comportamento dinamico de volÁteis no interior de recipientes retangulares.pdf

8/13/2019 COMPORTAMENTO DINAMICO DE VOLTEIS NO INTERIOR DE RECIPIENTES RETANGULARES.pdf

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COMPORTAMENTO DINMICO DEMISTURAS VOLTEIS EM RECIPI-

ENTES RETANGULARES


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---- Dr. Georges Kaskantzis Neto ----

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12.1. COMPORTAMENTO DINMICO DOS VAPORES

Nesta seo encontram-se apresentados os resultados de simu-

laes do comportamento dinmico dos produtos formados pelas reaes

incompatveis no interior de recipientes retangulares. A simulao do com-

portamento dinmico dos produtos volteis formados nas reaes foi reali-

zada com um programa de simulao fluidodinmica chamado CONSOL.

O objetivo desta etapa foi avaliar o regime dos escoamentos das

misturas de volteis visando a investigao dos mecanismos de transfern-

cia de calor os quais determinam a temperatura de sada dos vapores txi-

cos a partir do interior dos recipientes retangulares.

Na TABELA 47, podem ser observados os valores das variveis

das equao (1) e (2), as quais definem o tipo de mecanismo da conveco

de calor e do transporte de quantidade de momentum.

A partir dos valores descritos na citada tabela determinaram-se

os valores mdios dos coeficientes de transporte de calor e massa, os quais

foram posteriormente substitudos nas equaes diferenciais tendo sido ob-

tido os resultados, a saber.

Na TABELA 48 apresentam-se as variveis requeridas pelas eq.

(1) e (2), as quais foram determinadas a partir dos resultados do equilbrio

termodinmico de fases dos txicos formados pelas reaes incompatveis.

importante citar que no conjunto dos valores apresentados na

TABELA 2 esto includos os valores da condio inicial visando a verifica-

o da realidade fsica dos fenmenos investigados


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TABELA 47. VARIVEIS TERMODINMICAS ADOTADAS PARA CALCULAR OS NME-ROS ADIMENSIONAIS DE GRASHOF E DE REYNOLDS.

PAR METROS R3 R4 R5 R1 Mdia

FASE Vapor Vapor Vapor Vapor Vapor

HCN 0.1647 0.1532 0.1667 0.2500 0.1836

CO2 0.5765 0.6171 0.5833 0.1875 0.4911

H2S 0.2588 0.2297 0.2500 0.2234 0.2405

Total (moles) 2.5500 2.6640 2.4000 3.5040 2.7795

Z (Fugacidade) 0.9957 0.9919 1.0000 0.9867 0.9936

Mass molecular 29.4197 39.1277 38.6969 40.2311 36.8689

Vol. molar (m3/mol) 2.33E-02 2.32E-02 2.34E-02 2.31E-02 2.33E-02

H (J/mol) -377.71 -450.36 -395.67 -511.83 -433.89

S (J/mol/K) 6.58 6.03 6.45 10.88 7.48U (J/mol) -2754.88 -2818.41 -2783.16 -2867.62 -2806.02

G (J/mol) -2267.38 -2181.16 -2248.85 -3635.12 -2583.13

Cp ((J/mol/K) 31.658 36.144 35.777 37.864 35.361

Cv (J/mol/K) 23.199 27.585 27.463 29.047 26.823

Fat. Compresso (1/bar) 9.83E-01 9.88E-01 9.79E-01 9.93E-01 9.86E-01

Fator de Expanso (1/K) 3.53E-03 3.56E-03 3.48E-03 3.63E-03 3.55E-03

Viscosidade (Pa s) 1.34E-05 1.24E-05 1.22E-05 1.07E-05 1.22E-05

Cond. trmica (W/m/K) 1.92E-02 1.46E-02 1.45E-02 1.39E-02 1.56E-02

Quando a velocidade do escoamento nula no existe vazo, e,

por consequncia a taxa da emisso dos vapores aproximadamente igual

a taxa de volatilizao destes, a partir do interior do recipiente retangular.

Substituindo as variveis em questo na eq. (1), obtm-se

gT

u L=9.8 3,55 10 5

(4,72 10)

1,16

=0,17395

1,921 10= 90,57

Gr =gTL

=9,8 3,55 10 5 1,16

(1,59 10)=

0,27152

2,528 10= 1,074 10


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TABELA 48. VARIVEIS DERIVADAS DOS RESULTADOS DO EQUILBRIO LQUIDO-VAPOR DOS PRODUTOS DAS REAES.

ID Massa vapor (g) Mols vapor Tempo (s) G (g/s) V (m3) Vazo (m3/s) Velocidade (m/s)

0.00 0.00 0.00 0.0000 0.00E+00 0.00E+00 0.00E+00

R3SULFATO B DE CROMO CO2(g) 1.47 0.03 10.80 0.1361 7.78E-04 7.21E-05 3.56E-02

R1VL 6141 CO2(g) 3.82 0.09 10.80 0.3540 2.18E-03 2.02E-04 9.95E-02

R2CIDO FRMICO H2O(g) 9.38 0.04 25.48 0.3683 9.80E-04 3.85E-05 1.90E-02

R5 - BISSULFITO DE SDIO HNCO(g) 7.81 0.20 42.89 0.1820 4.68E-03 1.09E-04 5.39E-02

R5 - BISSULFITO DE SDIO HCN(g) 5.41 0.20 52.97 0.1021 4.68E-03 8.84E-05 4.36E-02

R2CIDO FRMICO HCN(g) 9.38 0.24 52.97 0.1771 5.54E-03 1.05E-04 5.16E-02

R2CIDO FRMICO COS(g) 18.76 0.48 90.00 0.2085 1.11E-02 1.24E-04 6.10E-02

R2CIDO FRMICO H2S(g) 18.76 0.47 108.15 0.1735 1.09E-02 1.01E-04 4.99E-02

R5 - BISSULFITO DE SDIO H2S(g) 23.42 0.60 133.06 0.1760 1.40E-02 1.06E-04 5.21E-02

R1VL 6144 H2S(g) 26.67 0.66 151.56 0.1760 1.52E-02 1.00E-04 4.95E-02

R1VL 6143 HNCO(g) 35.60 0.88 195.62 0.1820 2.03E-02 1.04E-04 5.12E-02

Mdia 13.37 0.32 7.29E+01 1.86E-01 7.53E-03 9.57E-05 4.72E-02

Legenda: G vazo mssica; V volume do vapor; ID identificao do composto.


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Analisando os resultados das equao (1) e (2), pode-se verificar

que o mecanismo de transporte de calor envolvido no cenrio a convec-

o natural e o regime dos escoamento dos vapores txicos o turbulento.

Uma vez identificados os mecanismos de transferncia de calor

e quantidade de movimento, inicialmente determinaram-se os perfis das ve-

locidades, da presso e da temperatura empregando o sistema de coorde-

nadas cartesiano bidimensional, tendo sido obtido os resultados, a saber.

Os resultados apresentados na prximas figuras so referentes

a reao do TCMTB com o VL. A condio adotada para o equilbrio lquido-

vapor dos produtos formados pela citada reao foi aquela que se encontra

indicada na TABELA 47. Nesta condio de temperatura e presso o com-

portamento transiente bidimensional dos vapores no interior dos recipientes

retangulares similar aqueles apresentados nas FIGURAS 38 - 40.

Observando a FIGURA 38 pode-se notar que a velocidade de es-

coamento dos txicos produzidos pela reao do TCMTB com os resduos

do produto comercial VL variou entre 0,5 a 3,0 m/s, especificamente na sa-

da dp orifcio situados no topo do container. Observa-se que as linhas de

corrente destacadas com a cor azul ao se aproximarem do orifcio de sada

do recipiente retangular formaram turbilhes.

Com a execuo das simulaes do comportamento dos vapores

txicos no interior do container verificaram-se as hipteses adotadas a res-

peito do regime de escoamento dos compostos volteis no interior e na sa-

da do recipiente retangular.


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FIGURA 38. DETALHE DAS LINHAS DE CORRENTE DO ESCOAMENTO DOSVAPORES FORMADOS NO FUNDO DO RECIPIENTE. OS VETORES DE CORVERMELHA INDICAM O CAMINHO PREFENCIAL DO MOVIMENTOS DOS VA-PORES NO INTERIOR DOS CONTAINERS.

TURBILHO


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FIGURA 39. MOISAICO DE IMAGENS INDICANDO O COMPORTAMENTO DOS VA-PORES LOCALIZADOS NO FUNDO DO CONTAINER ONDE, SUPOSTAMENTE ASREAES INCOMPATVEIS SE DESENVOLVERAM. EM RAZO DA MAIOR TEM-PERATURA DO FUNDO DO TANQUE DECORRENTE DA LIBERAO DE CALORDA REAO NOTA-SE A FORMAES DE REDEMOINHOS OS QUAIS DEPOIS

DE FORMADOS DE DESLOCARAM PARA AS CAMADAS SUPERIORES DO TAN-QUE DEVIDO A DIFERENA DA DENSIDADE ENTRE AS CAMADAS DE FLUIDO.

A proximidade da fonte geradora de calor provoca a transferncia

dos vapores txicos a partir do fundo do recipiente para o ambiente exterior.

Quando da passagem dos vapores pela tampa superior do container obser-

vou-se a acelerao destes devido reduo da seo do escoamento.

Na segunda etapa de simulao do comportamento dinmico dos

vapores txicos foram desenvolvidas novas simulaes adotando o sistema

cartesiano tridimensional de coordenadas. Estes resultados das simulaes

tridimensionais encontra-se apresentado, a seguir.


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FIGURA 40. NA PRIMEIRA IMAGEM DO MOISAICO SE PODE OBSERVAR O SO-BREAQUECIMENTO DO FUNDO DO TANQUE DECORRENTE DA ENERGIA LIBE-RADA NA REO DO TMCTB COM OS RESDUOS EFLUENTES. NA SEGUNDAIMAGEM PODE-SE OBSERVAR O PERFIL DA VELOCIDADE DE ESCOAMENTODO FLUIDO NO INTERIOR DO CONTAINER, A REGIO DESTACADA COM A CORVERMELHA AQUELE ONDE O FLUIDO TEM A MAIOR VELOCIDADE DE ESCO-AMENTO PELO FATO DESTA REGIO ESTAR MAIS AFASTADA DA PAREDE.

REGIO DE ALTATEMPERATURA


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Na segunda etapa de investigao do comportamento dinmico

dos vapores txicos nos recipientes as simulaes foram realizadas no sis-

tema cartesiano tridimensional. Os resultados das simulaes tridimensio-

nais encontram-se ilustrados apresentados, a seguir.

O novo conjunto de simulaes contemplou os campos de esco-

amento dos v os quais foram inclusos adotados no modelo do campos de

temperatura e concentrao dos vapores txicos, supostamente originados

dentro dos recipientes e no fundo da caixa de esgotos.

A partir dos resultados destas simulaes foram corroborados os

valores das temperaturas de sada dos vapores, tendo sido tambm deter-

minados os perfis das concentraes dos txicos no interior dos containers.

O tanque considerado nesta etapa contempla o orifcio da tampa do topo, a

vlvula de fundo, atravs da qual tambm pode ter escoado vapor txico.

O modelo adotado para desenvolver estas atividades foi aquele

proposto por BOUSSINESQ para o tensor de Reynolds includo na equao

da continuidade e na equao do movimento para o fluido incompressvel,

cujas expresses matemticas so as seguintes:

Observado o recipientes se pode perceber que existem distintas

possibilidades de escoamento dependendo dos casos que foram investiga-

dos. Os cenrios considerados foram o escoamento dos volteis a partir da

vlvula de fundo do recipiente, sem a entrada de ar no recipiente e a sada

dos txicos atravs do orifcio do topo; sem entrada de ar no tanque e sada


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dos vapores pela vlvula de fundo; com entrada de ar atmosfrico pelo ori-

fcio do topo ou pela vlvula, e sada dos vapores pelo orifcio oposto a

entrada do ar atmosfrico.

FIGURA 41. VISTA ESPACIAL DO CONTAINER ONDE SE PODE OBSERVAR OSORIFCIOS, OS QUAIS REPRESENTAM A TAMPA DE TOPO E A VLVULA DEFUNDO DO CONTAINER. NA FACE DO CONTAINER QUE EST EM CONTANTOCOM O SOLO, PODE-SE OBSERVAR O RETANGULO QUE REPRESENTA A RE-GIO ONDE, SUPOSTAMENTE OS REAGENTES INCOMPATVEIS SE COMBI-NARAM PARA FORMAR OS VAPORES TXICOS. OS PLANOS TRANSVERSAISQUE CORTAM O TANQUES SO NOSSOS TENDO SIDO ADOTADOS SEIS DES-TES PARA AVALIAR A DINMICA DA MOVIMENTAO DOS TXICOS NO TAN-QUE. A MANCHA COLORIDA SITUADA NO PLANO CENTRAL DO TANQUE ESTASSOCIADA A ESCALA DOS VALORES DA VELOCIDADE DE ENTRADA DO AR

NO CONTAINER. O TEMPO DE SIMULAO CORESPONDENTE AOS RESUL-TADOS APRESENTADO 72 SEGUNDO.


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FIGURA 42. MOISAICO DE IMAGENS DA MOVIMENTAO DOS VAPORESNO INTERIOR DO RECIEPIETES, ONDE, SUPOSTAMENTE FORAM OU TE-RIAM SIDO ORIGINADOS, NA OCASIO DO ACIDENTE. O TEMPO DA SIMU-LAO DOS RESULTADOS APRESENTADOS NESTA FIGURA FOI 72 SEGUN-DOS.


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FIGURA 43. NA PRIMERIA IMAGEM DESTA FIGURA PODEM SER OBSERVA-DOS O CAMPO DOS VETORES DAS VELOCIDADES DE SADA DOS VAPO-RES TXICOS A PARTIR DO INTERIOR DOS CONTAINERS. A SEGUNDA I-MAGEM APRESENTA OS PERFIS DOS VALORES DAS VELOCIDADES, ISTO, A LINHAS DE CORRENTES PELAS QUAIS OS ELEMENTOS FLUIDOS DES-

LOCAM-SE NO ESPAO AO LONGO DO TEMPO.

FIGURA 44. OS COMPORTAMENTOS DOS TXICOS SUPOSTAMENTE FOR-MADOS NA REAO DO TCMTB COM RESDUOS DO PRODUTO VL6410 EM


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FUNO DA TEMPERATURA E DA PRESSO DO SISTEMA ENCONTRAM-SEAPRESENTADOS, RESPECTIVAMENTE NA PRIMEIRA E SEGUDA IMAGENSDESTE MOSAICO. NA IMAGEM PODE-SE VERIFICAR QUE O VALOR MXIMODA TEMPERATURA DO SISTEMA FOI DA ORDEM DE 295,65K, ENQUANTO APRESSO VARIOU DE 1,08426 A 1,022 BAR.


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FIGURA 45. VALORES DAS CONCENTRAES DOS VAPORES EM FUNODA POSIO ESPACIAL E DO TEMPO DECORRIDO APS TEREM SIDO EMI-TIDOS PARA O AMBIENTE EXTERIOR AO CONTAINER. NA PRIMEIRA IMA-GEM PODEM SER OBSERVADOS OS PERFIS DA CONCENTRAO DA MIS-TURA DOS VAPORES, ENQUANTO, NO GRFICO SEGUINTE APRESENTA-

SE O PERFIL DE CONCENTRAO DO SULFETO DE HIDROGNIO.


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FIGURA46. PERFIS DE VELOCIDADE DA MISTURA DE VAPORES E DO N-MERO DE REYNOLS DO ESCOAMENTO, INDICANDO QUE PARA O TEMPO DESIMULO ADOTADO NESTA ETAPA, CUJA VALOR FOI 72S, OS CAMPOS DEVELOCIDADE E DO N DE REYNOLD NO ATINGIRAM O ESTADO DO REGIMEPERMANENTE, SIGNIFICANDO QUE ESSE TEMPO ADOTADO NO CONDIZ

COM A REALIDADE DESTE CENRIO.

CONSIDERAES

Tendo acabado a descrio do estudo do comportamento din-

mico das reaes e dos vapores que se originaram ou que poderiam se

originado na ocasio dos fatos, nesta seo apresentam-se as considera-

es pertinentes do perito do juzo a respeito dos resultados dessa etapa.

Com a organizao e o tratamentos dos vapores produzidos das

reaes foi possvel determinar os mecanismos de transporte de calor de-

terminados pelas reaes exotrmicas, e tambm o regime de escoamento

dos vapores, a partir do interior dos recipientes e do fundo da caixa de es-

gotos, onde supostamente teriam sido formados.


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O mecanismo do transporte de calor predominante no recipiente

foi a conveco, cujo gradiente de transporte est associado a diferena da

densidade que resulta do acmulo ou depleo da energia no sistema.

Quanto ao campo de escoamento dos vapores os resultados do

nmero de Grashof indicam que o regime de escoamento predominante no

interior dos containers foi o turbulento. Apesar do mecanismo da conveco

de calor no ter sido o forado, a quantidade de calor gerado pelas reaes

no interior do recipiente foi suficiente para originar, de modo aleatrio e com

significativa intensidade a movimentao das massas dos fluidos.

Para estudar o comportamento dinmico das reaes e produtos

foi necessrio calcular o equilbrio de fases liquido-vapor dos produtos for-

mados pelas reaes incompatveis dos resduos com o TCMTB.

As partir dos resultados do equilbrio lquido-vapor estimaram-se

o tempo mdio das emisses; as velocidades e as vazes mssicas, mola-

res e volumtricas. Alm destas foram tambm estimada, as condutivida-

des trmicas dos vapores, as capacidades calorficas do lquido e do vapor,

os coeficientes de compressibilidade expanso entre outros.

Para a mistura de vapores volteis analisados, nas condies de

temperatura e presso adotadas, o tempo mdio das emisses dos vapores

estimado foi 82,9s: a velocidade mdia dos vapores emitidos para o ambi-

ente foi 0,472 m s-1; as vazes volumtrica e mssicas mdias estimadas

foram 9,57E-05 m3s-1e 1.86E-01 (g s-1), respectivamente.


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Com a obteno destes parmetros foram realizadas as simula-

es, visando a investigao do comportamento de produtos volteis ori-

undos das reaes incompatveis, tendo sido verificado o comportamento

previsto teoricamente de todas as variveis supracitadas, com exceo da

temperatura, cujos resultados da simulao so um pouco maiores do que

aqueles os previstos pelo Perito, cerca de 6K.

Outro aspecto que tambm merece comentrio o fato do tempo

de simulao estimado (82 segundos), no ter sido suficiente para alcanar

o regime estacionrio, provavelmente, pelo fato do tempo mdio das emis-

ses ter sido estimado a partir dos valores do tempo de simulao, os quais

foram determinados sem considerar a influncia da mistura.

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