Um dos parâmetros de escoamento mais importantes

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1 Revista Química & Tecnologia Comparação entre métodos de cálculo do tempo de trânsito no riser de um modelo a frio de uma unidade de FCC Valdemir Alexandre DOS SANTOS 1 ; Carlos Costa DANTAS 2 Resumo Métodos de medidas que calculam o tempo de trânsito de um traçador gasoso a partir das distâncias entre os pontos de máximo e entre os centros de massa são importantes no estudo da fluidodinâmica e foram comparados com o método do primeiro momento da RTD. Os métodos descritos na literatura, utilizados no riser de um modelo a frio de uma unidade piloto de FCC (Fluid Cracking Catalytic), utilizaram o 56 Fe encapsulado (não-dispersivo), o CH 3 82 Br como traçador gasoso radioativo dispersivo e detectores de radiação gama. O traçador não-dispersivo permite as avaliações das formas dos picos como função da distribuição gaussiana da radioatividade e de como condições experimentais podem influenciar criticamente a reprodutibilidade das medidas, principalmente com relação ao estabelecimento da coordenada de tempo zero para a avaliação precisa do primeiro momento da RTD. O método dos momentos da RTD também permite a interpretação dos dados gerados pelos métodos que calculam distâncias entre dois picos. Estudando o cálculo do tempo de residência médio e detectando a incerteza nas medidas do tempo de trânsito, o RTD provou que é válido como instrumento de análise do escoamento gás-sólido. Os dados gerados pela instrumentação nuclear foram importados por programa em Matlab e a estatística de medidas e os gráficos mostram uma melhor performance dos métodos com o uso das coordenadas de centro de massa. Palavras-chave: tempo de trânsito, traçador radioativo, modelo a frio, RTD, CFB. Abstract Methods of measured that calculate the transit time of a gaseous tracer from the distances between points of maximum or mass centers, are important in fluid dynamic study and were going compared with the first moment method of RTD. The methods described in the literature used the encapsulated 56Fe (non dispersive tracer), the CH382Br like gaseous dispercive radioactive tracer and gamma radiation detectors. The non dispersive tracer allowed the peak form evaluations like radioactivity distribution gaussian function and of like experimental conditions can influence critically reproductibity of the measures; mostly with regard to time zero coordinate 1 Professor-Adjunto do Departamento de Química, da UNICAP, e Pesquisador do NPCIAMB. vas@unicap.br 2 Professor e Pesquisador do Departamento de Energia Nuclear, da UFPE. establishment, to necessary evaluation of the first RTD s moment. The first moment method of RTD also allows the data interpretation generated by the methods that calculate distances between two peaks. By stadying time average residence calculation and detecting the uncertainty in time measures of transit, the RTD method proved that is valid like flow gas-solid analysis instrument. The data generated by the nuclear instrumentation were going imported for program in Matlab and the statistics of measured and the graphs show a better methods performance with the mass center coordinates use. Key words: Transit time, Radioactive tracer, Cold model, RTD, CFB. 1 Introdução Um dos parâmetros de escoamento mais importantes num riser é a razão entre as velocidades do gás e do sólido, uma vez que essa característica determina a configuração do escoamento, a qual influencia significativamente os parâmetros de projeto e os operacionais, tais como perda de pressão e transferências de calor e massa. A velocidade de qualquer dos componentes da mistura em escoamento pode ser determinada experimentalmente pela injeção de uma substância quimicamente inerte, com características físicas semelhantes a um dos componentes da mistura que circula pelo sistema, denominado de traçador (Fogler, 22). Entre as substâncias utilizadas como traçador, as quais devem apresentar propriedades que facilitem sua detecção, aquelas de marcação por técnicas nucleares (radioativas) têm-se destacado por permitirem que sua concentração seja monitorada através das espessas paredes que compõem os risers comerciais. Contudo, o planejamento dos experimentos necessários à utilização desse tipo de traçador deve envolver preparativo especial, visando à exatidão das medidas associada à segurança requerida. Nesse caso, as dificuldades adicionais apresentadas pelos sistemas de escoamento bicomponente são minimizadas pela adoção de modelos a frio para simulação dos risers de FCC (Knowton, 2). Os dois métodos de injeção do traçador mais utilizados são o de entrada do tipo degrau e de entrada tipo pulso. No primeiro tipo de injeção, o traçador é adicionado continuamente, na corrente de alimentação do reator. Para uma entrada do tipo Ano 2 - nº 1 - jan./jun

2 Departamento de Química pulso, a quantidade de traçador é injetada de uma só vez, em um tempo tão curto quanto possível. As interpretações dos comportamentos da concentração do traçador em função do tempo, na entrada e na saída do reator, são necessárias à determinação da função DRT - Distribuição dos Tempos de Residência. Em injeções de traçador do tipo pulso, admite-se geralmente uma entrada semelhante à função delta de Dirac. Contudo, a prática tem mostrado o registro de pulsos de larguras consideráveis (Kim and Harris, 1973). Dessa forma, a definição da coordenada correspondente ao tempo zero requer uma correta identificação do ponto característico (ponto de máximo e centro de massa) representativo dessa coordenada no pulso de injeção do traçador. Em trabalhos anteriores, a técnica de traçador radioativo foi utilizada para medidas dos tempos de trânsito do gás (Santos, Dantas e Castagnet, 1985) e do sólido (Dantas et al, 2) em um modelo a frio de uma unidade piloto de FCC. Com auxílio de cálculos realizados em computador, alguns dados experimentais desses trabalhos, obtidos com auxílio de traçador não-dispersivo, são utilizados para comparar as precisões de medidas de tempo trânsito a partir das diferenças entre diferentes pontos característicos dos picos ponto de máximo (PM) e centro de massa (CM). Posteriormente, utilizaram-se as duas formas para tomada da coordenada de tempo zero e calcularam-se os tempos de residências médios com auxílio do método dos momentos da função de RTD. O primeiro momento da RTD apresentou vantagens em relação a outros dois métodos que utilizam a simples diferença de tempo entre pontos característicos dos picos de concentração do traçador e por meio de um relógio eletrônico (RE). 2 Material e métodos 2.1 Método dos momentos da RTD Num plug-flow ideal, as partículas do fluido, ao mesmo tempo, entram no conduto e dele saem. Esse tempo gasto no trajeto entre a entrada e a saída do conduto é denominado de tempo de residência. Os reatores do tipo PFR reais são caracterizados pela saída dessas partículas em um tempo muito próximo à vizinhança do tempo de residência médio. A distribuição desses tempos de residência pode afetar significativamente o desempenho do reator. O método da RTD possui três tipos de momentos empregados no estudo de caracterização de escoamento. O primeiro momento é o tempo de residência médio, t m : t m = t E E () t () t dt dt = t E () t dt (1) O segundo momento da DRT é chamado de variância ou o quadrado do desvio-padrão do tempo de residência médio, definido como: σ 2 = 2 ( t ) E( t) t m dt (2) O valor desse momento é uma indicação da dispersão da distribuição em torno do tempo de residência médio. Quanto maior o valor desse momento, maior essa dispersão. O terceiro momento, relacionado à simetria da distribuição em torno do tempo de residência médio, é expresso como: s 3 1 = ( t t m ) E( t) dt 3 / 2 σ (3) Para uma descrição rigorosa de uma distribuição dos tempos de residência dos elementos de um fluido em um conduto, todos os três momentos devem ser determinados. 2.2 Multicanal e relógio eletrônico Os arranjos instrumentais utilizados para medidas dos tempos de trânsito médio e concentração do traçador radioativo no riser do modelo a Universidade Católica de Pernambuco

3 Revista Química & Tecnologia frio constaram basicamente de dois detectores de radiação: um analisador multicanal e um relógio eletrônico. O riser do modelo a frio, confeccionado em vidro, tem diâmetro interno de,18 m e 1,46m de comprimento. O analisador registrou os picos de concentração (atividade) provocados pelas passagens do traçador em frente aos pontos onde os detectores foram posicionados. As imagens dos picos no vídeo do multicanal forneceram condições para cálculo do tempo de trânsito médio do traçador com auxílio da correlação: t = k n (4), onde t é o tempo de trânsito médio do traçador em segundos, k é a constante de velocidade de foco do analisador em s/canal e n é o número de canais percorridos pelo foco. Dois tipos de pontos característicos dos picos foram utilizados: pontos de máximo e centros de massa. Na determinação do tempo de trânsito, o relógio eletrônico é acionado com o aumento do nível de radiação em frente aos detectores. A passagem do traçador radioativo em frente ao primeiro detector aciona a contagem do tempo. O relógio pára essa contagem com a passagem do traçador em frente ao segundo detector. 2.3 Estratégia de comparação Uma vez que a aplicação de cada um dos três métodos de determinação do tempo de trânsito requer condições experimentais específicas, tornase difícil a comparação simultânea das características dos três métodos, utilizando-se um mesmo conjunto de dados. O método do momento da RTD não pode ser aplicado para determinação do tempo de trânsito a partir de dados provenientes da monitoração de um traçador que não sofra dispersão axial entre os detectores utilizados na sua monitoração. O cálculo da distribuição dos tempos de residência baseia-se no perfil axial das velocidades dos elementos do fluido e, portanto, o valor obtido a partir de um traçador não-dispersivo não corresponde à velocidade real do fluxo da mistura. Dessa forma, os dados experimentais apresentados em Dantas et al. (2), onde o traçador radioativo foi encapsulado, não poderiam ser utilizados para comparação de qualquer método com o método dos momentos. Por outro lado, o traçador não-dispersivo oferece uma condição adequada à comparação entre os métodos do relógio eletrônico e da diferença entre pontos característicos dos picos. Produz picos de formatos bem definidos, dando origem a um conjunto de dados com boa precisão. 3 Resultados e discussão Os dados relativos às concentrações do traçador radioativo não-dispersivo registrados pelo analisador multicanal foram utilizados pelo programa computacional na determinação de tempos de trânsito. Nos experimentos envolvendo medidas simultâneas com o relógio eletrônico e o analisador multicanal, os detectores foram posicionados a,4 m da base do riser e distanciados, entre si, de,85m. Foram obtidos três pares de picos semelhantes ao mostrado pela Figura 1, cuja característica básica foi a mesma largura para ambos os picos. A mesma amplitude para os picos, mesmo com o uso de detectores de diferentes eficiências, foi obtida, expressando-se os valores de concentração em termos das percentagens relativas à amplitude máxima de atividade detectada. Os valores de tempo de trânsito obtidos dos picos registrados pelo analisador multicanal foram calculados por meio de duas diferentes maneiras: pela diferença entre os tempos relativos aos pontos de máximo e pela diferença entre os tempos relativos aos centros de massa. A Tabela 1 relaciona os tempos de trânsito determinados com auxílio do relógio eletrônico e do analisador multicanal. A comparação entre os diferentes métodos de cálculo do tempo de trânsito foi realizada com auxílio dos parâmetros estatísticos definidos como desvio relativo ( E 1), desvio absoluto ( E 2 ) e desvio-padrão ( E 3 ), conforme Tannous, Hemati e Laguerie (1996). A Tabela 2 apresenta os valores para esses desvios com relação ao tempo de trânsi- Ano 2 - nº 1 - jan./jun

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