Avaliação da taxa de circulação via modelagem física

Como dito previamente, a taxa de circulação, definida como a quantidade de líquido (água, neste caso) que passa pela seção transversal da perna de descida por unidade de tempo, geralmente é medida em L/min, kg/s ou t/h. Devido a sua importância para a caracterização do fluxo em um reator RH, diferentes métodos têm sido utilizados para medir a taxa de circulação: Zheng e Zhu (2016), Mukherjee et al. (2017) utilizaram instrumentos para avaliar a velocidade na perna de descida; Seshadri e Costa (1986), Seshadri et al. (2006), Silva et al. (2004), Tavares et al. (2008), entre outros, aplicaram o método da condutivimetria; Lin et al. (2012), Zhu et al. (2016b), Li et al. (2016) utilizaram um medidor de vazão por onda ultrassônica instalado na perna de descida.

15 Conforme Figura 3.3(a), um tubo com um barômetro digital conectado na parte inferior da perna é usado para medir a queda de pressão. De acordo com o princípio de Bernoulli, a velocidade da água na perna de descida é obtida a partir da queda de pressão alcançada na parte inferior da perna e, por sua vez, a vazão de água é determinada conhecendo-se a área da seção transversal da perna de descida (MUKHERJEE et al., 2017). Para se evitar interferência no perfil de velocidades como resultado do contato direto de sondas com o líquido (água), a taxa de circulação pode ser obtida por um medidor de vazão de onda ultrassônica, que é instalado na perna de descida como mostrado na Figura 3.3(b) (ZHU et al., 2016b).

Figura 3.3 – Diagrama esquemático do modelo físico do desgaseificador RH com: (a) medição de velocidade na perna de descida (MUKHERJEE et al., 2017); (b) medidor de

vazão por ondas ultrassônicas (ZHU et al., 2016b).

Desta forma, a influência dos diversos parâmetros sobre a taxa de circulação de líquido no reator RH tem sido largamente investigada. Utilizando um modelo físico em escala de 1:3 para um reator RH de 160t a 170t, Mukherjee et al. (2017) avaliaram o efeito da vazão de gás e da profundidade de imersão das pernas sobre a taxa de circulação. Conforme Figura 3.4, estes autores observaram que o aumento da profundidade de imersão resultou em aumento considerável da taxa de circulação, mas não explicaram o motivo da redução quando a vazão de gás alterou de 12L/min para 24L/min. Em um modelo físico em escala 1:5, Vargas (2000) também observou que a taxa de circulação aumentou quando a profundidades de imersão das

16 pernas passou de 60mm para 90mm, porém quando passou de 90mm para 120mm o efeito sobre a taxa de circulação foi menos pronunciado.

Em um modelo físico em escala 1:4, Lin et al. (2012) observaram elevação dos valores de taxa de circulação com o aumento da vazão de gás, com o aumento do diâmetro da perna de subida e com a diminuição do diâmetro interno dos bicos de injeção de gás (Figura 3.5b). Em relação ao diâmetro dos bicos de injeção, Tavares et al. (2008) haviam observado efeito inverso sobre a taxa de circulação, conforme Figura 3.5(a). Isto pode ser justificado em função dos níveis de vazão adotados por cada autor e o diâmetro da perna de subida. Tavares et al. (2008) utilizaram um modelo com 12 bicos e diâmetro interno da perna de 120mm, enquanto o modelo de Lin et al. (2012) possuía 16 bicos e diâmetro interno da perna igual a 187,5mm. Desta forma, nos níveis de vazão adotados para cada trabalho, a velocidade do gás na saída dos bicos é consideravelmente maior no trabalho de Tavares et al. (2008), e os próprios autores relatam que com os bicos de 1mm, a pluma gasosa tende a se concentrar nas regiões centrais da perna, deixando uma área próxima à parede praticamente sem passagem de gás. Conforme o diâmetro do bico aumenta, a pluma é distribuída de maneira mais uniforme ao longo da seção transversal da perna, particularmente em elevadas vazões, resultando em aumento da taxa de circulação.

Figura 3.4 – Influência da profundidade de imersão das pernas sobre a taxa de circulação de água para diferentes vazões de gás (MUKHERJEE et al., 2017).

17 Figura 3.5 – Efeitos do diâmetro do bico de injeção sobre a taxa de circulação: (a) Tavares et

al. (2008); (b) Lin et al. (2012).

Por outro lado, devido às menores vazões de gás e maior diâmetro da perna de subida no modelo físico do trabalho de Lin et al. (2012), a redução do diâmetro dos bicos de injeção de gás inerte na perna de subida implica em aumento da profundidade de penetração do gás e distribuição de bolhas mais uniformes no interior da perna, resultando em elevação da taxa de circulação. Ressalta-se ainda que devido aos maiores valores de vazão de gás, para um determinado diâmetro dos bicos, Tavares et al. (2008) observaram que a taxa de circulação permanece aproximadamente constante ou mostra uma leve tendência de redução acima de uma determinada vazão de gás, isto é, a vazão de gás atingiu o valor de saturação (figura 3.5a) conforme sugerido anteriormente por Park et al. (2000).

O efeito da obstrução dos bicos de injeção de gás inerte pela perna de subida sobre a taxa de circulação também foi avaliado através de modelamento físico. Silva et al. (2004) afirmaram que o bloqueio de bicos em si não é um problema crítico se for possível manter a taxa de circulação do aço aumentando a injeção de gás, medida compensatória que pode ser praticada até uma vazão limite de gás. Porém, estes autores observaram que condições de obstrução do tipo assimétrica podem resultar em redução de 50% na taxa de circulação. Lin et al. (2012) relacionaram este efeito negativo de obstruções assimétricas à distribuição não uniforme de gás na perna de subida. No caso de bloqueios simétricos, a penetração do fluxo gasoso é maior do que em casos de não obstrução, o que evita a queda significativa da taxa de circulação do aço.

18 Outros trabalhos avaliaram a influência do formato das pernas RH, que pode ser com formato circular ou oval, como inicialmente proposto por Kuwabara et al. (1988), e apresentado recentemente nos trabalhos de Ling et al. (2016a) e Luo et al. (2018). Estes trabalhos relatam um aumento da taxa de circulação ao se utilizar as pernas ovais, devido ao aumento da área da seção transversal da perna.