Eliminação de um efluente gasoso (com diagrama)
Eliminação de um efluente gasoso!
Um fluxo de efluentes gasosos gerado em uma unidade industrial tem que ser finalmente descarregado na atmosfera. Antes da sua descarga, deve ser devidamente tratado de modo a reduzir a concentração dos poluentes (tanto em partículas como gasosos) aos limites permitidos. A descarga / eliminação é feita através de uma pilha.
Uma pilha ou uma chaminé é um conduto cilíndrico ou retangular vertical. Quando uma corrente gasosa é descarregada através de uma pilha, os poluentes presentes na corrente são dispersos na atmosfera. Uma pilha não pode abater os poluentes presentes, mas libera o poluente a uma altura adequada, de modo que quando os poluentes se difundem de volta à superfície da Terra, sua concentração estaria abaixo do limite permitido de cada poluente, mesmo sob as condições climáticas mais desfavoráveis.
À medida que um fluxo de gás sai de uma pilha, ele flui para cima até certa altura devido à sua energia cinética e flutuabilidade antes de ser arrastado na direção horizontal pelo vento. Os poluentes presentes na corrente de gás (depois de emergirem da pilha) são dispersos nas direções horizontal e vertical devido à difusão molecular e turbulenta. A efluência de uma corrente de gás a partir da pilha e o perfil da pluma resultante em condições ideais são esboçados na Fig. 4.18.
Perfil real da pluma:
O perfil da pluma real a favor do vento depende do gradiente de temperatura na troposfera, da velocidade do vento e da topografia na vizinhança imediata de uma pilha. O gradiente de temperatura troposférico depende da intensidade da radiação solar recebida durante o dia e do grau de cobertura de nuvens durante a noite.
A dispersão dos poluentes em uma pluma depende do movimento vertical do ar, resultante do gradiente de temperatura troposférico e também da velocidade predominante do vento. Com base nos fatores mencionados acima, a condição atmosférica foi classificada em diferentes classes de estabilidade. Na Tabela 4.15 as designações de estabilidade de Pasquill-Gifford estão listadas.
As Figuras 4.19A - G mostram os diferentes tipos de perfis de plumas correspondentes às condições de estabilidade atmosférica cariadas.
(a) Gradiente de temperatura troposférica real em relação ao gradiente adiabático seco.
Gradiente de temperatura adiabático, ———–
Gradiente de temperatura real, ————-
b) Perfil da pluma
T = temperatura U = velocidade do vento
Z = altitude
Abordagem de Design de Pilha:
Foi mencionado na Seção 4.8 que uma pilha é usada para descarregar uma corrente de gás residual a uma altura adequada do solo. Uma vez descarregados, os constituintes (incluindo os poluentes, se houver) do gás residual são dispersos. Algumas partes dessas se difundem de volta à superfície da Terra.
Para projetar uma pilha, é preciso encontrar sua altura Hs, de modo que a concentração dos poluentes, que se difundiram de volta ao nível do solo, não seja maior do que seus respectivos limites permitidos, mesmo nas piores condições atmosféricas. Também é necessário estimar a área da seção transversal de uma pilha de modo que a pressão na base da pilha seja suficiente para superar a resistência ao fluxo da corrente de gás através da pilha.
Estimativa de altura de pilha:
A altura da pilha pode ser estimada usando algumas relações empíricas ou usando uma abordagem semi-empírica. As relações empíricas não levam em consideração a condição do tempo, enquanto a abordagem semi-empírica leva em consideração o aumento da pluma, a velocidade do vento e a condição climática. Não é necessário dizer que a segunda abordagem fornece uma estimativa melhor da altura da pilha.
Abordagem empírica:
As equações empíricas listadas abaixo podem ser usadas para estimar a altura da pilha:
Se os H s calculados usando Eq. (4.64e) ou (4.64f) ser mais de 30m, então a altura calculada da pilha deve ser aceita.
Abordagem semiempírica:
Nesta abordagem, a altura da pilha é estimada através dos seguintes passos:
Etapa I:
Uma altura de empilhamento, H s, é assumida. A altura assumida pode ser a calculada usando a abordagem empírica delineada na Seção 4.8.2.2.
Etapa II:
O aumento da pluma, ∆H, é calculado usando uma equação semi-empírica adequada. Algumas das equações relatadas na literatura estão enumeradas na Seção 4.8.2.5. Essas equações são baseadas na conjectura de que o aumento da pluma é influenciado por dois fatores, a saber:
(i) Momento do fluxo emissor da pilha e
(ii) A flutuabilidade do fluxo resultante da diferença na densidade do gás de chaminé e do ar ambiente na altura da pilha física. As correlações propostas pelos diferentes autores são baseadas nos dados disponíveis para eles. Alguns autores levaram em consideração o critério de estabilidade do tempo enquanto desenvolviam suas correlações.
Etapa-doente:
A altura efectiva da pilha H é considerada
Etapa IV:
Usando a Eq. (4.67) e a estimativa de H e, estima-se a concentração máxima de cada um dos diferentes poluentes (presentes na corrente de gás efluente) ao nível do solo, correspondentes às diferentes designações de estabilidade atmosférica. Se estes estiverem dentro de seus respectivos limites permitidos, então os Hs assumidos são aceitos como a altura real da pilha. Se não, então, com base em um valor mais alto de Hs do que o assumido anteriormente, baseado nos Passos II, III e IV, são repetidos até que seja encontrado um Hs aceitável que satisfaça o critério especificado na Etapa IV.
Perfil de Concentração de Poluentes em uma Pluma:
Uma equação que expressa o perfil de concentração de poluentes em uma pluma resultante de uma fonte pontual contínua sob condição de estado estacionário foi desenvolvida com base nas seguintes suposições:
e (iii) o perfil de concentração em qualquer localização a favor do vento (x, y, z) segue a curva de distribuição de probabilidade normalizada gaussiana nas direções K e Z.
Com base nas suposições acima mencionadas, a equação derivada representando o perfil de concentração é
onde C x, y, z = concentração de um poluente em um local com coordenadas x, y & z,
Q = massa do poluente específico emitido por unidade de tempo,
U = velocidade do vento em altura H e,
σ y = desvio padrão do coeficiente de dispersão na direção y
e σ Z. = desvio padrão do coeficiente de dispersão na direção z.
Os valores numéricos de σ v e σ z, dependem da condição do tempo, da velocidade do vento e da distância de um local da base da pilha na direção horizontal do vento, isto é, a coordenada X.
na Eq. (4, 66) representa maior concentração de poluição por causa da reflexão do solo.
A concentração de qualquer poluente em qualquer X seria o máximo na linha central da pluma correspondente a y = 0 e Z = H e, sob 'condição neutra'. A expressão para a concentração ao nível do solo de qualquer poluente sob a linha central da pluma seria
que
sua razão seja independente de X, então a concentração máxima ao nível do solo de qualquer poluente específico pode ser expressa como
onde X max é a distância da base da pilha na direcção do vento a que a concentração de poluentes seria a máxima ao nível do solo.
Segue-se que nessa mesma localização, ou seja, no X max
Gráficos dos valores empiricamente estimados de σ y e σ z correspondentes às diferentes designações de estabilidade qualitativa como parâmetros são mostrados na Fig. 4.20 A e 4.20 B respectivamente.
Designações de Estabilidade Pasquill-Gifford:
Um: extremamente instável
B: moderadamente instável
C: ligeiramente instável
D: Neutro
E: ligeiramente estável
F: moderadamente estável.
Seguindo esta abordagem σ z, x max é estimado usando Eq. (4.70) com base no valor já calculado de H e Eq. (4, 65). Correspondendo ao estimado σ z X max e uma categoria de estabilidade assumida, X é lido na Figura 4.20B. A seguir, da Fig. 4.20A a y é lido correspondendo ao X (leia-se anteriormente da figura 4.20B) e à categoria de estabilidade assumida anteriormente. Usando os valores estimados de o e σ y, σ z, C X max,, 0, 0 É calculado para cada poluente utilizando a Eq. (4, 69).
O C X max calculado para cada poluente deve ser comparado com o seu limite admissível. Se o C X max calculado de nenhum dos poluentes exceder o seu limite, o procedimento descrito acima deve ser repetido para cada uma das outras categorias de estabilidade. Caso o Cx max calculado para qualquer poluente exceda seu limite para qualquer categoria de estabilidade, as etapas II, III e IV listadas anteriormente devem ser repetidas assumindo um valor mais alto de H do que o assumido anteriormente até que uma solução satisfatória seja alcançada.
Referindo as Figs. 4.20A e 4.20B deve-se salientar que a correlação entre σ y e X pode ser razoavelmente bem representada pela relação σ v = σ y X b, mas entre o. e X não corresponde à correlação σ z = a z X b
Uma correlação melhor teria a forma
Os valores numéricos de ' y a' z e n foram encontrados para depender da designação de estabilidade atmosférica. Várias estimativas de ' y a' z m e n foram relatadas na literatura. Uma dessas estimativas é dada na Tabela 4.16.
Um procedimento de estimativa de altura de pilha melhor seria seguir as etapas listadas na Seção 4.8.2.3 em conjunto com a Eq. (4.73) em vez de usar a Eq. (4, 69).
Correlações de ascensão de pluma:
Investigadores diferentes tentaram correlacionar o aumento da pluma (HA) com as variáveis pertinentes. Alguns deles estão listados abaixo.
1. A equação de Holland é possivelmente a mais antiga e é simples.
onde ∆H = ascensão da pluma, (m)
U = velocidade do vento, (m / s)
U s = empilhar a velocidade do gás na saída da pilha, (m / s)
D s = diâmetro da pilha na saída, (m)
P = empilhar pressão de gás na saída, (kPa)
T s = temperatura do gás de chaminé na saída, (K)
T a = temperatura do ar ambiente na altura da pilha física, (K)
Como esta equação não leva em consideração a condição de estabilidade atmosférica, Holland sugeriu que o AH estimado deveria ser multiplicado por um fator de 1, 1 a. 1, 2 para condição instável e de 0, 8 a 0, 9 para condição estável. Estudos subseqüentes mostraram que a equação de Holland fornece uma estimativa bastante conservadora da HA por um fator de 2 a 3.
2. Moisés e Carson propuseram equações que dependem dos critérios de estabilidade abaixo:
3. ASME Task Group recomendou duas equações. Para condições instáveis e neutras, a equação recomendada é:
Estimativa da Área Transversal / Diâmetro da Pilha e Queda de Pressão da Pilha:
O caudal volumétrico de gás de chaminé pode ser expresso como
Onde
D s = diâmetro médio da pilha, m.
Assumindo uma velocidade adequada do gás de empilhamento na faixa de 10-15 m / s, a área / diâmetro da seção transversal da pilha pode ser estimada usando a Eq. (4, 77).
Uma vez conhecida a velocidade do gás de chaminé (U s ), o diâmetro da chaminé (D S ) e a altura da chaminé, a pressão de queda de pilha / base da chaminé pode ser calculada utilizando uma equação de Bernoulli (balanço energético) modificada conforme abaixo indicado:
Exemplo 4.5:
Uma pilha deve ser projetada para um forno a carvão, no qual 500 T de carvão com 2% de enxofre, 20% de cinza e o restante carbono será queimado.
As seguintes informações / dados podem ser usados para fins de design:
Solução:
Estimativa da altura da pilha (H s ):
(i) Uma estimativa preliminar da altura da pilha é obtida com base na abordagem empírica Eq. (4.64e)
(ii) Uma estimativa preliminar da altura efetiva da pilha H e é obtida usando a Eq. (4, 65)
H e = H s + ∆H
O aumento da pluma (∆H) é calculado usando a equação de Holland, Eq. (4, 74).
(iii) A concentração máxima do SO2 ao nível do solo deve ser calculada usando a Eq. (4, 73)
a'y, a ' z, m e n devem ser lidos da Tabela 4.16 correspondendo a uma designação de estabilidade de Pasquill-Gifford que provavelmente resultará no valor máximo da concentração de S0 2 no nível do solo. Examinando as Tabelas 4.15 e 4.16 correspondentes à velocidade do vento U = 4 m / s, parece que a designação de estabilidade D de Pasquill-Gifford resultaria em concentração máxima de S0 2 . Os valores de ' z, a'y m e n lidos da Tabela 4.16 são
Portanto, a altura da pilha que resultaria em uma concentração de S0 2 ao nível do solo próxima a 80 µg / m 3 é
Hs = H e - ∆H = 200 - 31 = 169 m.
Diâmetro da pilha, Ds = 3, 06 m.
Deposição de Poeira de Pluma:
Partículas de poeira, que são emitidas através de uma pilha, se dispersam como os poluentes gasosos. Mas as partículas, sendo maiores em tamanho e mais densas que a pilha de gás / ar, começam a se estabelecer imediatamente após a emissão devido à força gravitacional. As partículas finalmente atingem suas respectivas velocidades terminais. A velocidade terminal de uma partícula com um dpi de diâmetro pode ser expressa como
onde U t, dpi = velocidade terminal de partículas com um diâmetro dpi e densidade p p, m / s
g = aceleração devido à gravidade, m / (s 2 )
dpi = diâmetro da partícula (m)
p a = densidade do ar ambiente kg / (m 3 )
p p = densidade de partículas kg / (m 3 )
C D = coeficiente de arrasto
Assumindo que as partículas de poeira sejam esféricas, C D pode ser avaliado usando qualquer uma das seguintes relações, dependendo do número de partículas de Reynolds;
As partículas de poeira finalmente se assentam no chão. Partículas relativamente maiores são depositadas ao longo do eixo da pluma enquanto as partículas mais finas são depositadas ao redor. Como a direção do vento e sua velocidade mudam de tempos em tempos, a orientação da pluma muda consequentemente.
Portanto, a taxa média de deposição de poeira no tempo é estimada em locais diferentes como uma função de X, a distância do vento a partir da base da pilha. Segundo Bosanquet et al. a taxa de deposição num ponto P a uma distância X da base da chaminé pode ser expressa como
F = uma função de U, dpi / U e X / H e (como mostrado na Fig. 4.21)
H e = altura da pilha equivalente.
A taxa de deposição de poeira no ponto P no plano axial da pluma pode ser calculada usando a Eq. (4, 82)
A taxa de deposio total de todas as partulas com tamanhos diferentes pode ser estimada pela soma das taxas das partulas individuais como mostrado abaixo:
