Estudo de um Reator a Plasma por Microondas para obtenção de

Anais do XIV ENCITA 2008, ITA, Outubro, 20-23, 2008
,
Estudo de um Reator a Plasma por Microondas para obtenção de Gás de Síntese
a partir de Gás Natural
Lucas de Souza Justiniano
Instituto Tecnológico de Aeronáutica - ITA
End.: Praça Marechal Eduardo Gomes, 50 - Vila das Acácias - CEP 12228-900 – São José dos Campos – SP – Brasil
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Homero Santiago Maciel
Instituto Tecnológico de Aeronáutica - ITA
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Marcos Massi
Instituto Tecnológico de Aeronáutica - ITA
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Argemiro Soares Sobrinho
Instituto Tecnológico de Aeronáutica - ITA
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Resumo: O presente trabalho tem como objetivo estudar a formação de gás de síntese a partir de gás natural e de
alcatrão. Os tratamentos destes gases serão realizados através de um plasma de microondas. O sistema de plasma foi
montado utilizando peças de forno de microondas domestico e, portanto, de custo bastante reduzido. Os gases serão
caracterizados quanto à suas características químicas por espectrometria de massa e espectroscopia óptica. A
condensação do alcatrão no interior da bomba de vácuo pode ocasionar avarias na mesma. Por isso, foi construído um
dispositivo Venturi para fazer o bombeamento do reformador de gases. Para a usinagem deste dispositivo foram
realizados vários estudos a respeito de técnicas de medidas de vazão de fluídos e dimensionamento da peça. Vários
protótipos foram construídos e o que apresentou melhor resultado atingiu uma pressão de fundo de 80Torr. Esta
pressão é insuficiente para romper o plasma, porém suficiente para manter-lo ligado. Por esta razão, utilizamos uma
bomba mecânica para atingir uma pressão inferior a 20Torr e iniciar o plasma. Após o acionamento do plasma, o
sistema é bombeado apenas pelo dispositivo Venturi.
Palavra Chave: Gás Natural, Alcatrão, Gás de Síntese, Tecnologia de Plasma, Espectrômetro de Massa.
1. Introdução
Este projeto visa ao estudo de um reformador a plasma por microondas para a produção de gás de síntese (H2 e
CO) a partir de gás natural. Os reformadores a plasma vêm sendo considerados como uma alternativa econômica e
ambientalmente favorável para a obtenção de gases e outros produtos combustíveis a partir da gaseificação de insumos
orgânicos, pois oferecem diversas vantagens sobre tecnologias convencionais, incluindo: capacidade do plasma
conduzir alta potência para o processo, flexibilidade na escolha do tipo de material a ser gaseificado, tempo de resposta
rápido, materiais de construção simples, eficiência elevadas de conversão, e podem operar em uma variedade de
configurações seletivas de processos químicos, incluindo a oxidação parcial, reforma a vapor e pirólise (mínima
emissão de CO2). O Enfoque inicial dos trabalhos propostos será em processos a plasmas não térmicos (fora do
Equilíbrio Termodinâmico Local) em pressões atmosféricas, mas também propomos estudos em pressões mais baixas.
Um reator a plasma por microondas será montado, operacionalizado e caracterizado. Os produtos da interação do
plasma com o gás natural será avaliado quanto aos efeitos da injeção de gases, pressão, potência e temperatura do
processo, aferindo-se a natureza e o tempo das reações ao mesmo tempo que monitorado os parâmetros da descarga de
forma a otimizar a seletividade de reação e a eficiência de conversão.
Como meta precípua, almejamos a obtenção de um gás combustível limpo adequado para ser conduzido a um
sistema de combustão para aproveitamento de seu poder calorífico, como por exemplo, em uma turbina a gás para gerar
energia elétrica.
Os testes serão analisados por meio de espectroscopia óptica e espectrômetro de massa.
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1.1. – Geração do Gás de Síntese
Este processo consiste na conversão de sólidos, líquidos e gás (usualmente Gás Natural) em hidrogênio e
monóxido de carbono. A razão molar de hidrogênio e monóxido de carbono ideal para a utilização na síntese.
Todas as tecnologias estabelecidas para obtenção do gás de síntese são realizadas a altas temperaturas. A
escolha da tecnologia vai ser diretamente dependente da eficiência térmica da planta e dos custos de investimento. A
otimização energética entre a produção de gás de síntese e a conversão do mesmo é um grande desafio para as empresas
que vêm estudando a tecnologia nos últimos anos.
Atualmente, existem várias tecnologias para a geração do gás de síntese: a reforma a vapor (SMR), a oxidação
parcial (POX), a oxidação parcial catalítica, a reforma autotérmica, a reforma com membrana catalítica e o reformador
a plasma que será apresentado neste trabalho.
1.1.1 – Bomba Venturi
Entre os diferentes meios de criar uma baixa pressão, os geradores de vácuo de efeito Venturi
(Sears,Zemansky, 2003) apresentam numerosas vantagens, tais como, simplicidade, baixo desgaste, reduzidas
dimensões.
O mesmo dispositivo funciona com ar comprimido ou água em alta pressão. Para o caso de ar comprimido um
jato de ar introduzido no sistema será obrigado a passar por um bocal multiplicador e assim aumentando
consideravelmente a sua velocidade criando uma zona de baixa pressão que sugará o ar presente no dispositivo
conectado a ele. No nosso caso um tubo de vidro onde será realizado o plasma.
O nível de pressão atingível por este tipo de dispositivo, ou seja pela força de sucção gerada pelo princípio do
efeito venturi pode chegar em 20Torr. É importante salientar que a velocidade de sucção do ar atmosférico depende do
principalmente do diâmetro do tubo que será utilizado para sucção, da temperatura, entre outros.
O bom funcionamento do Venturi depende diretamente das boas condições da rede de ar comprimido (ou
água) e do compressor que o alimenta.
O dispositivo Venturi utilizado neste trabalho permite obter uma pressão por volta de 50Torr, um corte
transversal do dispositivo é apresentado na Figura 1.
Figura 1. Atravessando o estrangulamento do venturi, a alimentação de
ar comprimido provoca uma aspiração e cria uma depressão
no circuito(medidas em mm).
Para o dimensionamento do Venturi foram realizados vários cálculos, baseado no esquema apresentado na Figura 2.
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Figura 2. Venturi com indicações para o cálculo
Cd → coeficiente de descarga do Venturi
Re1 → número de Reynolds de aproximação
QR → vazão real do escoamento
h → desnível do fluido manométrico do manômetro diferencial acoplado no Venturi
Para a determinação da Vazão Teórica (Qt) Eq. (1) através do Tubo de Venturi, sabendo-se que existem as
perdas de carga, porém não as considerando, ao aplicarmos a equação de Bernoulli, manométrica e continuidade,
obtemos a vazão teórica através do tubo Venturi.
Qt =
πD
2
2
4
⎛ γHg
⎞
2 g ⎜⎜
− 1⎟⎟
⎝ γH 2O ⎠ hv
4
⎛ D2 ⎞
1− ⎜ ⎟
⎝ D1 ⎠
(1)
Já para vazão real temos a seguinte expressão Eq. (2):
QR =
Δh.S Δh.0,5625
=
t
t
(2)
O cálculo do coeficiente de vazão Eq. (3) é obtido através da seguinte expressão:
Cd =
QR
Qt
(3)
Aplicando a equação de Bernouli Eq. (4) (Vieira , 1971) temos a seguinte equação:
V22 − V12 P1 − P2 ⎡
V2
V2⎤
=
− ⎢ H P + (α 2 − 1) 2 − (α 1 − 1) 1 ⎥
γ
2g
2g
2g ⎦
⎣
(4)
Como α1 é geralmente maior que α2 , pois a redução da seção age no sentido de uniformizar a distribuição de
velocidade na seção (2), para medidores Venturi com paredes internas extraordinariamente lisas (Hp ≈ 0) e com relação
D2 / D1 próximas a unidades, podemos ter Cd ligeiramente maiores.
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Para facilitar a utilização do Venturi, é comum definir-se a constante Kv de um Venturi Eq. (5), como:
KV = C d
πD22
4
⎛ γH g
⎞
− 1⎟⎟
2 g ⎜⎜
⎝ γH 2 O ⎠
4
⎛ D2 ⎞
⎟⎟
1 − ⎜⎜
⎝ D1 ⎠
(5)
Os maiores desafios na construção de uma bomba de Venturi é na usinagem mecânica. A técnica ideal para
construção destes dispositivos é a fundição e não a usinagem mecânica, pois exige equipamento de alta precisão, porém
isto está fora do interesse deste projeto. Mesmo assim apresentaremos alguns procedimentos padrões a serem seguidos
para construção de Venturi:
1. O tubo de Venturi clássico é formado por uma parte cilíndrica de entrada, uma parte cônica convergente, uma
garganta cilíndrica e uma parte cônica divergente.
2. A seção convergente deve ser cônica, com um ângulo incluso de 210 ± 10. O comprimento da seção
convergente, medido paralelamente ao eixo de revolução é aproximadamente igual l2,7(D – d). A seção
convergente é ajustada à seção cilíndrica de entrado por um arco de raio.
3. O diâmetro da garganta(d) deve ser cuidadosamente medido no plano de tomadas de pressão. O comprimento
da garganta deve ser igual a d. A garganta é ajustada à seção convergente por um arco de raio.
4. A seção divergente deve ser cônica, com um ângulo incluso entre 7o e 15o. Quanto menor o ângulo, menor será
a perda de carga total. O tubo de Venturi é chamado de “truncado” quando o diâmetro de saída for menor do
que diâmetro maior. A seção divergente pode ser truncada em cerca de 35% de seu comprimento sem afetar
grandemente a perda de carga.
5. O critério de rugosidade da garganta e das curvaturas adjacentes deve ser menor que 10-5 d. A seção divergente
não precisa de acabamento especial, mas deve ser limpa e lisa.
Pelo menos quatro tomadas de pressão devem ser feitas a montante e na garganta, espaçadas por ângulos
iguais. As tomadas de pressão devem ser interligadas por uma câmara anular. O mesmo se aplica às tomadas de pressão
na garganta.
6. O diâmetro das tomadas deve estar entre 4 e 10 mm e não pode ser maior que 0,1D para as tomadas e 0,13d
para as tomadas na garganta. O diâmetro das tomadas devem ser o menor possível compatível com o fluido.
Cada conjunto de tomadas deve estar no mesmo plano, perpendicular à linha de centro axial.
Os tubos de Venturi podem ser fabricados de qualquer material e por qualquer processo desde que obedeçam
às características dadas acima e que estas sejam mantidas em operação.
1.2 - Magnetron
O Magnetron é um dispositivo por microondas e utilizado para gerar o plasma. Estas microondas podem ser
aplicadas em vários setores que vai desde fornos microondas domésticos até geração de plasma industriais.
3.4.1 - O que são Microondas
Chamamos de microondas as ondas eletromagnéticas com freqüências desde 300 MHz (300 x 106 Hz) até 300
GHz (300 x 109 Hz) e comprimentos de onda desde 1 m até 1 mm(Tipler, 2000). São, portanto, ondas que estão entre as
faixas de ondas de TV e do infravermelho no espectro das ondas eletromagnéticas.
Inicialmente as microondas foram utilizadas para a telecomunicação, como em radares e telefone. Durante a
segunda Guerra Mundial, Percy Spencer, trabalhando com radares, percebeu que uma barra de chocolate havia se
derretido no seu bolso. Descobriu, assim, que as microondas têm a capacidade de aquecer alimentos, pois a energia das
ondas nessa região do espectro eletromagnético corresponde à energia do movimento rotacional de algumas moléculas
dipolares presentes nos alimentos, como as de água, gorduras e açúcares.
A existência de ondas eletromagnéticas foi proposta por James Clerk Maxwell em 1864, através de suas
famosas equações. Em 1888 Heinrich Hertz foi o primeiro a demonstrar, experimentalmente, a existência de ondas
eletromagnéticas ao construir um dispositivo capaz de produzir ondas de rádio.
3.4.2 – Princípio de Funcionamento de um Magnetron
O princípio de funcionamento do magnetron está baseado no efeito de circuitos ressonantes(Osepchuk, 2002),
conforme descrito a seguir.
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O circuito ressonante tem a capacidade de gerar ondas e é formado pela ligação em paralelo de uma bobina e
um capacitor. Quando uma bobina é percorrida por uma corrente elétrica, um campo magnético é gerado ao seu redor.
Esse campo possuirá um pólo norte e um pólo sul nas extremidades da bobina, exatamente como em um ímã
permanente. Se o sentido da corrente que circula pela bobina for invertido, o sentido do campo magnético também
inverterá e, no caso da fonte de alimentação da bobina ser desligada, o campo magnético diminuirá, gerando uma tensão
na bobina a qual, durante um certo intervalo de tempo, manterá a corrente fluindo no mesmo sentido, na tentativa de
impedir a diminuição do campo, preservando a energia armazenada no circuito. Esta habilidade das bobinas de
armazenar energia é chamada de “indutância”.
No caso de um capacitor, que é constituído por duas placas metálicas separadas por ar, papel, óleo, mica ou
outro tipo de isolante, ocorre o armazenamento de energia elétrica. Quando ligadas a uma fonte de alimentação, uma
das duas placas se carregará negativamente e a outra positivamente. Existirá corrente no circuito apenas durante a carga
e a descarga do capacitor. Quando ligamos uma bobina e um capacitor em paralelo, e tomando como ponto de partida
um instante em que o capacitor está totalmente carregado, a corrente no circuito é nula. Imediatamente os elétrons da
placa negativa do capacitor começam a fluir pela bobina, para atingir a placa positiva. Neste ponto, a corrente na bobina
é máxima e a energia é armazenada na forma de energia magnética, até que a carga do capacitor seja reduzida a zero.
Como o capacitor não pode fornecer elétrons durante muito tempo, o fluxo de elétrons diminui. A queda da
corrente resulta na redução do campo magnético, iniciando o fluxo de elétrons para carregar o capacitor com polaridade
oposta à inicial. Quando o capacitor é carregado, a placa negativa do capacitor torna-se positiva e novamente a corrente
se torna nula. Assim sendo, o capacitor recebe carga novamente mas, agora, através da bobina forçando um fluxo de
elétrons no sentido contrário ao anterior. O campo magnético da bobina novamente aumenta, mas em sentido oposto,
pois, como já sabemos, conforme mudamos o sentido da corrente, alteramos também o do campo magnético.
Novamente o sentido do fluxo de elétrons inverte, enquanto a intensidade do campo magnético da bobina diminui
gradativamente, porém mantendo-o o tempo suficiente até recarregar o capacitor. No instante seguinte, voltamos à
situação inicial, onde o fluxo de corrente é nulo e o capacitor está carregado. A partir daí o ciclo é repetido, produzindo
uma corrente alternada no circuito. Dessa maneira a carga e descarga de um capacitor e de uma bobina geram
oscilações eletromagnéticas.
A estrutura básica do magnetron utilizado para gerar a freqüência de 2,45 GHz, utilizada nos fornos de
microondas, é constituída por ânodo, cátodo, antena e ímãs permanentes, conforme representado na Figura 4(Diniz,
19973). O princípio de funcionamento é semelhante ao do circuito oscilante descrito acima. O ânodo é uma peça
metálica oca, geralmente feita de cobre ou ferro, contendo um número par de aletas na sua cavidade, apontando para o
catodo. O cátodo é um filamento que é o emissor de elétrons e fica localizado no centro da cavidade do magnetron. A
antena fica ligada a uma aleta do anodo e é responsável por conduzir as microondas para a parte externa do magnetron.
Figura 4 – A) Fotografia de um magnetron e as principais partes. B) É uma fotografia que mostra a geometria interna da
cavidade de ressonância aberta, e suas principais partes.
A parede da cavidade ressonante em conjunto com as aletas se comportam como uma série bobinas e as aletas
como um conjunto capacitores. Enquanto uma corrente elétrica circula na parede da cavidade e nas aletas, gerando
campos magnéticos variáveis, formam-se campos elétricos variáveis nos espaços que separam as aletas. Assim o
conjunto se comporta como um circuito ressonante com os valores de indutância e capacitância muito pequenos,
emitindo oscilações com alta freqüência.
Uma análise detalhada do funcionamento do magnetron revela que o cátodo quando aquecido emite elétrons.
Ele está ligado ao pólo negativo submetido a uma voltagem de 4.000 V em relação ao ânodo. Os elétrons são emitidos
em direção ao ânodo, porém o campo magnético criado pelos dois ímãs circulares posicionados entre o cátodo e o
ânodo, aplica uma força magnética sobre estes elétrons, obrigando-os a descreverem uma trajetória circular antes de,
eventualmente, alcançarem o ânodo. A passagem dos elétrons nas proximidades de uma aleta induz uma carga positiva,
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repelindo os elétrons gerando uma corrente nas aletas e na parede do ânodo. Isso ocorre porque um elétron, enquanto se
aproxima de uma aleta, induz nesta uma carga positiva que aumenta de intensidade e diminui à medida que ele segue
em frente gerando uma corrente alternada. “Quando a cavidade conduz uma corrente, a parede da cavidade comporta-se
como uma bobina e a abertura da cavidade como um capacitor, criando assim um circuito ressonante”. Esta corrente
gera, na cavidade do ânodo, campos magnéticos e elétricos variáveis e por sua vez emite microondas. Uma analogia
entre o circuito ressonante formado por capacitor e indutor.
Na realidade não é apenas um elétron emitido que se move na cavidade do magnetron, mas um aglomerado
deles que giram juntos, ejetados a partir do cátodo devido à diferença de potencial existente, movendo-se na forma de
roda raiada e influenciados pelo campo magnético dos ímãs permanentes. Essa aglomeração de elétrons de alta energia
gira no espaço da cavidade, localizado entre o cátodo e o ânodo, e eventualmente alcançam o ânodo. Enquanto os
elétrons giram na cavidade e passam próximos das aletas, eles vão alternando as cargas elétricas positivas e negativas.
Essa oscilação produzida pela alternância entre cargas positivas e negativas nas aletas funciona como circuito
ressonante, que é repetido 2.450.000 vezes por segundo e gera microondas de alta freqüência (2,45 GHz). A antena
capta e irradia a energia dessas ondas para a câmara, através do guia de ondas, que nada mais é do que um tubo de
metal retangular ou cilíndrico.
2. Materiais e Métodos
2.1 – Reformador a Plasma
O reformador a plasma foi confeccionado a partir de modificações realizadas em uma câmara de alumínio
existente no Laboratório. Com essas modificações inseriram-se no reator seis magnetrons em série de 750 W cada um e
refrigerados a água, Figura 5. A descarga é formada num tubo de quartzo de 2 cm de diâmetro e 150 cm de
comprimento, que constitui a câmara de decomposição. Este tubo é alinhado com os magnetrons de modo a permitir a
formação de um plasma uniforme ao longo de toda sua extensão. Os experimentos com este reator para estudos de
reforma de carvão mineral ainda depende de instalações com um sistema de exaustão eficiente, devido aos altos fluxos
de gases envolvidos.
Magnetrons
Gaseificador
Locais de Análise
Figura 5. Reformador a Plasma por Microondas Construído no LPP do ITA
2.2 – Descrição do Problema
Para a realização dos teste no Venturi montou-se todo um aparato experimental apresentado na Figura 6, que
consiste de um reservatório de água, uma bomba de sucção ao Venturi.
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Bomba Venturi
Bomba
de Água
Figura 6. Reservatório de água para realização de vácuo através do Venturi
A pressão obtida pelo Venturi foi de 80Torr. Esta pressão é suficiente para manter o plasma ligado, porém não
é suficiente para inicializar o plasma, que neste caso é necessário 20Torr. Neste caso utilizou-se uma bomba mecânica
para baixar mais a pressão, de maneira que seja possível a ruptura do plasma. Uma vez obtida a descargas, desliga-se a
bomba mecânica mantendo-se apenas o venturi. Na Figura 7 apresentamos uma fotografia do plasma de microondas
com a bomba mecânica ligada, já na Figura 8 temos o plasma somente com o venturi ligado, observamos que a
densidade do plasma é menor, porém permaneceu ligado.
Figura 7. Plasma de Microondas com a bomba mecânica ligada
Figura 8. Plasma de Microondas somente com o Venturi ligado
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A intensidade do plasma depende de quanta radiação de microondas está incidindo no reservatório(reator) de
plasma. Com a intenção de aumentar o volume do reator estamos construindo um reator tubular em forma de espiral.
Assim, aumentamos a superfície exposta a radiação de microondas, além de aumentar o tempo de exposição do gás no
plasma (aumentando o percurso do gás tubo). Este tubo está sendo construído na oficina de vidro do Departamento de
Física do ITA.
2.3 – Técnicas de Caracterização
Os gases depois passar pelo reformador a plasma para a obtenção de gás de síntese serão observados por um
espectrômetro de massa e um óptico. A seguir cada uma delas é brevemente relatados.
2.3.1 – Espectrômetro de Massa
A técnica de Espectrometria de Massa teve início com o tubo de vácuo de J.J. Thomson, onde no início deste
século a existência de elétrons e “raios positivos” foi demonstrada. Thomson, um físico, observou que a nova técnica
poderia ser usada proveitosamente pelos químicos para analisar produtos químicos. Apesar desta observação, as
aplicações primárias da espectrometria de massa ficaram no domínio dos físicos por cerca de trinta anos. Ela foi usada
para descobrir isótopos e para medir suas “massas exatas”, por exemplo, massas atômicas com uma precisão de 1 parte
em 106, ou mais. Estas importantes medidas fundamentais conduziram ao embasamento para desenvolvimentos
posteriores em diversos campos.
O Espectrômetro de Massa(Karas, 1987) é um instrumento que mede a massa de moléculas individuais que
tenham sido convertidas em íons, como, por exemplo, moléculas que tenham sido carregadas eletricamente. Uma vez
que as moléculas são tão pequenas, não é conveniente medir suas massas em quilogramas ou gramas. De fato, a massa
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de um único átomo de hidrogênio é aproximadamente 1,66 x 10 gramas. É necessário, entretanto, uma unidade mais
conveniente para a massa de moléculas individuais. Como já comentado, se refere comumente a esta unidade como
dalton (ou simplesmente Da), que é definida como segue: 1 Da = (1/12) da massa de um único átomo do isótopo
carbono-12 (12C); isto segue a convenção de se definir o isótopo 12C como tendo exatamente 12 unidades de massa.
Como se tornará mais claro adiante, na verdade um espectrômetro de massa não mede a massa molecular diretamente,
mas sim a razão massa/carga de íons formados a partir das moléculas. Por razões similares àquelas discutidas no
contexto de massa, é inconveniente medir a carga de um íon individual em unidades apropriadas ao mundo
macroscópico cotidiano. Uma unidade útil para este propósito é a unidade de carga fundamental, a magnitude de carga
de um elétron. Isto implica então que a carga de um íon é expressa por um número inteiro z, em unidades de carga
fundamental, e a razão massa/carga (m/z) então representa unidades de massa atômica por unidade fundamental de
carga. Em muitos casos, os íons encontrados no espectrômetro de massa têm apenas uma carga (z = 1) e, então, o valor
m/z é numericamente igual à massa molecular (iônica) em unidades de massa atômica. Espectrometristas de massa
freqüentemente mencionam imprecisamente a “massa de um íon” quando eles estão se referindo na verdade à razão
m/z, mas este modo inconveniente de falar é útil apenas para o caso de íons carregados uma única vez.
As diferentes unidades funcionais de um espectrômetro de massa estão representadas conceitualmente como
segue no diagrama 1.
Diagrama 1. Componentes de um Espectrômetro de Massa
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A formação de íons em fase gasosa é um pré-requisito essencial para a classificação das massas e processos de
detecção que ocorrem em um espectrômetro de massa. Uma vez formados estes íons, o processo não pode ser revertido,
isto é, a amostra original não pode ser recuperada. Portanto, este constitui um método de análise destrutivo.
Os primeiros espectrômetros de massa requeriam que a amostra fosse um gás, mas devido aos
desenvolvimentos ocorridos, a aplicabilidade do espectrômetro de massa tem sido estendida, passando a incluir
amostras em solução líquida ou contidas em uma matriz sólida. A amostra, a qual pode ser sólida, líquida, solução ou
vapor, entra na câmara de vácuo através de um orifício. Dependendo da técnica de ionização empregada, a amostra
pode já existir como íons em solução, ou pode ser ionizada em conjunto com sua volatização ou por outros métodos na
fonte de íons.
Os íons na fase gasosa são classificados no analisador de massas de acordo com suas razões massa/carga (m/z)
e, então, coletados pelo detector. No detector, o fluxo de íons é convertido em uma corrente elétrica proporcional. O
sistema de processamento do sinal registra a magnitude destes sinais elétricos como uma função de m/z e converte esta
informação em um espectro de massa.
2.3.2 Espectrômetro Óptico
O espectrômetro óptico(Yen, 1986) é um aparelho que permite determinar os comprimentos de onda presentes
em uma luz policromática, através da medida do ângulo de difração associado a cada componente monocromática da
luz analisada. Uma vez conhecido o espectro de radiação produzido por uma certa fonte de luz, podemos determinar
qual ou quais átomos constituem esta fonte.
Um esquema simplificado do espectrômetro óptico didático que vai ser utilizado em nossa experiência é mostrado na
Figura 9.
Figura 9. Os principais componentes do espectroscópio são: o colimador, tubo cilíndrico por onde a luz a ser examinada
entra; a plataforma com a rede de difração onde a luz incidente é separada nas diversas freqüências que a compõe e o
telescópio, montado em uma base giratória que contém uma escala angular, para medir os desvios angulares sofridos
por cada componente da luz incidente na rede de difração.
3. Resultados Obtidos
A primeira parte do trabalho visou a montagem de toda a aparelhagem experimental onde foi detectada a
necessidade de construir um venturi para a redução da pressão. A construção do equipamento foi necessária porque um
dos gases a ser tratado é o alcatrão que ao se condensar no interior da bomba mecânica pode danificá-la. A seguir são
apresentados alguns protótipos montados na oficina mecânica do ITA.
Na Figura 9 temos a imagem do primeiro Venturi construído. Este dispositivo apresentou uma baixa eficiência
de bombeamento, provavelmente devido a elevada dimensão do diâmetro do orifício e o alto valor do ângulo de entrado
(700). A pressão de fundo obtida foi de 460Torr, valor que é insuficiente para o acionamento do plasma de microondas.
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Figura 9. Primeiro Venturi construído
O segundo protótipo foi projetado modificando-se o diâmetro e os ângulos convergentes e divergentes. A
Figura 10 mostra esse novo dispositivo. Entretanto, as mudanças não foram suficientes para melhora da eficiência de
bombeamento e a pressões de fundo obtidas foram de aproximadamente 420Torr.
Figura 10. Segundo Venturi construído
O Manual de Medição de Vazão(Martins, 1998) apresenta algumas normas a serem seguidas durante o
processo de fabricação de dispositivos Venturi. Dentre estas normas se destaca a ISO 5167 e a ISA 1932 para a
confecção deste tipo de dispositivo.
Após a descoberta e consulta deste manual, alteramos o diâmetro do orifício para 14mm, o ângulo convergente
para 23o, o ângulo divergente para 10o e a garganta para 5mm. Com estas modificações conseguimos fabricar um
dispositivos cuja pressão de fundo atingiu 80Torr. Pressão suficiente para manter o plasma operando em regime
contínuo, embora insuficiente para romper a descarga cuja pressão necessária é de 20Torr. Para resolver este problema,
utilizamos uma bomba de vácuo mecânica para abaixar a pressão e romper o plasma. Após isto esta bomba e desligada
e o sistema é bombeado apenas pela bomba Venturi.
4. Conclusão
Muitos estudos têm sido reportados visando o processamento do gás natural e carvão mineral em reatores a
plasma como uma alternativa econômica para a produção do gás de síntese.
Nesta fase do projeto construímos um sistema de plasma de baixo custo utilizando componentes de forno de
microondas doméstico. O sistema de bombeamento também é de baixo custo, baseado em dispositivo Venturi.
Para a construção deste reator foi feito uma revisão bibliográfica voltada para a montagem deste tipo de
equipamento, assim como de técnicas de operação e cuidados a ser tomado com este tipo de equipamentos.
Durante a montagem do equipamento obtivemos bastantes dificuldades de ordem técnica que foram superadas com o
auxilio da literatura técnica da área. As maiores dificuldades foram encontradas durante a construção do dispositivo de
bombeamento Venturi. No entanto, o reator a plasma se encontra em pleno funcionamento e já estamos iniciando os
testes de gaseificação. Para adquirimos conhecimentos de gaseificação e das técnicas de caracterização destes gases
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(espectrometria de massa e espectroscopia óptica) começaremos os estudos com a reforma de CO2. Após esta etapa é
que passaremos a estudar a gaseificação de carvão mineral.
5. Referências Bibliográficas
F. Sears e M. Zemansky; vol. 1, cap. 14, Ed. Universidade de Brasília (2003)
Vieira, R. C. C. (1971) Atlas de Mecânica dos Fluidos – FluidoDinâmico. Editora Edgar Blucher, São Paulo (SP)
TIPLER, Paul A. (Tradução: Horácio Macedo). Física, Volume 1, Editora LTC, (2000).
Osepchuk, J. M. “Microwave Power Aplication”, in IEEE Transcations on Microwave Theory and Techiniques, vol.50,
No 3, 2002
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Martins, N.(1998) Manual de Medição de Vazão. Editora Interciência, Rio de Janeiro (RJ)
6. Agradecimentos
-A Deus e toda a minha família pelo apoio.
-À toda equipe do Laboratório de Plasma e Processos do Departamento de Física do ITA;
-Aos Profs. Dr. Homero Santiago Maciel, Argemiro da Silva Sobrinho e Marcos Massi, orientador deste trabalho, pelo
acompanhamento continuo e dedicação.
-Ao CNPq, pelo suporte financeiro a este trabalho.
-Aos alunos de pós-graduação Rodrigo Sávio Pessoa, Jossano Marcuzzo, Julio César e Mauro Santos e também aos
alunos de graduação Ricardo de Oliveira Bicudo, Milton Moretti Neto e Thyago Santos Braga pela ajuda e atenção.
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