AGGLOMERATING CYCLONE OF THE REVERSE-FLOW TYPE

1 - Domínio técnico

A presente invenção respeita a um dispositivo despoeirador do tipo denominado ciclone de fluxo invertido. Adicionalmente a invenção respeita a processos de despoeiramento de gases, eventualmente com lavagem a seco dos mesmos.

Ciclones são despoeiradores utilizados em vários tipos de indústrias, com dois fins complementares: remoção de poeiras dos gases emitidos por processos antes de serem libertados para a atmosfera (por ex . fumos de caldeiras e de fornos), e recuperação de partículas finamente divididas de valor económico significativo (por ex. indústria alimentar, química e farmacêutica) .

Os ciclones têm a vantagem de apresentarem baixos custos de investimento e operatórios e a desvantagem de terem baixas eficiências de captura para partículas inferiores a 2-3 μπι. Deste modo, para fazer face aos critérios de emissões de partículas da legislação Portuguesa e Comunitária, tem de se recorrer muitas vezes a equipamentos mais dispendiosos, tais como filtros de mangas e electrofiltros .

Assim, o desenvolvimento de ciclones com eficiências significativamente superiores às dos ciclones actualmente existentes, sobretudo para partículas abaixo de 2-3 um, tem um elevado potencial para aplicação industrial. Várias indústrias (madeiras, metalomecânicas, cimenteiras, química - incluindo a produção de nanopartí cuias - alimentar e farmacêutica) poderiam usufruir de equipamentos de separação gás-sólido de baixo custo e com eficiência suficiente para colmatar a necessidade de recorrer a equipamentos muito mais caros (quer em custos de investimento, quer em custos operacionais) , como sejam os ditos filtros de mangas e electrofiltros . Em alguns casos de processos a elevadas temperaturas e pressão, os ciclones são actualmente os únicos despoeiradores que se podem aplicar.

Os ciclones industriais são de vários tipos, sendo os mais utilizados, os do tipo de fluxo invertido, cujo esquema se mostra na Fig.l. Descrevendo sucintamente o seu principio de funcionamento, o gás entra pela secção ah e é obrigado a descrever uma espiral descendente, até que muda de direcção devido ao campo de pressões estabelecido (dai a designação de "fluxo invertido") saindo no topo pelo tubo de vórtice de comprimento s e diâmetro D _e . No seu trajecto descendente, as partículas são aceleradas para as paredes e acabam por cair no fundo do ciclone, sendo assim separadas do gás. Num ciclone, são as partículas mais finas aquelas que, em princípio, são as mais difíceis de separar do gás que as transporta, devido à sua resposta mais reduzida em relação à aceleração imposta pelo gás .

Os fabricantes de ciclones especificam os seus projectos através de "famílias ou geometrias", caracterizadas por apresentarem relações fixas de 7 dimensões-c ave (os rácios de a, b, s, D _e , h, H e D _b relativamente ao diâmetro D) .

Ora verificou-se recentemente que as partículas mais finas se conseguem aglomerar com as partículas maiores, desde que sejam cumpridas determinadas condições de projecto do ciclone (Paiva et al . , 2010) . Esta aglomeração, que ocorre no interior do ciclone, é de difícil compreensão, envolvendo modelos de interação sólido-sólido dentro de fluxos turbulentos muito complexos, e correspondentes cálculos muito exigentes mesmo executados em computadores modernos e rápidos. 2 - Estado anterior da técnica

Os primeiros ciclones datam do final do século XIX, tendo os modelos teóricos de previsão do comportamento de partículas em fluxos ciclónicos evoluído de empíricos para mais fundamentais. Dentro dos modelos na fronteira entre os empíricos e os mais fundamentais, existe uma teoria que consegue ajustar razoavelmente muitos dos dados existentes relativos a ciclones laboratoriais e à escala piloto ou industrial, tendo sido desenvolvida por Mõthes e Loffler (1988) .

Uma desvantagem desta teoria é que apenas podia ser utilizada como diagnóstico (ajuste de resultados obtidos com ciclones existentes) e não como prognóstico (ou previsão do comportamento de ciclones com geometrias arbitrárias), uma vez que o desconhecimento do valor da difusividade turbulenta das partículas (parâmetro fundamental nesta teoria) , não permitia fazer um prognóstico seguro da performance do sistema. Uma segunda desvantagem, reside na presença do fenómeno de aglomeração interparticular, o qual é completamente desprezado neste modelo teórico.

Sabendo que o valor da dispersão turbulenta é um parâmetro afectado pela geometria, condições operatórias e granulometria, Salcedo e Coelho (1999) conseguiram obter uma fórmula que estima a difusividade turbulenta e que a faz depender dos parâmetros acima referidos. Foi a junção de técnicas de optimização global (Salcedo, 1992) acopladas ao modelo de Mõthes e Loffler (1988), com a previsão de dispersão turbulenta segundo Salcedo e Coelho (1999), que permitiu desenvolver os ciclones constantes na patente EP0972572. No entanto, até há alguns anos (Paiva et al . , 2010) não era possível estimar o efeito de aglomeração na eficiência dos ciclones de fluxo invertido .

0 problema da obtenção de geometrias mais eficientes tem sido abordado, desde há cerca de 25 anos atrás, quer através da via empírica (por tentativa e erro), como o demonstram os poucos trabalhos existentes sobre o assunto (Li et ai., 1988; Schmidt, 1993; Molerus e Gluckler, 1996; Ray et al, 1998; Sun et al . , 2005), quer através de optimização global (Salcedo e Campos, 1999; Ravi et al . , 2000; Salcedo e Cândido, 2001; Salcedo e Pinho, 2003; Salcedo e Sousa Mendes, 2003; Salcedo et ai., 2004) mas sempre descurando o processo de aglomeração de partículas. As melhorias por via empírica não são geralmente muito significativas, requerendo demasiado tempo e custo de desenvolvimento, e a optimização global, ignorando a aglomeração interparticular, embora consiga obter geometrias significativamente mais eficientes (por exemplo, as constantes na patente EP0972572), introduz erros muito significativos na estimativa de captura das poeiras mais finas.

Resumindo, não há até à presente data, qualquer garantia de que existam no mercado os melhores ciclones de fluxo invertido que incluam no seu projecto a aglomeração interparticular, pois apenas de há alguns anos para cá (Paiva et al., 2010) foi possível começar a compreender este fenómeno de uma forma quantitativa, de modo a ser incorporada no modelos de previsão do comportamento de ciclones de fluxo invertido.

3 - Base da invenção - uma nova abordagem

A presente invenção assentou na convicção de que a compreensão do fenómeno de aglomeração de partículas em fluxo turbulento poderia eventualmente permitir desenvolver geometrias de ciclones que maximizassem a captura de partículas finas, por maximização da sua aglomeração com partículas mais grosseiras, maximizando assim a eficiência global de captura de partículas .

O trabalho desenvolvido na base da invenção recorreu à junção de técnicas de optimização global, do tipo das gue estiveram na base da invenção da patente EP0972572, e em particular das correspondentes famílias de ciclones - agui doravante designadas famílias Cyclop_HE e Cyclop_K - com a modelação numérica de aglomeração interparticular .

Com o objectivo de conseguir projectos de ciclones de eficiência significativamente superior à dos ciclones disponíveis no mercado, que incluam no seu projecto o fenómeno de aglomeração interparticular, efectuaram-se, numa primeira fase, optimizações globais recorrendo simultaneamente ao modelo PACyc (Paiva et al . , 2010), para modelizar a aglomeração, e ao optimizador global MSGA (Salcedo, 1992), para obtenção da melhor geometria. Como condições operatórias utilizaram-se condições às escalas laboratorial, piloto e industrial, para várias distribuições granulométricas constantes da base de dados da Advanced Cyclone Systems, S.A. (Portugal) (agui doravante designada ACS) . Como restrições à optimização foram impostos vários critérios geométricos para permitir a obtenção de ciclones com viabilidade de construção, e critérios de máxima gueda de pressão admitida, a gual foi fixada em aproximadamente 2500 Pa (250mm ca.), tal como é vulgar em aplicações industriais deste tipo de equipamento. Foi igualmente incluída, como restrição, a condição de que a geometria obtida não conduzisse ao fenómeno de ressuspensão das poeiras (emissão para a atmosfera por arrastamento de partículas previamente capturadas), tendo para isso sido utilizado o critério de Kalen e Zenz (Licht, 1980) . Isto é, pretendeu-se gue os ciclones optimizados tenham uma eficiência de projecto o mais próximo possível da real.

Numa segunda fase, identificaram-se os rácios geométricos das geometrias obtidas, numa tentativa de identificar traços comuns e que pudessem configurar uma família que aproximasse de forma correcta todos os resultados.

4 - Descrição da invenção

Após análise detalhada dos resultados, conseguiram-se identificar traços comuns que definem uma família de ciclones, aqui doravante designada HR_MK, que maximiza a eficiência na presença de aglomeração interparticular .

Os traços comuns característicos dos ciclones segundo a invenção são dados pelos intervalos de valores infra para cada um de sete rácios adimensionais entre dimensões de elementos constitutivos dos ciclones de fluxo invertido integrando uma entrada tangencial de secção rectangular de lados a e b, o primeiro deles paralelo ao eixo do ciclone; um corpo de altura H com um troço superior cilíndrico de diâmetro interno D e altura h e com um troço inferior tronco-cónico invertido de base menor de diâmetro D _b ; e um tubo de vórtice cilíndrico de altura s e diâmetro D _e a/D 0,110-0,170;

b/D 0,110-0,170;

s/D 0, 500-0, 540;

D _e /D 0, 100-0, 170;

h/D 2,200-2,700;

H/D 3,900-4,300;

D _h /D 0, 140-0, 180.

Um exemplo de geometria de ciclone aglomerador segundo a invenção consta do desenho da figura. 2.

A tabela 1, infra, onde o ciclone segundo a invenção consta sob a dita designação HR MK, fornece os valores para os sete rácios geométricos obtidos, definidos através dos intervalos acima indicados, comparando-os , a título exemplificativo, com os característicos das geometrias optimizadas da patente EP0972572. A tabela 2 fornece, para as geometrias disponíveis na literatura, incluindo algumas patentes de ciclones, e na base de dados da ACS, os valores dos respectivos rácios, totalizando 182 casos distintos. Por exemplo, só em Ramachandran et al . (1991) aparecem 97 geometrias das presentes na tabela 2.

Tabela 1 - Geometrias de famílias optimizadas

Rácio HR MK (1) Cyclop HE ⁽²⁾ Cyclop K ⁽²⁾ a/D 0, 110- -0, 170 0,270-0, 360 0,270-0, 310 b/D 0, 110- -0, 170 0,270-0, 360 0,270-0, 310 s/D 0, 500- -0, 540 0, 330-0, 495 0, 330-0, 395

D _e /D 0, 100- -0, 170 0,280-0, 370 0, 405-0, 430 h/D 2, 200- -2,700 1,001-1,300 2, 050-2, 260

H/D 3, 900- -4,300 4, 050-4, 250 3, 500-3, 700

D _b /D 0, 140- -0, 180 0,200-0, 300 0,250-0, 300

(1) - Optimizada incluindo aglomeração interparticular

(2) - Optimizadas excluindo aglomeração interparticular

(EP0972572)

Tabela 2 - Geometrias de famílias disponíveis na literatura/mercado

Modelo a/D b/D s/D De/D h/D Db/D H/D

0,270- 0,270- 0, 330- 0,280- 1,001- 0,200- 4, 050-

1

0, 360 0, 360 0, 495 0, 370 1,300 0, 300 4,250

2 0,500 0,200 0,500 0, 500 1, 500 0,376 4,000

3 0, 353 0, 335 0,471 0, 400 1,000 0,400 3, 353

4 0, 469 0,219 0,500 0, 397 1, 297 0, 397 3, 334

5 0,470 0,220 0,500 0, 400 1,300 0,400 3, 333

6 0,271 0,271 0, 837 0, 360 1, 669 0, 468 4, 259

7 0, 397 0, 199 0, 608 0, 317 0, 752 0,206 3,118

8 0,400 0,200 0, 549 0, 319 0, 797 0,270 3, 142

9 0, 453 0, 212 0, 676 0, 500 0, 706 0, 191 2, 529

10 0, 229 0,229 0,516 0,258 0, 839 0,484 1,806

11 0,189 0,189 0, 495 0, 196 1, 030 0,400 2,344

12 0, 685 0, 269 0, 761 0, 514 1, 453 0,176 3, 272

13 0,511 0,274 0,756 0, 520 1, 453 0, 255 3,270

14 0, 522 0,273 0, 759 0, 520 1, 455 0, 255 3,273 0, 608 0,288 0, 923 0, 615 0, 692 0, 462 3,385

0,438 0,188 1, 000 0, 438 1,406 0, 250 5, 156

0, 334 0, 167 0, 852 0, 334 1, 325 0, 334 3,580

0, 665 0, 265 1,413 0, 604 1, 503 0, 350 3,000

0, 101 0,101 0, 333 0, 096 1,474 0,439 2,781

0,331 0,166 0, 397 0, 397 1,414 0, 199 2,785

0,319 0,319 0,775 0,206 0, 906 0, 460 3, 969

0, 534 0, 151 0, 732 0, 232 0, 695 0, 332 3,356

0, 627 0,247 1, 254 0, 556 1, 530 0,177 3, 599

0,500 0, 250 0, 625 0, 500 2, 000 0, 250 4, 000

0, 502 0,249 1, 505 0, 499 2,006 0,371 4, 013

0,500 0, 250 1,481 0, 500 2,000 0, 167 4,019

0,500 0, 250 1,481 0, 500 2,000 0, 167 4,019

0, 499 0, 261 1, 502 0, 496 4, 002 0, 235 4, 002

0, 499 0, 261 1, 502 0, 496 4, 002 0, 235 4, 002

0,445 0,223 1,000 0, 444 1, 397 0,413 3, 905

0,448 0,231 0, 996 0, 448 1, 395 0, 403 3, 865

0, 697 0, 250 0, 888 0, 526 1, 224 0, 263 4, 526

0,471 0,471 0, 804 0, 358 1,413 0, 138 3, 139

0,447 0,096 0,500 0, 367 0, 545 0,100 1, 469

0,400 0,200 0,875 0, 436 0, 875 0,125 3,500

0,300 0,200 0,783 0, 444 0, 800 0, 083 3, 333

0, 302 0, 198 0,710 0, 400 0, 794 0,317 2, 825

0, 461 0, 202 0, 459 0,279 1,303 0,401 3, 353

0, 636 0,275 0, 630 0, 472 1, 195 0, 398 2, 635

0, 223 0,223 1, 000 0, 500 2, 167 0, 333 3, 083

0,208 0,208 0, 900 0, 318 0, 900 0,381 2, 790

0, 653 0,286 1, 735 0, 510 1,806 0,408 3, 949

0, 638 0, 320 0, 637 0, 477 1, 326 0,387 2, 643

0,271 0,271 0, 750 0, 471 0, 833 0, 233 3, 000

0,270 0,270 0,747 0, 470 0, 798 0, 295 2, 904

0,249 0,249 0, 852 0, 391 0, 899 0,280 2, 937

0, 198 0, 198 2,009 0, 670 2, 232 0, 670 3,125

0,301 0,301 0,508 0, 340 1, 347 0,340 3, 640

0, 167 0, 083 0,417 0, 167 1, 500 0,500 3, 531

0, 139 0, 139 0, 993 0,235 2, 085 0,118 3, 623

0, 390 0,300 0,496 0, 390 1,000 0,400 3,000

0,500 0, 250 1, 090 0, 300 1,090 0,381 3,000

0,247 0,247 0,447 0,282 4, 124 0, 182 5, 000

0, 222 0, 222 0, 328 0, 333 0, 853 0,500 2,723

0, 994 0,147 1, 123 0, 448 3,241 0,376 5, 562

0, 394 0, 303 0, 571 0, 394 0,861 0,429 1, 858

0, 322 0,201 0, 503 0, 497 1, 678 0, 658 2, 852

0, 548 0,246 1, 173 0, 550 2, 173 0, 533 3, 573

0,816 0, 204 1, 259 0, 646 1, 895 0, 204 3, 799 0,408 0, 282 0, 652 0, 565 1, 013 0, 392 2, 922

0,501 0, 232 0, 626 0, 357 1, 376 0,429 4, 252

0, 461 0, 257 1, 122 0, 498 1,146 0, 024 2,580

0, 704 0,306 0, 822 0, 593 1, 375 0, 407 2, 699

0,500 0, 250 0, 625 0, 500 2, 000 0, 250 4, 000

0,500 0,200 0,500 0, 500 1, 500 0,375 4, 000

0,440 0,210 0,500 0, 400 1,400 0,400 3, 900

0,500 0,230 0, 654 0, 523 0, 654 0,317 3, 164

0,400 0, 150 0,400 0, 400 1,100 0, 325 4,500

0, 333 0, 167 0, 752 0, 333 1, 333 0, 333 3, 333

0, 350 0,300 0, 350 0, 390 1, 500 0,375 5, 000

0, 750 0,380 0,880 0, 750 1, 500 0,380 4,000,270- 0,270- 0, 330- 0, 405- 2, 050- 0,250- 3, 500-, 310 0, 310 0, 395 0, 430 2, 260 0, 300 3, 700

0, 265 0, 265 0, 332 0, 349 2, 500 0,349 5, 000

0,208 0,208 0,900 0, 318 0, 900 0,381 2, 790

0, 394 0, 303 0, 571 0, 394 0, 861 0,429 1, 858

0, 304 0,184 0, 814 0,259 1,019 0, 250 4,779

0, 533 0, 133 0, 733 0, 333 0, 693 0, 333 2,580

0,400 0,100 0, 733 0, 333 0, 693 0, 333 2,580

0,500 0, 250 1, 060 0, 500 1, 990 0, 250 3, 980

0,380 0, 190 1, 130 0, 310 1,810 0, 380 4,310

0, 533 0, 233 1, 600 0, 500 2,133 0, 267 4, 267

0, 533 0,156 1, 600 0, 500 2,133 0, 267 4, 267

0, 533 0,111 1, 600 0, 500 2, 133 0, 267 4, 267

0,500 0, 148 0,500 0, 313 1, 625 0,313 2,375

0,500 0,148 0,500 0, 500 1, 625 0,313 2,375

1,000 0, 250 0,500 0, 313 1, 125 0,313 1, 688

1, 000 0, 250 0,500 0, 500 1, 125 0,313 1, 688

0, 250 0, 125 1,500 0, 500 2, 000 0, 250 4, 000

0,500 0, 250 1,500 0, 500 2,000 0, 250 4,000

0, 600 0, 250 1,500 0, 500 2,000 0, 250 4,000

0, 667 0, 133 0,400 0, 333 1, 133 0, 250 1, 967

0, 367 0,117 0, 733 0,250 0, 950 0, 250 2,200

0,283 0, 150 0, 600 0, 500 0, 700 0,200 1, 450

0,288 0, 151 0, 613 0, 500 0, 700 0,200 1, 463

0, 293 0, 150 0, 600 0, 500 0, 700 0,200 1,475

0,283 0, 067 0, 600 0, 500 0, 700 0,200 1, 450

0, 142 0, 150 0, 600 0, 500 0, 700 0,200 1, 450

0,283 0, 150 0, 600 0, 667 0, 700 0,200 1, 450

0,283 0, 067 0, 600 0, 333 0, 700 0,200 1, 450

0,283 0, 150 0, 600 0, 500 0, 700 0,200 1, 158

0,283 0, 094 0, 600 0, 500 0, 700 0,200 1, 158

0,283 0, 094 0, 600 0, 667 0, 700 0,200 1, 158

0,283 0, 150 0, 600 0, 333 0, 700 0,200 1, 158 0,283 0, 150 0, 600 0, 667 0, 700 0,200 1, 158

0,283 0, 150 0, 600 0, 333 0, 700 0,200 1, 450

0,113 0, 150 0, 600 0, 500 0, 700 0,200 1, 450

0,208 0, 150 0, 600 0, 500 0, 700 0,200 1, 450

0,283 0, 094 0, 600 0, 500 0, 700 0,200 1, 450

0,283 0, 067 0,400 0, 333 0, 700 0,200 1, 450

0, 292 0,208 0, 556 0, 417 0, 667 0, 140 2, 056

0, 393 0,119 0, 667 0, 476 0, 655 0,141 1, 607

0,500 0,200 0,500 0, 500 1, 500 0,375 4,000

0, 620 0,230 1, 170 0, 500 1, 330 0, 250 3,180

0, 667 0, 333 0, 893 0, 573 1,307 0, 250 3,280

0, 609 0,318 0,909 0, 564 1, 364 0, 250 2,727

0, 561 0,211 0, 763 0, 513 0, 561 0, 531 2, 666

0, 526 0, 156 0, 632 0, 434 0, 632 0,316 3, 579

0, 538 0, 162 0, 673 0, 435 0, 681 0, 404 3,373

0, 527 0,149 0, 636 0, 400 0, 636 0,345 2,909

0,486 0, 268 0, 568 0, 405 0, 649 0, 405 2, 335

0, 267 0, 267 0, 390 0, 300 0, 501 0,300 2,486

0, 900 0,100 0, 967 0, 500 1, 035 0,500 2,217

0,900 0,100 0, 967 0, 500 1, 035 0,500 3, 467

0,900 0,100 0, 967 0, 500 1, 035 0,500 5, 967

0, 900 0,100 0, 967 0, 500 1, 035 0,500 10, 970

0, 900 0,200 0, 967 0, 500 1, 035 0,500 2,217

0,900 0,200 0, 967 0, 500 1, 035 0,500 3, 467

0,900 0,200 0, 967 0, 500 1, 035 0,500 5, 967

0, 900 0,200 0, 967 0, 500 1, 035 0,500 10, 970

0, 900 0,300 0, 967 0, 500 1, 035 0,500 2,217

0, 900 0,300 0, 967 0, 500 1, 035 0,500 3, 467

0,900 0,300 0, 967 0, 500 1, 035 0,500 5, 967

0, 900 0,300 0, 967 0, 500 1, 035 0,500 10, 970

0, 900 0,400 0, 967 0, 500 1, 035 0,500 2,217

0, 900 0,400 0, 967 0, 500 1, 035 0,500 3, 467

0,900 0,400 0, 967 0, 500 1, 035 0,500 5, 967

0,900 0,400 0, 967 0, 500 1, 035 0,500 10, 970

0, 900 0,100 0, 967 0, 333 1, 035 0, 333 1,801

0, 900 0,100 0, 967 0, 333 1, 035 0, 333 2, 634

0,900 0,100 0, 967 0, 333 1, 035 0, 333 4,301

0,900 0,200 0, 967 0, 333 1, 035 0, 333 1,801

0, 900 0,200 0, 967 0, 333 1, 035 0, 333 2, 634

0, 900 0,200 0, 967 0, 333 1, 035 0, 333 4,301

0,900 0,300 0, 967 0, 333 1, 035 0, 333 1,801

0,900 0,300 0, 967 0, 333 1, 035 0, 333 2, 634

0, 900 0,300 0, 967 0, 333 1, 035 0, 333 4,301

0, 900 0,400 0, 967 0, 333 1, 035 0, 333 1,801

0,900 0,400 0, 967 0, 333 1, 035 0, 333 2, 634 149 0, 900 0,400 0, 967 0, 333 1, 035 0, 333 4,301

150 0, 900 0,100 0, 967 0,250 1, 035 0, 250 1, 592

151 0,900 0,100 0, 967 0,250 1, 035 0, 250 2,217

152 0,900 0,100 0, 967 0,250 1, 035 0, 250 3, 467

153 0, 900 0,200 0, 967 0,250 1, 035 0, 250 1, 592

154 0, 900 0,200 0, 967 0,250 1, 035 0, 250 2,217

155 0, 900 0,200 0, 967 0,250 1, 035 0, 250 3, 467

156 0,900 0,300 0, 967 0,250 1, 035 0, 250 1, 592

157 0,900 0,300 0, 967 0,250 1, 035 0, 250 2,217

158 0, 900 0,300 0, 967 0,250 1, 035 0, 250 3, 467

159 0, 900 0,400 0, 967 0,250 1, 035 0, 250 1, 592

160 0,900 0,400 0, 967 0,250 1, 035 0, 250 2,217

161 0, 555 0,400 0, 967 0,250 1, 035 0, 250 3, 467

162 0, 553 0, 162 0, 543 0, 433 0, 684 0,384 3, 263

163 0, 553 0, 161 0, 552 0, 431 0, 681 0,383 3,245

164 0, 553 0, 161 0, 561 0, 432 0, 682 0, 382 3, 255

165 0,440 0,210 0,500 0, 400 1,400 0,400 3,900

166 0,500 0, 250 0, 600 0, 500 1,750 0,400 3, 750

167 0, 557 0,331 0, 962 0, 541 3, 350 0,287 5, 939

168 0, 575 0,230 0,584 0, 575 0, 750 0,480 3,510

169 0, 573 0,223 0,580 0, 575 0, 750 0,477 3, 460

170 0,372 0,186 0, 541 0, 514 0, 743 0, 253 2, 095

171 0, 494 0,247 0,740 0, 407 2, 662 0,586 3, 961

172 0,375 0,188 1, 125 0, 313 1,813 0,375 4,313

173 0,500 0,200 0,500 0, 500 1, 500 0,375 4,000

174 0,500 0,300 0, 558 0, 333 3, 500 0,375 6, 000

175 0,375 0,200 3, 052 0, 583 3, 500 1, 000 6, 000

176 0,375 0,200 2, 865 0, 583 3, 500 0, 688 6, 000

177 0,500 0,300 2,073 0, 333 3, 500 1,000 6, 000

178 0,500 0, 202 0, 623 0, 500 2, 623 0,447 4, 018

179 1, 000 0,201 0, 467 0, 375 2, 007 0,336 4, 013

180 0,513 0,201 0, 526 0, 375 2, 007 0,336 4, 013

181 0,513 0,201 0, 526 0, 375 3, 007 0,336 5, 013

0,274- 0, 141- 0,250- 0, 300- 0, 160- 0, 800-

182 >0, 640

0, 500 0, 258 0, 750 0,700 1,000 2,000

(a) EP0972572; (b) EP1487588; (c) EP0564992

Após análise estatística da ocorrência de violações aos rácios impostos na Tab.l para a geometria HR_MK, verifica-se que há 37% (67 geometrias) que violam apenas um rácio e 14% (25 geometrias) que violam exactamente dois rácios, tal como se pode observar respectivamente nas tabelas 3 e 4. Por violação de um rácio entende-se, no presente pedido de patente, a existência pelo menos um ciclone do estado da técnica que, para esse rácio ou parâmetro adimensional, apresenta pelo menos um valor compreendido no intervalo característico indicado na tabela 1, para a presente invenção (HR_MK) , com respeito a tal rácio.

Não há qualquer geometria que viole mais de 2 rácios, pelo que a família HR_MK é de facto muito distinta dos ciclones conhecidos até ao presente. Tal não é de estranhar, pois nunca antes havia sido optimizada a geometria de ciclones de fluxo invertido com o propósito de maximizar a eficiência incorporando a previsão de aglomeração interparticular . Surpreendente, sim, foi o facto de se ter conseguido identificar os referidos traços comuns, pois nada garantia que houvesse tal possibilidade, na medida em que a complexidade do processo de interacção das partículas poderia estar de tal modo dependente de cada caso concreto (geometria incluída) que não fosse possível estabelecer elos de conexão gerais.

Como características principais que distinguem a família optimizada conforme a presente invenção, em relação às restantes famílias, ressaltam os seguintes factores:

- Entrada do gás, tubo de vórtice e de descarga de sólidos mais estreitos;

- Corpo cilíndrico mais comprido e cone mais curto.

Tabela 3 - Identificação das geometrias que violam um

só rácio da geometria HR MK

Número de rácios violados = 1

Geometria ou

Rácio a/D b/D s/D De/D h/D Db/D H/D

4 X

5 X

6 X

10 X

11 X

12 X 17 X

19 X

20 X

21 X

22 X

23 X

24 X

25 X

28 X

29 X

30 X

31 X

33 X

34 X

40 X

42 X

47 X

48 X

51 X

53 X

55 X

57 X

58 X

61 X

64 X

68 X

69 X

71 X

72 X

73 X

77 X

79 X

81 X

83 X

8 6 X

87 X

89 X

90 X

91 X

92 X

93 X

94 X

95 X 98 X

100 X

103 X

104 X

105 X

107 X

117 X

118 X

119 X

140 X

143 X

146 X

149 X

163 X

164 X

170 X

179 X

181 X

X = violação de um rácio

Tabela 4 - Identificação das geometrias que violam dois rácios da geometria HR_MK

Número de rácios violados = 2

Geometria ou

Rácio a/D b/D s/D De/D h/D Db/D H/D

1 X X

2 X X

26 X X

27 X X

49 X X

50 X X

65 X X

66 X X

82 X X

83 X X

84 X X

85 X X

88 X X

97 X X

106 X X 111 X X

112 X X

162 X X

165 X X

171 X X

173 X X

178 X X

180 X X

182 X X

X = violação de um rácio

0 presente pedido de patente refere-se a uma geometria de ciclones de fluxo invertido, que foi optimizada por computador, considerando simultaneamente aglomeração interparticular e optimização global. Conforme resulta do exposto a família de ciclones segundo a presente invenção é bem distinta das existentes no mercado e na literatura cientifica, tendo para isso sido analisadas 182 geometrias diferentes. A família, segundo a invenção é de eficiência máxima, ultrapassando significativamente a eficácia dos ciclones numericamente optimizados referidos na patente EP0972572, os quais já havia sido demonstrado serem significativamente mais eficientes do que outros ciclones de fluxo invertido vulgarmente designados como de alta eficiência.

A presente invenção respeita ainda a um processo de despoeiramento de gases em que se faz passar o fluxo gasoso por um ciclone segundo a presente invenção.

Segundo um modo de concretização particular o despoeiramento é acompanhado de lavagem a seco dos gases, mediante a introdução de um pó reagente apropriado, no dito fluxo gasoso, antes da entrada no ciclone segundo a invenção.

A invenção respeita ainda à utilização do processo e do ciclone, segundo a invenção, na lavagem de gases ácidos. Segundo um modo particular de concretização, os gases ácidos são de HC1 (cloreto e hidrogénio), HF (fluoreto de hidrogénio), SO ₂ (dióxido de enxofre) e/ou NO _x (óxidos de azoto) .

Segundo outro modo particular de concretização, a invenção respeita ainda à utilização do processo e do ciclone descritos, para o despoeiramento de gases da queima de motores diesel.

5 - Breve descrição das figuras

A figura 1 representa um ciclone de fluxo invertido no qual estão representadas quer as dimensões lineares na base dos rácios adimensionais anteriormente referidos, dimensões essas já descritas em pormenor, quer os fluxos de entrada e saida do ciclone, a saber o gás sujo (GS) o Gás limpo (GL) e as partículas capturadas (P) .

Ά figura 2 representa um exemplo típico de um ciclone aglomerador segundo a invenção (HR MK) .

A figura 3 representa um gráfico com a distribuição granulométrica usada num ciclone segundo a invenção (HR_MK) de 135mm de diâmetro (D) para uma massa volúmica das partículas

(Pp) de 450 kg/m ³ . O eixo das ordenadas representa a frequência cumulativa (FC) em percentagem (Volume) e o eixo das abcissas o diâmetro (φ) das partículas em micrómetros.

A figura 4 representa um gráfico com a comparação de eficiências fraccionais para as geometrias da invenção (HR_MK) e Cyclop HE (para as partículas da Fig. 3) . O eixo das ordenadas representa a eficiência (7 ) e o eixo das abcissas o diâmetro (φ) das partículas em micrómetros.

A figura 5 representa um gráfico com a distribuição granulométrica usada num ciclone segundo a invenção (HR MK) de

460mm de diâmetro (D) para partículas com p _p =906 kg/m ³ . Os eixos são idênticos aos da figura 3. A figura 6 representa um gráfico com a comparação de eficiências fraccionais para as geometrias da invenção (HR MK) e Cyclop_HE (para as partículas da Fig. 5) . Os eixos são idênticos aos da figura 4.

A figura 7 representa um gráfico com a distribuição granulométrica usada num ciclone segundo a invenção (HR MK) de

700mm de diâmetro (D) para partículas com p _p =310 kg/m ³ . Os eixos são idênticos aos da figura 3.

A figura 8 representa um gráfico com a comparação de eficiências fraccionais para as geometrias da invenção (HR_MK) e Cyclop_HE (para as partículas da Fig. 7) . Os eixos são idênticos aos da figura 4.

A figura 9 representa um gráfico com a distribuição granulométrica usada num ciclone segundo a invenção (HR_MK) de 1400mm de diâmetro (D) para partículas com p _p =1450 kg/m ³ . Os eixos são idênticos aos da figura 3.

A figura 10 representa um gráfico com a comparação de eficiências fraccionais para as geometrias da invenção (HR_MK) e Cyclop HE (para as partículas da Fig. 9) . Os eixos são idênticos aos da figura 4.

6 - Exemplos concretos

Para confirmar os resultados obtidos, foram testados 4 ciclones segundo a presente invenção (HR MK) de tamanhos diferentes, com diâmetros de 135, 460, 700 e 1400mm. As eficiências obtidas com diferentes partículas e distribuições granulométricas foram comparadas com as obtidas com ciclones equivalentes do tipo Cyclop HE (os melhores optimizados numericamente até à data da presente invenção) , na captura de pós muito finos, muito pouco densos ou com ambas estas características. Em todos estes casos observou-se uma significativa melhoria na eficiência de captura de partículas finas e, consequentemente, da eficiência global. Foi também feita a comparação entre as geometrias HR_MK e Cyclop HE para um caso de partículas mais densas e quer sem apreciável fracção submicrométrica, quer mesmo sem apreciável fracção abaixo de ΙΟμπι, confirmando-se, para tal caso, a superioridade da geometria Cyclop_HE.

6a - HR_MK de 135mm

A figura 3 mostra a distribuição granulométrica de teste para um ciclone da presente invenção (HR_MK) de 135mm de diâmetro, para partículas não-porosas mas muito pouco densas (densidade verdadeira, obtida por picnometria de hélio, de 450 kg/m ³ ) . As restantes condições operatórias foram: caudal de 40m ³ /h@165°C e concentração na entrada de 530 mg/m ³ . A figura 4 compara a performance dos ciclones HR MK e Cyclop HE (EP0972572), para equivalente queda de pressão (2,6 kPa) . Convém referir que a aglomeração interparticular é favorecida por baixa densidades das partículas, tornando os choques entre elas inelásticos (Paiva et al . , 2010) . As eficiências globais foram respectivamente de 57 e 76% para os ciclones Cyclop_HE e optimizado HR_MK, ou seja, as emissões do ciclone optimizado segundo a presente invenção são cerca de 56% inferiores às do ciclone Cyclop_HE.

6b - HR_MK de 460mm

A figura 5 mostra a distribuição granulométrica de teste para um ciclone segundo a presente invenção (HR_MK) de 460mm de diâmetro, para partículas de densidade esquelética (incluindo os poros intraparticulares ) obtida por porosimetria de mercúrio, de 906 kg/m ³ (para partículas não porosas, a densidade verdadeira coincide com a densidade esquelética, mas para partículas porosas, a densidade esquelética é sempre inferior à verdadeira, sendo esta a que interessa considerar para captura de partículas em ciclones) . As restantes condições operatórias foram: caudal de 310m ³ /h@30°C e concentração na entrada de 430 mg/m ³ . A figura 6 compara a performance dos ciclones HR MK e Cyclop HE (EP0972572) do mesmo diâmetro, para equivalente queda de pressão (1,8 kPa) . As eficiências globais foram respectivamente de 62 e 92% para os ciclones Cyclop_HE e optimizado HR_MK, ou seja, as emissões do ciclone optimizado segundo a presente invenção são cerca de 78% inferiores às do ciclone Cyclop_HE.

6c - HR _MK de 700mm

A figura 7 mostra a distribuição granulométrica de teste para um ciclone segundo a presente invenção (HR_MK) de 700mm de diâmetro, para partículas de densidade esquelética de 310 kg/m ³ . As restantes condições operatórias foram: caudal de 640m ³ /h@20°C e concentração na entrada de 360 mg/m ³ . A figura 8 compara a performance dos ciclones HR_MK e Cyclop_HE para equivalente queda de pressão (1,9 kPa) . As emissões do ciclone optimizado segundo a presente invenção são cerca de 75% inferiores às do ciclone Cyclop HE. 6d - HR_MK de 1400mm

Neste caso (figuras 9 e 10) , utilizaram-se partículas mais densas e sem uma grande fracção submicrométrica, com apenas 20% abaixo de 10 μπι, logo com menor tendência de aglomeração do que partículas menos densas e mais finas. A geometria segundo a presente invenção (HR MK) não se revela superior à geometria Cyclop_HE, para quedas de pressão equivalentes (1,2 kPa) , para partículas de densidade 1450 kg/m ³ , caudal de 72000m ³ /h@88 °C e concentração à entrada de 460 mg/m ³ .

7 - Considerações finais

A geometria HR_MK é a que maximiza a eficiência, considerando a aglomeração interparticular com ressupensão de poeiras minimizada. A geometria HR_MK foi testada às escalas piloto e industrial, revelando eficiências substancialmente superiores (emissões em média 70% inferiores) a uma geometria de muito elevada eficiência disponível na literatura e patenteada (EP0972572) .

A geometria HR_MK é substancialmente diferente das geometrias de elevada eficiência existentes no mercado, sendo a única conhecida dos proponentes que foi numericamente optimizada incluindo o fenómeno de aglomeração interparticular .

Previsões para situações de caudais industriais indicam que as geometrias propostas terão eficiências significativamente superiores às dos melhores ciclones disponíveis no mercado, desde que as partículas a capturar sejam pouco densas e com substancial fracção submicrométrica e abaixo de 10-20 μπι, com reduções de emissões em média, de 70% relativamente à geometria Cyclop HE.

0 processo e o ciclone segundo a invenção são particularmente preferenciais para a captura de partículas com densidade verdadeira inferior a 1000 kg/m ³ transportadas em correntes gasosas.

0 processo e o ciclone segundo a invenção são particularmente preferenciais para o despoeiramento de fluxos gasosos em que as partículas tenham fracção submicrométrica da ordem de 20% a 30% .

0 processo e o ciclone segundo a invenção são particularmente preferenciais para o despoeiramento de fluxos gasosos em que as partículas tenham a fracção abaixo de 10-20 μιη da ordem de 90% a 100%.

O processo e o ciclone segundo a invenção são particularmente mais preferenciais para o despoeiramento de fluxos gasosos em que as partículas combinam duas quaisquer das três características indicadas nos três parágrafos anteriores, sendo ainda particularmente mais preferenciais para o despoeiramento de fluxos gasosos em que as partículas combinam as três citadas características. Considerando que a aglomeração promovida pelo ciclone segundo a invenção e respectivo processo é temporária, designadamente nos casos previstos nos quatro parágrafos anteriores (especialmente nos casos dos exemplos 6a a 6c, supra) ocorrendo no interior do ciclone e cessando quando as partículas são depositadas no fundo do mesmo (mormente quando são retiradas por tal fundo) - constituindo, assim, tal aglomeração, mais precisamente um agrupamento temporário - constatou-se que tais ciclone e processo são particularmente indicados para a recuperação de materiais pulverulentos arrastados em fluxos gasosos. Segundo uma concretização particular da invenção, após o processo de captura de partículas, segundo a invenção, compreendendo, portanto, os aglomerados (agrupamentos) de partículas formados dentro do ciclone, estas, após a sua remoção pelo fundo do ciclone, são sujeitas a uma etapa adicional de desagregação (desagrupamento) , que complementa a desagregação natural. Segundo um modo de concretização particular, a etapa adicional de desagrupamento é feita dispersando os agrupamentos em meio líquido .

A geometria dos ciclones segundo a invenção é muito diferente das existentes no mercado, assim como das referidas na literatura da especialidade, uma vez que apenas partilha, na pior hipótese, dois dos sete rácios de valores que definem as geometrias dos outros ciclones.

Preferencialmente a secção recta da entrada é quadrada, sendo as dimensões a e b iguais.

Embora a entrada deva ser tangencial, poderá ser em voluta, caso as dimensões o justifiquem, sem invalidar qualquer dos pressupostos acima expostos.

8 - Bibliografia Clift, R . , M. Ghadiri e A.C. Hoffman, "A Critique of Two Models for Cyclone Performance", AIChE J. , vol.37, 285-289, 1991.

Graham, L.J., Taillon, R., Mullin, J. e Wigle, . , "Pharmaceutical process/equipment design methodology case study: Cyclone design to optimize spray-dried-particle collection efficiency", Computers and Chemical Engineering, vol. 34, 1041-1048, 2010.

Li, Z., Z. Zisheng e Yu Kuotsung, "Study of structure parameters of cyclones", Chem. Eng. Res. Des., vol. 66, Março, 114-120 ,1988.

Licht, W., "Air Pollution Control Engineering-basic calculations for particulate collection", Mareei Dekker, New York and Basel, 1980.

Molerus, O. e Gluckler, M., "Development of a cyclone separator with new design", Powder Technology, vol. 86, 37-40, 1996.

Mot es, H. e F. Loffler, "Prediction of particle removal in cyclone separators", International Chemical Engineering, vol. 28, 231-240, 1988.

Paiva, J., Salcedo, R. e Araujo, P., "Impact of particle agglomeration in cyclones", Chem. Eng. J. , vol. 162, 861-876, 2010.

Ramachandran, G., Leith, D., Dirgo, J e Feldman, H., "Cyclone optimization based on a new empirical model for pressure drop", Aerosol Sc. and Technology, vol. 15, 135-148, 1991.

Ravi, G. , Gupta, S.K. e Ray, M.B., "Multiobj ective optimization of cyclone separators using genetic algorithm", Ind. Eng. Chem. Res., vol. 39, 4272-4286, 2000.

Ray, M.B., Luning, P.E., Hoffmann, A.C. , Plomp, A. e Beumer, M.L.L., "Improving the removal efficiency of industrial-scale cyclones for particles smaller t an five micrometre", Int. J. Miner. Process, vol. 53, 39-47, 1998. Salcedo, R. e Coelho, M., "Turbulent dispersion coefficients in cyclone flow - an empirical approach", Can. J. Chem. Eng., vol. 77, 609-617, 1999.

Salcedo, R.L. e Pinho, M.J., Pilot and Industrial-Scale Experimental Investigation of Numerically Optimized Cyclones , Ind. Eng. Chem. Res., vol. 42, 145-154, 2003.

Salcedo, R.L. e Sousa Mendes, M., "Captura de poeiras finas com ciclones optimizados: estudo de dois casos industriais", Industria e Ambiente, n° 30, 2 ^o trimestre, 18-22, 2003.

Salcedo, R.L., "Solving Non-Convex NLP and MINLP Problems with Adaptive Random-Search", Ind. Eng. Chem. Res., vol. 31, no.l, 262-273, 1992.

Salcedo, R.L.R. e Cândido, M.G., "Global optimization of reverse-flow gas-cyclones : application to small-scale cyclone design", Separation Sei. and Technology, vol. 36(12) , 2707- 2731, 2001.

Salcedo, R.L.R. , Chibante, V. G. e Sôro, I., "Laboratory, pilot and industrial-scale validation of numerically optimized reverse-flow gas cyclones", Trans. of the Filt. Soe. Vol. 4(3) , 220-225, 2004.

Schmidt, P., "Unconventional cyclone separators", Int. Chem. Eng., vol. 33(1) , 8-17, 1993.

Sun, G., Chen, J. e Sei, M., "Optimization and applications of reverse-flow cyclones", China Particuology, vol. 3, 43-46, 2005.