Modelamento físico sobre a transferência de massa

A dessulfuração do aço envolve um conjunto de processos de tratamento com vistas ao ajuste de composição química para atender a variados pré-requisitos de qualidade. O estudo do fenômeno de transferência de massa do enxofre entre aço e escória é de grande importância para alcançar maior entendimento do processo e permitir a otimização das tecnologias existentes. A partir de resultados laboratoriais obtidos em modelo físico em escala, cujos parâmetros são bem monitorados, é possível determinar com relativa precisão as variáveis que mais afetam o processo, e então propor alterações para otimizar os resultados de taxa de remoção de enxofre.

Kim e Fruehan (1987) utilizaram timol (C10H14O) como material traçador em água para investigar o efeito de parâmetros operacionais, tais como vazão de gás, viscosidade do óleo, diâmetro e posição das ventaneiras, sobre a taxa de transferência de massa de enxofre numa panela de aciaria. A relação de partição de enxofre entre escória e metal é da ordem de 200 a 500, resultando em um processo controlado por difusão no metal líquido. Estes autores afirmaram que em muitos trabalhos anteriores sobre transferência de massa, o traçador utilizado possuía coeficiente de partição menor que 0,6. Kim e Fruehan (1987) escolheram timol como espécie transferida, pois obtiveram para um modelo a frio usando água e uma mistura 50/50 (em volume) de óleo de parafina e óleo de algodão como fase similar à escória, o valor de

57 coeficiente de partição de timol maior que 350.

Inicialmente o modelo de panela foi preenchido com 75L de água contendo entre 120ppm e 130ppm de timol. Adiciona-se 2,5L de óleo, valor proporcional a razão aço/escória no tratamento em forno panela. Após o início da injeção de gás, amostras de água são retiradas do sistema ao longo do teste. As amostras foram analisadas em um espectrofotômetro ultravioleta (UV) para determinar a concentração de timol em água. Kim e Fruehan (1987) notaram que existia uma vazão de gás crítica: abaixo desta vazão, a interface água/óleo é muito calma e o coeficiente de transferência de massa aparente variava fracamente com o aumento da vazão; em elevadas vazões de gás o coeficiente de transferência de massa aparente era proporcional a vazão de gás elevado a 1,43, devido à forte agitação que provocava o entranhamento e recirculação de gotas de óleo na água, aumentando a área interfacial água/óleo. Também observaram que a viscosidade do óleo afeta a transferência de massa para vazões altas de gás, pois esta influencia na formação e entranhamento de gotas de óleo. Baseado nestes resultados, Kim e Fruehan (1987) sugerem que para dessulfuração do aço em panela é necessária uma etapa de forte agitação (elevada vazão de gás) para maximizar a área interfacial entre aço e escória, seguido de uma etapa de agitação suave para promover a flotação das gotas de escória entranhadas.

Wei et al. (2001) avaliaram a taxa de transferência de massa entre partículas dessulfurantes e aço líquido no processo de sopro de pó na câmara de vácuo de um reator RH-PTB de 90t utilizando sopro de pó de NaCl P.A. (5g) num modelo físico em escala 1/5, utilizando argônio como gás de transporte do pó. A concentração de NaCl na água foi determinada utilizando o método de condutividade elétrica, sendo as alterações na condutividade da solução aquosa detectadas e monitoradas por meio de um medidor de condutividade elétrica posicionado na saída da perna de descida. Considerando uma solução saturada como padrão, o pico de condutividade foi correlacionado com a concentração de NaCl na água, e os coeficientes de transferência de massa de NaCl no líquido foram determinados. Wei et al. (2001) encontraram que o coeficiente de transferência de massa no líquido aumentava com o aumento da vazão de gás, do diâmetro da perna de subida e com o aumento do tamanho da partícula de pó. Além disso, o coeficiente de transferência de massa para a dissolução das partículas foi encontrado

58 no intervalo (1,36-7,30) × 10−4m/s, que é muito maior do que no caso geral da transferência de um elemento entre a escória e o aço, e maior do que o valor para a injeção do pó em uma panela.

Em um estudo semelhante, Wei et al. (2007) avaliaram a taxa de transferência de massa entre partículas dessulfurantes e aço líquido no processo de sopro de pó no interior do líquido na panela de um reator RH de 150t utilizando sopro de pó de NaCl P.A. em um modelo físico em escala 1/4, utilizando ar comprimido como gás de transporte do pó. 10 g de pó de NaCl (separado por faixa de tamanho) foram injetados no líquido logo abaixo da perna de subida através de uma lança inclinada 45° em relação a vertical. Assim como no trabalho anterior (WEI et al., 2001), a concentração de NaCl na água foi determinada utilizando o método de condutividade elétrica, e os resultados indicaram que o coeficiente de transferência de massa no líquido aumentava com o aumento da vazão de gás, do diâmetro da perna de subida e com o tamanho da partícula de pó. Wei et al. (2007) encontraram o coeficiente de transferência de massa para a dissolução das partículas dentro da faixa (3,392x10−5 e 2,661x10−4)m/s, que é menor que o resultado determinado por Wei et al. (2001) sob as condições do processo RH- PTB (entre 1/4 e 1/3 do valor), porém ainda é muito maior do que no caso geral da transferência de um elemento entre a escória e o aço.

Ressalta-se que sendo as partículas de pó utilizadas no modelo a frio (NaCl) mais densas que a água, o que pode influenciar no comportamento dinâmico destas partículas, diferenciando-o do comportamento das partículas de pó dessulfurantes sopradas no aço (partículas são menos densas que o aço). Além disso, é razoável pensar que há diferenças consideráveis entre o coeficiente de transferência de massa de um elemento entre um fluido e uma partícula (líquida ou sólida) e entre o coeficiente de transferência de massa para dissolução de partículas num líquido.

O processo de transferência de massa de enxofre entre aço líquido e escória dessulfurante foi avaliado por Costa (2016) utilizando modelo físico e matemático de diferentes reatores metalúrgicos, comumente utilizados para este fim. Inicialmente, Costa (2016) avaliou o coeficiente de transferência de massa de cobre II entre água e fase orgânica de recobrimento (querosene e ACORGA 3%), em modelo físico de panela de aciaria em escala 1:5. A partição de cobre entre fase orgânica e meio aquoso foi determinada experimentalmente, sendo igual a 332,7. A partir da evolução da concentração de Cu+2, da velocidade relativa entre as fases na

59 interface e da área interfacial fornecidas pelo modelo matemático, o coeficiente de transferência de cobre II foi ajustado e aplicado à correlação de Sherwood (Equação 3.31). Seguiu-se com a validação da correlação adimensional de Sherwood em um modelo físico do reator Kambara (KR), também de escala 1:5, dada a grande proximidade entre os valores da taxa de transferência de massa prevista pela correlação adimensional com a taxa de transferência de massa aparente obtida nos testes com o modelo do KR.

𝑘_𝐴 = 0,062 ∙ 𝑅𝑒_𝐿4/5∙ 𝑆𝑐1/3_∙𝐷𝑆 𝐿

⁄ (3.31)

Onde: kA - coeficiente de transferência de massa (m/s); Re - Número de Reynolds; Sc - Número de Schmidt; DS - difusividade do enxofre no aço líquido (m2/s); L - comprimento característico, dado pelo diâmetro do reator na linha de interface aço escória.

Costa (2016) procurou validar a abordagem matemática em escala industrial utilizando resultados industriais, de três tratamentos de dessulfuração de aço em panela com agitação por injeção de gás. Obteve-se 95% de precisão entre os valores previstos e a taxa de dessulfuração alcançadas industrialmente. Por fim, Costa (2016) aplicou a mesma metodologia no processo KR e no processo RH, obtendo resultados consistentes com a literatura. Porém, ressalta-se que para o reator RH, Costa (2016) considerou uma camada de escória sobrenadante no interior da câmara de vácuo, sendo o mecanismo proposto para a remoção de enxofre através da interface metal escória. Não foi considerada a possibilidade de arraste desta escória pelo fluxo de aço para a panela (e posterior absorção pela escória de topo na panela). A elevada turbulência no interior da câmara de vácuo e valores relativamente altos de velocidade do aço líquido nesta região sugerem que esta camada sobrenadante não seria estável, sendo aos poucos arrastada pelo fluxo de aço.

Considerando o material dessulfurante adicionado na câmara de vácuo pela calha de adição de ligas no Reator RH, experimentos de transferência de massa em modelo físico podem elucidar questões relativas às condições ótimas de taxa de circulação, à minimização do tempo de tratamento, e previsibilidade do grau de dessulfuração que pode ser alcançado pela técnica.

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4 MATERIAIS E MÉTODOS

Em função das variáveis propostas para análise, este trabalho foi dividido nas seguintes etapas:

1) experimentos de modelagem física do escoamento no reator RH, para determinar as taxas de circulação em diferentes condições operacionais e filmagens da zona de injeção para caracterizar a penetração e a dispersão do gás na zona de injeção;

2) desenvolvimento da simulação matemática do escoamento bifásico (líquido/gás) no reator RH, para prever as taxas de circulação em diferentes condições operacionais: determinação da combinação de forças de arraste e não-arraste pela comparação com resultados do modelo físico;

3) experimentos de modelagem física utilizando água e solução salina como fluido similar ao aço e 4 tipos de óleos (diferentes densidades e viscosidades) para simular a escória, avaliando tempo de residência e diâmetro das gotas arrastadas; testes de transferência de massa de timol entre a água e o óleo adicionado na câmara de vácuo para simular o processo de dessulfuração no reator RH.

4) desenvolvimento do modelo cinético para estimativa da taxa de dessulfuração a partir de resultados do modelo físico (comportamento óleo/água) e da simulação matemática (taxa de dissipação de energia cinética turbulenta;

As combinações de variáveis assim como os métodos empregados para análise são resumidas na Tabela 4.1. Alguns destes testes utilizaram os três tipos de fluido (água, solução aquosa de NaCl e solução aquosa de ZnCl2) como fluido de circulação similar ao aço. De modo a contornar problemas de distorção das imagens pela curvatura do vaso inferior durante filmagens com câmera de alta velocidade e durante a realização de análises quantitativas do fluxo do fluido através da técnica PIV, um segundo modelo do vaso inferior foi construído no formato retangular. Um desenho esquemático do modelo é apresentado na Figura 4.1(a) e uma imagem do modelo em acrílico na Figura 4.1(b). A Tabela 4.1 destaca a divisão dos testes em relação à utilização do vaso inferior cilíndrico e retangular.

61 Tabela 4.1 – Métodos de análise e combinação de variáveis utilizadas nos testes.

Parâmetros Método de análise

Taxa de circulação Injeção de óleo

Vaso Inferior Imersão Pernas (mm) Vazão de gás (L/min) Strain

Gages PIV Cond. CFX Est. CFX Tr. Modelo físico CFX Caixa retangular 60 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120 X X X X 70, 80, 90, 100, 110 Diâmetro de gotas Panela cilíndrica 60, 100 e 140 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 160 X X X 60 70, 90, 110 traçador Tempo de residência Trajetória das gotas

*Cond. – Condutivimetria; Est. – Estacionário; Tr. – Transiente;

Figura 4.1 – (a) Representação esquemática dos parâmetros geométricos do modelo físico utilizando vaso inferior retangular. (b) Modelo de acrílico do desgaseificador RH.

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