ESTUDO DE UM SISTEMA DE TRATAMENTO DE EFLUENTES GASOSOS

ESTUDO DE UM SISTEMA DE TRATAMENTO DE EFLUENTES GASOSOS Eusébio Zeferino Encarnação da Conceição 1, João Manuel Martins Gomes 2 e Daniel Rui de Brito Geraldo 3 1: Faculdade de Ciências e Tecnologia Universidade do Algarve 8005-139 Faro, Portugal e-mail: econcei@ualg.pt, web: http://w3.ualg.pt/~econcei/ 2: Faculdade de Ciências e Tecnologia Universidade do Algarve 8005-139 Faro, Portugal e-mail: jgomes@ualg.pt 3: Faculdade de Ciências e Tecnologia Universidade do Algarve 8005-139 Faro, Portugal e-mail: drgeraldo@ualg.pt 1

Resumo Neste trabalho foi efetuado um estudo do escoamento no interior de um sistema de tratamento de efluentes gasosos. Este estudo foi efetuado quer a partir de técnicas experimentais, quer a partir de modelos numéricos. Neste sistema de tratamento, os efluentes gasosos, provenientes da combustão em fábricas, são sujeitos a um processo de lavagem seguido de um processo de secagem. Na lavagem do efluente uma parte das partículas em suspensão é decantada juntamente com a água, enquanto na secagem a outra parte é retida. Neste sistema de tratamento as partículas em suspensão são transportadas, sob forma de efluente líquido, para um sistema de tratamento de águas residuais, enquanto o efluente gasoso limpo é lançado para a atmosfera. O estudo experimental foi efetuado no sistema de secagem de tratamento de efluentes gasosos constituído por deflectores em ziguezague e deflectores semicirculares, construídos em aço inox, colocados no interior de um módulo experimental construído em perspex. Neste estudo foram aplicadas técnicas experimentais de medição do campo de velocidade do ar e de visualização experimental do escoamento. Na medição do campo de velocidade do ar foi utilizado a técnica de fio quente. Na visualização foi caracterizado o campo médio do escoamento a partir da técnica de introdução de fumo controlado. Neste teste foram efetuadas aquisições de imagens da topologia do escoamento do fumo, com elevada taxa de aquisição. No estudo numérico foi utilizado um modelo de simulação do escoamento turbulento com transmissão de calor e massa. Nesta simulação, utilizando vários modelos de turbulência, os resultados obtidos numericamente foram comparados com os valores obtidos experimentalmente no módulo equipado com o sistema de deflectores. Depois do modelo ter sido validado, com sucesso, foi utilizado no estudo do escoamento no interior dos deflectores utilizados nos ensaios experimentais. De acordo com os resultados obtidos foi possível constatar que o escoamento no interior do sistema de secagem de tratamento de efluentes gasosos apresenta maiores valores da velocidade do ar no interior do sistema de deflectores em ziguezague e menores valores de velocidades do ar no interior do sistema de deflectores semicirculares, onde é efetivamente efetuada a secagem. Os valores das velocidades do ar no sistema de deflectores semicirculares podem ser controlados, quer em função do caudal de efluente de entrada, quer em função do afastamento entre os sistemas de deflectores em ziguezague. Palavras chave: Escoamento interno; Deflectores semicirculares e em ziguezague; Flutuações da velocidade do ar; Espectro de potência da velocidade do ar. 2

1. INTRODUÇÃO Os sistemas de tratamento de efluentes gasosos por impacto são dos mais eficientes usados na separação do fluido líquido e das partículas de um fluido gasoso. Nestes sistemas, a eficiência desta separação depende essencialmente da velocidade do fluido, do espaçamento entre os deflectores bem como do ângulo que os deflectores fazem entre si [1]. Este tipo de separadores conseguem remover eficientemente os elementos líquidos e partículas transportados num fluido, normalmente, por choque inercial [2]. Neste tipo de sistemas, os deflectores com o formato em ziguezague provocam um movimento ziguezagueante do fluido entre as placas que os constituem. As gotas líquidas não conseguem seguir as mudanças bruscas de direção provocadas por estas placas devido à sua inércia relativamente elevada. Assim, estas gotas colidem, aderem às superfícies sólidas, fundem-se e, quando a quantidade do líquido é suficientemente elevada, formam uma película que é drenada por gravidade [1], [2], [3] e [4]. As partículas, por sua vez, aderentes ao líquido, são transportadas juntamente com o líquido. A inércia das gotas e o fluxo do fluido controlam o movimento das gotas através das passagens em ziguezague. A eficiência do sistema depende dos desvios do fluido que conseguem centrifugar as gotas para fora do fluxo. Também são importantes o tamanho da gota, o espaçamento entre as placas, o ângulo entre as suas arestas bem como as propriedades do fluído [2]. Este artigo apresenta o estudo experimental e numérico desenvolvido num sistema de tratamento de efluentes gasosos constituído por um conjunto de deflectores em ziguezague e semicirculares (onde se irá processar o tratamento do efluente gasoso) construídos em aço inox. De acordo com estudos anteriores [5] e [6], verificou-se que os deflectores em ziguezague são responsáveis pelo modo como se processa o tratamento dentro dos deflectores semicirculares e o seu desempenho. As flutuações da velocidade do ar são medidas dentro dos deflectores semicirculares utilizando um sensor de velocidade, cujo princípio de funcionamento tem por base a anemometria de fio quente. As medições das flutuações da velocidade do ar são usadas para avaliar a velocidade do ar média, o desvio quadrático médio da velocidade do ar e a intensidade de turbulência da velocidade do ar. As frequências equivalentes das flutuações da velocidade ar e as frequências de flutuação da velocidade do ar dentro dos deflectores semicirculares e entre os deflectores em ziguezague são detalhadamente analisadas para avaliar o seu grau de desempenho. Na avaliação das frequências equivalentes das flutuações da velocidade é usada uma expressão analítica, apresentada em [7] e [8], e na avaliação das frequências de flutuação da velocidade do ar são utilizados os seus espectros de potência. 3

De modo a caracterizar a topologia do escoamento são efetuados ensaios de visualização e de cálculo numérico. Os ensaios de visualização são efetuados sem e com o recurso de um equipamento laser, uma mesa de mistura (que controla o equipamento laser, propriamente dito) e uma máquina de fumo. Os ensaios numéricos são realizados com recurso a um programa de simulação do escoamento turbulento com transmissão de calor e massa. 2. DESCRIÇÃO DA MONTAGEM EXPERIMENTAL Na medição das flutuações da velocidade do ar e na visualização do escoamento sem o recurso de um equipamento laser é utilizado um sistema de deflectores construído em aço inox, enquanto na visualização do escoamento com o recurso de um equipamento laser é utilizado um sistema de deflectores construído em perspex (ver figura 1a). No teste realizado, considera-se uma velocidade do ar de admissão de 1,185 m/s, na medição do campo da flutuação da velocidade do ar, e são efetuadas medições em 72 pontos (ver figura 1b). No teste realizado para caracterizar a topologia do escoamento, com o recurso de um equipamento laser, a velocidade do ar de admissão foi de 0,7 m/s, enquanto que sem o recurso de um equipamento laser, as velocidades do ar de admissão foram de 0,7 m/s, 1,185 m/s e 1,546 m/s. Nos testes numéricos a velocidade do ar de admissão foi de 0,7 e 1,546 m/s. No ensaio experimental é utilizado um sensor de anemometria de fio quente ligado a um sistema de aquisição de dados PXI, com uma taxa de aquisição de 1000 pontos por segundo. Os valores de tensão obtidos são convertidos para os respetivos valores da velocidade de ar recorrendo à fórmula de King [9]. As flutuações da velocidade do ar são medidas à entrada (1, 2, 37 e 38), entre os deflectores em ziguezague (3, 4, 8, 9, 10, 14, 15, 16, 20, 21, 22, 26, 27, 28, 32, 33, 34, 39, 40, 44, 45, 46, 50, 51, 52, 56, 57, 58, 62, 63, 64, 68, 69 e 70), entre os deflectores semicirculares (5, 6, 7, 11, 12, 13, 17, 18, 19, 23, 24, 25, 29, 30, 31, 41, 42, 43, 47, 48, 49, 53, 54, 55, 59, 60, 61, 65, 66 e 67) e à saída (35, 36, 71 e 72). 4

a) b) Figura 1 Montagem experimental utilizada nas medições. a) Localização dos deflectores na montagem experimental e b) localização dos 72 pontos de medição ao longo do sistema de tratamento (esquema baseado na US Patent Design n.º 373,625). Os valores dos parâmetros ambientais medidos à entrada do sistema de tratamento são 1,185 m/s para a velocidade do ar, 22,2 C para a temperatura do ar, 1,35% para a intensidade de turbulência do ar e 47% para a humidade relativa do ar. 3. APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS Nesta secção são apresentados a topologia do escoamento, o campo da velocidade do ar, o campo do desvio quadrático médio da velocidade do ar, o campo da intensidade de turbulência da velocidade do ar, o campo das frequências equivalentes das flutuações da velocidade do ar, o campo das frequências de flutuação da velocidade do ar e o perfil da velocidade do ar obtido numericamente em três planos. Os resultados apresentados em [5] e [6] estão associados à linha superior do sistema de deflectores, enquanto os resultados apresentados no presente artigo estão associados à linha inferior do sistema de deflectores apresentado na figura 1. 5

3.1. Topologia do escoamento Os ensaios de visualização da topologia do escoamento foram efetuados sem e com o recurso de um equipamento laser, a uma mesa de mistura, que controla o equipamento laser e uma máquina de fumo. Na figura 2 pode-se observar a topologia do escoamento e a localização do centro dos vórtices formados no deflector semicircular na linha inferior do sistema de deflectores, sem o recurso de um equipamento laser. a) b) c) Figura 2 Localização do centro dos vórtices no deflector semicircular da linha inferior do sistema de tratamento de gases de efluentes gasosos para três velocidades: a) 0,7 m/s, b) 1,185 m/s e c) 1,546 m/s. De acordo com os resultados obtidos, verifica-se que o centro dos vórtices não sofre grandes alterações em função da velocidade do ar na entrada dos sistemas de deflectores. Na figura 3 é apresentada uma sucessão de nove imagens no primeiro deflector semicircular, com o recurso de um equipamento laser. Estas sucessões de imagens estão associadas à formação dos dois vórtices existentes no interior do deflector semicircular e pretendem caracterizar detalhadamente a metodologia subjacente à formação desses mesmos vórtices. 6

1 2 3 4 5 6 7 8 9 Figura 3 - Sequência de nove imagens no primeiro deflector semicircular para uma velocidade de 0,70 m/s, com o recurso de um equipamento laser. De acordo com as imagens obtidas, pode-se observar que o fluido na entrada do deflector semicircular forma dois vórtices, que ficam a rodar em sentidos contrários. Um vórtice superior em contacto com a zona de entrada e um vórtice inferior sem contacto direto com a referida zona. 3.2. Velocidade do ar Na figura 4 é apresentada a velocidade do ar, V, dentro dos deflectores semicirculares, medido experimentalmente em 15 pontos, para uma velocidade do ar à entrada de 1,185 m/s. Esta figura inclui também as flutuações da velocidade do ar. De acordo com os resultados obtidos é possível concluir que os valores do campo de velocidade do ar são maiores no terceiro (virado para cima) e no quarto (virado para baixo) deflectores semicirculares do que nos restantes. As flutuações da velocidade do ar apresentam valores mais elevados à entrada dos segundo, terceiro e quarto deflectores semicirculares comparativamente aos valores obtidos no seu interior. 7

Figura 4 Campo da velocidade do ar, V, no interior dos deflectores semicirculares. 3.3. Desvio quadrático médio da velocidade do ar Na figura 5 é apresentado o desvio quadrático médio da velocidade do ar, RMS, dentro dos deflectores semicirculares, medido experimentalmente em 15 pontos diferentes, para uma velocidade do ar à entrada de 1,185 m/s. Figura 5 Desvio quadrático médio da velocidade do ar, RMS, no interior dos deflectores semicirculares. 8

De acordo com os resultados obtidos é possível concluir que: Os valores do desvio quadrático médio da velocidade do ar são maiores no terceiro deflector semicircular; Os valores do desvio quadrático médio da velocidade do ar aumentam significativamente entre o primeiro e o terceiro deflector semicircular, e a partir deste último decrescem ligeiramente, de uma forma geral, até ao último deflector semicircular; De um modo geral, o desvio quadrático médio da velocidade do ar em cada deflector semicircular é maior no ponto situado na entrada. 3.4. Intensidade de turbulência da velocidade do ar Na figura 6 é apresentado o campo da intensidade de turbulência da velocidade do ar, It, dentro dos deflectores semicirculares, medido experimentalmente em 15 pontos diferentes, para uma velocidade do ar à entrada de 1,185 m/s. Figura 6 Campo da intensidade de turbulência do ar, It, no interior dos deflectores semicirculares. De acordo com os resultados obtidos é possível concluir que: O valor da intensidade de turbulência da velocidade do ar apresenta os maiores valores no primeiro deflector semicircular; O comportamento da intensidade de turbulência da velocidade do ar no interior dos deflectores semicirculares não apresenta um padrão definido: no primeiro, segundo e terceiro deflectores é maior no ponto interior junto à curvatura do deflector, no quarto deflector e maior à sua entrada e no quinto deflector é maior no ponto mais interior. 9

3.5. Frequências equivalentes das flutuações da velocidade do ar Na figura 7 é apresentado o campo das frequências equivalentes das flutuações da velocidade do ar, fe, dentro dos deflectores semicirculares, medido experimentalmente em 15 pontos diferentes, para uma velocidade do ar à entrada de 1,185 m/s. Figura 7 Campo das frequências equivalentes das flutuações da velocidade do ar, fe, no interior dos deflectores semicirculares. De acordo com os resultados obtidos é possível concluir que: O maior valor da frequência equivalente das flutuações da velocidade do ar ocorre, para os primeiro, terceiro e quinto deflectores, na sua curvatura; Os valores das frequências equivalentes das flutuações da velocidade do ar são muito semelhantes em todos os deflectores semicirculares; no entanto, no primeiro deflector há um valor que é nitidamente superior aos restantes, obtido junto à sua curvatura inferior. 3.6. Frequências das flutuações da velocidade do ar Nesta secção são avaliados os espectros de potência no interior dos deflectores semicirculares, obtidos nos 15 pontos de medida, e entre os deflectores em ziguezague, obtidos nos restantes pontos de medição, para uma velocidade do ar à entrada de 1,185 m/s. As figuras 8 apresentam os espectros de potência obtidos na entrada da linha inferior do sistema de tratamento (a), no interior do segundo deflector semicircular (b), no interior do segundo deflector em ziguezague (c) e à saída da linha inferior sistema de tratamento (d). 10

Na figura apresentada, o eixo das abcissas representa as frequências das flutuações da velocidade do ar, f, em Hz, e o eixo das ordenadas representa o valor adimensional da energia, φ. a) b) c) d) Figura 8 Espectro de potência na linha inferior de tratamento, a) à entrada do sistema de tratamento, b) no segundo deflector semicircular, c) no segundo deflector em ziguezague e d) à saída do sistema de tratamento. De acordo com os resultados obtidos é possível concluir que: Nas baixas frequências, o deflector em ziguezague é mais energético do que o deflector semicircular, enquanto nas altas frequências a energia é muito semelhante; A energia à saída do sistema de tratamento é muito maior do que à sua entrada. 3.7. Perfis de velocidade do ar Na figura 9 pode ser observada a localização dos planos dos perfis da velocidade do ar analisados, para uma velocidade do ar à entrada de 0,7 e 1,546 m/s. São ainda analisados três afastamentos dos deflectores em ziguezague, nomeadamente, 5, 10 e 15 mm. O perfil de velocidade do ar no plano 1 está representado na figura 10, o perfil de velocidade do ar no plano 2 está representado na figura 11 e o perfil de velocidade do ar no plano 3 está representado na figura 12. 11

Figura 9 - Localização dos planos dos perfis de velocidade do ar analisados numericamente relativamente ao desenho baseado no módulo à escala reduzida. a) b) Figura 10 - Perfil de velocidade do ar no plano 1, para uma velocidade do ar de, a) 0,7 e b) 1,546 m/s. a) b) Figura 11 - Perfil de velocidade do ar no plano 2, para uma velocidade do ar de, a) 0,7 e b) 1,546 m/s. 12

a) b) Figura 12 - Perfil de velocidade do ar no plano 3, para uma velocidade do ar de, a) 0,7 e b) 1,546 m/s. Relativamente ao perfil da velocidade do ar, verifica-se que: Para a velocidade do ar na entrada de 0,7 m/s, o valor da velocidade do ar entre os deflectores em ziguezague é maior para um afastamento entre os deflectores em ziguezague de 5 mm (para o perfil 3) e de 10 mm (para os perfis 1 e 2); Para a velocidade do ar na entrada de 1,546 m/s, o valor da velocidade do ar entre os deflectores em ziguezague é maior para um afastamento entre deflectores em ziguezague de 10 mm para os três perfis estudados; No interior dos deflectores semicirculares, o valor da velocidade do ar é maior para um afastamento entre deflectores em ziguezague de 15 mm (para o perfil 1) e de 5 mm (para o perfil 3); no entanto para o perfil 2 não é possível tirar conclusões objetivas devido ao facto de existir uma pequena variação da velocidade do ar. 4. CONCLUSÕES Neste estudo é analisado o escoamento no interior de um sistema de tratamento de efluentes gasosos. Os resultados de visualização são usados na caracterização pormenorizada da topologia do escoamento. As medições das flutuações da velocidade do ar são usadas para avaliar a velocidade do ar, o desvio quadrático médio da velocidade do ar, a intensidade de turbulência da velocidade do ar, as frequências equivalentes das flutuações da velocidade do ar e as frequências de flutuação da velocidade do ar dentro dos deflectores semicirculares. Os resultados numéricos são usados na caracterização dos perfis de velocidade no interior do sistema de deflectores. De acordo com os resultados obtidos, verifica-se que para a topologia do escoamento, sem o recurso de um equipamento laser, a formação do centro 13

dos vórtices não se altera em função da velocidade do ar. Relativamente aos resultados da topologia do escoamento, com o recurso de um equipamento laser, conclui-se que existe no interior do deflector semicircular a formação de dois vórtices que rodam em sentidos contrários. De acordo com os resultados obtidos é possível concluir que, em geral, os valores da velocidade do ar e do desvio quadrático médio da velocidade do ar crescem do primeiro até ao terceiro deflector semicircular, atingem um máximo no terceiro deflector semicircular e decrescem a partir do terceiro deflector semicircular até ao final. Os valores da intensidade de turbulência da velocidade do ar e das frequências equivalentes das flutuações da velocidade ar são mais elevados no primeiro deflector semicircular, decrescendo ligeiramente ao longo do sistema de tratamento. A análise dos espectros de potência determinados para pontos à entrada, à saída, no segundo deflector semicircular e no segundo deflector em ziguezague permite concluir que o deflector em ziguezague é mais energético do que o deflector semicircular e que a saída do sistema é mais energética do que a entrada. Relativamente aos perfis da velocidade do ar, conclui-se que para uma velocidade do ar de 0,7 m/s à entrada do sistema, o valor da velocidade do ar entre os deflectores em ziguezague é maior para um afastamento entre os deflectores em ziguezague de 5 mm (para o perfil 3) e de 10 mm (para os perfis 1 e 2). Para a velocidade do ar de 1,546 m/s à entrada do sistema de tratamento, o valor da velocidade do ar entre os deflector em ziguezague é maior para um afastamento de 10 mm entre deflectores em ziguezague para todos os perfis estudados. 5. AGRADECIMENTOS Este estudo foi desenvolvido através de um projecto financiado pelo QREN e pelas empresas ELECTROLAGOS e CLEARWINDS. A montagem experimental foi concebida (US Patent Design n.º 373,625) e implementada pelo Sr. Manuel Pereira, a qual os autores agradecem. Os autores agradecem igualmente a colaboração do Sr. Camilo Portela nos ensaios experimentais efectuados. 6. REFERÊNCIAS [1] Narimani, E., Shahhoseini, S. (2011). Optimization of Vane Mist Eliminators, Applied Thermal Engineering, 31:188-193, 2011. [2] Azzopardi, B., Sanaullah, K. (2002). Re-entrainment in Wave-plate Mist Eliminators, Chemical Engineering Science, 57:3557-3563, 2002. 14

[3] Galleti, C., Brunazzi, E., Tognotti, L. (2008). A Numerical Model for Gas Flow and Droplet Motion in Wave-plate Mist Eliminators With Drainage Channels, Chemical Engineering Science, 63:5639-5652, 2008. [4] James P., Azzopardi, B., Wang, Y., Hughes, J. (2005). A model for Liquid Film Flow and Separation in a Wave-plate Mist Eliminator, Chemical Engineering Research and Design, 83:469-477, 2005. [5] Conceição, E., Gomes, J. e Geraldo, D. Estudo do Escoamento no Interior de um sistema de Tratamento de Efluentes Gasosos, VI Encontro Nacional do Colégio de Engenharia Mecânica, Coimbra, Portugal, 1 a 3 de Março de 2012. [6] Conceição, E., Gomes, J. e Geraldo, D. Airflow Inside a Vane Separator ZigZag Deflectors, 8th IASME/WSEAS International Conference on ENERGY, ENVIRONMENT, ECOSYSTEMS & SUSTAINABLE DEVELOPMENT, Faro, Portugal, 2 a 4 de Maio de 2012. [7] Zhou, G., Melikov, A. (2002). Equivalent frequency A New Parameter for Description of Frequency Characteristics of Airflow Fluctuations, Proceedings of the eighth International Conference on Air Distribution in Rooms, Roomvent 2002, Copenhagen, Denmark, 2002. [8] Zhou, G., Melikov, A., Fanger, P. (2002). Impact of Equivalent Frequency on the Sensation of Draught, Proceedings of the eighth International Conference on Air Distribution in Rooms, Roomvent 2002, Copenhagen, Denmark, 2002. [9] Eguti, C. (2005). Desenvolvimento de um circuito eletrónico experimental de anemómetro de fio quente. Dissertação de Mestrado, Universidade Estadual Paulista (Brasil). 15