CAMPO DE APLICAÇÃO DO INVENTO

[001 ] Esta patente de invenção tem como objetivo apresentar um equipamento a ser utilizado para se dissolver gases em líquido por emulsionamento e promover contato de componentes em reatores físicos, químicos ou biológicos, utilizando-se conceitos de hidrodinâmica dos fluídos. O processo é de relevância ambiental, uma vez que se destina a reduzir ao máximo, consumos de energia neste trabalho. Também é de relevância em processos para redução e tratamento de efluentes, por processos químicos ou biológicos. Conceitos de facilitação para manutenção e redução de custo de investimento para reatores que utilizem este equipamento em sua constituição, também foram levados em conta.

ATUAL ESTÁGIO TECNOLÓGICO

[002] Oxigénio dissolvido é um dos mais importantes parâmetros de qualidade da água. A aeração melhora a qualidade da água através da manutenção de bons níveis de oxigénio dissolvido. Um método de aeração que se tornou popular nos últimos anos é a aeração por venturi, (BAYLAR, 2007). Segundo Reader-Harris (2001 ), a qualidade ecológica da água depende muito da quantidade de oxigénio contido no meio. Quanto maior o nível de oxigénio dissolvido, melhor será a qualidade de um sistema de água. Através da medição de oxigénio dissolvido, os cientistas determinam a qualidade da água e saúde de um ecossistema.

[003] Aeração por venturi é um método de aeração que se tornou popular em anos recentes (READER-HARRIS, 2001 ). A aeração pode aumentar o nível de oxigénio dissolvido, quando este se torna deficiente. Estruturas hidráulicas podem significativamente melhorar o nível de oxigénio dissolvido, criando condições de turbulência onde microbolhas de ar são transferidas para a maior parte do fluxo de líquido. Recentes pesquisas têm focado no desenvolvimento técnicas de medição e previsão de transferência de oxigénio em estruturas hidráulicas para manter e melhorar a qualidade da água (BAYLAR, 2006).

[004] A transferência de oxigénio do ar para um líquido é importante para muitos casos de tratamento de resíduos e também em certos casos de processamento industrial, notadamente aqueles que envolvem atividade biológica (JACKSON, 1964). A solubilidade do oxigénio é relativamente baixa, da ordem de 7 a 10 ppm em condições normais de temperatura e pressão, o que significa que pouco oxigénio pode ser transferido por um único ciclo utilizando-se de um dispositivo de transferência.

[005] A maioria dessas operações tem custos de capital relativamente altos para equipamentos como, filtros gotejadores, aeradores ou difusores de lodos ativados, plantas e os elevados custos de funcionamento contínuo. Requisitos de energia para dissolver o oxigénio advindo do ar podem ser substancialmente altos, principalmente se o ar a ser aplicado no fluxo de líquido. Oxigénio dissolvido é um dos mais importantes parâmetros de qualidade da água. A aeração melhora a qualidade da água através da manutenção de bons níveis de oxigénio dissolvido. Um método de aeração que se tornou popular nos últimos anos é a aeração por venturi, (BAYLAR, 2007).

[006] Segundo Reader-Harris (2001 ), a qualidade ecológica da água depende muito da quantidade de oxigénio contido no meio. Quanto maior o nível de oxigénio dissolvido, melhor será a qualidade de um sistema de água. Através da medição de oxigénio dissolvido, os cientistas determinam a qualidade da água e saúde de um ecossistema. Aeração por venturi é um método de aeração, que se tornou popular em anos recentes (READER-HARRIS, 2001 ). A aeração pode aumentar o nível de oxigénio dissolvido, quando este se torna deficiente. Estruturas hidráulicas podem significativamente melhorar o nível de oxigénio dissolvido, criando condições de turbulência onde microbolhas de ar são transferidas para a maior parte do fluxo de líquido. Recentes pesquisas têm focado no desenvolvimento técnicas de medição e previsão de transferência de oxigénio em estruturas hidráulicas para manter e melhorar a qualidade da água (BAYLAR, 2006).

[007] A transferência de oxigénio do ar para um líquido é importante para muitos casos de tratamento de resíduos e também em certos casos de processamento industrial, notadamente aqueles que envolvem atividade biológica (JACKSON, 1964). A solubilidade do oxigénio é relativamente baixa, da ordem de 7 a 10 ppm em condições normais de temperatura e pressão, o que significa que pouco oxigénio pode ser transferido por um único ciclo utilizando-se de um dispositivo de transferência. [008] A maioria dessas operações tem custos de capital relativamente altos para equipamentos como, filtros gotejadores, aeradores ou difusores de lodos ativados, plantas e os elevados custos de funcionamento contínuo. Requisitos de energia para dissolver o oxigénio advindo do ar podem ser substancialmente altos, principalmente se o ar a ser aplicado no fluxo de líquido, tubo de venturi. Se os equipamentos exigirem menos de 20 % de diferencial de pressão para iniciar a sucção, tais dispositivos são considerados como altamente eficientes.

[009] As aplicações típicas para tubos venturi estão na injeção do gás ozônio, do ar ou oxigénio em sistemas de água pressurizada. Bagatur (2005) afirma que sistemas de aeração com um tubo de venturi podem ser usados para:

- desinfecção no tratamento de água potável,

- redução de sulfeto de hidrogénio em sistemas de tratamento de água de abastecimento,

- tratamento de excesso de matéria orgânica, nutrientes e sulfetos,

- redução do odor em tratamento das águas residuárias,

- a falta de oxigénio dissolvido,

- a demanda química de oxigénio excessiva,

- a demanda bioquímica de oxigénio excessiva em tratamento de águas residuais,

- redução de ruídos de em sistemas de aeração de estação de tratamento de águas residuárias,

- no processo de flotação para tratamento de resíduos, e

- seleção de um eficiente sistema de aeração.

[010] Segundo Ukhin (2005), na indústria química sistemas gás-líquido demandam contatos eficientes, essenciais em processos como a hidrogenação, cloração, etc. Devido à transferência de massa favorável e características de mistura, ejetores estão sendo cada vez mais utilizados nas indústrias químicas e bioquímicas. No campo de reações em engenharia química e bioquímica, durante a última década tem havido um crescente interesse em reatores de recirculação a jato, devido à sua elevada eficiência na dispersão do gás, resultando em alta taxa de transferência de massa. Aparelhos de recirculação a jato são bastante utilizados em vários ramos da engenharia. Devido à excepcional simplicidade de sua estrutura, sua principal característica é a dissolução de um meio em outro que possui um maior potencial, imprimindo-se uma superfície de contato das fases altamente ampliada.

[01 1 ] Aparelhos de dissolução que imprimem jato são atualmente utilizados em vários ramos da engenharia para duas finalidades: aumentar a pressão do fluxo de injeção e dissolver ar ou gás em um meio que precisa ser saturado com este ar ou gás, por exemplo, para assegurar o curso das reações bioquímicas. Conforme Gourich (2006), os reatores ou contactores multifásicos diferem entre si, principalmente na maneira que a dispersão é obtida, na quantidade da massa da fração gasosa no reator, na área interfacial entre as fases e nos requerimentos energéticos para a dispersão gasosa. Eles podem ser grosseiramente classificados como:

- tanques agitados mecanicamente ou colunas nos quais a fase gasosa é dispersa usando-se força mecânica suprida por um ou vários agitadores a pás ou hélices,

- reatores movidos a gás nos quais a energia é principalmente suprida pela fase gasosa; estes incluem primeiramente reatores pneumaticamente agitados, como o de coluna de bolhas e reatores air-lift nos quais o líquido é a fase contínua e para o suprimento de energia deriva da compressão/expansão gasosa; também são desta categoria as colunas de enchimento nas quais o gás constitui a fase contínua e a energia aplicada deriva da energia cinética do gás;

- reatores movidos a líquido nos quais a força mecânica para a dispersão é obtida da energia cinética da fase gasosa.

BOCAL VENTÚRICO BIFÁSICO MULTIDIRECIONAL

[012] Para se intensificar a transferência de massa num sistema gás-líquido, como ejetores ventúricos, a energia cinética de um jato de líquido (aqui denominada de jato propulsor) será utilizada para a dispersão da vazão de gás para em bolhas de menor tamanho possível.

[013] Nos estudos realizados pelo professor Marko Zlokarnik, foi demonstrada maior eficiência de dissolução e de dispersão em equipamentos que utilizam bocais de seção transversal retangular, sobre equipamentos que se utilizam de bocais de seção circular.

[014] A presente patente de invenção descreve um equipamento para intensificar ainda mais a transferência de massa, por meio da otimização da geração de bolhas finas via o aproveitamento da energia cinética de propulsão em função da forma de seu bocal convergente, descarregando uma massa de líquido em uma câmara de mistura gás/líquido e maximizando a formação de microbolhas na câmara de distribuição divergente também de formato especial.

[015] Na Figura 1 , pode ser verificado o formato do bocal ventúrico bifásico multidirecional, sendo composto por:

(1 ) Seção transversal multidirecional de saída do dispersor divergente;

(2) Corpo da câmara de dispersão multidirecional divergente;

(3) Seção transversal circular de entrada da câmara divergente;

(4) Bocal de passagem de mistura para a câmara de distribuição divergente;

(5) Interior da câmara de mistura gás-líquido;

(6) Seção circular convergente da câmara de mistura;

(7) Conexão de entrada da fase gasosa de mistura;

(8) Conexão de entrada da fase líquida do propulsor;

(9) Bocal convergente do propulsor;

(10) Seção transversal circular do propulsor;

(1 1 ) Direcionador do propulsor;

(12) Seção transversal multidirecional do direcionador do propulsor.

[016] Na Figura 2, pode ser verificado a montagem de 2 bocais ventúricos bifásicos multidirecionais em um tanque ou reator contendo uma massa líquida (fase líquida) onde está sendo dissolvido uma massa de gás (fase gasosa), através do bocal ventúrico. A montagem é composta por:

(13) Soprador, compressor ou fonte de oxigénio de alta pureza;

(14) Tubulação primária de gás;

(15) Parede do tanque ou reator;

(16) Massa de líquido;

(17) Tubulação secundária de gás;

(18) Final de tubulação de recalque de líquido;

(19) Bocal ventúrico bifásico multidirecional 1 ;

(20) Bocal ventúrico bifásico multidirecional 2;

(21 ) Bomba hidráulica e motor;

(22) Tubulação de sucção de líquido; (23) Tubulação de recalque de líquido;

(24) Válvula de retenção e crivo;

(25) Seção de parede de tanque ou reator.

DESCRIÇÃO DA OPERAÇÃO COM O BOCAL VENTÚRICO BIFÁSICO MULTIDIRECIONAL

[017] Na Figura 2, pode ser observada a instalação do bocal ventúrico (19) e (20) em sistema de alimentação de líquido e gás. A montagem do sistema ocorre num tanque ou reator formado pela parede construtiva (15) seccionada para melhor visualização conforme representação em (25).

[018] Este tanque ou reator contém a massa de líquido (16), que é captada pela válvula de retenção (24), utilizado para escorvar a bomba hidráulica (21 ). Dita massa de líquido chega à bomba (21 ), através da tubulação de sucção (22). A bomba hidráulica (21 ) supre o sistema com vazão de líquido determinada pela taxa; vazão de gás em relação à vazão característica de líquido de uma unidade de bocal, multiplicada pelo número de bocais do sistema. A pressão da bomba (21 ) será a resultante das perdas de carga no bocal, acrescidas das perdas em tubulações e conexões, mais a altura manométrica de líquido acima dos bocais.

[019] O bocal ventúrico (19 e 20) está conectado à bomba hidráulica (21 ) através da tubulação de recalque (23), que alimenta o mesmo com a massa de líquido do tanque recirculada pela bomba (21 ).

[020] O bocal ventúrico (19 e 20) recebe a fase gasosa para ser dissolvida em líquido, pela tubulação secundária (17), conectada à tubulação (14) que por sua vez é alimentada pelo soprador, compressor ou fonte de oxigénio de alta pureza (13). Dito equipamento alimenta os bocais com uma vazão de gás compatível com a capacidade de eficiência do bocal (19 e 20), e com pressão que depende das perdas de carga em tubulação e conexões, altura de lâmina d'água acima do bocal e possível depressão gerada pelo próprio bocal (19 e 20).

DESCRIÇÃO DO BOCAL VENTÚRICO BIFÁSICO MULTIDIRECIONAL

[021 ] O bocal ventúrico bifásico multidirecional (19 e 20) recebe a massa de líquido pressurizada através da conexão (8) cujo diâmetro se encontra entre 20 a 60 mm, melhor entre 30 a 50 mm. As velocidades de líquido recalcado em dita conexão deve variar entre 3 a 7 m/s. [022] A partir da entrada na conexão (8), através da redução (9) o fluxo passa pela garganta do propulsor (10) cujo diâmetro tem variação de 15 a 35 mm, melhor de 20 a 30 mm. A velocidade na garganta do propulsor tem variação em torno de 5 a 30 m/s, melhor de 10 a 20 m/s.

[023] Na sequência, o fluxo passa pelo direcionador multidirecional (1 1 ), cujas características são:

- manutenção da velocidade de líquido obtida na garganta do propulsor (10) constante em todo percurso do direcionador do propulsor (1 1 );

- distribuição do fluxo em 4 eixos ortogonais, minimizando-se a perda de carga neste direcionamento;

- posicionamento dos eixos ortogonais com o mesmo direcionamento dos eixos ortogonais da câmara de dispersão divergente (2);

- possuir o comprimento do direcionador do propulsor entre 20 a 60 mm;

- possuir a largura mínima de cada passagem da seção transversal (12) acima de 8 mm.

[024] O fluxo de líquido que deixa o propulsor (1 1 ), atinge a câmara de mistura gás- líquido (5), onde o gás advindo da tubulação de conexão de entrada de gás (7) é particionado pela turbulência gerado pelos fluxos de gás e de líquido. O diâmetro da câmara de mistura (5) deverá estar na ordem de 75 a 150 mm, melhor de 80 a 100 mm, cuja largura deverá ser da ordem de 40 a 100 mm, melhor de 50 a 70 mm. Nesta câmara de mistura, as vazões de gás e de líquido que são misturadas, podem ser definidas em função da taxa de mistura representada pela vazão de gás dividida pela vazão de líquido. Esta taxa de mistura deverá estar entre 0,6 a 4,0, sendo que a definição da taxa de mistura terá influência sobre o rendimento de dissolução de gás no líquido.

[025] Após a mistura gás-líquido ser executada na câmara de mistura (5), a mesma segue para o bocal de passagem da câmara de distribuição divergente (4) pela seção transversal circular de passagem da câmara divergente (3). Este bocal tem um diâmetro de entrada que varia de 30 a 60 mm, devendo ser maior que a maior dimensão de contorno do propulsor. O diâmetro de entrada da seção circular (6) do bocal de passagem de mistura (4) deverá ser de diâmetro entre 50 a 100 mm, melhor de 60 a 90 mm. O diâmetro de saída da seção circular (3) do bocal de passagem de mistura (4) deverá ser de 20 a 60 mm, melhor de 30 a 50 mm. A velocidade na seção circular (3) do bocal de passagem (4) deverá variar de 1 a 2 m/s.

[026] Após a mistura ter passado pela seção circular (3) passa pelo corpo da câmara de dispersão multidirecional divergente (2), cujas características são:

- manutenção da velocidade de líquido obtida na seção circular de passagem (3) constante em todo percurso da câmara de dispersão multidirecional divergente (2);

- manutenção da velocidade de saída da seção circular (3) constante na seção transversal multidirecional de saída do dispersor (1 );

- distribuição do fluxo na seção transversal multidirecional (1 ), minimizando-se a perda de carga nesta distribuição;

- posicionamento dos eixos ortogonais com o mesmo direcionamento dos eixos ortogonais da seção transversal multidirecional do propulsor (12);

- conter comprimento da câmara de dispersão multidirecional entre60 a 120 mm;

- conter largura mínima de cada passagem da seção transversal (1 ) acima de 10 mm; Conter dimensão da extremidade de uma aba para a extremidade da outra da seção transversal (1 ) entre 50 a 100 mm;

VANTAGENS DO USO DO BOCAL VENTÚRICO BIFÁSICO MULTIDIRECIONAL

[027] Objetiva-se com a utilização do BOCAL VENTÚRICO BIFASICO MULTIDIRECIONAL, principalmente em reatores biológicos para tratamento de efluentes, em relação ao sistema convencional de bocal no formato "slot" (retangular achatado), ou sistema de bocal circular, os seguintes benefícios:

- reduzir o consumo de energia (watt) para a dissolução de gases em líquido, devido à diminuição do raio hidráulico (seção molhada/perímetro molhado) com o aumento substancial do perímetro molhado utilizando-se o bocal multidirecional;

- reduzir a necessidade de número de bocais para uma determinada necessidade de dissolução de gás, devido à possibilidade de aumento da relação vazão de gás/vazão de líquido sem perda de eficiência de dissolução utilizando-se o bocal multidirecional;

- reduzir a coalescência de bolhas devido a melhor distribuição das bolhas de gás no tanque ou reator, devido ao maior perímetro hidráulico utilizado no bocal multidirecional; - redução do diâmetro e aumento do número das bolhas, devido a massa de líquido ser processada em menor raio hidráulico, em função do maior perímetro molhado utilizado no bocal multidirecional.