AVALIAO DA PERDA DE CARGA EM UM FILTRO GRANULAR EM

ESCALA DE BANCADA PARA REMOO DE PARTICULADOS ORIUNDOS

DA GASEIFICAO/COBUSTO DE CARVES

Letcia X. Corbini

1, Lucas P. Cavalcanti

1, Henrique B. Menegolla

1, Luiz Sobreiro

1, Bruno M. Wenzel

1,

Marcelo Godinho3, Celso B. Martins

1, Paulo S. Schneider

2, Nilson R. Marcilio

1

1 Departamento de Engenharia Qumica - Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS)

R. Eng. Luis Englert, s/n. Campus Central. CEP: 90040-040. Porto Alegre - RS - Brasil 2 Departamento de Engenharia Mecnica - Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS)

R. Sarmento Leite, 425. Campus Central. CEP:90050-170. Porto Alegre - RS - Brasil 3Departamento de Engenharia Qumica- Universidade de Caxias do Sul (UCS)

Rua Francisco Getlio Vargas, 1130- CEP 95070-560. Caxias do Sul - RS - Brasil

e-mail: {lcorbini, lucascav, henrique, sobreiro, bruno, nilson}@enq.ufrgs.br; mgodinho@ucs.br celsobbm@terra.com.br;

pss@mecanica.ufrgs.br

RESUMO Em sistemas (IGCC) de gerao de energia a partir de carvo mineral, um dos maiores problemas est na reteno de

particulados jusante da combusto e montante da turbina, para evitar incrustaes e minimizar as emisses atmosfricas de

poluente. Para a remoo destes gases e particulados mostrou-se conveniente a utilizao de tecnologias de remoo que no

utilizem gua como veculo, o que reduziria o impacto ambiental e os custos para o tratamento dos efluentes gerados. A

proposta deste trabalho consiste no estudo do modelo computacional (CFX 11.0), execuo e experimentao de um sistema

para remoo de material particulado a seco, composto de um filtro de leito granular em escala de bancada. Foram realizados

testes de perda de carga para a verificao da aplicabilidade futura do filtro em escala industrial, o que se mostrou ser possvel.

Os resultados experimentais de perda de carga, permeabilidade do leito e perfil de velocidade apresentaram concordncia com

resultados obtidos computacionalmente.

Palavras-Chave: IGCC, filtros granulares; leito fixo; filtrao de gases; perda de carga, CFD.

1. INTRODUO

O Brasil possui reservas significativas de carvo mineral mas apesar disso, este combustvel

representa apenas 6% da demanda total de energia no Pas. Esta baixa participao na matriz energtica

do Pas se deve s caractersticas do carvo presente no solo brasileiro, como o baixo poder calorfico,

elevado teor de cinzas e alto teor de enxofre. Apesar destas desvantagens, existem tecnologias

promissoras para a gerao de energia a partir do carvo, entre elas destaca-se o sistema integrado de

gaseificao e ciclo combinado (Integrated Gasification Combined Cycle System - IGCC). Neste ciclo

ocorre inicialmente a gaseificao do carvo e, posteriormente, a combusto dos gases em uma turbina. A

produo de energia pelo ciclo IGCC prescinde da remoo do material particulado e dos gases cidos em

regies de alta temperatura com a vantagem de no utilizar a gua como veculo, minimizando custos de

tratamento e impacto ambiental. O projeto que engloba este trabalho consiste na execuo e

experimentao de um sistema de remoo a seco de material particulado e gases cidos, provenientes da

combusto dos carves minerais, em escala laboratorial.

Sistemas de gerao de energia utilizados em termeltricas carvo, como o IGCC, requerem uma

remoo eficiente de partculas finas oriundas de altas temperaturas e altas presses de gs. A remoo

destas partculas um ponto crtico deste sistema, pois alm de proteger jusante do trocador de calor e

componentes da turbina a gs de incrustaes e da eroso, vai tambm ao encontro das exigncias

ambientais.

Existem diversas tcnicas para remoo de partculas em escoamento de gases altas temperaturas,

como ciclones, lavadores de gases, precipitadores eletrostticos, etc. Porm, para o caso de plantas

termoeltricas so utilizados, em sua maioria, filtros granulares de leito fixo ou mvel, devido alta

2

temperatura aplicada nestes processos (Yang e Zhou, 2007).

Alm disso, filtros granulares se mostram mais atrativos devido ao baixo custo de operao e

construo, confiabilidade em operao a altas temperaturas e com potencial para remoo simultnea de

slidos ou contaminantes durante a operao.

A maioria dos estudos experimentais com filtros granulares tem como objetivo avaliar a perda de

carga e formao da torta como, por exemplo, o estudo experimental realizado por Yang e Zhou (2007),

no qual um filtro granular de duas camadas (areia e perlita) foi utilizado a altas temperaturas e teve um

aumento de eficincia de coleta de 99,9% devido ao acmulo de torta na superfcie do meio filtrante.

Stanghelle et al. (2007) realizaram um estudo que investigou a limpeza de gases altas temperaturas

oriundos da gaseificao de biomassa utilizando tambm um filtro granular (leito constitudo de esferas

de xido de alumnio) e obtiveram resultados com baixa perda de carga e elevadas eficincias de remoo

de cinzas volantes.

Chen e Hsiau (2009) estudaram experimentalmente a formao e o crescimento da torta em um filtro

granular (acmulo de poeira na entrada do leito). Um sistema on-line de medida desenvolvido para

mensurar a espessura da torta, mostrou que uma elevada velocidade superficial de filtrao resulta em um

maior grau de compactao e maior resistncia especfica da torta, alm de uma reteno mais eficiente

das partculas menores. Este mesmo grupo de pesquisa avaliou a performance do escoamento de um leito

granular desenvolvido para testes a frio e demonstraram a eficincia de reteno desta tecnologia de

filtrao para diferentes velocidades e diferentes taxas mssicas de alimentao do leito, mas para

concentraes fixas de particulados.

Uma comparao completa de leitos granulares foi realizado por Colver et al. (2002) para melhorar o

desempenho do leito mvel e otimizar o desempenho do processo analisando o tamanho de partculas,

taxas de alimentao etc.

Alguns trabalhos acerca de outros tipos de filtros utilizados na indstria de carvo tambm so

encontrados na literatura, como o caso de Neiva e Goldstein (2003). Esses autores realizaram um estudo

de perda de carga e acmulo de torta usando um filtro com meio filtrante de fibra cermica. O objetivo foi

estudar a reteno de particulados carbonosos provenientes de um gaseificador de carvo, sendo que os

resultados obtidos foram comparados com diferentes modelos matemticos encontrados na literatura.

A simulao computacional tem como principal aplicao nesta rea a investigao da influncia da

velocidade de filtrao e a mxima queda de presso no leito, como pode ser visto na maioria dos estudos

realizados para diferentes tipos de filtros usados para limpeza de gases como o caso de Dittler e Kasper

(1999) que simularam um modelo de filtro bidimensional, em regime semi-estacionrio, para prever a

queda de presso em distintas eficincias de regenerao, levando em conta tambm a espessura e a

resistncia do meio filtrante. Deuschle et al. (2008) estudaram um dispositivo chamado de filtro DPF

(Diesel Particulate Filter) usado para reteno de particulados oriundos da queima do diesel. Investigaram

o depsito formado e a regenerao deste filtro atravs de ferramentas computacionais. Na pesquisa de

Tanthapanichakoon et al. (2008), foi estudado o comportamento dinmico do fluxo de gs em um

prottipo constitudo de um filtro duplo cermico utilizando ferramentas computacionais (CFD). Li et al.

(2007) simularam o fluxo de gs em um vaso contendo trs filtros vela para prever a evoluo da

velocidade do gs e da temperatura durante a filtrao e a limpeza do filtro.

Um estudo computacional com um modelo de filtro semelhante ao que apresentado neste trabalho,

porm em escala industrial, foi realizado por Porcincula et al. (2009), no qual foram realizadas

diferentes simulaes do escoamento em meio poroso, em estado estacionrio e dinmico, a fim de

avaliar a perda de carga do sistema em funo do tempo.

Assim, o principal objetivo desse trabalho foi avaliar a queda de presso dentro de um filtro de leito

fixo granular, sem a injeo de particulados na corrente gasosa, a fim de avaliar a aplicabilidade deste

modelo em escala industrial. Para fazer esta anlise foi utilizada a ferramenta computacional CFD

(Computational Fluid Dynamics) na simulao numrica deste processo e para a validao destes

resultados foram realizados experimentos em escala de bancada. Alm da perda de carga, foi calculada a

permeabilidade experimental do leito e comparada obtida matematicamente.

3

2. FILTRAO GRANULAR - PRINCIPAIS CONCEITOS

Para filtrao de gases ou limpeza de gases destacam-se os filtros granulares. O princpio bsico da

filtrao granular a remoo de partculas suspensas de um fluxo gs-slido que passa atravs do meio

filtrante composto pelo material granular. As partculas do fluxo ficam retidas sobre a superfcie externa

dos grnulos devido interceptao mecnica ou outros fatores como inrcia, gravidade, resistncia,

difuso, etc. O leito granular pode ser inerte ou quimicamente ativo, sendo este utilizado para remoo de

componentes gasosos (como por exemplo, os gases cidos).

Tambm chamado de filtro de lavagem a seco, este filtro tem como principais aplicaes o

tratamento de gases cidos, remoo de poeira e cinza e tratamento de gases provenientes de processos de

incinerao e combusto. Pode ser combinado com outros tipos de filtros para uma maior eficincia de

remoo de gases cidos, metais pesados e dioxinas.

O tamanho dos grnulos que formam o leito o principal parmetro que limita a eficincia da coleta

de partculas em filtros granulares. Um estudo feito por Kuo et al. (2010), comprova que a variao do

tipo, do tamanho do grnulo e a geometria de empacotamento afetam a queda de presso e a penetrao

dos gases atravs do meio filtrante.

A velocidade relativa do gs, ou a velocidade de impacto, tambm um fator importante a ser

considerado na eficincia de filtrao, assim como a distribuio desta velocidade na entrada do leito. Os

primeiros resultados obtidos por Hsu e Hsiau (2010) mostraram que esta distribuio no era uniforme e

para solucionar este problema foram colocados defletores, anteriores a entrada do gs no leito, mostrando

que os diferentes comprimentos e angulaes destes afetam a uniformidade da velocidade do gs na

entrada e na superfcie de filtrao.

Para eficincias iguais a velocidade do gs inversamente proporcional ao quadrado do dimetro das

partculas, o que significa um aumento na exigncia enrgica com a diminuio do tamanho destas,

principalmente para dimetros menores que 1 m. Este fenmeno se deve turbulncia que, devido alta energia, incentiva a aglomerao atravs do efeito browniano e as foras eletrostticas de Van der Waals.

Estes fatores so decisivos para partculas menores que 2 m.

Os filtros granulares podem ser divididos em leito mvel e fixo. Em filtros de leito fixo a queda de

presso aumenta continuamente com a reteno das partculas de poeira no filtro, devido formao de

uma torta. A filtrao continua at que seja necessrio parar o processo para a regenerao e/ou limpeza

do meio filtrante. Quanto menor o tamanho dos grnulos do meio filtrante, maior a eficincia de reteno.

Consequentemente, o tamanho das partculas que formam o leito escolhido com a inteno de conciliar

a eficincia de reteno e a queda de presso no leito. Usualmente, o tamanho dos grnulos no menor

que 1 mm em filtros com leito de uma camada.

J a filtrao em leito mvel mais eficiente do que a filtrao em leito fixo. Alm disso, a filtrao

em leito mvel tambm til na captura de outros contaminantes presentes no carvo, atravs da

utilizao de leitos reativos (absorventes).

Na operao em leito mvel o meio filtrante constitudo de um material granular disposto

verticalmente e mantido por grades ou venezianas. Os grnulos do leito descem e so removidos no fundo

do filtro, enquanto o gs passa horizontalmente atravs do meio filtrante. O fluxo do leito deve ser

mantido constante e uniforme, sem zonas estagnadas. Estas zonas so um problema neste tipo de

filtrao, pois elas causam um aumento da queda de presso no filtro com o tempo. Para corrigir este

problema, muitos estudos tem se mostrado eficientes, testando um novo design para as paredes e

venezianas (Hsiau et al, 2008) ou at a utilizao de peas corretoras no interior da zona do leito (Chou e

Chen, 2007).

A utilizao das venezianas, tanto para leito mvel ou fixo, aumenta em duas vezes a superfcie de

filtragem, comparada com a rea frontal do filtro.

3. MODELOS SEMI-EMPRICOS

No escoamento atravs de leitos compactos a taxa de transferncia de energia do fluido para as

partculas slidas e, portanto, a perda de presso no escoamento atravs do leito, est relacionada aos

4

mecanismos fsicos de ocorrncia do escoamento. Num leito completo a trajetria do fluxo constituda

por muitos canais preferenciais. No escoamento atravs destas passagens a fase fluida repetidamente

acelerada e desacelerada e sofre repetidas perdas de energia cintica.

Para velocidades de escoamento baixas (como o caso da velocidade utilizada neste trabalho) atravs

de passagens muito pequenas, as perdas de energia cintica so pequenas em comparao com as perdas

de energia ocasionadas pelo arraste das partculas.

A equao (1) conhecida como Kozeny-Carman usada com xito no clculo da perda de carga

atravs de leitos compactos. Foi originalmente deduzida por Kozeny, que utilizou um modelo

simplificado, com diversos tubos capilares de comprimentos e dimetros iguais para descrever o leito

compacto.

(1)

Onde P a perda de carga no meio poroso (Pa), a porosidade do meio (adimensional) , dp o dimetro mdio das partculas (m), a esfericidade das partculas (adimensional) e o parmetro

denominado fator de forma (adimensional) que calculado de acordo com a geometria de filtrao

transversal ao escoamento (Berker, 1963 apud Massarani, 2002). Nesta equao tem-se tambm que

representa a viscosidade (Pa.s) e u a velocidade superficial do fluido no meio poroso (m.s-1

).

De acordo com a lei de Darcy, expressa pela equao (2), a velocidade superficial do fluido sobre um

meio poroso diretamente proporcional perda de carga atravs do meio:

(2)

Onde L a espessura da camada de leito (m) e k a permeabilidade hidrulica (m2) que depende das

caractersticas estruturais do meio poroso. A inclinao da curva de dados experimentais de velocidade de

filtrao u versus a perda de carga P uma das formas de se estimar a permeabilidade hidrulica.

Existem, tambm, correlaes que possibilitam estimar a permeabilidade com base na geometria de

filtrao, como por exemplo, a equao de Blake-Kozeny (3), obtida igualando as equaes (1) e (2) e

isolando k.

(3)

Esta equao relaciona a permeabilidade (k) com a porosidade () e propriedades estruturais das partculas do meio filtrante. A equao (3) permite correlacionar, no contexto do modelo capilar, a

permeabilidade com as propriedades das partculas e a porosidade do meio. A experimentao indica que

o valor do parmetro estrutural est compreendido entre 4 e 5 para meios com porosidade at 50%. Para

meios expandidos o valor de aumenta significativamente com a porosidade quando > 0,75. Xu e Yu (2008) realizaram uma ampla comparao entre as consideraes empricas utilizadas na

equao de Kozeny-Carman para obter uma relao entre a permeabilidade k, o parmetro e a teoria da

geometria fractal, para meios porosos homogneos.

4. MODELAGEM MATEMTICA

A equao de Navier- Stokes (4) representa o transporte de quantidade de movimento atravs do

meio filtrante.

5

(4)

Na equao (4) o primeiro termo do lado esquerdo representa o acmulo da propriedade e o segundo

termo corresponde parcela advectiva, de onde surgem as fortes no-linearidades desta equao. Os

termos difusivos esto no lado direito da equao, representados pela difusividade de quantidade de

movimento. Nesta equao tem-se ui e uj que representam as velocidades em m.s-1

, t o tempo em

segundos e P a presso em Pa.

O termo S representa a gerao ou consumo de cada propriedade e tem origem distinta em cada uma

das equaes de conservao. Nas equaes de balano de energia e massa, o termo de gerao est

relacionado com a gerao trmica de energia e a gerao do componente via reao qumica. J na

equao de quantidade de movimento, Equao (4), o termo de gerao est associado ao campo

gravitacional em uma direo especificada. Neste caso, Sui

representa a fonte de quantidade de

movimento dada em kg.m-2

.s-2

.

A equao de conservao de massa no sistema de coordenadas cartesianas, na forma conservativa

representada pela equao (5).

(5)

Onde a massa especfica do fluido (kg.m-3

).

A geometria utilizada neste problema tridimensional e foi adotado um modelo de turbulncia k- que tem como uma de suas vantagens o tratamento prximo parede para baixos valores de nmero de

Reynolds. Este modelo no envolve as funes de amortecimento complexas e no-lineares requeridas

pelo modelo k-, que mais robusto e de convergncia mais fcil. Portanto, o modelo de turbulncia k- expresso por malhas com qualidade inferior quando comparado ao modelo k-.

As equaes do modelo de turbulncia da energia cintica k e da dissipao turbulenta so expressas nas equaes (6) e (7), respectivamente.

(6)

(7)

Onde T a viscosidade turbulenta (Pa.s) e Pk a produo turbulenta (kg.m-1

.s-3

).

A equao utilizada para descrever o transporte de particulados baseada na 2 lei de Newton, como

est apresentado na equao (8):

(8)

Nesta equao mp representa a massa da partcula (kg), up a velocidade da partcula (m.s-1

), uf a

velocidade do fluido (m.s-1

), CD o coeficiente de arraste (dimensional), f a massa especfica do fludo

(kg.m-3

), AP a rea transversal da partcula (m2), P a masa especfica da partcula do leito (kg.m

-3) e g a

acelerao da gravidade (m.s-2

).

O termo do lado esquerdo da igualdade na equao (8) representa a acelerao da partcula, enquanto

que os termos do lado direito representam, respectivamente, as foras de arraste e de campo gravitacional.

O balano de massa para cada componente est representado na equao (9):

6

(9)

Onde Ci representa a concentrao do componente i (kg.m-3

) e D a difusividade (m2.s-1).

4.1. Geometria do Problema

O filtro granular utilizado neste estudo, foi projetado para operar a temperatura ambiente visando a

reteno de material particulado (cinzas volantes) proveniente da queima de carvo mineral.

O sistema do filtro proposto est apresentado nas Figuras 1 e 2.

Figura 1. Sistema completo com filtro, tubulaes e ventilador.

Figura 2. Detalhe interno do filtro estudado e calhas que retm o meio filtrante.

O ar proveniente de um ventilador entra pela tubulao e o material particulado (cinza) injetado na

linha. Ambos entram no filtro atravs do bocal esquerdo, cruzam o meio filtrante granular, composto de

esferas de vidro, e saem pelo bocal direito. As esferas de vidro (meio filtrante) so introduzidas na parte

superior do filtro e ficam distribudas entre as calhas, podendo ser retiradas, atravs de aberturas

existentes no fundo do filtro, quando o meio filtrante ficar saturado de material particulado. As calhas do

lado direito so fixas e as do lado esquerdo, mveis, o que permite a variao do ngulo destas. Assim, a

espessura do meio filtrante pode ser aumentada e a retirada da torta formada no lado esquerdo do filtro

pode ser retirada, quando necessrio.

Na Figura 3 pode ser observada a vista lateral do filtro e na Figura 4, esto representados o filtro e as

7

tubulaes onde se localizam os pontos de tomada de presso para o clculo de P. Estes pontos de tomada de presso esto localizados 3 dimetros a montante e 8 dimetros a jusante, conforme norma da

ABNT (NBR 10701, 1989). Devido configurao da bancada j existente, a tubulao anterior ao filtro

apresenta uma diferena de dimetro, por este motivo, foi feito um teste preliminar para verificar se

existiria, naquele setor, uma queda de presso elevada que pudesse interferir nos resultados do

experimento. Esta hiptese foi descartada, pois o valor de P encontrado nos testes realizados no intervalo de velocidades de interesse foi praticamente nulo.

Figura 3. Vista lateral do filtro.

Figura 4. Vista lateral do filtro e as tubulaes a jusante a montante.

Foi realizado um teste de malha avaliando 3 malhas de diferentes refinamentos utilizando o software

CFX. Uma malha mais grosseira (malha 1), outra com refinamento mdio (malha 2) e outra bem refinada

(malha 3). A Tabela I, mostra os dados das 3 malhas estudadas.

Tabela I: Elementos das malhas testadas

Testes Refinamento

Tetraedros Prismas Total Tempo

computacional Malha 1 Baixo 821852 86964 908816 1-2 horas

Malha 2 Intermedirio 4859353 248991 5108344 ~ 10 horas

Malha 3 Alto 9545896 481840 10027736 ~ 48 horas

Para a escolha da malha foram comparados os resultados de perda de carga no filtro sendo que no se

verificou uma grande diferena entre elas, porm o tempo computacional utilizado pela malha 3, por

exemplo, foi muito superior as demais. Analisando pelo fator tempo computacional, escolheu-se a malha

1, pois mesmo tendo um refinamento baixo apresentou resultados bem prximo as demais malhas e com

um tempo computacional bem menor.

8

O detalhe da malha utilizada para a simulao do filtro est apresentado na Figura 5.

Figura 5. Detalhe da malha do filtro.

Pode-se observar que a malha est mais refinada na parte prxima as venezianas, setor crtico da

geometria, ou seja, a zona de ocorrncia de choques, maior turbulncia, vrtices, etc. No interior do leito

optou-se por no refinar tanto a malha e assim facilitar a simulao, pois impossvel avaliar as

velocidades (u, v ,w) exatamente como ocorrem no meio filtrante, mas apenas avaliar os valores mdios destas.

5. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

5.1. Aparato Experimental

O filtro de bancada, no qual foram realizados os experimentos para validao dos resultados

computacionais, mostrado na Figura 6. Este filtro est localizado no Laboratrio de Ensaios Trmicos e

Aerodinmicos LETA, pertencente ao Departamento de Engenharia Mecnica da UFRGS. Atualmente est sendo calibrado e otimizado um dosador de material particulado (para ser injetado na corrente

gasosa) que foi projetado por Zimmer (2009).

Figura 6. Filtro em escala de bancada.

A espessura do meio filtrante pode variar de 100 mm a 150 mm e o comprimento total do filtro em

torno de 750 mm.

As condies de operao consideradas na simulao e nos experimentos so:

Regime de escoamento: estado estacionrio;

Velocidades do ar na entrada do leito: 0,192; 0,266; 0,416, 0,538 m.s-1(*);

9

Porosidade do meio filtrante (): 0,4;

Esfericidade das partculas do leito (): 1;

Dimetro mdio das partculas do meio filtrante (dp): 1 mm;

Temperatura mdia da operao: 25C (**);

Massa molar mdia do gs: 28 g/mol;

Alimentao de particulados: nenhuma (***).

(*) O intervalo de velocidades de escoamento do gs foi determinado levando-se em conta o valor

mximo de freqncia que se poderia utilizar no ventilador, anterior ao escoamento do leito, o que ocorre

a 25 Hz. Optou-se por operar em quatro pontos de freqncia do motor do ventilador , ou seja 10, 15, 20 e

25 Hz, obtendo-se atravs de clculos as velocidades e vazes correspondentes.

(**) Os valores de temperatura e a umidade relativa foram sempre medidos em todos os

experimentos, apesar de no apresentarem muita variao, pois o laboratrio possui ambiente controlado.

(***) Para os resultados obtidos, tanto experimental quanto computacionalmente, considerou-se

apenas ar na entrada do filtro.

Todos os procedimentos experimentais se realizaram com o leito completamente cheio de esferas de

vidro, para que a velocidade do gs aps o leito e a perda de carga estivessem dentro dos valores reais de

operao.

5.2 Materiais e Mtodos

Medida do perfil de velocidade mdia e da vazo volumtrica na sada do filtro

Para este procedimento se faz necessria a medida da presso de velocidade, que a presso

produzida pelo deslocamento de um fluido, que tambm pode ser chamada de presso cintica, alm da

velocidade mdia (mdia aritmtica das velocidades em uma seo transversal de um duto, medida nos

pontos de amostragem) e da vazo volumtrica mdia (volume de um gs que passa atravs da seo

transversal de um duto por unidade de tempo).

Para realizar estas medidas so necessrios:

Tubo de Pitot padro;

Micromanmetro, pois as presses so baixas;

Termmetro;

Barmetro. Em um primeiro momento foi feita a montagem do aparato: o Pitot foi conectado ao

micromanmetro e inserido na tubulao, com dimetro de 100 mm, localizada aps o ventilador. Em

seguida, iniciaram-se as medies, variando-se a posio do tubo de Pitot atravs de seis pontos situados

ao longo do dimetro do tubo (NBR 10701, 1989), tanto na posio horizontal quanto na vertical. Assim,

obteve-se o perfil de velocidades para cada freqncia do motor do ventilador (10, 15, 20, 25 Hz).

A metodologia utilizada para os clculos e procedimentos experimentais foi baseada nas normas:

NBR 10701 (1989), L9-222 (1992), L9-224 (1993). Os valores de velocidade mdia e vazo volumtrica

mdia obtidos foram utilizados nos demais procedimentos experimentais e nas simulaes subsequentes.

Calibrao da placa de orifcio - obteno do coeficiente de descarga experimental e calculado e da

vazo predita

Para a calibrao da placa de orifcio e obteno do coeficiente de descarga experimental, repetiu-se

o procedimento anterior e juntamente a ele foram coletados dados de perda de carga na placa e a presso

esttica da mesma, utilizando um manmetro digital da marca SMAR. A partir dos dados experimentais e

utilizando a Norma ASME foi possvel a obteno do coeficiente de descarga experimental e o calculado

sendo estes comparados posteriormente. Os dados mais confiveis, que foram utilizados no restante do

trabalho, apresentaram valores de coeficiente de descarga prximo de 0,61, valor este obtido utilizando a

norma tcnica anteriormente citada.

10

Medida de perda de carga no filtro

Conforme salientado anteriormente, as tomadas de presso, para as medidas de perda de carga, foram

colocadas 3 dimetros a montante do filtro e 8 a jusante, conforme a norma da ABNT NBR 10701 (1989).

Para as medidas de gradiente de presso e presso esttica foi utilizado um manmetro digital SMAR

(modelo D1).

Para os clculos de perda de carga e permeabilidade se fez necessrio calcular prviamente a

velocidade do gs (e da vazo). O procedimento experimental foi o mesmo adotado anteriormente para

obteno do perfil de velocidades. Foram realizados 8 conjuntos de testes para as mesmas frequncias do

motor do ventilador, conforme anteriormente explicado.

Obteno da permeabilidade hidrulica experimental

A permeabilidade hidrulica terica (k1) foi calculada utilizando a equao de Blake-Kozeny (3),

para um fator de forma () igual a 1,33 calculado de acordo com a geometria do problema. O valor encontrado para k1 foi 3,70 x 10

-9 m

2.

Com os resultados da perda de carga e da vazo experimentais, foi possvel calcular tambm a

permeabilidade experimental (k2) atravs da equao (2). O valor encontrado foi de 2,26 x 10-9

m2.

6. RESULTADOS E DISCUSSO

Os valores das velocidades do gs na entrada do filtro foram obtidos a partir da mdia dos resultados

experimentais (perfil) avaliados para cada freqncia do motor do ventilador.

Foram feitas simulaes variando as velocidades do gs e a permeabilidade do leito (k1 e k2). Os

resultados de perda de carga experimental e o resultado obtido nas simulaes para k1 e k2 esto

apresentados na Tabela II.

Tabela II. Resultados obtidos nas simulaes e nos experimentos. Freqncia

do motor do

ventilador

(Hz)

Velocidade do gs

na entrada do filtro

(m/s)

Vazo

experimental

mdia (kg/h)

Perda de Carga (P em Pa)

Usando k1 (terico) =

3,70x10-9

m2

Usando k2 (exp) =

2,26 x 10-9

m2 Experimental

10 0,192 59,4 84 137 58,9

15 0,266 96,6 117 191 121,8

20 0,416 130,0 183 299 204,9

25 0,538 163,3 211 384 291,8

A perda de carga consiste na diferena entre a mdia das presses absolutas nas sees de entrada e

sada do sistema. Para que seja vivel a operao desejvel que a filtrao apresente a menor perda de

carga possvel e a maior eficincia possvel de remoo de particulados.

Os resultados de P e de vazo, apresentados na tabela II, foram relacionados e lanados em grfico, conforme mostra a Figura 7.

11

Figura 7: Relao P e vazo para os dados experimentais e computacionais para k1 e k2.

Analisando os valores de P verifica-se que os resultados obtidos computacionalmente esto prximos dos resultados experimentais, porm na prtica a perda de carga menor do que se previa

matematicamente. Todos os valores esto dentro do que se espera para este tipo de filtro granular.

Comparando os resultados das simulaes, observa-se que os valores das perdas de carga a partir da

permeabilidade experimental (k2) obedeceram o mesmo comportamento dos resultados reais em relao

ao aumento da vazo, porm com valores mais distantes.

Ainda na Figura 7, pode-se observar que para baixas vazes mssicas de gs os valores de P so prximos para todos os casos e apenas os resultados computacionais usando k1 apresentam um desvio em

relao a Lei de Darcy. Este comportamento pode ser melhor observado analisando a Figura 8, que

apresenta a curva com os valores de perda de carga calculados a partir dos dados experimentais de

velocidade do gs utilizando a Lei de Darcy.

Figura 8: Relao P e vazo para os dados experimentais comparativos com os obtidos a partir da Lei de Darcy.

Os resultados computacionais, usando a malha 1, so apresentados a seguir. O perfil de presso

obtido no filtro mostrado na Figura 9.

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Figura 9. Perfil de presso no filtro.

Na Figura 10 pode-se observar o detalhe da variao de presso no leito granular.

Figura 10. Detalhe do perfil de presso no leito.

Observa-se, na Figura 10, que a queda de presso nas sees cnicas muito pequena se comparada

com a queda de presso no leito. Isto se deve ao fato da permeabilidade do meio ser proporcional ao

quadrado do dimetro da partcula do elemento filtrante como mostra a equao (3), pois quanto menor

seu valor, maior ser a perda de carga, conforme a equao (2). Logo, a queda de presso no leito

altamente dependente do tamanho da partcula.

O perfil de presso atravs do filtro no apresenta muita variao para as diferentes velocidades do

gs, apenas os valores de presso de alteram. Por este motivo optou-se por apresentar apenas um perfil de

queda de presso, que representa a variao desta varivel atravs da seo do filtro.

As linhas de corrente de ar que circulam no filtro esto ilustradas na Figura 11.

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Figura 11. Linhas de corrente de ar no filtro para as quatro velocidades estudadas.

Analisando a Figura 11, percebe-se que a velocidade do ar no muito alta na maior parte do

escoamento, mantendo-se quase constante, e diminuindo, consideravelmente, na seo cnica e na

entrada do leito. Observa-se a formao de uma zona de recirculao com maior intensidade na seo

anterior ao leito para as velocidades de 0, 266 e 0,416m/s e para a velocidade de 0,538 m/s a recirculao

ocorre aps o leito. A zona de recirculao anterior ao leito pode ocasionar uma reduo de velocidade

naquela regio e diminuir a entrada de ar neste ponto do leito. Ao ser considerada a injeo de

particulados este fato dever ser averiguado com mais cautela, j que uma recirculao acarretaria em um

acmulo de partculas e um aumento progressivo da torta nesta regio, aumentando, assim, a perda de

carga.

7. CONCLUSES

A escolha da malha 1, mostrou-se bem adequada para a soluo do problema, mesmo no sendo to

refinada, apresentou um tempo computacional bem menor que as demais.

Considerando os resultados encontrados de perda de carga, verifica-se que estes apresentaram um

valor dentro do esperado para este modelo de filtro, porm os resultados experimentais ficaram um pouco

mais baixos, comparando com o resultado obtido computacionalmente. Isto se deve, principalmente, as

consideraes feitas nas simulaes, para que fosse possvel a aplicao dos modelos matemticos

convenientes.

Este filtro se mostra capaz de ser aplicado para remoo de partculas, uma vez que a perda de carga

se mostrou baixa o suficiente. Atravs de um scale-up adequado este tipo de filtro pode ser utilizado para

limpeza de gases oriundos de processos de combusto/incinerao de materiais carbonosos.

v = 0,266 m/s

v = 0,416 m/s v = 0,538 m/s

v = 0,192 m/s

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8. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

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