelao posio radial, e naturalmente define a fora centrfuga e a eficincia deseparao.
constanteRu nT (5.25)
Para um fluido ideal n = 1; no ciclone n 0,6.
O dimetro de corte dpc
calcula-se como:
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( )1n
pc M
6931,0d
+
= (5.26)
Se os valores dos coeficientes adimensionais Ka, Kb e Kcno so conhecidos
(como o caso de um ciclone j existente cuja eficincia se deseja calcular), o valor doparmetro de configurao do ciclone K calculado como (Dirgo & Leith, 1986):
+
++
++
=
D
s
D
L
D
D
D
h
D
d
D
d1
D
hLs
3
1
D2
a
D
s
D
D12
ba
DK
2
e2
2cc
2
e2
(5.27)
Sendo:L- comprimento natural do ciclone. a maior distncia na qual o vrtex de gsestendesse por baixo do duto de sada do gs.
3
12
eba
DD3,2L
= (5.28)
dc- Dimetro do cone no comprimento natural do ciclone.
( ) ( )( )hH
hLsBDDdc
+= (5.29)
Se o comprimento natural do ciclone excede (H-s) na equao para o clculo de
K, L deve ser substitudo por (H-s) e dcpor B.Equaes de Lapple
Tambm conhecida como mtodo simplificado de Lapple e fundamenta-se emassumir que a curva Efi= f (dpi/dpc) para um ciclone dado (Figura 5.8) a mesma que
para ciclones geometricamente semelhantes. Logo que calculado o valor do dimetro decorte, para o caso que se analiza, com a ajuda da curva da Figura 5.8, constri-se ogrfico Efi= f (dpi) para as novas condies.
Nota: Todas as equaes na continuao utilizam unidades de medida inglesas.O dimetro de corte calculado como:
( )
2
1
gp1Tt
gpc uN2
b9d
= (5.30)
Sendo:NT- Nmero efetivo de voltas que o fluxo de gs realiza no ciclone.
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Lavadores com empacotamento fibroso; Sprays pr-formados; Sprays nebulizados por gs; Lavadores centrfugos; Lavadores de chicanas e fluxo secundrio;
Lavadores de impacto; Lavadores acionados mecanicamente; Lavadores de leito em movimento.
A Figura 5.9 apresenta os parmetros principais de alguns tipos de lavadores degs Antes de analisar os dados includos nesta figura faz-se necessrio definir o
parmetro relao gua/ar:
Relao gua/ar [QL/QG]- a relao entre o fluxo de gua utilizado para a limpeza dogs e o fluxo de ar que est sendo limpo, geralmente se expressa em L/m3. o
parmetro mais importante do lavador de gs, conjuntamente com a queda de presso noequipamento.
Na prtica industrial os tipos de lavadores mais utilizados so os lavadores debandejas e as diferentes variantes existentes de lavadores tipo Venturi (sprays pr-formados e nebulizados por gs). Estes so os equipamentos que veremos com maisdetalhes a seguir:
Lavadores de bandejas: So construdos na forma de torre vertical com uma ou maisbandejas perfuradas em seu interior (Figura 5.10). A lavagem do gs acontecedurante o contato do mesmo com as gotas de gua no volume do lavador e durante o
burbulhamento na camada de gua que cobre as bandejas. A eficincia de separaoaumenta com a diminuio do dimetro dos orifcios das bandejas. Para orifcios de3,2 mm o dimetro de corte de dpc= 1,0 m (Calvert, 1984);
Sprays pr-formados: Neste tipo de lavador de gs o lquido entra na garganta doVenturi j atomizado por um sistema de bocais (Figura 5.11). A eficincia deseparao de particulados funo do tamanho e trajetria das gotas, da velocidadedo gs e da relao lquido/gs. O dimetro das gotas de gua de 100-500 m, odimetro de corte dpc = 0.7-2.0 m, e a relao lquido/gs 4-13 l/m
3 (Calvert,1984);
Sprays atomizados por gs: o mais comum dos lavadores tipo Venturi. Anebulizao do lquido causada pelo prprio gs, que alcana uma velocidade nagarganta do Venturi de 60-120 m/s (Figura 5.12). O dimetro de corte nestesequipamentos dpc = 0,1-0,4 m.
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Figura 5.9 - Parmetros de operao alguns tipos de lavadores de gs.
a) b)a) Bandeja com bubblecapsb)Bandeja perfurada.
Figura 5.10- Lavador de bandejas (Calvert, 1984).
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Silva E., Controle da Poluio do Ar na Indstria Aucareira 93
Vo
gua
Ar Ar
Bocalnebulizador
Gargantado Venturi
Vg
Figura 5.11- Lavador Venturi com spray pr-formado por bocais pneumticos.
Figura 5.12- Esquema dos processos que acontecem num lavador tipo Venturi(spray nebulizado pelo gs). Cortesia da empresa Lodge Sturtevant.
Clculo da eficincia em um lavador tipo torre de nebulizao
Em torres de nebulizao a penetrao para particulas de dimetro i.
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( )
=
=
g
itdd
gtddg
itdlti Q
VA25,0exp
VVrQ4
ZVQ3expP (5.35)
Onde:
Ql- Vazo volumtrica de lquido, m3
/s;Qg- Vazo volumtrica do gs, m3/s;
Vg- Velocidade superficial do gs, m/s;Vtd- Velocidade terminal de queda livre das gotas, m/s;i- Eficincia de remoo de partculas de dimetro i por uma gotcula;rd- Radio das gotas, m.Z- Comprimento da regio de contato gs / lquido no lavador, m;Ad- Seo do lavador ocupada pelas gotas.
2
p
p
i
7,0K
K
+= (5.36)
Kp- Parmetro de impacto.
dG
p2pp
pD9
dCK
= (5.37)
C- Fator de correo de Cunningham, adimensional.p- Densidade da partcula, kg/m
3;
dD - Dimetro da gota, m;p- Velocidade da partcula (p= G), m/s;dP- Dimetro da partcula, m;g- Viscosidade do gs, kg/m.s.
A velocidade terminal das gotas calcula-se como:
( )
g
gd
2
dtd 18000000
gD
= (5.38)
d- Densidade da gota, kg/m3;g- Densidade do gs, kg/m
3;g- Viscosidade do gs, kg/(m.s);g Constante da acelerao da gravidade, m/s2.
Como resultados dos clculos pode-se determinar o dimetro mdio timo dasgotas de gua no lavador de gs (Figura 5.13) e a dependncia do dimetro de corte documprimento da zona de contato gs/liquido Z para diferentes dimetros mdios dasgotas de gua (Figura 5.14).
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a) No caso em que o spray nebulizado pelo gs, a equao de clculo :
602.1g
932.1
G
L9
d V
Q
Q106,319,42
D
+
= (5.39)Sendo:
dD - Dimetro das gotas de gua logo aps a nebulizao, m;vg- Velocidade mdia da mescla gs/gua no Venturi, m/s (valor entre 30,4 e 91,4);
G
L
Q
Q- Relao fluxo de lquido / fluxo de gs, m3L/ m
3G (valor entre 0,0006012 e
0,0024048).
e
vg 0,752 vgarg
Ondevgarg- Velocidade do gs na garganta do Venturi;
b) Para o caso de sprays pr-formados com bocais pneumticos utiliza-se a equao deNukiyama e Tanasawa. O bocal pneumtico consiste num anel central de lquidocirculando por um bocal concntrico de ar (ver Figura 5.11).
5,1
G
L
45,0
D
D
Dreld Q
Q53207681V
585000D
+
= (5.40)
Sendo:
Vrel- Velocidade relativa do gs Vrel= (Vg- Vo), m/s;- Tenso superficial do lquido, N/m;D- Densidade do lquido, kg/m
3;D- Viscosidade cinemtica do lquido, kg/m.s;QL- Fluxo de lquido, m
3/min;Q
G- Fluxo de gs, m3/min.
3- Clculo do dimetro aerodinmico das partculas de cinzas.
2pipi
2pai dc1000d = (5.41)
Neste caso ci o fator de Cunningham para a partcula de dimetro dpi.
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4- Clculo do parmetro inercial Kpti.
dg
argg2pai
ptiD9
V.dK
= (5.42)
5- Clculo do parmetro F (Kpti* f).
( )
++
++=
f*K7,0
49,0
7,0
7,0fKln4,1fK7,0
K
1fKF
pti
ptipti
ptipti (5.43)
O coeficiente experimental f leva em conta todos os parmetros noconsiderados explicitamente durante o clculo da penetrao e da eficincia. Que valortomar para coeficiente ?
Calvert recomenda f = 0,25 para partculas hidrfobas; f = 0,4 0,5 para partculashidroflicas; f = 0,5 para lavadores Venturi de grande escala. Calvert em seu livro Scrubber Handbook realiza todos os clculos para f = 0,25. Um estudo de Rudnick et al. (1986) mostrou que com o valor f = 0,31 obtm-se um
ajuste muito melhor que com 0,25.
6- Clculo da penetrao Pti.
( )
= fKFV
D
Q
Q
55
2expP ptiargg
g
dd
G
Lit (5.44)
Unidades:
G
L
Q
Q- m3/m3;
d- kg/m3;
dD - m;g- kg/m.s;Vgarg- m/s.
7- Clculo da eficincia por fraes.
itif P1E = (5.45)
8- A eficincia total.
=
=m
1iifit fEE (5.46)
Alm do mtodo de Calvert para o clculo da eficincia em lavadores Venturiutiliza-se o mtodo de Johnstone (Theodore & Buonicore, 1988) e o mtodo de Yung et
al. (1978).
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Mtodo de Johnstone
( )
= 5,0i
G
Lif Q
Qk1337,0exp1E (5.47)
dg
arggp2p
iD
Vd03387,0
= (5.48)
Sendo:1- Parmetro de impacto inercial (adimensional);k - Coeficiente de correlao (valores entre 7,48 e 14,96 m3/m3).
Unidades:p- kg/m
3;
Vgarg- m/s;g- kg/m.s;
dD - m.
Projeto de lavadores tipo Venturi.
Licht (1988) prope um mtodo geral para o projeto de lavadores tipo Venturique consta dos seguintes passos:1. Selecione, na faixa de valores usualmente utilizados, um par de valores para QL/QGe
Vgarg;
2. Com base nestes valores calcule o dimetro Sauter das gotas de gua dD atravs dasequaes vistas anteriormente no texto;3. Para o valor selecionado de Vgarge o calculado de dD calcule Rede Cd.
( )
g
gDarggd1D
VVDRe
= (5.49)
313,01D1D
1D Re
60,3
Re
24C += (5.50)
A expresso anterior a equao de Schiller & Naumann, vlida na faixa devalores 0,5 < Rep< 3;
4. Utilizando os valores determinados no ponto 3, calculardgG
dL
CQ
QB
= , (5.51)
5. Selecione uma dimenso de partcula dpie calcule o valor do fator de CunninghamCci;
6. Para esta partcula, calcular( )
dg
dargg2pigci
ptiD9
VVdCK
= ; (5.52)
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7. Selecione um valor de L (comprimento adimensional da garganta; recomenda-seassumir L = 2-3), calcule o comprimento da garganta lgarge ugarg;
argg
Dd
gD lD2
C3L
= (5.53)
( )1XXX12V
Vu 22
t
dargg +== (5.54)
Onde o valor de X calcula-se como 1D16
Cx3X
dd
gd +
= e argglx= (5.55)
8. Calcule a penetrao Pti(Yung et al., 1978);
( ) ( )[ ]
( )( )
++
+
+
+
++
=
5,0
il1
il
5,0ilil
il
5,0
ilt1
ilt
5,0il
til
5,0t
5,1til
til
i
7,0
Ktan
K
7,01K02,52,4K4
7,0K
1
7,0
Ku1tan
K
7,0u1K02,5
7,0u1K
1
u12,4u1K47,0)u1(K
1BPln
(5.56)
9. Repita os passos 5-7 para diferentes dimenses de partculas;
10.Calcule a eficincia total de separao;11.Repita todos os clculos para diferentes valores de QL/QG e/ou Vgarg. Consideretambm outros valores para L e para ugarg;
12.Determine o comprimento da garganta e a queda de presso total.
5.4- Precipitadores eletrostticos: caractersticas construtivas edimensionamento.
5.4.1 Fundamentos tericos da operao de precipitadores eletrostticos. Tipos deprecipitadores e aplicaes.
O separador ou precipitador eletrosttico um equipamento para o controle departiculados, que utiliza foras eltricas para movimentar as partculas desde o fluxo degases at os eletrodos coletores. Os precipitadores so os nicos equipamentos decontrole de particulados nos quais as foras de remoo atuam somente sobre as
partculas e no sobre todo o fluxo de gs. Isto provoca altas eficincias de separao(99,5 %) com uma pequena queda de presso do gs, de aproximadamente 5 polegadasde H2O (Keifer).
Entre os maiores fabricantes destes equipamentos no mundo destaca-se a firmaLodge Sturtevant subsidaria da FLS miljo a/s, que tem comercializado e instalado maisde 4000 precipitadores eletrostticos. Outros fabricantes de renome so a United
McGill, a Marsulex Environmental Technologies e a ASEA Brown-Bovery (ABB).
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Principio de operao (Figura 5.15):
D-se uma descarga eltrica nas partculas, forando-as a passar atravs de umacoroa (regio de ionizao do gs). O efeito coroa produzido pelos eletrodos de
descarga, mantidos com alta voltagem no centro do fluxo de gs; Deposio das partculas nos eletrodos coletores e remoo dos mesmos por
sacudimento dos eletrodos ou lavagem com gua.
Figura 5.15- Princpio de operao de um precipitador eletrosttico (Cortesia daMarsulex Environmental Technologies).
A Figura 5.16 ilustra como varia a concentrao de particulados desde a entradaat a sada do precipitador.
Figura 5.16- Variao da concentrao de cinzas desde a entrada at a sada do
precipitador (Cortesia da Marsulex Environmental Technologies).
Os precipitadores eletrostticos tem aumentado extraordinariamente suaeficincia nos ltimos anos (Figura 5.17) em conseqncia da aprovao de normas deemisso cada vez mais rigorosas e acirrada concorrncia com os filtros de mangas.Atualmente j possvel alcanar concentraes de particulados no gs de 5-10 mg/Nm3 sada destes equipamentos (Gaiotto, 1997).
Os tipos de precipitadores mais difundidos so os seguintes: De placa e arame; De placas planas; mido.
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Figura 5.17- Emisses garantidas e obtidas aps os precipitadores eletrostticos.Valores mdios de vrios pases e aplicaes (Gaiotto, 1997).
Precipitador de placa e arame (Figuras 5.18 e 5.19).
Esta configurao utilizada em uma ampla variedade de aplicaes industriais:caldeiras para carvo, fornos de cimento, incineradores de resduos slidos, caldeirasrecuperadoras de plantas de papel, etc.
Figura 5.18- Precipitador eletrosttico de placa e arame (Cortesia da ABB doBrasil).
Nos precipitadores de placa e arame o fluxo de gs passa entre placas metlicasparalelas. Os arames suspensos entre as placas constituem os eletrodos de descarga de
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alta voltagem. Os eletrodos geralmente recebem uma polaridade negativa, j que umacoroa negativa suporta uma voltagem maior que uma positiva antes que ocorra adescarga. Os ons gerados na coroa seguem as linhas do campo eltrico desde os aramesat as placas coletoras. Assim cada arame estabelece uma zona de carga atravs da qual
passam as partculas, absorvendo parte dos ons. A Figura 5.20 mostra detalhes
construtivos dos eletrodos de descarga e coletores.
Figura 5.19- Disposio dos eletrodos coletores e de descarga em um precipitadorde placa e arame (Cortesia da Marsulex EnvironmentalTechnologies).
Precipitador de placas planas (Figura 5.21).
Utilizados, geralmente, em aplicaes de pequena escala (50-100 m3/s) parapartculas de alta resistividade e dimenses 1-2 m. A firma United McGills utilizaeste tipo de precipitador para o controle de particulados em caldeiras, fornos,incineradores e outros tipos de processos industriais com capacidades mximas de at944 m3/s. Os precipitadores fabricados por esta firma diferencia-se dos projetosconvencionais por terem o eletrodo coletor de alta voltagem rodeado por agulhas emsuas bordas laterais que geram o efeito coroa e o campo eletrosttico (Figura 5.22).
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Figura 5.20- Detalhes construtivos dos eletrodos de descarga e coletores de um
precipitador de placa e arame (Cortesia da firma Lodge SturtevantLtda).
As superfcies coletoras neste precipitador consistem em fileiras paralelasalternadas de placas coletoras de alta voltagem e de placas coletoras conectadas terra.Ambos tipos de placas esto carregadas com polaridade oposta e colocadas distnciasmenores entre elas do que nos precipitadores convencionais. A carga das partculas aleatria, podendo ser positiva ou negativa. Desta maneira nos precipitadores da McGilla placa de descarga tambm coletora, o que incrementa a rea de superfcie coletoraem 30 %. O consumo de energia menor 70 % do que em precipitadores convencionaisdevido ao uso mais eficiente da energia (operao com baixos nveis de voltagem: 20-30 kV e corrente). A construo dos precipitadores modular, o que permitedimension-lo para diferentes capacidades. A limpeza das placas feita por
sacudimento mecnico atravs de um martelo mvel ou por acionamento pneumtico.
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Figura 5.22- Disposio das agulhas nas bordas da placa coletora de alta voltageme fotografia do efeito coroa criado ao aplicar corrente placa(Cortesia da United McGill).
Durante a operao de precipitadores eletrostticos o parmetro mais importante a voltagem. O grfico das caractersticas tpicas de operao (Figura 5.24) mostra quea menor concentrao de particulados sada do precipitador corresponde ao valormximo de voltagem e no da corrente.
Figura 5.23- Esquema de um precipitador eletrosttico tipo mido indicando a
disposio dos bocais de nebulizao da gua (Cortesia da Krebs).
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Mtodos para resolver os problemas relacionados com a alta resistividade da cinza.
Melhorar a limpeza dos eletrodos coletores; Melhorar os mtodos de energizao eltrica (por exemplo aplicao de voltagem
pulsante);
Condicionamento qumico e trmico do gs: adio de umidade, adio depequenas quantidades de reativos qumicos tais como o SO3, baixar a temperaturado gs at um valor inferior a 130 oC ou elev-la acima de 350 oC.
Clculo da rea de coleo do precipitador
A eficincia por fraes em precipitadores eletrostticos calcula-se pela equaode Deutsh-Anderson:
( )
=
Q
UAexp1d ticpi (5.57)
Sendo:Uti- Velocidade terminal da partcula no campo eltrico;dpi- Dimetro da partcula;Ac- rea total de eletrodos coletores;Q- Fluxo volumtrico de gs.
O termo We a velocidade efetiva de migrao que define o comportamento deum conglomerado de particulados para condies de operao dadas (We oequivalente a Utipara um conglomerado de partculas). Utilizando a equao de Deutsh-Anderson pode-se calcular a rea especfica de coleo SCA.
( )
e
tc
W
1ln
Q
ASCA
== (5.58)
Turner et al. (1988) apresenta Tabelas com os valores de We para diferentestipos de particulados e de separadores eletrostticos (Tabelas 5.8, 5.9 e 5.10). Aeficincia determinada a partir da concentrao de particulados que necessita-se obter sada do precipitador e da ocorrncia ou no do efeito coroa em base resistividade do
particulado.
Tabela 5.8- Velocidade efetiva de migrao (m/s) para precipitadores eletrostticos
do tipo placa e arame (Turner et al., 1988).
Eficincia %Fonte departiculados (a) 95 99 99,5 99,9
sem CI com CI sem CI com CI sem CI com CI sem CI com CICarvo
betuminoso0,126 0,031 0,101 0,025 0,093 0,024 0,082 0,021
Outros tipos decarvo
0,097 0,029 0,079 0,022 0,079 0,021 0,072 0,019
Incineradores 0,153 0,114 0,106 0,094a) Cinza voltil com uma temperatura de 420 K para carvo e de 530 K em incineradores;CI, Coroa Inversa.
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Tabela 5.9- Velocidade efetiva de migrao (m/s) para precipitadores eletrostticosmidos do tipo placa-arame*(Turner et al., 1988).
Eficincia %Fonte de particulados95 99 99,5 99,9
Cinza voltil de carvo betuminoso 0,314 0,330 0,338 0,249Cinza voltil de outros tipos de carvo 0,400 0,427 0,441 0,314
Tabela 5.10- Velocidade efetiva de migrao (m/s) para precipitadoreseletrostticos de placa plana (Turner et al., 1988).
Eficincia %Fonte de particulados95 99 99,5 99,9
Cinza voltil de carvo betuminosoa 0,132 0,151 0,186 0,160Cinza voltil de outros tipos de carvoa 0,155 0,112 0,151 0,135Cinza voltil 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 ncleo
O separador de ncleo Core separator um novo sistema de separao departiculados baseado no efeito centrfugo. O sistema tem eficincia superior aosciclones, porquanto os processos de separao e coleta so realizados em doiscomponentes separados (Figuras 5.26 e 5.27) , evitando-se assim o arraste de
particulados que acontece na seo de sada do gs dos ciclones.
Figura 5.26- Principio de operao de um separador de ncleo (Cortesia da firmaLSR Technologies)
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Para um multiciclone (valores de junho de 1990) segundo Benitez (1993):
cc N72baN7000EC += , $ (5.62)
Sendo:
Nc- Nmero de ciclones.
Em ciclones e multiciclones o custo total do investimento (incluindo custos demontagem e tubulaes) aproximadamente o dobro do custo do equipamento EC.
5.6.3- Determinao do custo de lavadores de gs.
Na Figura 5.29 apresentam-se dados de custos aproximados de lavadores de gs,obtidos por consulta a vrios fabricantes brasileiros e estrangeiros para a aplicaoespecfica em caldeiras para bagao. Estes valores no incluem os custos de montagem.O material de fabricao do lavador tipo torre de nebulizao ao carbono, enquanto olavador tipo Venturi construdo de ao inox. De acordo com COOPER & ALLEY(1994) se o lavador de gs for construdo em ao inox 304, o valor do custo para umlavador construdo de ao carbono deve-se multiplicar por 1,9; se construdo em aoinox 306, por 2,7; e se construdo em fibra de vidro, por 1,7.
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0 20 40 60 80
Vazo de gs, Nm3/s
Preodolav
adordegs,
Milhes
deUS$
Torre de Nebulizao Lavador tipo Venturi
Figura 5.29- Custo aproximado de lavadores de gs tipo torre de nebulizao eVenturi (1999).
5.6.4- Determinao do custo de precipitadores eletrostticos.
Turner et al. (1988) apresentam uma equao para o clculo do custo deinvestimento em precipitadores eletrostticos:
epbcep AaEC = (5.63)
Os valores de aepe bepso tomados da Tabela 5.20.
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