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:

1. 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;

2. 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;

3. Elaboração de hipóteses, criação de protótipos;

4. Testes de protótipo;

5. Uso de protótipos em sala de aula;

6. Uso de protótipo em exposição (Congresso de Tecnologia);

7. 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.