Aula 7: Separação no Campo Centrífugo - Ciclones

Disciplina Operações Unitárias III Profª Kássia G Santos AULA 7 Separação no campo Centrífugo Ciclones 1 Universidade Federal do Triângulo Mineiro UFTM Instituto de Ciências Tecnológicas e Exatas ICTE Curso de Engenharia Química 2017 2 Exemplos Satipel Ciclones Dc 1 m e H 4 m 53 Ciclones São equipamentos de separação gáspartícula em que o campo centrífugo é o principal responsável pela separação das partículas O fluido entra tangencialmente em relação a parte cilíndrica induzido pela energia de pressão e produz um escoamento rotacional As as partículas tendem a se movimentar para a parede do ciclone onde são conduzidas para o underflow 53 Ciclones Vantagens São equipamentos econômicos e eficientes Apresentam baixos custos de fabricação e operação Trabalham com elevada concentração de partículas O sólido pode estar seco ou úmido Queda de pressão da ordem de 1 KPa ou 4 in de H2O Eficiência 90 p partículas 10 microns Estes equipamentos são de ocorrência muito comum nas indústrias de processamento químico Ciclone separação gássólido Hidrociclone separação líquidosólido líquidolíquido 4 Coleta do pó Entrada do gás sujo Cone Cilindro Vortex Finder Overflow Gás limpo Aplicações Remover material particulado poluente de efluente gasoso Separarreciclar sólidosprodutos mais valiosos comercialmente Separar e controlar póspoeiras em ambientes de trabalho Separarclassificar as drogasalimentos Exemplos Processamento da madeira unidades de moagem plantas de fertilizantes e cimento e várias outras indústrias 6 9 Ciclone Irrigado Empregado na limpeza de gases de caldeira por absorção de gases como ENXOFRE produz de 5 a 15 galões H201000 ft3de gásmin 10 Entrada tangencial com placa defletora Reduz a queda de pressão requerendo um soprador de menor capacidade Reduz o vortex externo e diminui a eficiência de coleta Direciona o fluxo de gás para o movimento tangencial Entrada tangencial Simples projeto e construção Custo de fabricação menor Uma maior turbulência no escoamento ocasiona o bypassing de partículas no vortex finder Menor eficiência de coleta Maior queda de pressão Entrada tangencial Entrada tangencial com placa defletora 11 Entrada em voluta Entrada do gás com menor turbulência e queda de pressão Eficiência de coleta menor que a entrada simples tangencial Custo relativamente maior e projeto mecânico mais complexo Equipamento maior para processar o mesmo fluxo de gás Entrada helicoidal Geometria favorece escoamento tangencial do gás Fluxo de gás mais suave junto ao vortex finder Projeto mecânino mais complicado Maior o custo de construção Entrada helicoidal Entrada em voluta 521 Sistemática Geral Projeto e análise de desempenho Ref Giulio Massarani Fluidodinâmica em sistemas particulados 1997 Diâmetro de corte d é o diâmetro da partícula que é separada com eficiência de 50 a Cálculo de d d diâmetro de corte 05 diâmetro da parte cilíndrica caracteriza o ciclone constante específica para cada família tipo de ciclone vazão volumétrica da suspensão na c D K Q alimentação diâmetro de corte 05 função que leva em conta as relações volumétricas no underflow e na alimentação importante só para hidrociclones relacionado ao conceito de eficiência r L f R eduzida fator que leva em conta a concentração de sólidos na alimentação d c s P D Q K 12 12 d c L c s D K f R P D Q 2 2 b Relação vazãoqueda de pressão P 2 constante admensional função do tipo de ciclonehidrociclone Pqueda de pressão medida entre a alimentação e overflow 4 c c c u Q u D velocidade da suspensão na seção cilíndrica eficiência P 13 Sistemática Geral c Função eficiência individual de coleta η Específica para cada tipo de equipamento Obtida a partir de dados experimentais 14 05 05 então é interessante que d seja o menor possível 05 f D d se D d D d D d Sistemática Geral 15 O Ciclone Lapple C e C C Ciclone Lapple B 4 8 D 2 2 H 2 4 L 2 c c C c C c c c C c D D S D Z D D D J D Velocidade de alimentação ideal 20 70 Velocidade usualmente adotada em projetos 50 C C Q ft ft u u H B s s ft u s Vista Lateral Vista superior Alimentaçãoseção retangular BCxHC Todas as dimensões estão relacionadas ao DC 16 a Cálculo de d 12 d 0095 c c S D D Q Dd 10 7 5 3 2 15 1 07 05 03 02 ƞ 099 098 096 090 080 069 050 033 020 008 004 2 2 D d Massarani 1997 1 D d 12 9 d 10 c S B u De acordo com Massarani Segundo o livro do Perry 12 d c c s D K f RL P D Q b Eficiência de coleta para Ciclone Lapple P1 f RL1 K0095 O Ciclone Lapple 2 4 C C c c Q u H B Para Lapple D D Q u 17 Provando que as equações de Massarani e Perry são iguais S c c c S c D D Q D u B 4 2 10 4 9 10 9 d S c c S c c Q D D Q D D 10 32 9 10 8 4 9 d 2 2 1 0 095 d 10 932 d S c c S c c Q D D Q D D 18 C Perda de carga entre a alimentação e a descarga de gás 2 2 315 315 sendo 2 4 C C C P Q u u D O Ciclone Lapple 19 Eficiência de coleta Modelo GGS O Ciclone Lapple Desempenho para ciclone Lapple modelo GGS 20 Eficiência de coleta Modelo RRB O Ciclone Lapple Desempenho para ciclone Lapple modelo RRB Eficiência de coleta Modelo Log Normal 21 O Ciclone Lapple Desempenho para ciclone Lapple modelo LogNormal 22 Vista Lateral Vista superior Alimentaçãoseção retangular BCxHC O Ciclone Stairmand C e C C Ciclone Stairmand B 5 8 D 25 2 H 037 2 L 15 c c C c C c c C c c D D S D Z D D J D D Faixa de velocidade recomendada 10 30 C C Q u H B m m u s s Velocidade de alimentação ideal Todas as dimensões estão relacionadas ao DC 23 A Cálculo de d 12 d 0041 c c S D D Q 2 2 D d Massarani 1997 1 D d Massarani P1 f RL1 K0041 B Eficiência de coleta para Ciclone Stairmand é a mesma usada para o Ciclone Lapple O Ciclone Stairmand 24 C Perda de carga entre a alimentação e a descarga de gás 2 2 395 395 2 sendo 4 Note que este é maior que o valor do Ciclone Lapple C C C P u Q u D O Ciclone Stairmand Eficiência global de coleta 25 Eficiência Global devido ao campo centrífugo ou Eficiência Global reduzida Eficiência Global do Ciclone 1 0 0 dX I dX dD dD Se conheço o modelo tenho a distribuição de freqüência Para RRB Ex 1 Uma empresa de consultoria foi contratada para projetar para a empresa VALE um ciclone Lapple de diâmetro Dc55 cm para coletar partículas de um fluxo de ar a 70º C e 10 atm µ 002 cP A velocidade do ar na seção de entrada é de u 15 ms e a densidade das partículas é S105 gcm3 A empresa de consultoria afirma que partículas maiores que D 20 m são coletadas com uma eficiência superior à 995 Verifique esta afirmação 26 1 1 2 2 3 3 3 Densidade do ar 70ºC 298 12 10 1025 10 273 70 ar ar T T g cm Ex 1 Uma empresa de consultoria foi contratada para projetar para a empresa VALE um ciclone Lapple de diâmetro Dc 55 cm para coletar partículas de um fluxo de ar a 70º C e 10 atm 002 cP A velocidade do ar na seção de entrada é de u 15 ms e a densidade das partículas é S 105 gcm3 A empresa de consultoria afirma que partículas maiores que D 20 m são coletadas com uma eficiência superior à 995 Verifique esta afirmação 27 3 3 3 1025 10 70 273 298 10 21 Densidade do ar 70ºC cm g ar ar S c u B 10 9 diâmetro de corte d Cálculo do d m cm 707 707 10 1 025 10 1 05 1500 10 554 0 02 10 9 d 4 3 2 889 0 2 83 1 83 2 20 7 07 1 7 07 20 Massarani 2 2 2 2 A consultoria estava errada pois só 889 das partículas de 20 µm serão coletadas 2 2 2 c 2 cm 920145 dyn P 4 4 onde u 315 2 Cálculo da P P c c c c c D H B u D Q u Ex 2 Especificar a bateria de ciclones Lapple ciclones operando em paralelo para operar com 5500 ft3min de ar a 600 ºC e 10 atm contendo cinzas de carvão S 23 gcm3 A eficiência global de coleta deve ser de 80 A análise granulométrica das cinzas segue o modelo log Normal Parâmetros D50 155 µm e 23 28 1 1 2 2 3 4 3 Densidade do ar 600ºC 298 12 10 403 10 273 600 ar ar T T g cm Ex 2 Especificar a bateria de ciclones Lapple ciclones operando em paralelo para operar com 5500 ft3min de ar a 600 ºC e 10 atm contendo cinzas de carvão S 23 gcm3 A eficiência global de coleta deve ser de 80 A análise granulométrica das cinzas segue o modelo logNormal com estes parâmetros D50 155 µm e 23 29 3 4 3 4 03 10 600 273 298 10 21 Densidade do ar 600ºC cm g ar ar No gráfico de logNormal pegase o valor no eixo y 08 80 de eficiência e interpolase o ponto que equivale à curva 23 Chegase então à um valor de 27 no eixo x D50 d Então d D50 27 155 27 d 57 µm 30 Desempenho para ciclone Lapple modelo LogNormal D50 d y 08 80 de eficiência e interpolase o ponto que equivale à curva 23 Chegase então à um valor de 27 no eixo x D50 d Então d D50 27 155 27 d 57 µm Ex 2 Continuação 31 Isolando Bc na equação de d chegase Bc Dc4 1117 cm Logo Dc 447 cm Como não se tem o valor de u pegase o valor de projeto u 50 fts 1524 cms Número de ciclones bateria 6 82 ciclones n B H ft 50 ft min 5500 Q Q n c c 3 i t s Tem que se arredondar para cima 7 ciclones min vazão na entrada de cada ciclone 37081589cm s ou 7857 ft 7 Q Q 3 3 t i esta velocidad e de operação u com diâmetros iguais à D 447 cm com em paralelo operar 7 ciclones Lapple Devo 487 fts 14847 cms u Recalcular c S c u B 10 9 d o cálculo do D Para c 8 D Q 4 D 2 D Q B H Q 2 c i c c i c c i u 2 i 2 c 2 i i cm 354176 dyn P 4 onde u 315 2 Cálculo P cada ciclone P c i c D Q u RECALCULANDO QI e u Usar 000035 P Ex 2 Segundo a abordagem de Massarani min vazão na entrada de cada ciclone 37081589cm s ou 7857 ft 7 Q Q 3 3 t i c Devo operar 7 ciclones Lapple em paralelo com diâmetros iguais à D 4445 cm com esta velocidade de operação u150143 cms i i i 2 2 c c c c c Q Q Q 37081589 150143 cms D D D 4445 H B 2 4 8 8 u i c 2 2 i i i 2 2 4 Cálculo P cada ciclone u 23896 cms dyn P P 315 P 362212 369355 mm H O 26 2 cm 75 i c c T Q D u Q cv RECALCULANDO Qi 1 1 2 2 4 4 c d 57 10 000035 0095 0095 37081589 23 403 10 Novo D 4445 cm c c c S c D D D Q D RECALCULANDO Dc RECALCULANDO u