[pt] O impactador inercial em cascata é um instrumento no qual uma amostra de ar e poluentes (aerossóis) é obrigada a percorrer um trecho contendo obstáculos, chamados placas de impactação. Os obstáculos forçam o jato a mudar de direção, mas como as partículas têm maior inércia do que o fluido, não acompanham as linhas de corrente do escoamento e acabam por depositar-se sobre estes obstáculos. Diferenças na geometria envolvendo diminuição de área de passagem de escoamento e conseqüente aumento de velocidades, fazem com que, a cada estágio, partículas de diâmetros menores sejam coletadas. O desafio é projetar um instrumento que maximize a eficiência de coleta, diminuindo as perdas por deposição indesejável de partículas nas paredes, recirculações e outros efeitos. Nesta Dissertação de Mestrado foi realizado o projeto de um impactador de três estágios coletando, respectivamente, partículas com diâmetro aerodinâmico de 10, 2,5 e 1 (mi)m, operando com vazão de 30 lpm (litros por minuto) e pressão atmosférica. Na análise de desempenho do instrumento, foram realizadas simulações numéricas com o objetivo de analisar características do escoamento e da trajetória de partículas e levantar as curvas de eficiência de coleta. Foram realizados, também, testes experimentais reproduzindo condições de uso com o intuito de levantar as curvas de eficiência reais. Os resultados numéricos e experimentais foram comparados e apresentam-se ao final, conclusões sobre o desempenho do instrumento e recomendações para trabalhos futuros. / [en] Impactors are simple devices in which a sample flows of air and pollutants flow around an obstacle, called impaction plate. Particles with sufficient inertia will slip across the flow streamlines and impact on the obstacle. Particles with less inertia will follow the airflow away from the impaction surface. Inertial cascade impactors have more than one impaction area. Each one has an impaction plate and a nozzle plate. From one stage to the other, the nozzle diameters become smaller and, consequently, the velocities are higher. This allows for the collection of smaller particles. The challenge is to design an instrument with the higher collection efficiency as possible, reducing wall losses, recirculation regions and other effects. In this study a 3-stages inertial cascade impactor was designed and tested. The cut-point aerodynamic diameters for each stage were 10, 2.5 and 1 (mi)m, respectively, when operating with a flow rate of 30 l/min at atmospheric pressure. To evaluate the instrument, some numerical simulations were performed. They provided results for the flow field, particle trajectories and the collection efficiency curves. Experimental tests were also done to allow for the determination of the real efficiency curves. The numerical and experimental data were compared. Finally, the conclusions of the work and recommendations for future studies are presented.

Atualmente a Engenharia supera novas fronteiras, principalmente devido à redução das dimensões dos equipamentos, e um exemplo desses impactos é o atual estágio de desenvolvimento da nanotecnologia. Ademais, não só as questões ambientais inerentes à contaminação do meio físico como também seu monitoramento devem ser continuamente abordadas para garantir que o profissional possa atuar nessa nova condição. O objetivo deste trabalho foi determinar como um grupo de estruturas miniaturizadas pode ser usado na remoção de partículas de um meio líquido ou gasoso e a separação de componentes de uma mistura. Também objetivou-se desenvolver uma metodologia simples de testes voltada para o estudo do comportamento dos fluidos no interior de estruturas onde material particulado e pequenas dimensões dificultam a passagem deste fluido. A utilização de canais preenchidos com material particulado ocorre tanto na Engenharia Química, para produção de compostos, como na Química, para a análise de substâncias. Os testes utilizaram equipamentos comuns em laboratório de química, uma estrutura para produção de spray, duas estruturas impactadoras distintas para remoção de partículas, e duas estruturas, denominadas como canais tridimensionais e de separação preliminar, para separação de compostos orgânicos voláteis. As substâncias puras permitem avaliar o tempo de residência e compará-lo com as misturas. As estruturas apresentaram comportamento muito semelhante quando comparadas as filmagens com o auxílio de traçadores e as simulações usando FEMLABÒ. O conjunto proposto de estruturas permite produzir spray com gotas de até 10 mm e obter uma impressão digital de compostos orgânicos em uma mistura, pois os resultados permitem montar tabelas qualitativas e semi-quantitativas que descrevem vários fenômenos, tais como, difusão, separação de compostos, perda de carga, etc. Estas estruturas apresentaram uma série de vantagens, tais como, mesodimensionamento, que facilita sua produção e manuseio, e possibilidade de uso em demonstrações de como ocorrem os fenômenos internos à estrutura. / Nowadays, mainly due to products miniaturization, engineering faces new horizons, which can be easily exemplified by the enhancement on nanotechnology development. Furthermore, not only environmental contamination but also environmental monitoring must be addressed in order to produce a systemic knowledge. Therefore, the aim of this work was to determine how a group of miniaturized structures could be used on particle removal and component separation on a mixture. Also a secondary target was to develop a simple methodology in order to determine the fluid behavior inside the structures where particle material and small dimensions hinder flow passage. The use of packed channels is common not only in Chemical Engineering, on synthesis production, but also in Chemistry, for chemical analysis. Tests were carried out using equipment normally present in Chemistry to evaluate a set of structures composed by: one spray, two different impactors and other two different structures (one of them with five different outlets) for separation of volatile organic compounds. Tests were performed in liquid and gaseous phases and used several reactants (kerosene, gasoline, acetone, 2-propanol and ethanol) and their mixtures; pure reactants allow evaluation of the resident time and comparison with mixtures behavior. Simulations were also performed and the structure behavior evaluated by tracers shows good agreement with simulations data. The whole group of structures allows the production of spray with up to 10mm droplet dimension and the footprint of components in a mixture, i.e., the obtained data can be disposed as qualitative and quantitative tables, which describe several phenomena, such as diffusion, separation of compounds, load loss, etc. These structures present several advantages since dimensions on mesorange not only facilitate their production and manipulation bur also allow to unravel phenomena occurring inside the structures.

Atualmente a Engenharia supera novas fronteiras, principalmente devido à redução das dimensões dos equipamentos, e um exemplo desses impactos é o atual estágio de desenvolvimento da nanotecnologia. Ademais, não só as questões ambientais inerentes à contaminação do meio físico como também seu monitoramento devem ser continuamente abordadas para garantir que o profissional possa atuar nessa nova condição. O objetivo deste trabalho foi determinar como um grupo de estruturas miniaturizadas pode ser usado na remoção de partículas de um meio líquido ou gasoso e a separação de componentes de uma mistura. Também objetivou-se desenvolver uma metodologia simples de testes voltada para o estudo do comportamento dos fluidos no interior de estruturas onde material particulado e pequenas dimensões dificultam a passagem deste fluido. A utilização de canais preenchidos com material particulado ocorre tanto na Engenharia Química, para produção de compostos, como na Química, para a análise de substâncias. Os testes utilizaram equipamentos comuns em laboratório de química, uma estrutura para produção de spray, duas estruturas impactadoras distintas para remoção de partículas, e duas estruturas, denominadas como canais tridimensionais e de separação preliminar, para separação de compostos orgânicos voláteis. As substâncias puras permitem avaliar o tempo de residência e compará-lo com as misturas. As estruturas apresentaram comportamento muito semelhante quando comparadas as filmagens com o auxílio de traçadores e as simulações usando FEMLABÒ. O conjunto proposto de estruturas permite produzir spray com gotas de até 10 mm e obter uma impressão digital de compostos orgânicos em uma mistura, pois os resultados permitem montar tabelas qualitativas e semi-quantitativas que descrevem vários fenômenos, tais como, difusão, separação de compostos, perda de carga, etc. Estas estruturas apresentaram uma série de vantagens, tais como, mesodimensionamento, que facilita sua produção e manuseio, e possibilidade de uso em demonstrações de como ocorrem os fenômenos internos à estrutura. / Nowadays, mainly due to products miniaturization, engineering faces new horizons, which can be easily exemplified by the enhancement on nanotechnology development. Furthermore, not only environmental contamination but also environmental monitoring must be addressed in order to produce a systemic knowledge. Therefore, the aim of this work was to determine how a group of miniaturized structures could be used on particle removal and component separation on a mixture. Also a secondary target was to develop a simple methodology in order to determine the fluid behavior inside the structures where particle material and small dimensions hinder flow passage. The use of packed channels is common not only in Chemical Engineering, on synthesis production, but also in Chemistry, for chemical analysis. Tests were carried out using equipment normally present in Chemistry to evaluate a set of structures composed by: one spray, two different impactors and other two different structures (one of them with five different outlets) for separation of volatile organic compounds. Tests were performed in liquid and gaseous phases and used several reactants (kerosene, gasoline, acetone, 2-propanol and ethanol) and their mixtures; pure reactants allow evaluation of the resident time and comparison with mixtures behavior. Simulations were also performed and the structure behavior evaluated by tracers shows good agreement with simulations data. The whole group of structures allows the production of spray with up to 10mm droplet dimension and the footprint of components in a mixture, i.e., the obtained data can be disposed as qualitative and quantitative tables, which describe several phenomena, such as diffusion, separation of compounds, load loss, etc. These structures present several advantages since dimensions on mesorange not only facilitate their production and manipulation bur also allow to unravel phenomena occurring inside the structures.