Made available in DSpace on 2016-06-02T19:55:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2139.pdf: 4554612 bytes, checksum: d4370e6a43fd8ea0f5921779a94f64c7 (MD5) Previous issue date: 2008-09-05 / Financiadora de Estudos e Projetos / The creation of rigorous emission and air pollution control standards has led to a growing interest in developing technologies to clean gases that not only remove pollutants efficiently but also recycle the energy produced by the process. Ceramic filters have been the most frequently utilized to separate aerosol particles in gas streams at high temperatures. The principal characteristics of ceramic filters are low pressure drop and high collection efficiency. This study presents the experimental results on the permeability and filtration efficiency for ceramic filters of different structures and compositions at high temperatures. The filters utilized in the trials were: 0.5mm thick quartz microfiber filters, seven ceramic fiber filters (A1000, B750, B1000, 1A, 2D, 3D and 5A) from 9-12 mm thick and two ceramic filters (A12 and A13) from 9-10mm thick. All the filters were circular (5-6cm diameter) and had an effective runoff area 3cm in diameter. The quartz microfiber filters had a porosity of 0.689 with a fiber diameter of around 1.1μm; the ceramic fiber filters had a porosity of 0.5 to 0.73 and a mean fiber diameter of around 5μm. The ceramic filters had a porosity of 0.62 for the A12 sample and 0.68 for the A13 sample with a mean pore diameter of 0.33 and 0.67μm, respectively. The filters were characterized by porosity (e) determined by a mercury intrusion porosimeter (Quantachrome Poremaster) and fiber diameter was captured by a scanning electron microscope (SEM) and determined by image analysis utilizing Image Proplus for Windows software. The permeability trials were performed at room and 700o C temperatures and at velocities of 0.01 to 1.8 m/s. The equipment utilized in the permeability constant trials consisted of a blower, leak detector, micromanometer (Furness Controls Ltd. FCO14), a furnace (Maitec) and a PID type temperature controller (Flyever). The particulate material utilized in the high temperature filtration tests was concentrated phosphate with a density of 2970 kg/m3 and mean diameter of 4.62mm. The density of the particulate material was determined by a helium picnometer (AccuPyc 1330, Micromeritics). The experimental system consisted of a fluidized bed aerosol generator (TSI-3400), a particle counter (Hiac/Royco Model 5230) and a test chamber inserted in the furnace. Particulates were analyzed in eight granulometric bands: 0.75; 1.5; 2.5; 3.5; 4.5; 6; 8. and 12.5mm. The filtration experiments were carried out at three levels of temperature (room, 300 and 700ºC) at a filtration velocity of 0.05m/s. For the results obtained, there was an increase in the Darcian permeability constant, k1 which elevated the temperature for ceramic filters. For all filters studied, the filtration tests demonstrated a clear dependence between filter efficiency and test temperature: lower filtration efficiency was obtained at higher gas temperatures. The probable thermal expansion of the filter structure temporarily dilated the porous channels for fluid runoff and gas property alterations changing the removal capacity of the filter. Based on the results presented, we concluded that the filters utilized in the study are viable for industrial filtration of hot gases. The correlation proposed for the quartz microfiber was a good representation of the experimental behavior of pressure drop and the efficiency of fractional collection and was a satisfactory fit at the different test temperatures. / A criação de normas rigorosas de emissão e controle de poluentes lançados na atmosfera levou a um crescente interesse em se desenvolver tecnologias para limpeza de gases que permitissem, não somente a remoção eficiente de poluentes, mas também o reaproveitamento energético do processo. Os filtros cerâmicos vêm sendo os meios mais utilizados para separar partículas de aerossóis em correntes gasosas em temperaturas elevadas. As principais características destes filtros são as baixas perdas de carga e alta eficiência de coleta. Este trabalho apresenta resultados experimentais da permeabilidade e da eficiência de filtração, em altas temperaturas em filtros cerâmicos de diferentes estruturas e composições. Foram utilizados para os ensaios filtros de microfibra de quartzo com 0,5 mm de espessura, 7 filtros cerâmicos fibrosos (A1000, B750, B1000, 1A, 2D, 3D e 5A) de 9-12 mm de espessura e 2 filtros cerâmicos (A12 e A13) de 9-10mm de espessura. Para os testes, os filtros tinham formato circular de 5-6 cm de diâmetro e área efetiva de escoamento de 3 cm de diâmetro. Os filtros de microfibra de quartzo tinham porosidade de 0,689 e diâmetro de fibras em torno de 1,1μm, os filtros cerâmicos fibrosos porosidade de 0,5 a 0,73 e diâmetro médio de fibras em torno de 5μm e os filtros cerâmicos porosidade de 0,62 para a amostra A12 e 0,68 para a amostra A13 e diâmetro médio do poro de 0,33 e 0,67μm, respectivamente. Os filtros foram caracterizados quanto à porosidade (e) determinada por porosimetria de Mercúrio (Quantachrome Poremaster) e diâmetro de fibra obtidas no microscópio eletrônico de varredura (MEV) e determinadas por análise de imagens, utilizando o software Image Proplus for Windows. Os ensaios de permeabilidade foram realizados em ampla faixa de velocidade (0,01 a 1,8 m/s) e de temperatura (ambiente a 700 0C). O equipamento utilizado nos ensaios das constantes de permeabilidade consistia de um soprador, um medidor de vazão, micromanômetro (Furness Controls Ltd. FCO14), um forno (Maitec) e um controlador de temperatura do tipo PID (Flyever). Para os testes de filtração a altas temperaturas o material particulado utilizado foi o concentrado fosfático com densidade de 2970 kg/m3 e diâmetro mediano de 4,62mm. A densidade do material particulado foi determinada por picnometria de hélio (AccuPyc 1330, Micromeritics). O sistema experimental consistia de um gerador de aerossol do tipo leito fluidizado (TSI-3400), um contador de partículas (Hiac/Royco Modelo 5230) e de uma câmara de ensaio inserida em um forno. Foram analisadas partículas em oito faixas granulométricas: 0,75; 1,5; 2,5; 3,5; 4,5; 6; 8,5 e 12,5mm. Os experimentos de filtração foram realizados em três níveis de temperatura (ambiente, 300 e 700ºC) e velocidade de filtração em 0,05m/s. Pelos resultados obtidos observou-se no geral que houve um aumento para a constante de permeabilidade darciana, k1 à medida que se elevou a temperatura para os filtros cerâmicos. Para todos os filtros estudados os testes de filtração mostraram uma dependência clara entre eficiência de filtro e temperatura de teste: foram obtidas menores eficiências de filtração com o aumento da temperatura do gás. Uma provável expansão térmica da estrutura do filtro ocasionou uma dilatação temporária dos canais porosos para o escoamento do fluido e alterações nas propriedades do gás que alteram a capacidade de remoção do filtro. Com base nos resultados apresentados, conclui-se que os filtros utilizados apresentam características que viabilizam a sua utilização na filtração industrial de gases quentes. A correlação proposta para o filtro de microfibra de quartzo representou bem o comportamento experimental para a queda de pressão e a eficiência de coleta fracionária, respondendo de forma satisfatória as diferentes temperaturas de teste.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:56:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2673.pdf: 2958103 bytes, checksum: 0992644491515e2973ed1ac0c87e233c (MD5) Previous issue date: 2009-09-16 / The removal of ultrafine particles is becoming an increasingly important operation due to the occupational problems caused to the environment and to the human health, such as inhalation of particulate matter, as well as by its applications in industrial processes. Among the equipments commonly employed for the removal of particulates from aerosols, the electrostatic precipitator (ESP) is the one capable to remove particles in a large size range with high efficiencies and can be used in the recovery of products of high aggregated value. The aim of this work was to evaluate the influence of operational parameters in the collection efficiency of a plate-wire electrostatic precipitator operating in the removal of nano-sized particles. The experimental system simulated a contamination by polydispersed nanoparticles ranging from 6 to 245 nm in an extra pure air stream. The efficiency for nano-sized particles was obtained by counting of particles before and after the electrostatic precipitator, using an electrical mobility analyzer. This procedure was performed varying the potential is applied to the discharge electrodes. The results shows the ESP presented a high efficiency of removal for nanoparticles of aerosol, where efficiencies larger than 99% were obtained for all velocities studieds (1 to 10 cm/s, with intervals of 1 in 1 cm/s) for electric field from 4 to 5.5 kV/cm. The efficiency increased with the decrease of the diameter particles up to approximately 20 nm, probably due to the higher electrical mobility of smaller particles. For diameters below 20 nm there was a drop in collection efficiency, which may have been caused by the low particles charging. The classical Deutsch-Anderson model didn t adjustment to the experimental data, the theoretical efficiency overestimated the experimental efficiency. / A remoção de nanopartículas de aerossóis é importante devido aos efeitos adversos que estas podem causar ao meio ambiente e a saúde humana e também pelas aplicações em processos industriais. Dentre os equipamentos capazes de operar na remoção de material particulado, tem-se o precipitador eletrostático, que, além de controlar a poluição removendo as partículas de meios gasosos em ampla faixa granulométrica, pode ser utilizado na recuperação de produtos de alto valor agregado. No presente trabalho, avaliou-se o desempenho de um precipitador eletrostático do tipo placa-fio de simples estágio operando na remoção de nanopartículas de um aerossol. O sistema experimental simulava uma contaminação de partículas nanométricas polidispersas de NaCl, produzidas na faixa de 6 a 245 nm. O desempenho do precipitador foi avaliado através da análise da eficiência de remoção das nanopartículas, pela contagem das mesmas antes e após a passagem pelo equipamento, utilizando a técnica de mobilidade elétrica. Tal procedimento foi realizado variando-se o potencial aplicado aos eletrodos de descarga. Os resultados mostraram que o precipitador eletrostático é um equipamento com capacidade para remover partículas nanométricas de um aerossol com elevados valores de eficiência. Foi possível obter eficiência acima de 99% para todas as velocidades estudadas, de 1 a 10 cm/s, com intervalados de 1 em 1 cm/s para campo elétrico de 4 a 5,5 kV/cm. A eficiência do precipitador eletrostático tende a aumentar com o decréscimo do diâmetro das partículas até aproximadamente 20 nm, provavelmente devido à maior mobilidade elétrica das partículas menores. Para diâmetros abaixo de 20 nm houve uma queda na eficiência de coleta, que pode ter sido causada pelo baixo carregamento das partículas. O modelo clássico de Deutsch-Anderson não se ajustou bem aos dados experimentais, a eficiência teórica superestimou a eficiência experimental.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:55:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseJS.pdf: 2519378 bytes, checksum: 7360d56b23a635a75d18e60253999a1a (MD5) Previous issue date: 2007-02-28 / Universidade Federal de Sao Carlos / The increase in the air pollution in the last decades is causing a strong increase in the monitoring and control of emissions of particulate matter in the atmosphere, in order to minimize the problems caused to the environment and to the human health. Particularly, the behavior nanometric particles in the air needs special attention. The fiber filters, one of the oldest methods of particle removal, are, in principle, capable to operate in this size range, but data on their performance are still scarce. In this work, the behavior of an industrial filter of polyester and of a high efficiency (HEPA) filter was studied with the intention of evaluating their performance operating in the removal of nanometric particles from aerosols. The polyester filter had a porosity of 0.884, a thickness of 4.5 mm and diameter of fiber of 16 m and the HEPA filter the porosity of 0.920, thickness of 0.4 mm and diameter of fibers between 0.075 and 2.35 µm. The test aerosol was composed by monodispersed NaCl particles, obtained from the Electrospray Aerosol Generator, model 3480, from TSI, using salt solutions in concentrations from 0.5 to 5.0 g/L. The size of the generated particles varied from 8.4 to 94.8 nm. To determine this diameter, images in an Electronic Transmission Microscope were obtained and analyzed in the image analyzer Image Pro Plus, 3.0. The filtration device was built in acrylic with a filtration area of 40 cm2. The performance of the filters was evaluated through the analysis of the collection efficiency of the nanometric particles, by counting the particles before and after the filter, using a TSI Condensation Nuclei Particle Counter , model 3007. The filter of polyester showed a maximum collection efficiency of 0.990. The HEPA filter demonstrated its capacity to collect particles in this size range, obtaining larger efficiencies than 0.99994. The increase of the filtration velocity, as well as the increase of the diameter of the particles resulted in smaller efficiencies in both filters, typical behavior of filters operating in the range of predominance of the diffusional mechanism. When compared to theoretical models form the literature, it was verified poor fitting. Therefore, it is suggested an adjustment to the LIU and RUBOW (1990) model, and an effective increase in the mechanism of direct interception caused by the Brownian motion was introduced. In the case of the HEPA filters, considering the observed discrepancy between theory and experiment, an approach that took into account the fiber size distribution of the filter was proposed. In both cases a sensitive improvement was verified in the adjustment of the theoretical prediction to the experimental data / A crescente escalada da poluição do ar nas últimas décadas vem causando um sensível aumento no monitoramento e no controle de emissões de material particulado na atmosfera, visando minimizar os problemas causados ao meio ambiente e à saúde humana. Particularmente, o comportamento de partículas nanométricas no ar necessita atenção especial. Os filtros de fibras, um dos métodos mais antigos de remoção de material particulado, são, em princípio, capazes de atuar nessa faixa de tamanho, mas dados sobre seu desempenho são ainda escassos. Neste trabalho estudou-se o comportamento de um filtro industrial de poliéster e de um filtro de alta eficiência (HEPA) com o intuito de avaliar o desempenho dos mesmos operando na remoção de partículas nanométricas de aerossóis. O filtro de poliéster tinha porosidade de 0,884, espessura de 4,5 mm e diâmetro de fibra de 16µm e o filtro HEPA uma porosidade de 0,920, espessura de 0,4 mm e diâmetro de fibras entre 0,075 e 2,35 µm. O aerossol de teste era composto por partículas monodispersas de NaCl, que foram obtidas a partir de um gerador de partículas Electrospray Aerosol Generator, modelo 3480, da TSI, utilizando soluções de sal nas concentrações de 0,5 a 5,0 g/L. O tamanho das partículas geradas variou de 8,4 a 94,8 nm. Para determinar este diâmetro foram obtidas imagens do Microscópio Eletrônico de Transmissão e analisadas no Programa Image Pro Plus, 3.0. O dispositivo de filtração foi construído em acrílico com área de filtração de 40 cm2. O desempenho dos filtros foi avaliado através da análise da eficiência de remoção das partículas nanométricas, através da contagem de partículas, utilizando um contador de partículas, da TSI, modelo 3007. O filtro de poliéster apresentou eficiência de coleta máxima de 0,990. O filtro HEPA demonstrou possui uma grande capacidade de coletar partículas nesta faixa de tamanho, obtendo eficiências maiores que 0,99994. O aumento da velocidade de filtração, bem como o aumento do diâmetro das partículas proporcionou queda na eficiência em ambos os filtros, comportamento típico de filtros operando na região de predominância do mecanismo difusional. Quando avaliados os modelos presentes na literatura, verificou-se que os mesmos não se ajustaram aos dados experimentais. Portanto, propôs-se um ajuste ao modelo de LIU & RUBOW (1990), considerando um aumento efetivo no mecanismo de interceptação direta causado pelo movimento Browniano. No caso dos filtros HEPA, frente à observada discrepância entre teoria e experimentos, foi proposto um equacionamento que levou em conta a distribuição de tamanho das fibras do filtro. Em ambos os casos verificou-se uma sensível melhora no ajuste da previsão teórica aos dados experimentais

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:56:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2373.pdf: 7764902 bytes, checksum: 711e8da93c1f36cc76df511c9897a671 (MD5) Previous issue date: 2009-03-12 / Universidade Federal de Sao Carlos / The interest of studies on the development of techniques for removal of particles in the nanosized scale was promoted by concern about air quality and human health, in addition to restrictions on the control of ultrafine particles, wich are more intransigent by environmental laws. Additionally, the increasing application of nanoparticles in various areas of science and technology has stimulated the development of studies on the subject. Amongst the several equipments capable to operate with efficiency on the particle removal, the fibrous filters are distinguished. Such filters are, in principle, capable to act in sub-micrometer scale, but there is little information about its performance in the nano-sized scale. In this work the performance of a polyester filter, of a HEPA cellulose filter, of a quartz microfiber filter and also of cylindrical filtering membrane, provided by Pam-Membranas Seletivas Ltda, were evaluated. The experimental system was able to simulate a contamination of nanometric particles in a stream of ultrapure air, with the aim of investigating the efficiency of filter media in the removal of nanoparticles. The test aerosol was constituted by NaCl polydisperse nanoparticles, ranging from 6.15 to 245.1 nm. The performance of the filter was evaluated through the analysis of the efficiency of removal of nanoparticles, for the counting of particles before and after to cross the filtering media, using the electric mobility technique. This procedure was performed using the TSI Scannig Mobility Particle Sizer (SMPS), model 3936, which provides the particles concentration, in size range. The results, in general, have showed that the filter media loses efficiency with the increasing filtration velocity and increasing particle size, in the ranged studied, indicating the typical behavior of difusional mechanism. The filtering membranes have showed better performance in the removal of particles unlike the others filters analysed there was no tendency to increase the penetration of particles with increasing the velocity of filtration or particle diameter. / O interesse de estudos acerca do desenvolvimento de técnicas de remoção de materiais particulados na escala nanométrica foi impulsionado pela preocupação com a qualidade do ar e da saúde humana, somada às restrições do controle de particulados ultrafinos, cada vez mais intolerantes pelas leis ambientais. Adicionalmente, a crescente aplicação de partículas nanométricas em diversas áreas da ciência e tecnologia estimulou o aprofundamento de estudos sobre o assunto. Dentre os vários equipamentos capazes de operar com eficiência na remoção de partículas ultrafinas, destacam-se os filtros fibrosos. Tais filtros são, em princípio, capazes de atuar em escala submicrométrica, mas as informações referentes ao seu desempenho em escala nanométrica ainda são pouco conhecidas. No presente trabalho avaliou-se o desempenho de filtros de poliéster, de celulose HEPA, de microfibras de quartzo e, também, de membranas filtrantes cilíndricas, fornecidas pela empresa Pam-Membranas Seletivas Ltda. O sistema experimental disponível era capaz de simular uma contaminação de partículas nanométricas em uma corrente de ar ultrapuro, a fim de que, posteriormente, fosse possível investigar a eficiência dos meios filtrantes na operação de remoção das mesmas. O aerossol de teste era constituído por nanopartículas polidispersas de NaCl, produzidas na faixa de diâmetros de 6,15 a 245,1 nm. O desempenho do filtro foi avaliado através da análise da eficiência de remoção das partículas nanométricas, pela contagem das partículas antes e após a passagem pelo meio filtrante, utilizando a técnica de mobilidade elétrica. Tal procedimento foi realizado por meio de um equipamento da TSI, o Scannig Mobility Particle Sizer (SMPS), modelo 3936, que fornece o número de partículas por faixa de tamanho. Os resultados, em geral, mostraram que a eficiência dos meios filtrantes diminui com o aumento da velocidade de filtração e com aumento do diâmetro, na faixa em estudo, indicando o comportamento típico do mecanismo difusional. As membranas apresentaram um melhor desempenho na remoção das partículas, visto que, diferentemente dos demais meios filtrantes analisados, não se observou tendência para o aumento da penetração de partículas, com o aumento da velocidade de filtração ou diâmetros das partículas, sendo que, em relação à faixa de tamanho, a penetração ocorreu de forma aleatória.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:55:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 5587.pdf: 3066852 bytes, checksum: 17d88d3ab913d61bb315842b57ec5a74 (MD5) Previous issue date: 2013-09-30 / Universidade Federal de Sao Carlos / Cyclones are used to separate suspended particles from gas streams. The analysis of flow inside the cyclone is complex due to the large number of parameters and operating variables that influence the dynamics of the system. Due to its versatility of use and its robustness, results in computational fluid dynamic are an important alternative often used to study the dynamics of flow in the cyclone. In the literature, several works make use of computational fluid dynamics in order to study the pressure drop of cyclones. However, the works about the efficiency of collection are fewer. For the cyclone, computational fluid dynamics allows an accurately simulation of the collection efficiency of particles with diameter greater than 5 µm; but for particles with smaller diameters the simulated results diverge from experimental values. In this work, Stairmand s cyclone was numerically simulated with injected particles with diameters from 1 to 5 µm. The results were verified using available experimental data reported in the literature. The experimental data taken from literature belong to Zhao and Shen Kang (2004) and Zhao (2005). The simulation mesh was analyzed before and after the simulations. The turbulence models used in the simulation of flow in the cyclone were: Reynolds Stress Model (RSM) and Large Eddy Simulation (LES). The dispersed phase was simulated considering one and two way couplings. The equation of motion of the particles was integrated using the integration schemes: implicit, analytic, trapezoidal, and Runge-Kutta. The results showed that the methodology was adequate to reproduce the behavior of the flow in the cyclone. The error percentages obtained in pressure drop were under 5% and the average collection efficiency was reproduced with good accuracy for diameters of 3, 4 and 5 µm. / O ciclone é um equipamento utilizado para separar partículas suspensas em correntes gasosas. A análise do escoamento dentro do ciclone é complexa devido ao grande número de parâmetros e variáveis operacionais que influenciam na dinâmica do sistema. Devido a sua versatilidade de uso e a sua robustez nos resultados a fluidodinâmica computacional é uma alternativa importante utilizada com frequência no estudo da dinâmica do escoamento no ciclone. Na literatura existem vários trabalhos que fazem uso da fluidodinâmica computacional no estudo da queda de pressão. Entretanto, no estudo da eficiência de coleta, os artigos são em menor quantidade. No ciclone, a fluidodinâmica computacional permite simular a eficiência de coleta de partículas com diâmetro maiores que 5 µm com bastante precisão; a modelagem da eficiência de coleta para partículas com diâmetros menores ainda resultam em valores diferentes dos valores experimentais. Neste trabalho foram realizadas as simulações numéricas no ciclone tipo Stairmand; foram injetadas partículas de 1 a 5 µm. Para a verificação foram tomados dados experimentais disponíveis na literatura. Os dados experimentais foram obtidos por Zhao, Shen e Kang (2004) e Zhao (2005). A malha utilizada nas simulações, foi analisada antes e depois das simulações. Os modelos de turbulência utilizados para simular o escoamento no ciclone foram: Reynolds Stress Model (RSM) e Large Eddy Simulation (LES). A fase dispersa foi simulada considerando acoplamento de uma via e acoplamento de duas vias. Para integrar as equações de movimento das partículas, foram utilizados os esquemas de integração: implícito, analítico, trapezoidal e Runge-Kutta. Os resultados mostraram que a metodologia empregada mostrou-se adequada para reproduzir o comportamento do escoamento no ciclone. As porcentagens de erro obtidos na queda de pressão foram em média menores que 5% e na eficiência de coleta foram reproduzidas com boa precisão para os diâmetros de 3, 4 e 5 µm.