Comportamento aço/escória

A sequência de imagens na Figura 5.26 resume o comportamento das gotas de N-pentano que são arrastadas da câmara de vácuo para a panela, destacando a influência da vazão de gás no tempo total necessário para arrastar 500mL de N-pentano adicionados na câmara de vácuo. Apesar da injeção quase instantânea do óleo (<3,5s), haviam gotas de óleo dispersas na água por tempos superiores a 25s. No início, uma considerável fração do óleo se acumula na superfície do líquido acima da perna de descida. Devido à turbulência no interior da câmara de vácuo, a formação de pequenos vórtices acima da perna é responsável pelo entranhamento do óleo da superfície livre, e a recirculação do líquido arrasta as gotículas para o vaso inferior (panela). A frequência de ocorrência destes redemoinhos e a sua capacidade de promover o arraste de óleo aumentam para maiores vazões de gás e, consequentemente, reduz o tempo total de permanência do óleo no interior do líquido.

123 Figura 5.26 – Dispersão de gotas de N-pentano no interior da panela do modelo físico do reator RH em função do tempo para vazão de gás igual a (L/min): (a) 70, (b) 90 e (c) 110.

Pode-se notar também que as gotas são arrastadas até perto do fundo da panela, e pela ação do empuxo flutuam rapidamente para a superfície livre do líquido. O movimento das partículas é governado principalmente pelo empuxo, e as partículas ficam restritas à região abaixo e ao redor da perna de descida. Apenas gotas muito pequenas acompanham o fluxo do líquido e atingem a perna de subida, resultando em uma recirculação entre a panela e a câmara de vácuo.

O tempo médio total de arraste de óleo (tempo de arraste) e o tempo médio de residência (tRp) de uma única gota no seio do líquido (média das dez primeiras gotículas que passam pela perna) são mostrados na Tabela 5.1. Uma considerável redução no tempo de arraste do óleo é notada para a maior vazão de gás, enquanto o tempo de residência para uma única gota é ligeiramente

124 reduzido com o aumento da vazão de gás. O tempo necessário para que todas as gotas atinjam a superfície livre da panela varia entre 29s e 51s. Como o tempo de circulação é de cerca de 25s (para modelo físico), então há tempo disponível para promover o contato entre água e gotas de óleo.

As imagens capturadas logo abaixo da saída da perna de descida foram utilizadas para avaliar o tamanho das gotas de óleo arrastadas para o vaso inferior. A Figura 5.27 apresenta algumas imagens para diferentes vazões de gás. Um maior número de gotas é observado com o aumento da vazão. Os diâmetros das gotas estão entre 2mm e 9mm para todas as vazões de gás, e os valores médios são próximos a 4mm. O gráfico da Figura 5.27(c) elucida estes aspectos. O diâmetro médio de Sauter (d32) das gotas é mostrado na Tabela 5.1. Novamente, os valores médios dos diâmetros das gotas são muito próximos, ou seja, a vazão de gás teve pouca influência no diâmetro das gotas.

Tabela 5.1 – Resumo do comportamento de gotas de n-pentano (500mL) no modelo físico.

Vazão de gás (L/min) Tempo de arraste: tH (s) Tempo de residência: tRp (s) Diâmetro de Sauter d32 (mm) Média DP Média DP 70 51,0 8,9 6,6 2,1 4,7 90 35,0 2,0 5,4 1,0 4,8 110 29,4 1,8 5,0 1,8 4,4 * DP – desvio padrão

É óbvio que vazão de gás ótima para o processo de dessulfuração do aço deve fornecer menor valor de diâmetro médio (maior área de superfície) e um tempo de residência mais longo das gotas, parâmetros essenciais para aumentar a taxa de dessulfuração. Assim, a escolha da vazão de gás para a adição do material dessulfurante deve considerar um equilíbrio entre tais parâmetros e tempos de tratamento mais longos. Como destacado por Yang et al. (2014), a melhor forma de aumentar a taxa de dessulfuração no RH é aumentar o tempo de residência do dessulfurante no interior do aço líquido. Primeiramente, esses autores observaram no modelo físico qual era a vazão de gás para que maximizava o tempo de residência do óleo na água. Então, eles obtiveram bons resultados de dessulfuração em testes industriais, reduzindo a vazão

125 de argônio de 60Nm³/h para 50Nm³/h em um reator de RH de 100t de capacidade, retornando ao valor normal de trabalho 5 minutos após a dessulfuração. No entanto, é necessário ter cautela, pois velocidades mais baixas do gás implicam em maiores quedas de temperatura e menores taxas de circulação, o que pode reduzir a eficiência da dessulfuração.

Figura 5.27 – Morfologia das gotas de n-pentano logo abaixo da perna de descida, 5 segundos após a passagem da primeira gota de óleo e os contornos das gotas mensuradas pelo programa

ImageJ. Vazão de gás (L/min): (a) 70, (b) 90 e (c) 110; (d) Box plot da distribuição de tamanhos das gotas.

Cálculos preliminares podem ser realizados para avaliar as condições para o transporte de gotas de escória através da perna de descida até a panela. Como estimativa inicial pode-se considerar um tamanho de gota com uma velocidade terminal (Vterminal) igual à velocidade média do aço dentro da perna, o que representa uma primeira abordagem para estimar o maior diâmetro de gota que pode ser arrastada da câmara de vácuo. Nesta situação crítica, a força de arraste é balanceada pelas forças peso e de empuxo que atuam na gota. Isto leva a:

vaço = 4 𝑄 𝜌aço 𝜋𝐷2 ≈ 𝑉𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 = √ 4 3 𝑑_𝑝 𝑔 ∆𝜌 𝜌aço 𝑓 (5.2)

Aqui ∆ρ é a diferença de densidade entre aço e escória (kg/m³), dp é o diâmetro da gota (m), f é o fator de atrito (~ 0,44 para as condições altamente turbulentas dentro da perna). Assim, para

126 a vazão de gás de 1,833Nm³/min (110 Nm³/min), diâmetro da perna (D) de 0,75m, pressão de gás no ponto de injeção (P1) de 1bar e pressão na câmara de vácuo (P2) de 50mbar, a equação de Kuwabara (KUWABARA et al., 1988) fornece uma taxa de circulação de 137,1t/min. Considerando este valor de circulação e ρaço = 7000kg/m³, Δρ = 4000kg/m³, encontra-se um diâmetro crítico de gota de escória igual a dp = 0,032m (dado pela Equação 5.2). Gotas com diâmetros menores que esse valor crítico seriam arrastadas através da perna de descida. Cálculos similares utilizando dados do modelo físico e propriedades da água e do N-pentano fornecem um diâmetro crítico de 0,0135m, 0,0168m e 0,0205m para vazões de gás de 70L/min, 90L/min e 110L/min, respectivamente. Como o valor máximo para o diâmetro das gotas de óleo mostrado na Figura 5.27(d) é 9mm, e o diâmetro Sauter varia de 4.4 a 4.8mm (~ 25% do tamanho crítico), é razoável supor que um diâmetro médio das gotas de escória em aço é igual a 25% do valor máximo estimado. Portanto, isso ampara o uso de uma equação tão simples para estimar o valor médio do diâmetro das gotas de escória que são arrastadas da câmara de vácuo para a panela.