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Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10198/2063

Título: Oxigenação em borbulhadores verticais e inclinados
Autor: Garcia, Valdemar
Palavras-chave: Escoamento gás-líquido
Colunas de borbulhamento
Borbulhadores
Oxigenação de águas
Transferência de massa
Colunas inclinadas
Colunas verticais
Sistema de anteparos perfurados
Caleiras inclinadas
Dispersão axial
Issue Date: 2006
Editora: Universidade do Porto, Faculdade de Engenharia
Citação: Garcia, Valdemar (2006) - Oxigenação em borbulhadores verticais e inclinados. Porto: FEUP. Tese de Doutoramento em Engenharia Química
Resumo: Neste trabalho efectuou-se um estudo teórico e experimental sobre a transferência do oxigénio para a água, em três equipamentos: um designado por tubo em U em que a instalação tem um alinhamento vertical, outro que, para permitir a operação numa coluna de absorção inclinada, utiliza um sistema de anteparos perfurados instalados ao longo desta, analisando-se ainda a transferência ao longo de uma caleira inclinada, um equipamento simples, com escoamento em superfície livre, tipo canal aberto. O tubo em U utilizado era constituído por duas colunas verticais unidas na base. Os fluidos eram introduzidos no topo de uma das colunas, percorrendo o tubo em U em co-corrente e regime bubble, primeiro de modo descendente (ramo descendente) e depois de modo ascendente (ramo ascendente). O diâmetro interno das colunas era de 0.032 m, sendo a altura da coluna descendente de 5.37 m e de 5.35 m na ascendente. Foram usados valores entre 0.3 e 0.8 m/s para a velocidade superficial do líquido e entre 0.015 e 0.25 para a razão de caudais volumétricos gás/líquido. O objectivo principal deste trabalho era avaliar a influência da dispersão axial na transferência de massa nesse dispositivo. A conclusão obtida foi que, nas condições experimentais usadas, a dispersão axial não tem praticamente nenhuma influência na transferência de massa. A metodologia de transferência que permite disposições inclinadas foi analisada em três colunas com diâmetro interno de 0.032 m e 0.96 m de comprimento, constituídas por 16, 8 e 0 anteparos perfurados. A razão entre diâmetros furo/coluna foi de 0.5. Usaram-se as seguintes gamas de valores de caudal volumétrico: 5.6x10-6 - 14.3x10-6 m3/s para o líquido e 3.3x10-6-13.3x10-6 m3/s para o gás. O ângulo de inclinação da coluna variou entre 0º (vertical) e 60º. Desenvolveu-se um modelo simples de transferência que considerou a coluna como uma série de “tanques” perfeitamente agitados, correspondentes ao volume entre anteparos, os quais se encontram igualmente espaçados ao longo da coluna. Este modelo, aplicável a colunas com reduzida variação de pressão, permitiu prever o perfil de concentrações de oxigénio dissolvido ao longo da coluna e calcular o valor do parâmetro KLA (coeficiente de transferência de massa vezes a área interfacial). Desenvolveu-se depois uma metodologia que permite prever o perfil de concentrações numa coluna “real” (com qualquer número de células) e em que a variação da pressão é significativa, a partir dos valores de KLA obtidos na coluna laboratorial. O funcionamento deste tipo de equipamento foi também testado em iguais condições hidrodinâmicas, numa coluna de maiores dimensões (100 mm de diâmetro) mas geometricamente semelhante à coluna de 16 anteparos. Analisou-se ainda a transferência ao longo de duas caleiras inclinadas de secção recta rectangular, com 6 m de comprimento e larguras de 30 e 90 mm. Ensaiaram-se inclinações entre 15º e 60º em relação à vertical e caudais de água a variar entre 54.7x10-6 e 419x10-6 m3/s. Desenvolveu-se também um modelo teórico simplificado que permite obter os valores do coeficiente de transferência de massa KL e da concentração em oxigénio dissolvido na água. Efectuou-se uma extensa pesquisa bibliográfica sobre escoamentos gás-líquido em condutas verticais e inclinadas. In this work a theoretical and experimental study, concerning oxygen transference into water, has been made, using three equipments: one designated by U tube where the installation has a vertical alignment and another one where in order to allow the operation in an inclined absorption column, a system with perforated disks is used. The transference along an inclined gutter pipe was also analyzed, a simple equipment, with free surface flow, like open channel. Two vertical columns joined at the bottom constituted the U tube. The fluids were introduced at the top of one of the columns covering the U tube in co-current and in bubbling regime, first in descending sense (descending branch) and after in ascending way (ascending branch). The internal diameter of the columns was 0.032 m, being the descending and ascending heights of 5.37 m and 5.35 m. The liquid superficial velocity varied between 0.3 and 0.8 m/s and the volumetric gas/liquid flow ratio varied between 0.015 and 0.25. The objective of this part of the work was to evaluate the influence of the axial dispersion in the mass transfer in this kind of equipment. Therefore, a theoretical model, based on that proposed by Teixeira (1998), was developed including the above-mentioned parameter. The main conclusion was that, for the experimental conditions studied, the axial dispersion does not influence the mass transfer. Three columns with a 0.032 m of internal diameter and with 0.96 m of height constituted the analysed transfer methodology that allows inclined setups. In each column 16, 8 and 0 perforated disks were used, respectively, being the ratio between the diameters hole/column of 0.5. The volumetric flows were: 5.6x10-6-14.3x10-6 m3/s for the liquid and 3.3x10-6-13.3x10-6 m3/s for the gas. The inclination angle of the column varied between 0º (vertical) and 60º. A simple transfer model was developed that considered the column as a series of “tanks” perfectly stirred, corresponding to the space between disks that are equally distributed along each column. This model, applicable to columns with lowpressure variation, allowed to predict the dissolved oxygen concentration profile along the column and to calculate the KLA parameter (mass transfer coefficient plus interface area). After, a methodology was developed in order to predict the concentration profile in a “real” column (independently of the cell number) and where the pressure variation is significant, based on the KLA values obtained with the laboratorial column. This equipment was also tested in the same hydrodynamic conditions in a bigger column (with 0.1 m of internal diameter) but geometrically equivalent to the column with 16 perforated disks. The transference along two inclined gutter pipe with rectangular section with 6 m of height and 0.03 and 0.09 m of large, was also analyzed. Inclinations of 15º and 60º in relation to the vertical were studied, being the water volumetric flows from 54.7x10-6 to 419x10-6 m3/s. A simplified theoretical model was developed allowing the calculation of the KL mass transfer coefficient values as well as the dissolved oxygen concentrations in water. A extensive bibliographic research was also done concerning the gas-liquid flow in vertical and inclined columns.
URI: http://hdl.handle.net/10198/2063
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