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 2016-06-02T19:55:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseAPRAR.pdf: 1123678 bytes, checksum: 08006e46754054a6402b0499737e23ca (MD5) Previous issue date: 2005-04-04 / Universidade Federal de Sao Carlos / This work had for objective to study the influence of the variables liquid flow, throat length, number of orifices and gas velocity in the throat in the collection efficiency of a Venturi scrubber. As particulate matter to be removed from the gas, a phosphate concentrate of density 2.9 g/cm3 was used, fed at a mass flow rate of 3.16 g/min. The experimental system used in this work consisted of a Venturi scrubber of rectangular geometry operating horizontally, with liquid injection through 1 to 5 orifices with 1 diameter mm each, distributed in the scrubber throat. For the experiments, two experimental planning were used, with three factors in three different levels. In the first planning was studied the influence of the variables liquid flow in the range from 300 to 900 cm3/min, throat length in the range from 6.5 to 18.5 cm and number of orifices in the range from 1 to 5 holes; the gas velocity in the throat was kept constant at value of 69.33 m/s. In the second planning was studied the influence of the variable gas velocity in the throat in the range from 58.66 to 69.33 m/s, with the liquid injected by a single orifice. It was verified that the overall collection efficiency of the Venturi scrubber varied within the range from 50 to 91%, for the studied conditions in the first planning. A tendency of increase of the efficiency was observed with the increase of the liquid flow and of the throat length. As for the number of orifices, a better performance of the scrubber was verified when only 1 orifice was used. It was verified that the overall collection efficiency of the Venturi scrubber varied within the range from 52 to 93%, for the studied conditions in the second planning. Was observed that the increase in the gas velocity in the throat resulted in an increase in the overall collection efficiency. The predictions of the classical equations for collection efficiency of Johnstone et al. (1954), Calvert et al. (1972) and Leith and Cooper (1980) were compared to the experimental values. It was observed that both for the experimental results and for the models that the global efficiency increases with the increase of the liquid flow. However, it was verified that the models of Johnstone et al. and Calvert et al. underestimated the values of global efficiency obtained experimentally while the model of Leith and Cooper overestimated them. Therefore, it became necessary to adjust a model to the experimental points. It was taken as departure point the model of Calvert et al., for being a classic model and because it is widely used industrially. An adjustment equation for the empiric factor f using the experimental data was then performed. As it was verified in previous tests that the variable throat length is relevant in the collection efficiency and the same does not appear in the equation proposed by Calvert et al., it was decided to adjust an equation of f in function as a function of LG as f= 3005 , 0 . 5161 , 0 G L . The validity of the adjustment was verified by the good agreement of the experimental values of efficiency observed experimentally with the predicted values by the modified Calvert model. / Este trabalho teve por objetivo estudar a influência das variáveis vazão de líquido, comprimento da garganta, número de orifícios e velocidade do gás na garganta na eficiência de coleta de um lavador Venturi. Como material particulado a ser removido de uma corrente gasosa utilizou-se um concentrado fosfático de densidade 2,9 g/cm3 na vazão mássica de 3,16 g/min . O sistema experimental utilizado neste trabalho consistiu de um lavador Venturi de geometria retangular operando horizontalmente e com injeção de líquido através de 1 a 5 orifícios de 1 mm de diâmetro distribuídos na garganta do mesmo. Para a realização dos experimentos utilizou-se dois planejamentos experimentais do tipo completo, com três fatores em três diferentes níveis. No primeiro planejamento foi estudada a influência das variáveis vazão de líquido na faixa de 300 a 900 cm3/min, comprimento da garganta na faixa de 6,5 a 18,5 cm e número de orifícios na faixa de 1 a 5 orifícios, mantendo-se constante a velocidade do gás na garganta com um valor de 69,33 m/s. No segundo planejamento foi estudada a influência da variável velocidade do gás na garganta na faixa de 58,66 a 69,33 m/s, utilizando-se apenas 1 orifício para injeção de líquido. Verificou-se que os percentuais de eficiência de coleta no lavador Venturi ficaram na faixa de 50 a 91% para o primeiro planejamento. Observou-se uma tendência de aumento da eficiência de remoção de partículas com o aumento da vazão de líquido e do comprimento da garganta. Quanto ao fator número de orifícios verificou-se um melhor desempenho do lavador quando utilizou-se apenas 1 orifício. Verificou-se que os percentuais de eficiência de coleta no lavador Venturi ficaram na faixa de 52 a 93% para o segundo planejamento. Observou-se que o aumento da velocidade do gás na garganta provocou um aumento na eficiência de coleta. Comparou-se as predições das clássicas equações de eficiência de Johnstone et al. (1954), Calvert et. al. (1972) e Leith e Cooper (1980) com os valores experimentais. Observou-se que para os resultados experimentais e para os modelos avaliados que a eficiência global é crescente com o aumento da vazão de líquido. No entanto, verificou-se que os modelos de Johnstone et al. e Calvert et al. subestimaram os valores de eficiência global obtidos experimentalmente enquanto o modelo de Leith e Cooper superestimou os mesmos. Com isso, tornou-se necessário ter um modelo para ajustar aos pontos experimentais. Tomou-se como base o modelo de Calvert et al. por ser um modelo clássico e ser amplamente utilizado na indústria. Propôs-se então uma equação de ajuste para o fator empírico f utilizando os dados experimentais. Como verificou-se em testes anteriores que a variável comprimento de garganta é relevante na eficiência de coleta e a mesma não aparece na equação proposta por Calvert et al., decidiuse ajustar uma equação de f em função de LG da forma f= 3005 , 0 . 5161 , 0 G L . Verificou-se a validade do ajuste pela boa concordância dos valores experimentais de eficiência observados experimentalmente com os valores estimados pelo modelo de Calvert modificado.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Venturi scrubbers are simples, low cost and highly applicable equipments. They are used in the industry as gas cleaners and in other to control the pollution. The objective of this work was to evaluate a gas cleaning system using Venturi scrubbers with circular section to remove particles off a gas flux. The tests were realized with 2,21 and 9,06 μm particles of phosphate power. The global collection efficiency was determined for 55,2 and 76,8 m/s of gas velocity, 340 and 500 mL/min of liquid flow and for 99 and 132 mm of length throat. From an experimental design 24 it was obtained that all variables studied and the gas velocity´s interaction with liquid flow and with length throat had influence over the collection efficiency. For 2,21 μm particles the efficience range was from 53,8 to 86,8% while for 9,06 μm particles it was from 53,4 to 96,5%. The results´ analysis showed that as bigger the gas velocity and the liquid flow are, higher the efficience gets. It happens because there are more quantity of washing liquid to be atomized with the liquid flow increase. This atomization gets better with high gas velocities taxes. Another point observed was that for longer length throat and higher gas velocity, the collection efficiency grows. What occurs here is that the particles´s residence time inside the throat was bigger for 132 mm length throat than for 99 mm. And more time, a gas acceleration resulted on better jet´s atomization. The study of different particles sizes showed that 9,06 μm were removed more efficiently than particles with medium diameter of 2,21 μm. Particles with bigger diameters present more inercia, which facilitates the action of the inercial impaction, the collection mechanism that predominates in Venturi scrubbers. The jet penetration was another parameter analysed and it represented the expected behavior: as bigger the liquid flow gets and lower the gas velocity, higher was the jet penetration length. The experimental results of global collection efficiency were compared with theorical models like JOHNSTONE et al. (1954), CALVERT et al. (1972) and modified CALVERT (RIBEIRO, 2005). CALVERT et al. and modified CALVERT models overestimated the values of dust collection efficiency and although JOHSNTONE et al.´s model has underestimated those values, it was the one that better fitted the experimental results, because it showed that the collection efficiency was higher for highs gas velocities. / O lavador Venturi é um equipamento simples, de custo médio baixo e bastante eficiente, aplicado na remoção de material particulado e no controle da poluição. O objetivo deste estudo foi avaliar um sistema de limpeza de gás utilizando lavadores Venturi de seção circular na remoção de partículas de uma corrente gasosa. O material particulado usado nos testes foi o concentrado fosfático, com diâmetros médios de 2,21 e 9,06 μm. Eficiências globais de coleta foram obtidas realizando-se experimentos com velocidade do gás de 55,2 é 76,8 m/s, vazão de líquido de 340 e 500 mL/min e comprimento de garganta de 99 e 132 mm. Um planejamento experimental 24 foi feito e verificou-se que todas as variáveis e as interações da velocidade do gás com o comprimento da garganta e com a vazão de líquido tiveram efeito na remoção de partículas da corrente gasosa. A coleta das partículas de 2,21 μm apresentou uma faixa de eficiência de 53,8 a 86,8%, enquanto 53,4 a 96,5% de remoção foram identificadas para as partículas de 9,06 μm. A análise dos resultados mostrou que, como conseqüência de aumentos na velocidade do gás e na vazão de líquido, a eficiência de coleta crescia, já que quanto maior a vazão do líquido de lavagem maior a quantidade de água para ser atomizada, atomização essa que também aumentava com velocidades de gás mais altas. Outra observação foi que, com o aumento do comprimento da garganta e da velocidade do gás, o percentual de remoção de rocha fosfática era maior, uma vez que o tempo de contato entre o pó e o líquido crescia com uma garganta mais comprida e o aumento da velocidade do gás proporcionava, mais uma vez, melhor atomização do jato. Em relação aos diferentes tamanhos de partículas, notou-se que as de diâmetro médio de 9,06 μm eram removidas do fluxo de gás com mais eficiência que as de 2,21 μm, pois partículas de diâmetro maior têm maior inércia, o que favorece o mecanismo de coleta de impactação inercial, predominante em lavadores Venturi. Os resultados experimentais de eficiência global de coleta ainda foram comparados com os modelos teóricos de JOHNSTONE et al. (1954), CALVERT et al. (1972) e CALVERT modificado (RIBEIRO, 2005). O modelo de JOHSNTONE et al. subestimou os valores experimentais de coleta, enquanto os outros dois modelos superestimaram. Ainda assim, o modelo de JOHNSTONE et al. foi o que apresentou melhor ajuste, porque seguiu a tendência de aumento da eficiência de coleta em função de um acréscimo na velocidade do gás. / Mestre em Engenharia Química