O ENSINO ATRAVÉS DE
PROTÓTIPOS: MECÂNICA DE FLUIDOS E ECOSSISTEMAS
INDUSTRIAIS COMO EXEMPLO
TEACHING
THROUGH PROTOTYPES: FLUID MECHANICS AND INDUSTRIAL ECOSYSTEMS AS AN
EXAMPLE
Dr.
Antonio Sérgio Brejão
- Universidade
São Judas Tadeu – USJT – São Paulo –
SP, Brasil. E-mail:
prof.sergiobrejao@uol.com.br
Dra.
Maria Lúcia Pereira da Silva -
Escola
Politécnica – USP – São
Paulo –
SP, Brasil e
FATECSP – CPS
–
São Paulo – SP, Brasil.
Dr.
Oduvaldo Vendrametto -
Universidade
Paulista – UNIP – São Paulo – SP, Brasil.
RESUMO
Este
trabalho propõe formas de atuação com os
conteúdos de química na universidade, principalmente na
engenharia, e, em particular, com os conceitos de mecânica dos
fluidos e ecossistemas industriais. Metodologicamente, este trabalho
é uma pesquisa exploratória e utiliza simulação
e protótipos. Seus principais resultados foram: a) interação
empresa-universidade na produção de protótipos e
testes de campo, b) possibilidade de aulas expositivas em maquetes
reais (em tamanho reduzido), c) exposição em
congressos, permitindo a entrada de alunos do ensino médio e
universitários em contato com conceitos importantes para a
definição de reatores e também para a otimização
de processos industriais. A abordagem desenvolvida pode ser útil
no ensino para alunos no início do curso de engenharia
química, permitindo o desenvolvimento de projetos
(aprendizagem baseada em projetos).
Palavras-chave:
Simulação.
Protótipo. Ecossistema Industrial. Ensino.
ABSTRACT
This
work proposes ways of atuation with the content of chemistry in
university, mainly in engineering, and, in particular, with the
concepts of fluid mechanics and industrial ecosystems.
Methodologically, this work is exploratory research and uses
simulation and prototypes. Its main results were: a)
company-university interaction in the production of prototypes and
field tests, b)
the possibility of expository classes using real models (in reduced
size), c)
exhibition in congresses, allowing high school and university
students to enter in contact with important concepts for the
definition of reactors and also for the optimization of industrial
process. The developed approach can be useful for students at the
beginning of the chemical engineering course, allowing the
development of projects (Project based learning).
Keywords:
Simulation. Prototype.
Industrial Ecosystem. Teaching.
OBJETIVO
Este trabalho destaca que um ponto
importante a ser compreendido pelos ingressantes nos estudos das
áreas de química, engenharia e de meio ambiente é
o conhecimento prático no desenvolvimento de metodologias de
ensino que deverão estar em consonância com as mudanças
educacionais e empresariais, uma vez que é fundamental saber
estruturar e aprimorar o desenvolvimento das práticas laborais
dos discentes.
Neste sentido, durante as etapas de
estudos e de levantamento de dados desta pesquisa entre a empresa e a
instituição de ensino, o estudante acompanhou o
desenvolvimento das metodologias associando a teoria à prática
como destacado no capítulo Resultados
e Discussões deste
trabalho.
INTRODUÇÃO
O ensino de química e do meio
ambiente é fundamental para praticamente todas as áreas
de ciência, básica e aplicada. Tal conhecimento, além
de ser requerido em muitas áreas de atuação, em
geral deve ser utilizado de modo multidisciplinar quando não
interdisciplinar, como é o caso nas áreas de
engenharias. Esse cenário é especialmente preocupante
no ensino superior, indispensável em uma sociedade altamente
tecnológica, como a do século XXI.
Por outro lado, quando se observa como
o ensino de química, tanto no contexto de pesquisa como de
atuação propriamente dita, no Brasil o maior interesse
recai sobre o ensino médio e os temas pesquisados são
voltados preferencialmente a questões de ensino\aprendizagem e
não a seu caráter experimental. Em sua revisão
sobre a pesquisa no ensino de química, Schnetzler (2002)
aponta que na
maioria das teses e dissertações (71%) foram
investigadas questões relativas ao ensino médio de
química, enquanto 19 das 30 dirigidas ao ensino superior
tratam da temática da formação de professores.
Outros temas frequentemente investigados foram: desenvolvimento e
avaliação de propostas de ensino, problemas de
ensino-aprendizagem, concepções alternativas, ensino
experimental, análise de livros didáticos, problemas de
avaliação e linguagem e interações em
sala de aula (Mendes
2002), (Sousa 2015), (Teixeira et al. 2017), (Contreras-Cruz
et al. 2019), (Mateus et al. 2019), (Turino et al. 2019).
Embora
não contemplados de forma significativa, temas como
informática no ensino de química, analogias, resolução
de problemas e currículo escolar foram também
pesquisados, evidenciando relevância e adequação
às tendências internacionais da investigação
na área da didática das ciências. Todavia, é
preciso apontar para o reduzido número de investigações
sobre disciplinas específicas em cursos superiores de química.
A mesma autora, contudo,
também observa que “áreas
de fronteiras em química” estão
sendo atendidas com
“produção de cadernos temáticos - Química
Ambiental, Novos Materiais, Química de Fármacos e
Estrutura da Matéria”.
Pesquisa
mais recente elaborada por Matiello,
2017,
sobre experimentação no ensino de Química,
apresentou resultados similares, ou seja, o foco maior é no
ensino médio, com apenas 22% os trabalhos em todo território
nacional dedicado ao ensino superior e, quanto ao conteúdo,
questões referentes a método e a recursos educacionais
são preponderantes. Além disso, de acordo com Zanon et
al. (2009), 85% dos alunos
de pós-graduação acreditam que a principal
necessidade do professor de ensino superior é conhecer
profundamente o conteúdo a ser ministrado, muito embora outra
preocupação recorrente seja “a necessária
interação entre ciência, tecnologia e sociedade
associadas à construção de conhecimentos”
e, infelizmente, apenas 4% preocupam-se com a necessidade de aprender
sobre o processo de aprendizagem. De acordo com Teixeira et al.
(2017), esse modo de pensar dos profissionais de química, pelo
menos na área de engenharia metalúrgica, advém
da concepção epistemológica majoritariamente de
natureza positivista, que privilegia a visão do conhecimento
científico como ciência objetiva. Os autores acreditam
que, para suprir o déficit cognitivo que essa abordagem
eminentemente teórica cria no aluno, são necessárias
metodologias ativas, e, principalmente visão investigativa.
Essa também é a avaliação de Sousa
(2015), que fez extensa avaliação das vantagens da
formação em Pesquisa e Desenvolvimento - P&D
durante o ensino médio do técnico em química.
Este trabalho também mostrou que existe estrita correlação
na avaliação da importância dessa postura não
só nos egressos das escolas técnicas como também
nos gestores onde tais egressos atuam. Aguiar et al.
(2013) acreditam que faltam projetos e ideias inovadoras para ensino
o superior. Os autores ressaltam que as novas propostas dependem
muito de recursos financeiros, com o uso de laboratórios
modernos e recursos eletrônicos, destacando-se o uso de
softwares
e laboratórios virtuais. Para diminuir custos e tornar as
atividades experimentais ambientalmente mais corretas além de
mais seguras, os autores sugerem experimentos simples, como pesagem
de objetos em lugar de reagentes, durante o ensino de química
analítica para a engenharia química. Em termos de
inovação no ensino de engenharia, um exemplo
interessante foi providenciado por Mendes (2002), o autor, em relação
à educação a distância, descreveu um
modelo de ensino que tenta tornar a química mais
fenomenológica e abrangente, de modo a mostrar suas
inter-relações.
Considerando-se, então, os
produtos educacionais existentes para o ensino de química,
Cavalcante (2015) efetuou pesquisa documental para definir qual o
perfil de tais produtos no país, tendo como base mestrados
profissionais. A autora encontrou expressiva quantidade de produtos
na forma de material textual, tais como manuais e apostilas, e também
vídeo aulas e hipermídia, por exemplo, com ambientes
virtuais de aprendizagem. Por outro lado, “protótipos
educacionais, materiais para atividades experimentais, aplicativos,
jogos digitais, kits
e similares” segundo a autora são pouco expressivos
devido ao custo de execução. Contudo, protótipos
são extrema valia no ensino experimental, e um exemplo
emblemático é o uso destes por Turino (2019) que
viabilizou, através de impressoras 3D, material didático
adequado a pessoas com deficiência visual.
Quanto ao uso de protótipos, o
trabalho de Battisti et al. (2019) é um bom indicativo das
vantagens destes dispositivos. Neste trabalho os autores conseguiram
que alunos do ensino técnico em química produzissem
seus próprios experimentos sobre operações
unitárias e trabalhassem os conceitos de troca de calor,
adsorção, umidificação e secagem.
O trabalho torna-se ainda mais
relevante considerando-se que, segundo Mateus et al. (2019) “os
cursos técnicos, em geral, utilizam livros cujo público-alvo
são alunos de graduação em química e
engenharia química ou apostilas preparadas pelos próprios
professores, que acabam não sendo divulgadas de forma mais
ampla”.
Dentro
deste contexto, fica evidente a necessidade para o ensino superior de
se avaliar como ensinar conceitos importantes, e geralmente
interdisciplinares, nas disciplinas com conteúdo químico.
Contudo, uma breve pesquisa no Google
Acadêmico já é capaz de relevar algumas novas
deficiências. Pesquisando-se publicações em
língua portuguesa, tem-se, como apresentado na Tabela 1, que
no ensino superior de engenharia, a pesquisa de conteúdo
químico é relevante; por outro lado, o uso de simulação
é limitado e de protótipos bastante reduzido. Além
disso, quando se considera temas intrinsecamente relacionados à
engenharia química – ecossistemas industriais e mecânica
de fluidos – praticamente inexiste informação.
Quanto às publicações sobre protótipos
(25 aparições) em geral tratam-se de produtos virtuais,
como jogos; para as simulações tratam-se
primordialmente de uso de pacotes relativamente simples, como os
produtos da Microsoft®,
mas existem trabalhos interessantes tanto no ensino médio como
superior (TOMANIK, 2016), (PASSOS et al., 2019).
Tabela
1. Pesquisa de termos ou expressões, encontradas no Google
Acadêmico, a qualquer tempo.
Termos
|
Número
de aparições no Google acadêmico
|
“ensino
de Química no Brasil”
|
1040
|
“ensino
de Química no Brasil” “ensino superior”
|
553
|
“ensino
de Química no Brasil” “ensino superior”
engenharia
|
233
|
“ensino
de Química no Brasil” “ensino superior”
engenharia simulação
|
67
|
“ensino
de Química no Brasil” “ensino superior”
engenharia protótipo
|
25
|
“ensino
de Química no Brasil” “ensino superior”
engenharia “mecânica de (os) fluido(s)” ou
“ecossistema industrial”
|
0
|
Fonte:
Os autores
Assim, este trabalho propõe uma
maneira de atuar com o ensino superior e conceitos relevantes para a
química – mecânica de fluidos e ecossistemas
industriais – pelo uso de simulação e protótipos.
FUNDAMENTAÇÃO
TEÓRICA
Produtos
educacionais: simulação computacional e protótipo
Alguns dos conceitos, ferramentas,
simulações, etc. utilizados nesse trabalho são
brevemente abordados de acordo com as pesquisas realizadas por Brejão
(2012) onde o autor estudou o impacto
da logística reversa na melhoria da sustentabilidade.
Com os avanços tecnológicos aplicados à ciência
tem-se notado o surgimento de ferramentas do tipo softwares
de simulação por meio dos quais é possível
que o estudante/pesquisador diagnostique variáveis no projeto
construtivo propondo ações de melhoria. A vantagem da
simulação computacional é trazer ganho de tempo
nas operações diagnosticando possíveis falhas de
execução. Ao associar a simulação e a
execução de um protótipo tem-se um diagnóstico
mais assertivo para assim iniciar um projeto em planta piloto. Para o
ensino, Lisbôa (2015) nos diz que a experimentação
é um dos principais alicerces que sustentam a complexa rede
conceitual que estrutura o ensino de química. Ele não é
o único, uma vez que se encontra entrelaçado com
outros, como o construído pela história da química
e o construído pelo contexto sócio cultural de que o
estudante faz parte. No laboratório de ensino e aprendizagem é
possível o estudante avaliar quais são as variáveis
mais complexas. Neste contexto, Guimarães (2009) define que a
experimentação pode ser uma estratégia eficiente
para a criação de problemas reais que permitam a
contextualização e o estímulo de questionamentos
de investigação.
No aspecto dos processos de simulação
no ensino, Cardoso et al. (2012) enfatizam a importância do
professor no processo de aquisição do conhecimento, na
seleção do material, na escolha da simulação,
organização da estrutura a ser aplicada e no
esclarecimento de dúvidas em relação ao
conteúdo. Acredita-se que seja importante a utilização
da simulação computacional como ferramenta de ensino,
de forma a ser explorada em meios coerentes e em consonância
com outras ferramentas já utilizadas pelo professor.
Para um ensino e aprendizado eficazes
da ciência, sugere-se, portanto, que os estudantes sejam
organizados em equipes de cooperação para criar uma
comunidade de aprendizado (DEMIRCI,
2010).
Neste trabalho apresenta-se um exemplo
de abordagem de um problema prático, de cunho industrial, por
meio de sua representação, simulação
mediante modelo computacional e, por fim, pela produção
de protótipo da planta industrial. O protótipo em
questão trata-se de um conjunto de reatores, onde, para sua
otimização, características como o regime do
fluido, e respectivo número de Reynolds, é
relevante. Um dos softwares de maior uso para simulação
de fluidos, e que possui uma versão “free para
download” é o FEMLAB, assim,
FEMLAB versão 3.1 foi usado neste trabalho.
Neste software, para representação e análise
do comportamento do escoamento de um fluido no interior de uma
estrutura, considera-se, entre outras possibilidades, a Equação
de Navier-Stokes, apresentada na Equação (1). As
Equações de Navier-Stokes se atêm
basicamente, na relação distribuição de
velocidade e pressão partindo de pressupostos da interação
elemento e fluido, utilizando-se de cálculo tensorial
(HENRIQUE et al. 2017).
|
(1)
|
onde
é o campo de velocidade do escoamento do fluido,
e
são a massa específica e a viscosidade do fluido,
respectivamente,
é o campo de pressão do escoamento e
é a aceleração gravitacional.
O
equipamento simulado é um conjunto de reatores. A importância
de reatores no ensino de química e\ou engenharia química
não pode ser devidamente enfatizada. Apenas a título de
exemplificação, algumas interessantes propostas para
ensino sobre reatores são aqui listadas. Dietrich
(2019)
propôs um jogo de tabuleiro para explicar reatores na produção
de ácido sulfúrico, apesar de bem simples, a abordagem
permitia trabalhar parâmetros complexos e as consequências
de suas escolhas. Recentemente, Volpe
&
Podlesny
(2020) compararam a eficiência de reatores em batelada e em
fluxo contínuo utilizando material de fácil aquisição
para a produção dos reatores; de modo similar, mas com
o uso de iluminação por Light
Emitting Diode
- LED,
Contreras-Cruz et al.(2020) abordaram questões ambientais.
Além disso, com as grandes transformações
introduzidas pelo desenvolvimento na área de
eletroeletrônicos, microreatores tornaram-se realidade e, com
algumas limitações, é possível
produzi-los também no ensino médio e a custo bastante
reduzido (WIETSMA et al.
2018).
Outra tecnologia, cada vez mais acessível e que pode ser útil
na fabricação de reatores miniaturizados, é a
impressão 3D. Vangunten et al. (2020) usaram com sucesso dessa
tecnologia para explicar, entre outras coisas, regime de fluxo e
mistura de fluidos. Uma abordagem semelhante, mas focada no ensino de
Engenharia Química, foi apresentada por Tabassum et al.
(2018). Assim, conceitos como número de Reynolds,
misturadores passivos e cinética química foram
trabalhados com dispositivos descartáveis e de baixo custo.
Segundo
Dendena (2010), a fabricação de protótipo é
função inerente à Pesquisa e Desenvolvimento -
P&D, pois o conjunto de ações inclui o uso do
método científico, como instrumental adequado à
natureza do problema, em toda a sua extensão, ou seja, da
concepção abstrata da solução, passa pela
experimentação, até a construção e
validação de protótipos, quando for o caso de
produtos, é a partir desse ponto que se inicia a segunda
atividade básica do processo de P&D, que é a
transferência de tecnologia. Assim, o protótipo é
um produto completamente funcional, porém, com dimensões
que podem diferir do objeto sobre estudo. Neste contexto reatores
pequenos são adequados para estudo de comportamento de
fluidos. Tal comportamento, de modo geral, é avaliado
usando-se traçadores e imagens, como já proposto por
vários outros autores (BERALDO, 2006), (SANTOS et al. 2008),
(SILVA et al. 2010). Traçador corresponde a uma pequena
amostra de composto ou compostos que possuam as mesmas
características do fluido sob análise, mas que possa
ser facilmente detectada. Essa amostra é injetada no fluido
principal para compreender suas propriedades e\ou seu comportamento
nas condições sob análise. Recentemente, um
interessante exemplo foi proposto para a análise de
transferência de massa em um sistema gás-líquido
(DIETRICH
et al. 2019).
É
necessário interagir com a realidade produtiva e, para isso,
muitas escolas possuem plantas pilotos, mas isso não é
uma constante. Existem projetos de interação
empresa\escola, além de projetos de iniciação
científica, etc. que favorecem o contato do aluno de graduação
com o meio empresarial, e este trabalho fez uso dessa realidade, como
será abordado na metodologia.
A
questão ambiental
O
último século foi paradigmático em relação
à adoção de novos processos produtivos e métodos
de inovação tecnológica além do aumento
expressivo na conscientização ambiental. Assim, a
preocupação com a gestão dos resíduos
gerados durante e ao final dos processos de produção
levou desde a criação de novas normas, leis e
regulamentações ambientais até novas definições
e termos técnicos. Este é um cenário desafiador
para a engenharia em geral é para a engenharia química
em especial, uma vez que a manipulação de grande volume
de compostos implica em sérios riscos, como por exemplo, de
acidentes ampliados.
Uma
mudança de paradigma importante foi a concepção
de resíduo. Inicialmente visto como algo indesejável e
para ser tratado ao final do processo tornou-se uma questão a
ser abordada, entre outros modos, pela redução e
reciclagem e, mais recentemente, foi algo a ser percebido em toda a
cadeia produtiva como matéria-prima alternativa, a ser
analisada e valorada. Nascem então os conceitos de coproduto e
de fechamento de ciclo. Coproduto constitui-se todo e qualquer
material obtido no processo de produção e a ele
inerente, mas que não faz parte do produto principal e, fechar
ciclos implica em usar materiais inicialmente descartados em novos
ciclos de produção, criando uma produção
em rede, não linear. Estes conceitos são inerentes a
uma proposta mais ampla, de ecologia industrial, que não só
propõe fechar os ciclos, mas também considera que o
sistema industrial não apenas interage com o ambiente, mas é
parte dele e dele depende (ARBUCIAS, 2002), (ALMEIDA et al.
2006), (QUEIROZ, 2006).
Assim,
a capacidade de fechamento do ciclo de determinado coproduto confere
vantagem competitiva à empresa geradora e recicladora,
sobretudo quanto à redução de custos com
descarte, proteção ambiental e economia na aquisição
de insumos. Portanto, pode ser considerada como uma oportunidade de
negócios, pois a busca por alternativas que minimizem o
impacto ambiental está inserida na gestão estratégica
das organizações como uma nova linha de inovação
e empreendedorismo
industrial. Seguindo esta filosofia, observa-se que com um o fluxo
dos resíduos estrategicamente desenhados pretende-se chegar a
um fechamento do ciclo, que pode ser obtido pela formação
de ecossistemas industriais, no qual o consumo de energia e materiais
é otimizado e os resíduos de um processo produtivo
podem servir como matéria-prima para outros processos (COSTA
et al. 2012).
Deste modo, algumas terminologias,
como o da ecoeficiência, que segundo Costa et al.
(2012), surgiram inicialmente como uma estratégia corporativa,
evoluíram e ganharam contornos de princípio e filosofia
de gestão ambiental empresarial passando, inclusive, a
orientar políticas públicas ambientais e de
desenvolvimento brasileiro, a exemplo da Política Nacional de
Resíduos do Brasil – PNRS – Lei Federal
12305/2010. Nesta, é importante observar, há clara
distinção entre coproduto e materiais a serem
descartados, ou seja, na reutilização dos resíduos
sólidos (aquilo que tem valor econômico e pode ser
reciclado ou reaproveitado) e a destinação
ambientalmente adequada dos rejeitos (aquilo que não pode ser
reciclado ou reutilizado) (BRASIL, 2010). A sustentabilidade, então,
dentro desse quadro é suportada pelo conceito da ecologia
industrial uma vez que no ecossistema industrial também se
otimizam o consumo de energia e de materiais (CERTO, 2003).
No trabalho aqui apresentado, os
conceitos de sustentabilidade, ecologia industrial e coproduto
nortearam várias decisões e foram objetos de ensino.
METODOLOGIA
Metodologicamente, esse trabalho é
de natureza aplicada, exploratório e de caráter
experimental, tendo utilizado o estudo de caso. O tempo de
desenvolvimento foi de dois anos e abarcou as seguintes etapas:
Formação de equipe
multidisciplinar, com um grupo cinco pessoas atuando. Tratam-se de 1
aluno de Iniciação Científica - IC, 2
professores universitários, da grande área
“engenharia”, e dois profissionais da empresa parceira,
que se constitui no estudo de caso;
Estabelecimento de parceria e visita
à empresa estudo de caso, cumprindo-se as etapas de estudo de
caso, como proposto por Yin (2005), definindo-se a questão de
pesquisa, elaborando-se instrumentos, coleta e análise de
dados;
Elaboração de
hipóteses, criação de protótipos;
Testes de protótipo;
Uso de protótipos em sala de
aula;
Uso de protótipo em exposição
(Congresso de Tecnologia);
Avaliação dos
resultados obtidos e proposta de produto educacional.
É importante salientar que os
professores universitários são de instituições
diferentes e com formação bem distinta, o que favorece
a abordagem multidisciplinar. Como principal instrumento de análise
da adequação do protótipo foram a avaliação,
pelos alunos, após as aulas expositivas e entrevista não
estruturada durante exposição em Congresso de
Tecnologia.
Quanto ao estudo de caso, o estudo
focou o uso de água na empresa estudo de caso e fechamento de
ciclo interno (com proposta para ciclo externo). O desenvolvimento
das sociedades humanas é dependente da disponibilidade de água
com qualidade adequada e quantidades, para uma variedade de usos que
variam de doméstico para fornecimentos industriais e
industrialização rápida, impactando o meio
ambiente global. No contexto industrial, a água é
tratada como insumo que deverá ser gerenciado de forma a
evitar desperdícios uma vez que há custos operacionais
na aquisição, extração, tratamento,
armazenamento e descarte (HANGARGEKAR et al. 2015). Assim, água
é um recurso essencial e sempre considerado em estudos de
ecologia industrial, principalmente no setor eletroeletrônico
(ARBUCIAS, 2002).
A empresa estudo de caso é do
setor eletroeletrônico e atua no início da cadeia, na
área de memórias. A empresa é conhecida por sua
preocupação ambiental e, no momento do trabalho
conjunto, concordou com uma análise do ciclo da água
dentro das instalações. É também comum
que tal empresa receba alunos para visitação, e este
foi o caso no presente trabalho para os alunos que tiveram aulas
didáticas com o protótipo construído neste
trabalho. Por fim, a empresa também forneceu amostras
(ambientalmente seguras e só manipuladas pelos professores). O
efluente industrial em questão é formado por água
deionizada contaminada por particulado com aproximadamente 3 micras
como maior dimensão, como observado em microscopia óptica.
Estas partículas são essencialmente silício, que
advém de uma das etapas de produção.
O protótipo fabricado seguiu as
regras de escalamento da engenharia química quanto à
produção de reatores (DONATI et al. 1997), (DUDUKOVIC,
2010). O protótipo tem escalamento, em relação
ao volume do reator avaliado, de 1:1000 enquanto tanto a razão
de aspecto quanto a velocidade linear do fluido foram mantidas, o que
permite que a maioria dos números adimensionais, como por
exemplo, Número de
Reynolds, seja preservado.
O Número de Reynolds,
que é o quociente
entre a força de inércia do escoamento pela força
viscosa associada ao escoamento, é um número
adimensional usado em mecânica dos fluidos para o cálculo
do regime de escoamento de determinado fluido dentro de um tubo ou
sobre uma superfície (RODRIGUES, 2010). Como traçador
foi utilizada principalmente solução aquosa 10% em
massa de azul de metileno. A principal característica do azul
de metileno como traçador é que o comportamento
hidrodinâmico assemelha-se ao do efluente industrial em estudo.
A inserção de traçador utilizou seringas e
ocorreu manualmente.
Para
a simulação considerou-se que o fluido (efluente) é
incompressível. Para as simulações lançou-se
mão do ambiente computacional FEMLAB 3.1.
Para a modelagem das condições de contorno à
Equação de Navier–Stokes,
recorreu-se a uma malha de elementos definida manualmente.
RESULTADOS
E DISCUSSÕES
Este item descreve as etapas
enunciadas anteriormente e as conclusões sobre o uso dos
materiais didáticos desenvolvidos. Após tal descrição,
discutem-se como os resultados obtidos foram utilizados no ensino.
Caracterização
do processo de tratamento do efluente industrial
Definição do
problema: observou-se que o
sistema utiliza um único reator para processar duas operações
distintas (mistura e precipitação) o que, em geral,
deve ocorrer em no máximo duas horas. O reator recebe o
efluente industrial pela parte superior e apresenta três saídas
laterais, a partir das quais se faz a retirada da água
(drenagem) após a decantação. Internamente ao
reator o fluido é distribuído por vários canais
com bocais em formação de “chuveiro” para
admissão da mistura, que não cai diretamente sobre o
fluido decantado. A velocidade linear de admissão da mistura
no reator é de 25 cm/s, para se adequar à velocidade de
produção. A retirada da água ocorre na saída
lateral mais próxima do local de entrada da mistura ou, no
máximo, na segunda saída, para garantir a qualidade da
água. A empresa reciclava parte, mas não a totalidade
da água (proporção não informada por
questões de confidencialidade) e pretendida fechar o ciclo, o
que a tornou ideal para um estudo conjunto. A dificuldade em
reciclagem total era o curto intervalo de tempo para a decantação.
Ademais, a empresa também possuía instrumentação
adequada para determinar a qualidade da água a ser reciclada,
tais como condutivimetro e microscópio óptico. A coleta
de amostras foi processada em conjunto, empresa-escola e as unidades
de ensino providenciaram a estocagem.
Simulação:
A simulação foi efetuada para compreender o
comportamento do fluido, no presente caso efluente industrial, e
construir hipóteses sobre a melhoria do sistema. Na
Figura 1 (a) apresenta-se o
perfil de velocidade de escoamento e na Figura 1 (b) são
apresentadas as linhas de velocidade do escoamento para o efluente
industrial. Observa-se que as maiores velocidades encontram-se na
região entre as duas saídas mais próximas do
local de admissão da mistura, o que muito provavelmente
favorece a mistura com o material decantado no fundo do reator nessa
região, devido à maior vorticidade. Logo, a produção
de água em condição de ser reciclada torna-se
difícil nessa configuração. Considerando-se, por
fim, que o efluente é adicionado por um sistema que distribui
o fluido no topo do reator, a situação de alta
velocidade na região central do reator fica bem mais evidente
na Figura 2 (a) e nas linhas de velocidade, mostradas na Figura 2 (b)
são bem distintas das obtidas anteriormente, na Figura 1 (b),
indicando provável mistura com o material decantado no fundo
do reator.
Figura
1. (a)
Perfil de velocidade de escoamento
Figura
1. (b)
Linhas de velocidade do escoamento
Figura
2.
(a) Alta velocidade central
Figura
2.
(b) Linhas de velocidade de escoamento da mistura
Assim, é recomendável
que a velocidade do fluido internamente ao sistema seja diminuída.
Uma possível solução é diminuir a vazão,
para diminuir a velocidade linear do fluido, mas mesmo velocidades da
ordem de 2 cm/s não apresentaram variação
significativa no perfil de velocidade. Outra hipótese é
aumentar o tempo de residência por variação no
caminho do fluido dentro do reator. A
Figura 3 apresenta o campo
de velocidade do escoamento do efluente no reator se sua admissão
ocorrer de modo contínuo apenas por bocais dispostos em
posição lateral no reator com velocidade de 25 cm/s.
Nesse caso o caminho percorrido é maior e a velocidade no
sentido vertical consideravelmente menor do que ocorria
anteriormente.
Figura
3.
Perfil vetorial de velocidades, em duas perspectivas, do escoamento
do fluido no reator.
Com a finalidade de promover, de forma
mais eficiente, a decantação do material particulado no
fundo do reator, o que requer que a velocidade do escoamento nas
proximidades dos locais de retirada da água seja pequena,
analisou-se a influência de três variáveis em tal
processo, sendo:
(1) Adição de um duto
distribuidor de mistura, no interior do reator;
(2) O número e disposição
das saídas da mistura, nesse distribuidor; e,
(3) A velocidade de circulação
da mistura no reator.
Sabe-se que a vorticidade da mistura
admitida num reator interfere no processo de decantação
do material particulado em suspensão. Neste sentido, foram
realizadas várias simulações computacionais nas
quais se variou o número e a distribuição
espacial de bocais de admissão da mistura no reator. Nessas
simulações buscou-se determinar o número de
bocais de admissão e sua disposição nos reatores
que minimizasse as variações bruscas de velocidade da
mistura no fundo dos reatores e, com isto, favorecesse o processo de
decantação do material particulado em suspensão
presente na mistura.
Determinou-se que a melhor
configuração encontrada para admissão do fluido
no reator é aquela em que não se utiliza apenas um
bocal central, mas sim vários bocais, dispostos em arranjo
lateral em relação à posição
ocupada pelo bocal original e com este desativado. Além disso,
os bocais devem estar diametralmente dispostos em relação
às saídas dos reatores. O resultado da simulação,
para velocidade do fluido na entrada do reator de 25 cm/s, é
apresentado na Figura 4 (a) e (b).
Resultados similares foram obtidos com
velocidades lineares de 12 cm/s, 8 cm/s e 2 cm/s. As velocidades são
bem menores do que verificadas anteriormente. Também se
observa uma menor variação no posicionamento das linhas
de velocidade, o que pode contribuir para uma melhor decantação,
já que as partículas podem se movimentar seguindo tais
linhas (NUNES, 2008).
Formulação de
hipótese: A
simulação mostrou que a fim de favorecer a decantação
do material particulado no interior dos reatores, devem-se impor
menores velocidades lineares para o fluido pela admissão
lateral. Essas baixas velocidades podem ser explicadas
qualitativamente pela posição do distribuidor. Nesse
caso a posição permite que o fluido, assim que expelido
pelos três orifícios do duto, colida com a superfície
interna do reator e perca velocidade, perfazendo então uma
trajetória helicoidal e descendente, o que é
consistente com a simetria do reator. Dessa forma, a vorticidade da
mistura é diminuída e a decantação é
favorecida.
Figura
4.
(a) Perfil de velocidade de escoamento.
Figura
4.
(b) Velocidade do escoamento considerando a admissão com
distribuição lateral.
Protótipo
A simulação
computacional evidenciou que a situação ideal para
favorecer a decantação de material particulado em
suspenção na mistura é o uso de reatores com
operações separadas de mistura do reagente - para
coalescência das partículas - e de decantação.
Também se verificou a necessidade de proporcionar maior tempo
de residência para a mistura, o que pode ser obtido com o uso
de dois reatores em série (R1 e R2). A Figura 5 apresenta o
esquema dessa nova configuração de reatores.
Figura
5.
Esquema para a nova configuração do sistema de
tratamento do efluente industrial.
Para validar o comportamento fluídico
obtido por simulação, um protótipo dos reatores
foi construído de acordo com as condições de
contorno já mencionadas, a saber: foi mantida a razão
de aspecto e a velocidade linear do fluido em relação
aos reatores originais, sendo o escalamento de 1:1000. A Figura 6
apresenta o protótipo finalizado e utilizado para comparar os
resultados de simulação e o comportamento do reator
industrial. Este protótipo foi denominado de
Protótipo de
Reciclador, já que o
objetivo é também educacional, visando ensinar, entre
outros conceitos, coproduto e possibilidade de coprocessamento em uma
estação de tratamento de efluente industrial. No
protótipo foram manipuladas, além de água,
amostras provenientes do processo industrial, como mencionado na
Metodologia.
Figura
6.
Protótipo de Reciclador.
Nas simulações com o
protótipo, considerou-se a adição de uma solução
pela entrada central do reator em escala, como é feita no
reator real, o que promoveu a formação de vórtices
no líquido, independentemente da velocidade linear utilizada e
mesmo que o protótipo esteja preenchido com efluente
industrial até a altura entre as primeiras saídas, como
apresentado nos resultados da simulação. A adição
manual da solução de azul de metileno, ou seja, sem o
uso de bombeamento, não impede que a dispersão do
traçador atinja rapidamente o fundo do reator. A Figura 7 (a)
e 7 (b) apresenta imagens típicas, por comparação
da simulação, repetida na Figura 7 (c), em que se
observa que a dispersão do traçador apresenta
similaridade com as linhas de velocidade. Considerando que as
partículas tendem a acompanhar a dispersão do fluido,
os resultados obtidos no protótipo são consistentes com
os resultados de simulação e indicam a possibilidade
das partículas não decantarem facilmente devido ao
arrasto provocado pelo fluido inserido no final do processo, quando o
reator encontra-se quase cheio.
Figura
7.
Em (a) adição manual de solução de azul
de metileno ao misturador. Em (b) vórtices da mistura –
indicados pelo traçador - no reator pelo enchimento utilizando
a entrada central. Em (c) linhas de velocidade obtidas por simulação.
A adição do
distribuidor, por sua vez, como apresentado nas imagens e pelo
traçador, eliminou tais vórtices. As Figuras 8 (a),
(b), (c), (d) e (e) apresentam o passo a passo da inserção
da solução de azul de metileno nos dois reatores. Os
volumes utilizados simulam a condição de reator em
escala completamente cheio (1340 mL). É possível
perceber que não há formação de vórtices
e que a solução é completamente misturada à
água já presente no sistema.
Figura
8.
Em (a) adição de água potável ao
misturador preenchendo-o até a marca de 1340 mL. Em (b) adição
de traçador - solução aquosa de azul de metileno
- ao misturador e a completa mistura. Em (c) transferência da
solução “água e azul de metileno” do
misturador ao reator 1, fazendo uso do tubo distribuidor. Em (d)
transferência da solução “água e
azul de metileno” do reator 1 para o reator 2, fazendo-se
novamente uso do tubo distribuidor. Em (c) situação
ideal para a transferência do reator 1 para o reator com uma
saída a 6,2 cm da base interna do recipiente.
Na amostra real do efluente industrial
foi adicionada uma solução com cloreto de alumínio
e óxido de cálcio capaz de provocar a coalescência
do material particulado em suspenção no efluente,
observando-se como as partículas decantam no reator. As
Figuras 9 (a), (b), (c), (d) e (e) apresentam o passo a passo da
inserção do efluente industrial no protótipo
nessas condições. É possível perceber que
não há formação de vórtices e que
a solução é completamente misturada à
água já presente no sistema. Ao final do processo,
Figura 9 (d), ainda é possível observar uma fase
esbranquiçada (dispersão formada com cloreto de
alumínio e óxido de cálcio) inicial, ou seja, o
traçador, não foi perturbado no fundo do reator, isto
é, não ocorreu mistura do material particulado. Isto é
consistente com os resultados de simulação que indicam
velocidade próxima de zero no fundo do reator, a partir da
terceira saída Figura 4 (a), repetida na Figura 9 (d), para
permitir comparação com resultados experimentais.
Figura
9.
Em (a) início do processo, misturador já possui uma
carga do efluente industrial e a mistura é transportada deste
para o reator 1 com uso do distribuidor. Em (b)
início do transporte, não é possível
notar nenhuma perturbação no líquido presente no
reator 1. Em (c) ao final do processo de transporte ainda há
fase esbranquiçada (dispersão formada com cloreto de
alumínio e óxido de cálcio) ao fundo do reator.
Em (d) perfil de velocidade obtido por simulação na
condição de uso do protótipo. Em (e) a
precipitação ocorre abaixo do valor estipulado para a
remoção da água para reciclagem (5 minutos).
Se o mesmo processo é repetido
com a retirada do distribuidor, como apresentado na Figura 10 (a), o
resultado é completamente diferente. Nas imagens, o fundo
apresenta-se escuro porque houve mistura do material presente nessa
região com o efluente industrial adicionado. Além
disso, após cinco minutos de decantação, o
líquido não se apresenta mais claro do que aquele
obtido com o distribuidor, como mostrado na Figura 10 (b) e Figura 10
(c), respectivamente.
Portanto, de modo geral o uso de distribuidor facilita a decantação
do material particulado, o que pode favorecer o reuso da água,
após o tratamento, em ciclo fechado.
Figura
10.
Em (a) início do processo de adição do efluente
industrial ao reator 1 sem a utilização do tubo
distribuidor. Em (b) final do transporte do efluente industrial para
o reator 1. Em (c) situação do material decantado no
reator 1 após 5 minutos da inserção do efluente
industrial.
Os resultados obtidos por simulação
e protótipo mostraram que é possível diminuir o
descarte do efluente industrial. Portanto, a mudança proposta
favorece a melhor separação do resíduo, o que
também permite propor alternativas de seu reuso. A empresa
realizou testes de campo em mais de uma “rodada” de
produção, ou seja, processamento de um lote e o
resultado foi considerado satisfatório.
O
uso no ensino
Durante todas as etapas de interação
empresa-instituições de ensino, o aluno de graduação
acompanhou o desenvolvimento do trabalho, sendo instado a responder,
em entrevistas não estruturadas e mensais, se observava
dificuldades nas atividades a serem desenvolvidas, que foram,
principalmente, simulação, proposta de protótipo
e utilização deste. Em todas as etapas as respostas
foram similares: o trabalho é interessante e complexo, mas é
possível desenvolvê-lo e é envolvente.
O protótipo obtido bem como as
respostas da otimização dos processos industriais
obtidas com este e os experimentos realizados em campo foram
adaptados para o ensino, como segue:
Aulas didáticas:
ocorreram durante 4 semestres consecutivos aulas em laboratório
e sala de aula, compondo-se de dois conjuntos de 4 aulas (cerca de 3
horas e meia) cada, em duas semanas subsequentes. A primeira aula foi
em laboratório, mas expositiva, uma vez que foi o professor
quem manipulou as amostras vindas da empresa. A manipulação
é segura já que se trata de material inerte (partículas
de silício em dispersão aquosa e como traçador
azul de metileno), mas, para evitar situações espúrias,
como por exemplo, derrame de material, as demonstrações
utilizaram laboratório de ensino de química, presente
na maioria dos estabelecimentos de ensino superior. A segunda aula
foi em sala comum e teve como objetivo primeiro discutir os
resultados observados anteriormente e, então, propor problemas
reais para os alunos.
As demonstrações foram
efetuadas para ensinar os conceitos de regime de fluxo e Número
de Reynolds, entre outros.
Para tanto, os alunos observavam vídeos do comportamento do
traçador nos reatores e, também, demonstração
em protótipo. A partir daí, podiam propor testes e,
eventualmente, alguém se aventurou a manipular o traçador
e efetuar as medidas. Após essa etapa foi utilizada amostras
obtidas na empresa, inicialmente em demonstração, e,
posteriormente, permitindo que sugestões dos alunos fossem
avaliadas. Em geral a sugestão é por aumentar
concentração, ou seja, variar as proporções
amostras com silício disperso e de coagulante. Posteriormente,
contudo, não é incomum a sugestão de variação
em outros parâmetros do reator, principalmente vazão. De
posse dos resultados qualitativos, os alunos devem providenciar para
a próxima aula sugestões de formação para
fechamento de ciclo, para a água usada na empresa (ecossistema
interno) e propor usos para o silício disperso e\ou
silício\coagulante (material sólido formado no reator).
Neste particular aspecto, micropartículas de silício,
ou sílica, podem ser usadas para melhorar as características
mecânicas de cimento ou mesmo agricultura (HEIDERICK, 2016),
(ZAVALETA,
2017), (SENA et al.
2018).
Assim, é comum
receber como resposta a necessidade de filtrar as partículas
para usar as micropartículas, quando a solução
mais simples seria usar a própria dispersão. Quanto ao
resíduo sólido, em geral, não se obteve resposta
ou a resposta foi insatisfatória por inúmeras razões,
tais como incineração (alto custo) ou estocagem pura e
simples. Nesse momento outras operações unitárias,
como por exemplo, uso de filtro prensa, são incluídas
na discussão. Pede-se, também, sugestões de
otimização e, em geral, estas foram efetuadas apenas
pelo aspecto qualitativo, daí a importância de
existência do software
para simulação e de atuação no sentido de
que ele seja aproveitado, mesmo que apenas como demonstração
em aula. Essa última etapa trata-se metodologicamente de
Project Based Learning
(Kokotsaki
et al. 2016), e,
a critério do professor, pode ou não ser estendido com
trabalhos extraclasse. Quando isso acontece, os alunos apresentam
seus projetos aos colegas.
De modo geral os alunos demonstram boa
compreensão dos fenômenos envolvidos na mecânica
dos fluidos e, via de regra, melhoram bastante sua compreensão
sobre questões ligadas à sustentabilidade. Isso foi
evidenciado, novamente, em entrevistas não estruturadas, onde
o processo foi elogiado e os conceitos explicitados pelos alunos,
mesmo que não utilizando termos técnicos. Também
não é incomum que os alunos que se interessam em
visitar a empresa parceira consigam fazer uma associação
entre o que foi visto em sala de aula e o chão de fábrica.
Exposição:
o protótipo também foi utilizado em duas apresentações
no Congresso de Tecnologia - FATEC-SP. Neste Congresso é comum
cada departamento estabelecer um estande onde seu material didático
pode ser apreciado por alunos de tecnologia e do ensino médio
técnico; nesta área também acontece a exposição
por partes de empresas parceiras. Muito embora a maioria destes
alunos tenha formação aderente à área de
engenharias, existem também alunos da área de humanas,
e, eventualmente, biológicas que efetuam tal visita. A
apresentação (demonstração do
comportamento do fluido em um reator, mas sem o uso das amostras
advindas da empresa) fez uso de uma analogia: “a mudança
do reator é o equivalente a utilizar bastão de vidro
para adicionar liquido em um recipiente”. Assim, a
demonstração, que foi efetuada por alunos do primeiro
ano da FATEC-SP, começa com o uso ou não de bastão
de vidro, e a correspondente mistura ou não entre traçador
(azul de metileno) e água. Após esse pequeno
experimento, o experimento é efetuado no reator, mudando suas
conexões para demonstrar o mesmo efeito. Depois o expectador
pode propor qualquer experimento no reator; porém, em geral,
não houve propostas. Ao final o apresentador pergunta se houve
alguma dificuldade de compreensão e pede sugestões de
melhoria. Os visitantes foram unânimes em dizer que
compreenderam a ideia, mas não fazem sugestões de
melhoria. Contudo, aqueles interessados em opinar (uma minoria)
parabenizaram a iniciativa.
O objetivo geral foi atingido, mas é
possível ver algumas limitações para os
interessados em repetir tal estratégia. Foi intuito deste
trabalho apresentar um problema real para o aluno iniciante na
engenharia, em especial engenharia química, dai o uso de
amostras reais. Contudo, é possível realizar
experimento semelhante utilizando partículas comuns em
material abrasivo, facilmente encontradas para compra (Microesfera).
Para Moraes et al. (2020),
o compartilhamento do conhecimento tornou-se elemento estratégico
nas empresas onde as pessoas estão engajadas e motivadas a
administrar e disseminar o conhecimento.
Além disso, para instituições
de ensino que não tenham contato com empresas, é
possível fazer comparações com reatores maiores,
ou mesmo com vídeos disponíveis na rede.
CONSIDERAÇÕES
FINAIS
Neste estudo mostrou-se um exemplo de
abordagem prática de um problema real da indústria que
pode ser implementado em sala de aula mediante modelagem
computacional e protótipo. O estudo indicou a formação
de ecossistema industrial e que o uso de projetos sustentáveis
torna possível a aplicação de uma abordagem
Project Based Learning,
e de conceitos de mecânica dos fluidos, o que é bastante
relevante para a área de engenharia e, em especial, a
engenharia química. Considerando o aspecto reciclagem, a
utilização da água tratada possibilita formar
ecossistemas internos e externos, ou seja, favorece a
sustentabilidade.
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Á
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Á
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