CONSTRUÇÃO E CALIBRAÇÃO DE UMA CÉLULA DE IMPINGING JET Elon Vieira Lima e José Carlos Cardoso Filho Departamento de Eng. Química e de Alimentos, Centro Tecnológico, UFPA. Email:
[email protected],
[email protected]
1 INTRODUÇÃO A corrosão que ocorre no interior dos dutos que transportam óleo ou gás é um problema relevante na indústria do petróleo. Esse fenômeno possui uma relação direta com o movimento do fluido na parede interna do duto, e pode ser estudado através de técnicas eletroquímicas, como eletrodo de disco rotativo (EDR), eletrodo de cilindro rotativo (ECR) e o eletrodo de impinging jet (IJE), sendo este último aquele que se consegue tensões de cisalhamento mais elevadas, e conseqüentemente mais próximas das encontradas nos oleodutos e gasodutos. Como mostra o esquema simplificado na Figura 1, um eletrodo de impinging jet é composto de um jato circular submerso de eletrólito incidente em uma placa normal à direção do escoamento onde se encontra um eletrodo de disco circular [1]. Este sistema tem sido bastante estudado nas características de transferência de calor e escoamento, apresentando portanto várias aplicações industriais, pois permite obter taxas de transferência convectiva altamente efetivas na superfície [2]. Esteban et al. [3] ainda relaciona outras vantagens da aplicação da IJE em estudos eletroquímicos: o escoamento do fluido é bem caracterizado e a transferência de massa ao disco é uniforme.
Potential Core Established Flow
Wall Jet Stagnation
Figura 1- Esquema simplificado de um eletrodo de impinging jet. Quando um jato submerso colide perpendicularmente com uma placa plana em um eletrólito estacionário, formam-se três regimes de escoamento distintos [1,3], formando as seguintes regiões (Figura 1): a região de jato livre (free jet ou potencial core), established flow, a zona de estagnação (stagnation region), a região do jato próximo à parede (wall jet) ou região de estagnação. Dentro da região de estagnação, a tensão se cisalhamento superficial é dada por [3,4]:
τrz = −1,312 a3/2ρν 1/2r
(1)
onde µ e ρ são a viscosidade e a densidade do fluido, respectivamente. Segundo Cardoso Filho e Orazem [4], a constante hidrodinâmica a desempenha para a IJE um papel análogo à velocidade de rotação em um eletrodo de disco rotativo (EDR). Ao contrário do EDR, porém, o valor de a não é conhecido a piori e precisa ser obtido como uma função da velocidade do jato, pela calibração da célula para uma dada separação entre o jato e o disco.
Para um eletrodo de disco completamente dentro da região de estagnação, a corrente limite de transferência de massa é dada por [3,4]:
I lim
0,85001π n F ⎛ Di ⎞ = ⎜ ⎟ Si ⎝ν ⎠
2/3
r02 c∞ aν
(2)
onde n é o número de elétrons transferidos na reação, Si é o coeficiente estequiométrico da reação, F é a constante de Faraday, Di é o coeficiente de difusão do reagente, e c∞ é a concentração no seio do reagente. A constante hidrodinâmica (a) pode desta forma ser obtida pela medida da corrente limite de transferência de massa das espécies mostrando um patamar bem definido [4]. O objetivo inicial deste trabalho foi o projeto e a construção de uma célula de IJE, e sua calibração usando como eletrólito o ferro/ferricianeto juntamente com KCl como eletrólito suporte. Posteriormente, estudar através de técnicas eletroquímicas a resistência de revestimentos inorgânicos eletrodepositados em aço carbono, submetidos a elevadas tensões de cisalhamento.
Termostato
Eletrodo de Referência Termômetro
Saída do Eletrólito
Reservatório Célula de IJE
Contra Eletrodo Saída do jato (bocal)
Rotâmetro
Eletrodo de Disco
Bomba
(a)
(b)
Figura 2- (a) Sistema experimental de escoamento do impinging jet (IJ). (b) Célula de IJ.
2 METODOLOGIA O sistema de escoamento IJ, visto na Figura 2a, foi totalmente projetado e montado no Laboratório de Corrosão da UFPA e é constituído de um reservatório (20L) para o eletrólito, três válvulas globo que controlam a vazão do eletrólito, uma bomba centrífuga não metálica de 1/8 HP, um rotâmetro e da célula eletroquímica. A célula experimental (Figura 2b) foi construída de um cilindro de acrílico, com tampas superior e inferior do mesmo material. Para melhor vedação, a célula é fechada por quatro hastes de aço. O bocal do jato do eletrólito consiste em um tubo de vidro inserido em um tubo de PVC (½ in), preenchido com poliéster, perpendicularmente através de um furo central, na tampa superior. O bocal tem um diâmetro (d) de 0,6 cm e foi posicionado simetricamente ao eletrodo de disco a uma distância (H) de 1,2 cm (Figura 1). O eletrodo de trabalho é uma placa de platina fixada em uma resina
poliéster e possui um raio (r) de aproximadamente 0,425 cm. Segundo Chin e Tsang [1], como a relação r/d
