Análise da transferência de massa via modelamento físico

A Tabela 5.6 apresenta os principais parâmetros e resultados dos testes em bancada para determinação do coeficiente de partição de timol entre óleo e água (Ltimol = [timol]óleo/[timol]água). Nota-se que os coeficientes de partição de timol para óleos de silicone (500cSt e 50cSt) e óleo de motor são baixos e relativamente próximos (de 27,8 a 40,9). Enquanto que para o óleo de soja, o valor é da ordem de 439,2, o que é mais próximo do valor de 350 entre água e uma mistura 50/50 (em volume) de óleo de parafina e óleo de algodão relatado por Kim e Fruehan (1987). Levando em consideração a conveniência de se conduzir

148 ensaios também em sistemas com coeficiente de partição comparáveis com aqueles do sistema industrial optou-se por realizar os testes no reator RH utilizando óleo de motor 10W30 e óleo de soja.

Tabela 5.6 – Parâmetros e resultados dos testes em bancada para determinação do coeficiente de partição de timol entre óleo e água.

Óleo mO (g) mS (g) [timol]i (ppm) [timol]f (ppm) Ltimol L (Média) DV 10W30 21,41 1000 91,36 52,26 34,95 35,3 2,0 43,07 1000 97,99 39,18 34,85 102,70 500 87,67 20,00 32,95 21,35 1000 97,00 53,22 38,53 50 cSt 23,89 1000 97,94 50,07 40,02 40,9 0,9 23,68 1000 92,09 46,07 42,18 47,96 1000 95,12 32,36 40,44 500cSt 24,05 1000 92,05 55,13 27,85 27,8 2,3 24,02 1000 94,08 58,83 24,95 48,18 1000 97,14 39,24 30,63 Soja 23,28 1000 107,00 9,17 458,27 439,2 42,2 15,49 1000 113,20 12,99 498,02 15,01 990 68,18 9,41 411,80 20,11 1000 108,43 12,30 388,63

mO; mS - massa de óleo e de solução; i – inicial; f – final (~ equilíbrio); DV - desvio padrão

Devido à baixa diferença de densidade entre o óleo (10W30 ou de soja) e a água, pouco ou praticamente nenhum material se acumula na superfície livre da câmara de vácuo após a adição dos 2L de óleo. Assim, o tempo de injeção de óleo foi escolhido em função do tempo de arrastes de 2L de n-pentano, conforme descrito no tópico anterior. Desta forma, foram realizados experimentos com injeção instantânea do óleo (~15s), injeção em 35s (tempo de arraste de n- pentano correspondente à vazão de 110L/min) e injeção em 85s (tempo de arraste de n-pentano correspondente a vazão de 70L/min. Esta variação do tempo de injeção foi realizada pela alteração do diâmetro de saída do tubo de injeção de óleo.

149 Apesar do menor valor de coeficiente de partição do óleo 10W30 quando comparado ao óleo de soja, testes em bancada (Figura 5.43) sob forte agitação (que promovia a dispersão do óleo em gotas) mostraram capacidade de remoção de aproximadamente 20% de timol em 5min de experimento. Porém, no reator RH o baixo tempo de contato das gotas de óleo dispersas no óleo implicou em uma extração de timol inferior a 5%, Figura 5.43(b) em 5min após a adição de 2L de óleo na câmara de vácuo (injeção do óleo durante 85s). A extração de timol foi muito baixa, e não se observa influência mensurável da vazão de gás sobre a taxa de extração. Apesar disso, ressalta-se que a maior queda na concentração de timol ocorreu nos dois primeiros minutos de teste, período no qual existe maior quantidade de gotas de óleo dispersas na solução aquosa de timol.

Figura 5.43 – Variação da concentração de timol em função do tempo: (a) teste em bancada (1L de solução; 24mL de óleo 10W30), sob forte agitação; (b) testes no reator RH em diferentes vazões (89L de solução; 2L de óleo 10W30, com tempo de injeção de 85s).

O elevado valor de coeficiente de partição do óleo de soja resultou em extração de timol entre 15% e 25% no reator RH, para diferentes tempos de injeção de óleo e vazões de gás (Figuras 5.44 e 5.45). Na Figura 5.44, os menores tempos de injeção do óleo resultaram em oscilação dos valores de concentração de timol, possivelmente devido ao tempo necessário para homogeneização, pois nota-se certa periodicidade dos pontos de baixa concentração, além deste comportamento ter sido observado nos dois testes em duplicata. Este problema não foi

150 observado para o tempo de injeção do óleo igual a 85s (Figura 5.45). Neste último, a concentração de timol decresceu de forma acentuada até cerca de quatro minutos. Em todos os tempos, nota-se que ocorre redução na concentração de timol após quatro minutos. Isto deve-se a recirculação de gotas de óleo, que ocorre devido à baixa diferença de densidade do sistema água/óleo.

Figura 5.44 – Extração de timol para diferentes tempos de injeção, e vazão de gás: (a) e (c) 70L/min; (b) e (d) 110L/min. T1 e T2 são testes 1 e 2, respectivamente.

Esta recirculação de gotas de óleo entre panela e câmara de vácuo é mostrada na sequência de imagens da Figura 5.46, e destacada na Figura 5.47. Nota-se que ainda existem pequenas gotas de óleo dispersas no líquido, 5 minutos após o término da injeção. Observa-se na Figura 5.46 que em 60s uma camada de óleo de espessura considerável já se formou na superfície da panela, porém é difícil estimar a pequena fração de óleo que fica recirculando. Apesar de ser quantidade

151 de óleo que recircula, seu efeito sobre a extração de timol é significante, visto que possuem elevada área superficial.

Figura 5.45 – Extração de timol para diferentes vazões de gás, e tempo de injeção de óleo igual a 85s.

As dificuldades citadas anteriormente não permitiram tirar conclusões efetivas sobre o efeito da vazão de gás sobre a taxa de extração de timol. De qualquer modo, os resultados foram promissores, uma vez que para as duas vazões estudadas, o material (óleo de soja) com coeficiente de partição de timol igual a 439,2 resultou em uma extração média de 15% em 2min de experimento (baixo valor de tempo, menor efeito da recirculação de gotas). Este nível de extração não seria suficiente para produzir aços com teores de enxofre muito baixos, mas deve permitir a correção do teor de enxofre em corridas “fora de faixa” (por exemplo, no conversor a oxigênio pode ocorrer a ressulfuração do aço pela escória oxidante ou pela sucata, contrapondo aos benefícios metalúrgicos decorrentes da operação de pré-tratamento do gusa -

LOU e ZHU, 2017), sem a necessidade de passar com o aço em vários tratamentos (forno panela e RH por exemplo).

152 Figura 5.46 - Dispersão das gotas de óleo de soja no interior da panela do modelo físico do reator RH, utilizando 2L de óleo e tempo de injeção de 15s, vazão de gás: (a) 70L/min; (b)

110L/min.

Encontram-se na literatura trabalhos como por exemplo, Ghorai et al. (2004, utilizando ácido benzoico como traçador) e Kim e Fruehan (1987, utilizando timol como traçador) que reportam resultados de modelamento físico de transferência de massa aplicados a dessulfuração do aço em forno panela. Nestes trabalhos foram determinados valores para o coeficiente de transferência de massa e como este é afetado pelas condições de vazão de gás e propriedades do óleo simulando a escória. Kim e Fruehan (1987) relataram uma vazão de gás crítica, acima da qual a forte agitação que provocava o entranhamento e recirculação de gotas de óleo na água, aumentando a área interfacial água/óleo e consequentemente o coeficiente de transferência de massa aparente. Ghorai et al. (2004) também notaram que a contribuição transitória (devido às gotas dispersas no líquido) aumenta significativamente com o aumento na vazão de gás. Ressalta-se que no caso de experiências em modelos físicos de panelas, o tempo de contato das gotas de óleo com o líquido é muito superior ao tempo de contato observado no modelo físico do reator RH, a partir da adição do dessulfurante pela calha na câmara de vácuo. Além disso, os efeitos devido à pequena diferença de densidade entre óleo e água (quando comparado ao

153 sistema escória/aço) não afetam tão negativamente os experimentos em modelo de panela como influenciam nos testes em modelo de reator RH.

Figura 5.47 – Presença de gotículas de óleo de soja dispersas na água 5min após o término da injeção do óleo na câmara de vácuo do modelo físico, vazões de gás: (a) 70L/min e (b)

110L/min. Tempo de injeção de óleo igual a 15s.