Estimativa de transferência de massa

Apesar de alguns trabalhos realizados sobre transferência de massa líquido/líquido em vasos agitados a gás, para o Reator RH ainda existem questões relativas às condições de arraste de gotas de escória da câmara de vácuo e à transferência de massa entre o aço e o material dessulfurante adicionado na câmara de vácuo.

79 Os testes de transferência de massa utilizaram água e dois tipos de óleo (óleo de soja e óleo de motor 10W30) como fluidos similares ao aço e escória, respectivamente. Timol (C10H14O) foi utilizado como traçador para simular a transferência de enxofre, pois Kim e Fruehan (1987) relataram o valor de coeficiente de partição de timol maior que 350 entre água e uma mistura 50/50 (em volume) de óleo de parafina e óleo de algodão como fase similar à escória. Testes iniciais para determinação do coeficiente de partição entre cada tipo de óleo foram conduzidos em um aparato formado por um béquer e um agitador magnético (Figura 4.9a), contendo cerca de 1L de solução aquosa (100ppm de timol) e 24mL de óleo (óleo de silicone 500cSt e 50cSt, óleo de motor 10W30 e óleo de soja). Estas proporções de materiais representam (em volume) um consumo de dessulfurante equivalente a 10kg/t de aço.

Conforme Figura 4.9, inicialmente, o sistema foi preenchido com solução aquosa (~100ppm de timol) e o óleo foi adicionado na superfície, iniciando forte agitação, mantida por mais de 24h. Algumas amostras são retiradas ao longo do experimento para determinação da concentração de timol, e a partir do ponto onde não há mais variação na concentração, considera-se que o sistema atingiu o equilíbrio. Para coletar as amostras, o material é deixado em repouso por cerca de 5min para separação das gotas de óleo, e as amostras (~10mL) foram retiradas através de um tubo localizado no fundo do recipiente. Com base nos resultados de concentração inicial e final de timol na água, realiza-se um balanço de massa simples de forma que a quantidade de timol de equilíbrio (concentração final) no óleo possa ser inferida. Por fim calcula-se a partição de timol (Ltimol), ou seja, a razão entre as concentrações de timol de equilíbrio no óleo e na água, respectivamente (Ltimol = [timol]óleo/[timol]água). Este procedimento foi realizado no mínimo três vezes com cada tipo de óleo.

A análise da concentração de timol foi realizada utilizando um espectrofotômetro UV (Modelo S100) com software de análise MetaSpec Pro. As leituras foram realizadas utilizando-se o comprimento de onda igual a 275nm (um dos pontos que o timol apresenta pico de absorção), e a curva de calibração foi construída utilizando soluções preparadas com concentração de timol iguais a 0ppm (água destilada pura), 25ppm, 50ppm, 75ppm, 100ppm e 125ppm, devido à correlação linear existente entre a concentração do traçador e a intensidade da radiação UV absorvida pela amostra.

80 Figura 4.9 – Montagem experimental para realização dos testes em bancada de transferência

de massa de timol: (a) representação esquemática e (b) aparato experimental.

Para avaliar a transferência de enxofre entre escória dessulfurante e aço líquido no reator RH foram realizados alguns experimentos no modelo a frio, utilizando água e óleo (óleo de soja da marca Vila Velha, ou óleo de motor 10W30 semissintético, marca Falke) como fluidos similares ao aço e escória, respectivamente. A Figura 4.10(a) apresenta de forma esquemática a montagem experimental. Inicialmente, o modelo físico do reator RH foi preenchido com aproximadamente 89L de solução aquosa contendo aproximadamente 100ppm de timol. Dois minutos após o acionamento do sistema de vácuo e do início da injeção de ar comprimido, cerca de 2L de óleo foram adicionados na câmara de vácuo através de um tubo, posicionado a cerca de 10cm acima da superfície livre. Este volume de óleo foi determinado em função do consumo médio de material dessulfurante (10kg/t de aço), da densidade dos materiais envolvidos e do volume de água no modelo.

Em intervalos de tempo pré-determinados foram coletadas amostras de água (~15mL) para análise da concentração de timol em função do tempo, utilizando um pequeno tubo posicionado abaixo da perna de subida a 20cm do fundo da panela. A partir destes valores de concentração de timol, calcula-se a extração de timol ao longo do tempo, isto é a taxa de transferência de massa (timol). Foram realizados experimentos nas vazões de gás de 70L/min, 90Lmin e 110Lmin.

81 Figura 4.10 – (a) Representação esquemática da montagem experimental para realização dos testes de transferência de massa de timol no modelo físico do reator RH; (b) recipientes para coletas de amostra de solução de timol, com filtro de papel para reter gotas de óleo (frasco 2),

e vedação com papel alumínio para evitar perda por volatilização (frasco 1).

Destaca-se que as amostras eram coletadas em recipientes de vidro (frasco de Erlenmeyer), e as amostras eram filtradas em papel filtro de café para reter possíveis gotículas de óleo que alcançassem o tubo de amostragem, e após a amostragem, os frascos eram cobertos com papel alumínio para evitar perdas de timol por volatilização (vide Figura 4.10b). Foi necessário utilizar recipiente de vidro pois o timol era absorvido por recipientes de certos tipos de plástico, resultando em alterações na concentração de timol da amostra.

Além disso, para reduzir efeitos de variações de composição dos óleos de motor 10W30 e de soja, o volume necessário para a realização dos testes (20L de óleo 10W30 e 40L de óleo de soja) foi adquirido (em frascos comerciais de 1L e 900mL, respectivamente), e após homogeneização do volume total, foram armazenados em recipientes de 20L, de onde o volume necessário para cada teste era retirado.

Mediu-se as propriedades da solução de timol e do óleo de soja. A tensão superficial da solução aquosa contendo aproximadamente 100ppm de timol foi igual a 41,35mN/m, enquanto a tensão interfacial solução aquosa/óleo de soja foi igual a 15,57mN/m. Para o óleo de soja, foram encontradas densidade, viscosidade e tensão superficial iguais a 914,3kg/m³, 52,2mPa.s e

82 28,64mN/m, respectivamente. Destaca-se que as propriedades do óleo de soja são similares aos valores encontrados para o óleo de silicone 50cSt, vide Tabela 4.7 (950 kg/m³; 47,5mPa.s e 35,4mN/m).