Questão 4 - Uma empresa de produção de 3.000 toneladas por dia de fertilizante nitrogenado possui emissão de material particulado, nas frações apresentadas na Tabela 1, óxido nitroso e amônia, descrito na Tabela 2, que causam cheiro forte na comunidade. A percepção do cheiro da amônia é de 0,7 \mathrm{mg} / \mathrm{m}^{3} e do óxido nitroso 23 \mathrm{mg} / \mathrm{m}^{3} e se trata de um gás inflamável. A legislação de qualidade do ar delimita o material particulado em 50 \mu \mathrm{g} / \mathrm{m}^{2} para material particulado inalável. A legislaçao CONAMA 436/2011 e condicionantes delimita a emissăo de amõnia em 60 \mathrm{mg} / \mathrm{m}^{3} e de óxido nitroso em 75 \mathrm{mg} / \mathrm{m}^{3} e-dematerial particulado inalável em 80 \mathrm{mg} / \mathrm{m}^{3}.
Tabela 1: Distribuição de tamanho das partículas
Tamanho de partícula (\mu \mathrm{m}) Porcentagem na emissão (%)
0-5 2,0
5-10 6,7
10-30 12,7
30-50 18
50-80 60
Tabela 2:
Substância Concentração (g/m³)
Amônia 3,62
Óxido nitroso 0,022
Qual equipamento você usaria para o tratamento dos gases? Justifique tecnicamente a sua escolha. (1,5 pontos)

Passo 1

O enunciado pede que eu escolha um equipamento (ou conjunto de equipamentos) para o tratamento dos gases emitidos pela planta e que eu justifique tecnicamente a escolha. Os dados relevantes fornecidos (peguei estes valores das Tabelas 1 e 2 do enunciado) são:
  • Distribuição por tamanho das partículas (porcentagens na emissão):
    • 0\!-\!5\\ \mu\mathrm{m}: 2{,}0\%
    • 5\!-\!10\\ \mu\mathrm{m}: 6{,}7\%
    • 10\!-\!30\\ \mu\mathrm{m}: 12{,}7\%
    • 30\!-\!50\\ \mu\mathrm{m}: 18{,}0\%
    • 50\!-\!80\\ \mu\mathrm{m}: 60{,}0\%
  • Concentrações das substâncias no gás (peguei estes valores da Tabela 2):
    • Amônia: 3{,}62\\ \mathrm{g/m^3}
    • Óxido nitroso: 0{,}022\\ \mathrm{g/m^3}
  • Limiares e referências do enunciado:
    • Percepção olfativa da amônia: 0{,}7\\ \mathrm{mg/m^3}.
    • Percepção olfativa do óxido nitroso: 23\\ \mathrm{mg/m^3}.
    • Limites legais (CONAMA / condicionantes) indicados:
      • Amônia: 60\\ \mathrm{mg/m^3}.
      • Óxido nitroso: 75\\ \mathrm{mg/m^3}.
      • Material particulado inalável: 80\\ \mathrm{mg/m^3}.
Observações que serão úteis na escolha (não é solução ainda, apenas fatos dados):
  • As unidades de concentração da Tabela 2 estão em \mathrm{g/m^3}; os limites legais estão em \mathrm{mg/m^3}. Vou converter para comparar com os limites.
  • A distribuição granulométrica mostra que a maior parte da massa está em partículas grosseiras ( >30\\ \mu\mathrm{m}), mas há também fração menor em <10\\ \mu\mathrm{m} (a fração inalável relevante).

Passo 2

Converter as concentrações da Tabela 2 para as mesmas unidades dos limites (de \mathrm{g/m^3} para \mathrm{mg/m^3}) e comparar com os limites legais e de percepção.
  • Amônia:
    3{,}62\\ \mathrm{g/m^3}=3{,}62\times10^{3}\\ \mathrm{mg/m^3}=3620\\ \mathrm{mg/m^3}.
    Comparações:
    • Percepção olfativa ( 0{,}7\\ \mathrm{mg/m^3}): a concentração é muito maior.
    • Limite CONAMA ( 60\\ \mathrm{mg/m^3}): a concentração é muito maior ( 3620\\ \mathrm{mg/m^3}\gg60\\ \mathrm{mg/m^3}).
  • Óxido nitroso:
    0{,}022\\ \mathrm{g/m^3}=0{,}022\times10^{3}\\ \mathrm{mg/m^3}=22\\ \mathrm{mg/m^3}.
    Comparações:
    • Percepção olfativa ( 23\\ \mathrm{mg/m^3}): a concentração está próxima, ligeiramente abaixo.
    • Limite CONAMA ( 75\\ \mathrm{mg/m^3}): a concentração está abaixo.
Conclusão desta etapa:
  • A amônia está em concentração extremamente alta, bem acima de percepção e do limite legal — é o poluente prioritário a remover.
  • O óxido nitroso está abaixo do limite legal e perto do limite de percepção; pode não ser urgente, mas merece atenção dependendo de segurança/risco local.
  • É necessário também controlar material particulado, identificando a fração inhalável. A soma das classes 0\!-\!5 e 5\!-\!10\\ \mu\mathrm{m} é 2{,}0\% + 6{,}7\% = 8{,}7\%,ou seja, cerca de 8{,}7\% das partículas em número/porcentagem estão na faixa <10\\ \mu\mathrm{m} (fração inalável). A massa total de MP não foi dada, mas a distribuição mostra predominância de partículas grosseiras ( >30\\ \mu\mathrm{m} corresponde a 78\% somando 30\!-\!50 e 50\!-\!80).

Passo 3

Interpretação técnica do que cada poluente exige de controle (princípios físicos/químicos) — mini-aula aplicada para decidir equipamento.
  • Amônia ( \mathrm{NH_3}):
    • Propriedade relevante: é um gás fortemente solúvel em água e é basicamente uma amina/composto básico. Reage com ácidos formando sais solúveis (por ex. \mathrm{NH_3} + \mathrm{H_2SO_4} \to (NH_4)_2SO_4 em condições estequiométricas).
    • Implicação prática: lavadores úmidos (wet scrubbers), especialmente torres de embalagem (packed towers) ou spray towers com solução ácida, removem \mathrm{NH_3} muito eficazmente porque a amônia se dissolve e é capturada por reação ácido-base. Adsorventes ácidos (carvão ativado impregnado) também removem, mas são menos econômicos para concentrações muito altas.
    • Efetividade típica: lavadores ácidos bem desenhados podem alcançar eficiências de remoção >95\% para \mathrm{NH_3} dependendo do tempo de contato e do pH do líquido de lavagem.
  • Óxido nitroso ( \mathrm{N_2O}):
    • Propriedade relevante: \mathrm{N_2O} é pouco reativo e pouco solúvel; é difícil de remover por simple scrubbers. Tecnologias para destruição incluem catalisadores de decomposição (requem temperatura e, às vezes, agente redutor) ou processos avançados (plasma, termólise).
    • Implicação prática: se a concentração estiver abaixo do limite legal e próxima do limiar de percepção, muitas plantas optam por priorizar \mathrm{NH_3} e PM e monitorar \mathrm{N_2O}; tratamento dedicado de \mathrm{N_2O} é caro e complexo.
  • Material particulado (MP):
    • Propriedade relevante: remoção depende fortemente do tamanho das partículas.
    • Tecnologias e suas faixas de atuação:
      • Ciclonas/multiciclonas: eficientes para partículas grosseiras (tipicamente >5\!-\!10\\ \mu\mathrm{m}), baratas e de baixa manutenção.
      • Filtros de mangas (baghouse): muito eficientes para partículas finas e ultrafinas (PM10, PM2,5), eficiência >99\% possível; sensíveis à umidade e cargas corrosivas.
      • Precipitadores eletrostáticos (ESP): bons para partículas finas quando a corrente elétrica e a geometria são adequadas; menos eficazes para partículas muito úmidas ou pegajosas.
      • Lavadores úmidos também removem partículas (coleta por aspersão e impacto), sobretudo quando partículas são solúveis ou água-condensáveis; eles acumulam material no líquido de lavagem.
    • Dado que a maior parte da massa está em partículas grosseiras ( >30\\ \mu\mathrm{m}), uma etapa de separação por inércia (ciclone) é indicada; mas é preciso um polidor (baghouse ou ESP) para a fração inalável ( <10\\ \mu\mathrm{m}).

Passo 4

Escolha do arranjo prático (sequência de equipamentos) baseada nos fatos anteriores e justificativa técnica passo a passo.
Proposta de arranjo (da entrada dos gases para a saída tratada):
  1. Pré-separador por inércia — ciclone (ou multiciclone) para remoção das partículas grosseiras.
  2. Lavador úmido químico (packed tower / spray tower) com solução ácida controlada para capturar e neutralizar a amônia.
  3. Polimento com filtro de mangas (baghouse) ou, alternativamente, um ESP, para remover a fração fina remanescente de material particulado e possíveis aerossóis formados no lavador.
  4. Tratamento final e segurança:
    • Tanque de recirculação do líquido de lavagem, ajuste de pH e remoção/gestão do sal formado (por ex. (NH_4)_2SO_4 se usar ácido sulfúrico).
    • Monitoramento contínuo de \mathrm{NH_3} na chaminé.
    • Se for necessário reduzir \mathrm{N_2O} (p.ex. por requisitos locais ou odor), considerar avaliação posterior de tecnologias catalíticas de decomposição ou tratamento por plasma (solução cara).
Justificativa técnica para cada etapa:
  • Por que começar com ciclone?
    • A distribuição granulométrica mostra que cerca de 78\% da massa emitida está em >30\\ \mu\mathrm{m} (ou seja, partículas grosseiras). Ciclonas removem eficientemente partículas grosseiras por força centrífuga, reduzindo carga de sólidos que iria para o lavador e para o filtro de mangas. Isso reduz custo operacional (menos desgaste, menos entupimento).
  • Por que o lavador úmido ácido logo após?
    • A amônia é muito solúvel e reage com ácidos; um packed tower (torre de embalagem) com líquido acidulado garante bom contato gás-líquido, alta eficiência de remoção e controle do pH para reagir a \mathrm{NH_3}. Colocar o lavador após a ciclone evita que partículas grosseiras slamem a torre e reduz formação de incrustações.
    • Reação representativa (quando se usa ácido sulfúrico): 2\\ \mathrm{NH_3(g)} + \mathrm{H_2SO_4(aq)} \to (NH_4)_2SO_4(aq)
    • O lavador também contribui para remover partículas finas por captura por gotas (efeito de knockout), mas pode gerar aerossóis que requerem polimento.
  • Por que polir com filtro de mangas (baghouse)?
    • Filtros de tecido alcançam altas eficiências em partículas inaláveis (PM10 e menores), garantindo conformidade com limites de material particulado. Eles funcionam bem como etapa final para capturar partículas remanescentes e aerossóis gerados no lavador.
    • Alternativa: um ESP pode ser usado se o gás for seco e livre de condensáveis; porém, como haverá um lavador ácido antes (umidade, aerossóis), o baghouse é mais robusto.
  • Por que não apenas um lavador?
    • Embora lavadores removam muitos contaminantes gasosos e partículas, para garantir níveis muito baixos de PM inalável e evitar grandes volumes de água/efluente, a combinação ciclone + lavador + baghouse é mais eficiente e economicamente balanceada para a distribuição granulométrica dada.
  • E o óxido nitroso ( \mathrm{N_2O})?
    • A concentração atual ( 22\\ \mathrm{mg/m^3}) está abaixo do limite legal ( 75\\ \mathrm{mg/m^3}); tecnologias de remoção são complexas/caras. Recomenda-se monitoramento contínuo e, caso haja reclamações ou aumento de níveis, estudar tecnologias específicas (catalisadores de decomposição ou plasma). Não é prioritário enquanto \mathrm{NH_3} e PM não estiverem controlados.

Passo 5

Detalhes operacionais e razões práticas (para prova: o que apontar num projeto-resposta curta)
  • Dimensionamento conceitual/ordem de grandezas a mencionar:
    • Dimensionar ciclone para remover >90% da massa de partículas >10\\ \mu\mathrm{m} (baseado em eficiência dependente de relação diâmetro, velocidade do gás e geometria do ciclone).
    • Dimensionar torre de embalagem para proporcionar tempo de contato gás-líquido suficiente (coeficiente global de transferência de massa) para reduzir \mathrm{NH_3} de 3620\\ \mathrm{mg/m^3} para abaixo de 60\\ \mathrm{mg/m^3} — ou idealmente para valores muito abaixo do limite para controlar odor. Isso implica alta taxa de remoção, recirculação de líquido e controle de pH.
    • Selecionar material de construção resistente a solução ácida e à amônia (ex.: aço inox ou materiais plásticos resistentes em packed towers se houver corrosão).
  • Gestão de efluente do lavador:
    • O reagente consumido (por ex. \mathrm{H_2SO_4}) formará sais solúveis (ex.: sulfato de amônio). Planejar tanque de equalização, tratamento/recuperação de sales ou disposição conforme legislação.
  • Segurança:
    • Amônia em 3620\\ \mathrm{mg/m^3} é altamente perigosa — medidas de contenção, detecção, respiradores durante manutenção e planejamento de emergência são essenciais.
    • Se houver risco de \mathrm{N_2O} ser tratável ou de haver mistura com materiais combustíveis, avaliar controles de segurança; observar que \mathrm{N_2O} é oxidante em vez de combustível.
  • Custos e manutenção:
    • Ciclone: baixo custo, baixa manutenção.
    • Lavador químico: consumo químico (neutralizante), necessidade de tratamento de efluente.
    • Baghouse: trocas periódicas de mangas, controle de limpeza (pulsos de ar), atenção a corrosão por aerossóis ácidos.
  • Resumo prático (o que escrever na prova):
    • “Usar sequência ciclone → lavador úmido ácido (packed tower) → filtro de mangas. Justifico porque a maioria da massa é de partículas grosseiras (ciclone eficiente), a amônia é altamente solúvel e reage com ácidos (lavador químico remove com alta eficiência) e o filtro de mangas garante captura da fração inalável remanescente (polimento).”

Passo 6

Resposta final compacta e objetiva (o que exatamente indicar como equipamento)
  • Equipamento sugerido: sistema combinado formado por
    1. ciclone/multiciclone (pré-coletor de partículas grosseiras),
    2. lavador úmido químico do tipo torre de embalagem (packed tower) operando com solução ácida controlada para remoção e neutralização da amônia,
    3. polidor final por filtro de mangas (baghouse) para garantir remoção de PM inalável e aerossóis.
Justificativa resumida:
  • O ciclone remove a maior massa (partículas >30\\ \mu\mathrm{m}, que somam a maior porcentagem), protegendo as etapas seguintes.
  • A amônia ( 3620\\ \mathrm{mg/m^3}) é muito solúvel e se neutraliza eficazmente em lavador químico; isto reduz odor e conflito com limites legais.
  • O filtro de mangas poliu a corrente para remover os <10\\ \mu\mathrm{m} remanescentes e aerossóis do lavador, assegurando cumprimento de limites de material particulado.
  • O óxido nitroso, estando abaixo do limite legal, pode ser monitorado; tratamento específico só se justificar por regulações ou reclamações, pois tecnologias para \mathrm{N_2O} são mais caras e complexas.

Resposta

Ciclone (pré-coleta) → lavador úmido químico tipo torre de embalagem com solução ácida (remoção e neutralização da amônia) → filtro de mangas (baghouse) como polimento final.

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