Eng. M.Sc. Cleiton Bittencourt da Porciúncula(1)

Prof. Dr. Nilson Romeu Marcilio(1)

Prof. Dr. Marcelo Godinho(2)

Prof. Dr. Argimiro Resende Secchi(3)

Universidade Federal do Rio Grande do Sul(1)

Departamento de Engenharia Química – DEQUI/UFRGS

Universidade de Caxias do Sul(2)

Universidade Federal do Rio de Janeiro – COPPE/PEQ(3)

1.Introdução

Particulados estão entre os contaminantes mais

problemáticos em processos de gaseificação e

combustão.

Dentre estes particulados, destacam-se a cinza, o

alcatrão e o carbono fixo.

Problemas de incrustação e corrosão em

equipamentos de processo (turbinas, trocadores de

calor, geradores de vapor).

Contaminação da atmosfera.

Alternativa para remoção destes particulados: uso de filtros secos com diferentes elementos filtrantes (areia, pérolas de vidro, fibras cerâmicas, alumina e outros).

2.Objetivos

Simulações fluidodinâmicas de filtro seco em

dimensões de planta piloto de forma a avaliar o

comportamento da perda de carga.

Estado Estacionário;

Regime Transiente.

Construção do equipamento de bancada para avaliar

parâmetros experimentais do leito filtrante

(permeabilidade hidráulica).

Reator de Gaseificação

Câmara de Pós-

combustão

Equipamentos para limpeza

de gases Filtro seco

3.Modelagem matemática

CFD – Computational Fluid Dynamics – ANSYS CFX 11.0®

Equações de Navier-Stokes:

Equação da continuidade:

Equações do modelo de turbulência empregado (k-e)

3.Modelagem matemática

Transporte de particulados

Abordagem Lagrangeana

Abordagem Euleriana

3.Modelagem matemática

Lei de Darcy para escoamento em meios porosos

Permeabilidade hidráulica

3.Modelagem matemática

Equações de filtração à taxa constante

Resistência específica da torta em função do tempo

Permeabilidade hidráulica em função do tempo

4.Materiais e métodos

Simulação Espessura

do leito (mm)

Permeabilidade

(m2) Porosidade

Diâmetro

da

partícula

do leito

(mm)

1 100 4,4.10-9 0,4 2

2 50 4,4.10-9 0,4 2

3

25 mm misto

leito de 2

mm

4,4.10-9 0,4 2

25 mm misto

leito de 1

mm

3,41.10-10 0,3 1

Tabela 1 – Principais parâmetros ajustados nas simulações de estado

estacionário

4.Materiais e métodos

Tabela 2 – Abordagens adotadas nas simulações dinâmicas

Abordagem Princípio físico

Transporte de partículas e arraste

(Lagrangeana)

Segunda lei de Newton aplicada a cada

partícula.

Transporte de fluido disperso agindo

como partícula (Euleriana-Lagrangeana)

Equação de transporte de material acoplada

às equações de transporte de fluido,

considerando força de arraste.

Difusão e arraste (Euleriana)

Inclusão do coeficiente de difusão calculado a

partir da equação de Stokes-Einstein

(D=kBT/6πμa) para esferas rígidas.

(D=5.10-12m2.s-1)

4.Materiais e métodos

Porosidade do meio filtrante: 0,4;

Fator de forma (esfericidade) do meio filtrante: 0,75;

Vazão de alimentação: 2000 kg.h-1;

Espessura do leito: 50 e 100 mm;

Diâmetro do material do leito filtrante (1 e 2 mm);

Concentração de particulados na alimentação:100 mg.N-1m-3

Massa específica do particulado: 200 kg.m-3;

Temperatura de operação: 80oC;

Distribuição granulométrica normal do particulado

alimentado:

diâmetro mínimo: 0,96 mm;

diâmetro máximo:15,4 mm;

diâmetro médio: 5 mm;

desvio padrão: 3,87 mm.

Condições de operação - planta piloto

Figura 1 - Filtro de bancada

Material particulado do filtro

de bancada: pérolas de vidro

de 2 mm de diâmetro

•Porosidade medida = 0,4

•Massa específica do

leito = 1686,6 kg.m-3

•Massa específica do

vidro = 2811 kg.m-3

4.Materiais e métodos

Figura 2 - Vista lateral

de filtro seco com

espaçamento entre

as calhas de 100 mm

Figura 3 - Vista lateral

de filtro seco com

espaçamento entre

as calhas de 50 mm

Figura 4 - Vista lateral de filtro seco com espaçamento entre as

calhas de 50 mm, sendo 25 mm para cada leito: (lado esquerdo,

diâmetro do leito = 2 mm), (lado direito, diâmetro do leito = 1 mm)

5.Resultados

Espessura do leito (mm) Perda de carga (mmH2O)

100 93,2

50 83,1

25 mm misto, 2 mm 39,2

538,7

25 mm misto, 1 mm 499,5

Tabela 3 - Resultados das simulações em estado estacionário

Permeabilidade estimada: 4,4.10-9 m2 (2 mm) e 3,41.10-9 m2 (1 mm)

Permeabilidade experimental (filtro de bancada): 2,26.10-9 m2

5.Resultados

Lagrangeana Euleriana Euleriana-

Lagrangeana

Tempo (horas)

Perda de

carga

(mm H2O)

Perda de

carga

(mm H2O)

Perda de

carga

(mm H2O)

0 43,3 43,2 43,2

1 57,7 57,6 57,6

2 72,0 71,9 71,9

3 86,5 86,3 86,3

4 100,9 100,7 100,7

5 115,3 115,1 115,1

6 129,7 129,4 129,4

7 144,1 143,8 143,8

8 158,5 158,2 158,2

9 172,8 172,5 172,5

10 187,3 186,9 186,9

Tabela 4 - Resultados das simulações em regime transiente

5.Resultados

Figura 5 - Linhas de corrente de gás em filtro de 100 mm

Figura 6 - Distribuição de

pressão no filtro de 100 mm

5.Resultados

6.Conclusões

•Para um tempo de operação de 10 horas, prevê-se um

aumento de cerca de quatro vezes a perda de carga inicial

para o filtro da planta piloto.

•A diminuição do diâmetro de partícula constituinte do leito

contribui significativamente no aumento da perda de carga.

•A distribuição de linhas de corrente prevê um acúmulo de

torta nas calhas em regiões imediatamente acima e abaixo

do eixo central de alimentação.

Agradecimentos

•Rede Nacional de Carvão, CNPq.

•Ao professor Argimiro, pelo auxílio na parte da

modelagem;

•Aos professores Celso Martins, Leonardo Masotti e

Marcelo Godinho pela orientação quanto ao projeto do

equipamento.