Prof. Dr. Sidney Seckler Ferreira Filho

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ESCOLA POLITÉCNICA DA USP DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E SANITÁRIA PHD 5746 – PROCESSOS FÍSICO-QUÍMICOS II PROCESSOS DE ARRASTE COM AR Prof. Dr. Sidney Seckler Ferreira Filho

PROCESSOS DE ARRASTE COM AR
Introdução Definições Básicas Lei de Dalton Conceito de fração molar Lei de Henry Constantes de Henry

Constantes de Henry e mudanças de unidade Transferência de massa Teoria do Duplo Filme Equação geral de transferência de massa

Operações Unitárias Sistemas de Aeração Mecânica Equacionamento matemático Sistemas de Aeração por Ar Difuso

Operações Unitárias Sistemas de Aeração com coluna recheada Equacionamento matemático

REATORES HETEROGÊNEOS
Processo Engenharia Sistema natural Reação Arraste com ar Remoção de compostos orgânicos voláteis em ETA’s e ETE’s Remoção de compostos orgânicos voláteis em corpos d’água Transferência de massa da fase líquida para fase gasosa Gás Sólido Líquido Volume de controle Interfaces Transferência de massa interfacial A+BC+D Transporte de massa Entrada Saída O objetivo é estabelecer as bases para o seu projeto com objetivos definidos Sistemas de engenharia O objetivo é a sua descrição e antecipar mudanças ambientais em função de diferentes inputs Sistemas naturais

REATORES HETEROGÊNEOS
Processo Engenharia Sistema natural Reação Absorção Processos de aeração em sistema biológicos aeróbios Reaeração de corpos d’água (rios, lagos e reservatórios) Transferência de massa da fase gasosa para fase líquida Gás Sólido Líquido Volume de controle Interfaces Transferência de massa interfacial A+BC+D Transporte de massa Entrada Saída O objetivo é estabelecer as bases para o seu projeto com objetivos definidos Sistemas de engenharia O objetivo é a sua descrição e antecipar mudanças ambientais em função de diferentes inputs Sistemas naturais

REATORES HETEROGÊNEOS SISTEMA NATURAIS E DE ENGENHARIA

Definição: É um processo de transferência de contaminantes da fase líquida para a fase gasosa (ar). Os contaminantes não são destruídos nos processos de arraste com ar e, sim, fisicamente separados da fase aquosa

Aplicabilidade: Remoção de compostos orgânicos voláteis e semi-voláteis presentes em águas de abastecimento, esgotos sanitários e efluentes industriais

PROCESSOS DE ARRASTE COM AR CONCEITOS BÁSICOS – LEI DE DALTON
Gás 3 Volume conhecido igual a V Pressão total conhecida igual a P Conteúdo composto por j gases, n1, n2,...nj Gás 1 Gás 2

Conceito de pressão parcial n1= número de moles do gás R= constante universal dos gases T= temperatura em K V= volume total do sistema Gás 1

Conceito de pressão parcial n2= número de moles do gás R= constante universal dos gases T= temperatura em K V= volume total do sistema Gás 2

Gás 3 Conceito de pressão parcial n3= número de moles do gás R= constante universal dos gases T= temperatura em K V= volume total do sistema

Gás 3 Massa específica do gás Gás 1 Gás 2

Gás 1 Gás 2 Gás 3 Pressão total do sistema

Pressão total do sistema Gás 1 Gás 2 Gás 3

Pressão parcial e fração molar Gás 1 Gás 2 Gás 3

Em um reator contendo N gases, cada gás exerce a mesma pressão como se este estivesse isoladamente no mesmo reator A pressão de cada gás, portanto, é função unicamente do seu número de moles presente no reator Estas pressões individuais são denominadas pressões parciais Gás 1 Gás 2 Gás 3

PROCESSOS DE ARRASTE COM AR CONCEITOS BÁSICOS – LEI DE HENRY
Oxigênio Dissolvido Pressão parcial de O2 constante Atmosfera O2(g) O2(l) Água

Composto genérico Atmosfera A (g) A (l) Água

Concentração de A na fase líquida: mg/l, moles/l, fração molar, etc... Concentração de A na fase gasosa: mg/l, mg/m3, atm, moles/m3, fração molar Água Atmosfera A (g) A (l)

Água Atmosfera A (g) A (l)

PROCESSOS DE ARRASTE COM AR CONSTANTES DE HENRY
Composto H (m3/m3) 10o C 20o C 30o C n-hexano 10,3 31,4 62,7 Clorobenzeno 0,105 0,142 0,190 Benzeno 0,188 0,290 Tolueno 0,164 0,231 0,325 Clorofórmio 0,0741 0,138 0,223

Composto H (m3/m3) 10o C 20o C 30o C Cloroetano 0,327 0,458 0,575 1,1 dicloroetano 0,158 0,234 0,312 1,2 dicloroetano 0,0504 0,0612 0,0700

Composto H (m3/m3) 20o C Amônia 0,000574 Dióxido de carbono 0,114 Cloro 0,442 Dióxido de cloro 0,0408 Sulfeto de hidrogênio 0,389

Composto H (m3/m3) 20o C Metano 28,7 Oxigênio 32,5 Ozônio 3,77 Dióxido de enxofre 0,0287

PROCESSOS DE ARRASTE COM AR TRANSFERÊNCIA DE MASSA
Atmosfera A (g) A (l) Água Condição de equilíbrio !!!

Interface gás-líquido CL Fase líquida CLi Fase gasosa CGi CG

Fase líquida Fase gasosa Interface gás-líquido CL CLi Cgi Cg

Para H menor do que 0,002 L/L, fase gasosa controla o processo de transferência de massa Para H maior do que 0,05 L/L, fase liquida controla o processo de transferência de massa H entre 0,002 e 0,05 L/L, ambas as fases controlam o processo de transferência de massa

Em um sistema em equilíbrio, as taxas de transferência do contaminante da fase gasosa para a fase líquida e vice-versa são absolutamente iguais Fase líquida Fase gasosa Interface gás-líquido CL CLi Cgi Cg

Caso o sistema não esteja em equilíbrio, a transferência do contaminante ocorrerá de forma que o equilíbrio seja atingido Fase líquida Fase gasosa Interface gás-líquido CL CLi Cgi Cg

O tempo necessário para que o equilíbrio seja atingido depende das condições cinéticas dos processos de transferência de massa das fases líquida e gasosa Fase líquida Fase gasosa Interface gás-líquido CL CLi Cgi Cg

PROCESSOS DE ARRASTE COM AR SISTEMAS DE ENGENHARIA
Sistemas de Aeração Mecânica Sistemas de Aeração por Ar Difuso Sistemas de Aeração com Coluna Recheada

PROCESSOS DE ARRASTE COM AR SISTEMAS DE AERAÇÃO MECÂNICA

Objetivo: Equacionamento da evolução da concentração C com o tempo Reator em batelada Volume conhecido Transferência de massa (Lei de Fick) C

Volume de controle macroscópico

Volume de controle macroscópico Quanto maior o gradiente de concentração, maior a TTM. Quanto maior GL, maior a TTM Quanto maior a relação Ai/V, maior a TTM

Volume de controle macroscópico

Fase líquida Fase gasosa Interface gás-líquido CL CLi Cgi Cg

T=temperatura em K P/V= W/m3 GL,O2.ai=s-1

Composto: clorofórmio H=0,143 L/L g/l=40 m=0,5

Composto: clorofórmio H=0,143 L/L P/V=20 W/m3 m=0,5

Objetivo: Equacionamento da evolução da concentração C com o tempo Reator de mistura completa Volume conhecido Transferência de massa (Lei de Fick) C Q,Cl,0 Q,Cl

Q,Cl,0 Q,Cl Volume de controle

Composto: clorofórmio H=0,143 L/L g/l=40 m=0,5

PROCESSOS DE ARRASTE COM AR SISTEMAS DE AERAÇÃO POR AR DIFUSO

Objetivo: Equacionamento da evolução da concentração C com o tempo Fase Liquida: Reator de mistura completa Fase Gasosa: Reator Pistonado Ideal Volume conhecido Transferência de massa (Lei de Fick) Q,Cl,0 Q,Cl

Q,Cl,0 Q,Cl A concentração do contaminante na fase gasosa não é conhecida !!!

Q,Cl,0 Q,Cl Volume de controle em uma bolha isolada

Volume de controle em uma bolha isolada

Volume de controle em uma bolha isolada Relação ar-água

Bolhas com diâmetro menor do que 0,13 mm Bolhas com diâmetro entre 0,13 mm e 3,1 mm Bolhas com diâmetro maior do que 3,1 mm

PROCESSOS DE ARRASTE COM AR SISTEMAS DE AERAÇÃO POR AR DIFUSO CALDEBROOK & MOO-YOUNG
GL= cm/s Dl= cm2/s db= cm l e g = g/cm3 l = g/(cm.s) g= cm/s2 Bolhas com diâmetro inferior a 1 mm

PROCESSOS DE ARRASTE COM AR SISTEMAS DE AERAÇÃO POR AR DIFUSO CALDEBROOK & MOO-YOUNG
GL= cm/s Dl= cm2/s db= cm l e g = g/cm3 l = g/(cm.s) g= cm/s2 Bolhas com diâmetro superior a 2,5 mm

PROCESSOS DE ARRASTE COM AR SISTEMAS DE AERAÇÃO POR AR DIFUSO HSIEH et al. (1993)
H = L/L Qg e V em unidades compatíveis Validade para H<0,3 L/L

PROCESSOS DE ARRASTE COM AR SISTEMAS DE AERAÇÃO POR AR DIFUSO LOGAN, E
PROCESSOS DE ARRASTE COM AR SISTEMAS DE AERAÇÃO POR AR DIFUSO LOGAN, E.B. (1999) Bolhas com diâmetro inferior a 1,25 mm Bolhas com diâmetro superior a 1,25 mm

PROCESSOS DE ARRASTE COM AR SISTEMAS DE AERAÇÃO POR AR DIFUSO SUNDSTROM & KLEI (1979)
10 < Re < 100 100 < Re < 1.000 Re > 1.000

PROCESSOS DE ARRASTE COM AR SISTEMAS DE AERAÇÃO COM COLUNA RECHEADA

Entrada de líquido Saída de gás (ar) Entrada de gás (ar) Saída de líquido

Diâmetro (in) 1” 1 ¼” 2” 2 ½” Área Superficial (m2/m3) 85 70 48 38 Fator de empacotamento (1/ft) 28 25 16 12 Índice de vazios (%) 90 92 93,5 95 ap (lb/ft3) 6,2 5,6 4,2 3,9

Diâmetro (in) 5/8” 1” 1 ½ “ 2” 3 ½” Área Superficial (m2/m3) 108 64 44 33 22 Fator de empacotamento (1/ft) 97 52 32 25 16 Índice de vazios (%) 86 90 91 92 93 ap (lb/ft3) 7,75 5,50 4,75 4,25 3,75

Diâmetro (in) 1” 2” 3” Área Superficial (m2/m3) 60 30 20 Fator de empacotamento (1/ft) 33 21 16 Índice de vazios (%) 91 94 95 ap (lb/ft3) 4,74 3,25 2,75

Entrada de líquido Saída de líquido Entrada de gás (ar) Saída de gás (ar) Objetivo: Equacionamento da evolução da concentração C na fase líquida e gasosa Fase Liquida: Reator Pistonado Ideal Fase Gasosa: Reator Pistonado Ideal Volume conhecido Transferência de massa (Lei de Fick)

Ql, Cl0 Qg, Cg Qg, Cg0 Ql, Cl

Cls não é constante e, sim, variável ao longo da altura da coluna

Ql, Cl Qg, Cg Cls não é constante e, sim, variável ao longo da altura da coluna Ql, Clf Qg, Cg0

Ql, Cl Qg, Cg Ql, Clf Qg, Cg0

Ql, Cl Qg, Cg Fator de Stripping !!! Ql, Clf Qg, Cg0

Ql, Cl Qg, Cg Ql, Clf Qg, Cg0

Ql, Cl Ql, Clf Qg, Cg0 Qg, Cg

Ql, Cl Ql, Clf Qg, Cg0 Qg, Cg Altura de uma unidade de transferência de massa Número de unidades de transferência de massa

Ql, Cl Ql, Clf Qg, Cg0 Qg, Cg

Dimensionamento: não há uma única solução para o problema !!! Diferentes combinações de diâmetro e altura podem produzir a mesma solução !!! Dimensionamento deve ser baseado em uma análise econômica !!! Limitação da perda de carga na coluna !!! Entrada de líquido Saída de líquido Entrada de gás (ar) Saída de gás (ar)

Muito Obrigado !!!

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