Modelação do transporte e dispersão atmosférica de poluentes produzidos por uma refinaria: estudo de caso

Mestrado em Engenharia Química.Ramo Tecnologias de Protecção Ambiental

Efeito das condições ambientais na produtividade lipídica da Dunaliella tertiolecta

Este trabalho teve como objectivo a optimização das condições de crescimento de biomassa algal tendo em vista a sua utilização como fonte de lípidos para biocombustíveis. Assim, procedeu-se à inoculação de duas estirpes, a Dunaliella tertiolecta (água salgada) e a Tetraselmis subcordiformis (água salobra), seleccionando-se a Dunaliella tertiolecta uma vez que esta apresentou um crescimento mais rápido. Escolhida a estirpe a usar, avaliou-se a influência da composição do meio de cultura da espécie, variando-se a concentração de macronutrientes (Magnésio, Potássio, Azoto, Fósforo) e de micronutrientes (Manganês, Zinco, Ferro, Cobalto) presentes no meio em 10 e 20 vezes, comparativamente à do meio de cultura padrão, o meio Artificial Seawater Medium with Vitamins. Avaliou-se o crescimento algal, a uma temperatura de 25 ºC ± 2 ºC, com uma intensidade de iluminação de 5000 lux (lâmpadas luz dia) e fotoperíodos 12:12 h, controlando possíveis contaminações nas culturas em estudo. Para os ensaios realizados com a Dunaliella tertiolecta, os melhores resultados para a produtividade média e máxima de biomassa, 63,06 mgbiomassa seca/L.dia e 141,79 mgbiomassa seca/L.dia, respectivamente, foram obtidos no ensaio em que se fez variar 10 vezes a concentração de azoto (sob a forma de nitrato). Os resultados mais satisfatórios para o teor lípidico e para a produtividade lipídica máxima, 33,45% e 47,43 mgóleo/L.dia respectivamente, também foram obtidos no ensaio em que se fez variar 10 vezes a concentração de azoto (sob a forma de nitrato), (com extracção dos lípidos usando o método de Bligh e Dyer). Foram testados dois solventes para a extracção de lipídos, o clorofórmio e o hexano, tendose obtido resultados superiores com o clorofórmio, comparativamente aos obtidos quando se usou hexano, com excepção do ensaio em que se aumentou 20 vezes a concentração de fósforo no meio de cultura das microalgas. Verificou-se que, em todos os ensaios foi atingido o estado estacionário sensivelmente na mesma altura, isto é, decorridos cerca de 25 dias após o início do estudo, excepto os ensaios em que se fez variar a concentração de cobalto, para os quais as culturas não se adaptaram às alterações do meio, acabando por morrer passados 15 dias. A adição dos macronutrientes e micronutrientes usados nos ensaios, nas quantidades testadas, não influenciou significativamente a produtividade lipídica, com excepção do azoto e ferro. Conclui-se que o aumento da concentração de azoto para 10x o valor padrão potencia o aumento da produtividade lipídica máxima para mais do dobro (3,6 vezes – Padrão: 13,25 mgóleo/L.dia; 10x N: 47,43 mgóleo/L.dia) e que o aumento da concentração de ferro para 10x o valor padrão potencia o aumento da produtividade lipídica máxima para aproximadamente o dobro (1,9 vezes - Padrão: 14,61 mgóleo/L.dia; 10x Fe: 28,04 mgóleo/L.dia). Nos ensaios realizados com adição de azoto ou ferro, os resultados obtidos para a concentração, teor lípidico e produtividade lipídica máxima, foram sempre superiores aos do padrão correspondente, pelo que se pode concluir que estes ensaios se apresentam como os mais promissores deste estudo, embora o ensaio mais satisfatório tenha sido aquele em que se promoveu a alteração da concentração de azoto para 10 vezes o valor padrão.

Modelagem e simulação da dinâmica do arrastamento por ar

Os compostos orgânicos voláteis constituem uma fonte vulgar de contaminação da água subterrânea, a qual pode ser eliminada pela tecnologia do arrastamento por ar (air stripping) em colunas com enchimento desordenado e utilizando fluxos das fases em contra-corrente. Propõe-se neste trabalho uma nova metodologia de dimensionamento destas colunas, para qualquer tipo de enchimento e de contaminante, onde não há necessidade de se arbitrar nenhum diâmetro, onde se evita o recurso a ábacos experimentais e onde o regime hidráulico conveniente é seleccionado à partida. O procedimento proposto foi algoritmizado e convertido num programa em linguagem C++. Para verificar e testar não só o dimensionamento mas também o comportamento teórico estacionário e dinâmico construiu-se de raiz uma coluna experimental. Seleccionou-se como contaminante uma solução de clorofórmio em água destilada. A experimentação permite, ainda, corrigir o coeficiente de transferência de massa global teórico estimado pelas correlações de Onda e que depende de inúmeros parâmetros nem sempre controláveis experimentalmente. Apresenta-se, em seguida, um modelo original de simulação dinâmica do comportamento da coluna e que é constituído por um sistema de equações diferenciais não lineares (parâmetros distribuidos). No entanto, se os débitos forem arbitrados como constantes, o sistema passa a ser linear apesar de não possuir solução analítica evidente (p.e. por transformações integrais). A discretização por diferenças finitas permitiu superar estas dificuldades. Existe uma notável concordância entre os valores experimentais e os previstos no modelo.

A modelação nas tecnologias de tratamento de água – o caso particular do arrastamento por ar

Os recursos hídricos subterrâneos constituem a maior fonte disponível de água doce e são, cada vez mais, utilizados no abastecimento de água para consumo humano e em múltiplas actividades industriais e agrícolas. A poluição destes recursos, fruto de acidente ou negligência, é uma realidade que se verifica com uma frequência alarmante e que atinge níveis preocupantes no nosso país. Nestas Jornadas pretende-se apresentar, numa primeira fase, uma breve alusão à operação de arrastamento por ar em colunas com enchimento desordenado, e suas vantagens face a outros processos de despoluição e, numa segunda fase, a utilidade de desenvolvimento de modelos de simulação e optimização numérica desta operação unitária. Para tal, é exposta a formulação do modelo matemático fenomenológico concebido por Castro e Fiúza (Castro, 1997) desenvolvido sob uma fundamentação teórica com carácter sistémico, em termos de equações de balanço de massa para uma determinada secção de volume infinitesimal, traduzido num sistema de EDOs e num sistema de EDPs, para situações de estado estacionário e transiente respectivamente e são apresentados os resultados entretanto obtidos.

Perda de carga numa operação de arrastamento por ar: resultados de simulação laboratorial e numérica

Os compostos orgânicos voláteis são uma fonte comum de contaminação de água subterrânea, que pode ser facilmente removida através de um processo de arrastamento por ar em colunas com enchimento desordenado com fluxos líquido e gasoso em contracorrente. Neste trabalho propõe-se uma nova metodologia para o dimensionamento destas colunas válida para uma grande variedade de enchimento e de contaminantes. O regime hidráulico é um critério de projecto previamente definido. Os procedimentos a utilizar no dimensionamento foram descritos num simples algoritmo e devidamente implementados em Matlab. Paralelamente, foi construída uma coluna e sobre ela se efectuaram testes de dimensionamento, de comportamento em regime estacionário e em regime dinâmico. Os testes experimentais foram conduzidos sobre uma solução de clorofórmio em água destilada. Os resultados obtidos permitem estabelecer uma correcção do valor do coeficiente global de transferência de massa previamente estimado a partir das correlações de Onda, que por sua vez dependem de vários parâmetros nem sempre fáceis de controlar experimentalmente. Os resultados obtidos experimentalmente não apresentam comportamentos estranhos nem imprevistos.

Transferência de massa através de arrastamento por ar: resultados de simulação laboratorial e numérica

O tolueno tem uma vasta aplicação industrial e apresenta alguns riscos para a saúde humana. Legislação comunitária, recentemente publicada, exige que se cumpra a médio prazo padrões mínimos de qualidade apontando como limite máximo de concentração de tolueno na água destinada a consumo humano o valor de 1 ppm. O processo de arrastamento por ar em colunas com enchimento desordenado é uma das técnicas de remoção disponíveis, embora ainda pouco implementada no nosso país. Neste trabalho simulou-se, laboratorial e numericamente, a remoção do tolueno da água através desta tecnologia sob condições operatórias pré-estabelecidas. A simulação à escala laboratorial foi executada numa instalação piloto constituída por uma coluna de vidro acrílico com 0.137metros de diâmetro interno preenchida desordenadamente com anéis Raflux de polietileno com 15milímetros de calibre numa altura de 1.10 metros. A experimentação efectuada abrangeu ensaios realizados quer em regime permanente quer em regime transitório. As simulações numéricas do comportamento de uma coluna com idênticas características, em estado estacionário e em estado transiente, foram efectuadas com “software” específico concebido para MatLab. Este software permite a descrição do regime hidrodinâmico e da transferência de massa deste processo de acordo com os modelos de Robbins [Robbins, 1991] e Onda [Onda, 1968], respectivamente, inseridos num modelo global fenomenológico traduzido num sistema de equações às derivadas parciais de 1ª ordem, do tipo hiperbólico, com uma variável espacial axial e uma variável temporal. A resolução deste modelo é efectuada através de algoritmos e estratégias específicas nomeadamente a implementação numérica dos métodos explícito de Euler para resolução do sistema de ED0s que traduz o estado estacionário primitivo e de diferenças finitas com esquema explícito associado a manipulação de matrizes esparsas para resolução do sistema de EDPs que traduz o estado dinâmico. A concordância entre os resultados obtidos na teoria e na prática, pese embora as dificuldades encontradas no controlo analítico das amostras, permite concluir que o modelo proposto possui um rigor fenomenológico suficiente e que o modelo numérico associado possibilita um elevado grau de exactidão e de fiabilidade. A aplicação desenvolvida pode constituir uma importante ferramenta de apoio à análise dinâmica desta operação unitária à escala industrial, reduzindo o esforço experimental e os respectivos custos associados. Constitui igualmente a base para uma implementação de um potencial sistema de controlo por actuação antecipada com base num modelo que reveste a forma de um sistema de parâmetros distribuídos.

Simulação de Escoamentos Atmosféricos para Estudo de Parques Eólicos: Estudo comparativo dos softwares OpenFOAM e Windie

A presente tese tem como principal objetivo a comparação entre dois software de CFD (Computer Fluid Dynamics) na simulação de escoamentos atmosféricos com vista à sua aplicação ao estudo e caracterização de parques eólicos. O software em causa são o OpenFOAM (Open Field Operation and Manipulation) - freeware open source genérico - e o Windie, ferramenta especializada no estudo de parques eólicos. Para este estudo foi usada a topografia circundante a um parque eólico situado na Grécia, do qual dispúnhamos de resultados de uma campanha de medições efetuada previamente. Para este _m foram usados procedimentos e ferramentas complementares ao Open-FOAM, desenvolvidas por da Silva Azevedo (2013) adequados para a realização do pré-processamento, extração de dados e pós-processamento, aplicados na simulação do caso pratico. As condições de cálculo usadas neste trabalho limitaram-se às usadas na simulação de escoamentos previamente simulados pelo software Windie: condições de escoamento turbulento, estacionário, incompressível e em regime não estratificado, com o recurso ao modelo de turbulência RaNS (Reynolds-averaged Navier-Stokes ) k - E atmosférico. Os resultados de ambas as simulações - OpenFOAM e Windie - foram comparados com resultados de uma campanha de medições, através dos valores de speed-up e intensidade turbulenta nas posições dos anemómetros.