Aula 8: Separação no Campo Centrífugo - Hidrociclones

1 Disciplina Operações Unitárias III Profª Kássia G Santos Universidade Federal do Triângulo Mineiro UFTM Instituto de Ciências Tecnológicas e Exatas ICTE Curso de Engenharia Química 2017 AULA 8 Separação no campo Centrífugo Hidrociclones 2 Hidrociclone Svarovsky SolidLiquid Separation Cap 6 RP Peçanha Avaliação e desempenho de hidrociclones dissertação de Msc COPPEUFRJ 1979 MAP Silva Hidrociclones de Bradley dimensionamento e análise de desempenho dissertação de Msc COPPEUFRJ 1989 Introdução A primeira patente de um hidrociclone data de 1891 entretanto sua utilização industrial só começou por volta do final da década de 40 nas indústrias de extração e processamento de minério Desde então sua utilização foi difundida sendo atualmente um dos equipamentos de separação mais usados nas indústrias química petroquímica têxtil e metalúrgica entre outras 3 A suspensão no duto de alimentação dotada de energia de pressão é injetada tangencialmente no topo da parte cilíndrica do hidrociclone um movimento rotacional O campo centrífugo age diretamente nas partículas da suspensão forçandoas a moveremse em direção à parede do equipamento Na medida em que o líquido adentra a parte cônica do hidrociclone maiores são as velocidades da suspensão A seção disponível vai se reduzindo em direção ao orifício do underflow que é relativamente pequeno o que permite apenas parte da suspensão inicialmente alimentada no hidrociclone seja descarregada Sendo assim a parcela que não é descarregada no underflow migra para o centro do eixo do equipamento formando um vórtice interno ascendente com movimento rotacional inverso àquele criado pelo primeiro vórtice A maior parte da suspensão de alimentação deixa o hidrociclone através do tubo de diluído overflow Princípio de Funcionamento do Hidrociclone Grupos Adimensionais Relevantes 4 A descrição matemática da operação de escoamento em um hidrociclone é bastante complexa uma vez que ocorre escoamento eminentemente tridimensional radial axial e tangencial Esse fenômeno seria teoricamente bem descrito pelas equações da continuidade e do movimento Desta forma do ponto de vista matemático a resolução dessas equações seria complexa e ainda desconhecida Sendo assim grande parte dos estudos com hidrociclone temse fundamentado nos grupos adimensionais relevantes desse fenômeno para o caso de suspensões cujo líquido é um fluído newtoniano SVAROVSKY 2000 Os grupos adimensionais mais importantes no estudo com hidrociclones são os números de STOKES Stk50 EULER Eu e REYNOLDS Rey que estão respectivamente relacionados com o poder de classificação com os custos energéticos e com o tipo de escoamento 5 Stokes Euler Reynolds Poder de classificação Custos energéticos Tipo de Escoamento Grupos Adimensionais Relevantes 6 O conhecimento da perda de carga em hidrociclones é importante sendo necessário para estabelecer o consumo de energia do equipamento em operação As perdas de carga nos hidrociclones são da ordem de 30 a 70 kPa dependendo da vazão Perda de carga nos Hidrociclones 7 Dentre as principais aplicações dos hidrociclones podese destacar as seguintes a Espessamento que visa a eliminação da maior parte da água de uma suspensão b Deslamagem que tem a finalidade de eliminar as partículas mais finas Isto é freqüentemente necessário para melhorar o produto tendo em vista os tratamentos sucessivos como flotação separação magnética úmida filtração c Recuperação de sólidos de efluentes turvos em equipamentos de lavagem e espessamento 54 Hidrociclone 8 a Fracionamento a separação em duas frações para um tratamento posterior Um exemplo típico desta aplicação dos hidrociclones é o fracionamento de um concentrado de minério de ferro em alimentação para a sinterização partículas grossas e alimentação para a peletização partículas finas b Préconcentração se baseia na diferença de densidade entre os componentes minerais que podem ser enriquecidos usando hidrociclones c Recuperação de líquidos se existe a necessidade de reciclar a água de processo ou águasmães os hidrociclones podem fornecer uma clarificação satisfatória Hidrociclone 9 Hidrociclones com cone Filtrante para separação de rocha fosfática 10 Hidrociclones com cone Filtrante VIEIRA LG 2006 Separação líquidolíquido de uma mistura de glicerina e biodiesel 14 Fração volumétrica de glicerina Fração volumétrica de biodiesel 15 VANTAGENS DOS HIDROCICLONES a Simples de construir b Investimento pequeno e pequenos custos de instalação e manutenção c Espaço pequeno para instalação razão entre a área ocupada por um sedimentador e por um hidrociclone é 10000 a 100000 d Grandes forças cisalhantes produzidas internamente devido ao movimento de camadas concêntricas de fluidos de diferentes velocidades tangenciais Isto faz com que se quebrem os aglomerados e desta forma as partículas são classificadas de acordo com o seu tamanho individual DESVANTAGEM São bastante susceptíveis à abrasão 16 o i e 0 C Hidrociclone CBVDEMCO D D 0244 0313 L 0833 L 39 20 O catálogo do fabricante menciona a existência dos seguintes valores de D 2 3 4 4 8 e 12 Os valores de P se si c c c c D D D D in in in H in in tuam entre 20psi P60psi Hidrociclone CBVDEMCO Modelo mais utilizado industrialmente no Brasil 17 a Cálculo do d K0056 b Eficiência individual de coleta Peçanha 1979 2 D D 05 2 d d 1 D 2 d Massarani 12 4 d 0056 CV c c S D e D Q 4 CV P e volume de sólidos volume de sólidosvolume de líquido Concentração volumétrica de sólidos CV 12 d Equação Geral c L c s D K f R P D Q D d 2 1 Hidrociclone CBVDEMCO 18 c Eficiência Global de coleta Para o modelo GGS a solução analítica para o cálculo da eficiência global é facilmente obtida e vale 1 0 0 dX dX dD dD Se conheço o modelo tenho a distribuição de freqüência 2 2 2 k 2 2 2 d 2 k 1 2 2 d m m m k m d d m k Hidrociclone CBVDEMCO Para os modelos RRB e LogNormal não há solução analítica e sim numérica Assim deve se usar os gráficos e tabelas a seguir 19 Eficiência Global de coleta Modelo RRB Hidrociclone CBVDEMCO 20 Eficiência Global de coleta Modelo Log Normal Hidrociclone CBVDEMCO Ex 01 Hidrociclone Especificar uma bateria de hidrociclones CBVDEMCO 4H Dc 4 in para operar com 3000 lmin de uma suspensão aquosa de barita s 41 gcm3 com uma concentração de 15 em peso de sólidos Determinar também a eficiência global de coleta e a potência da bomba consumida no bombeamento D µ 84 111 158 216 294 X 018 024 034 049 064 P psi 55 35 25 Q1 lmin 375 300 250 Catálogo do Fabricante Dados da Análise Granulométrica Melhor Modelo GGS 02 1 μm 455 X m K m K D 0 94 cP 01 gcm e Fluido Água T 25ºC 3 Ex 01 Continuação 12 4 d 0056 CV c c S D e D Q 3 2 Qm s PmmH O Pot HP 75 050 Diâmetro de Corte d Sendo g de água 85 em peso de sólidos 15 g de sólidos 15 85 15 15 S S Cv suspensão cm 041 cm sólidos 0 85 01 14 15 14 15 3 3 Cv Cv Para cálculo da Potência HP Ex 01 Continuação 2 2 2 k 2 2 2 d 2 k 1 2 2 d m m m k m d d m k P psi Q1 lmin d m nº de hidrociclones Pot HP 55 375 149 699 8 645 35 300 167 662 10 328 25 250 183 629 12 195 Eficiência Global de Coleta Solução Analítica GGS nº de hidrociclones Q total Q1 Ex 01 Conclusões Para resolver este problema tem que se fazer um planejamento econômico para ver qual é a condição mais interessante Usando raciocínio lógico o último caso com 12 hidrociclones é o mais viável por apresentar uma menor potência de bombeamento HP o que o tornaria mais economicamente viável 25 O CONCEITO DE EFICIÊNCIA REDUZIDA RAZÃO DE LÍQUIDO RL relação entre as vazões volumétricas de líquido do underflow e da alimentação QU vazão volumétrica de suspensão no underflow Q vazão volumétrica de suspensão na alimentação cVU Concentração volumétrica de sólidos na suspensão do underflow cV Concentração volumétrica de sólidos na alimentação 1 1 U VU LU L LA V Q c Q R Q Q c C U L C D R B D O CONCEITO DE EFICIÊNCIA REDUZIDA Efeito T Mesmo que o hidrociclone não esteja separando devido a ação centrífuga uma certa quantidade de sólidos é removida no underflow numa razão igual a razão de líquido RL Isto acontece porque o hidrociclone age também como um divisor de fluxo tal como uma conexão tipo T 27 Eficiência Individual de coleta Eficiência no campo centrífugo A Eficiência global de coleta vazão mássica de sólidos no underflow na alimentação SU SU S S W W W e W 1 L L R I R exp 5 1 exp 5 146 D d D d O CONCEITO DE EFICIÊNCIA REDUZIDA Na equação de eficiência global são considerados todos os sólidos existentes no underflow até aqueles que não foram separados devido a ação do campo centrífugo I 1 0 I dX 28 i o e 0 1 3 4 Hidrociclone BRADLEY D 7 D 5 L L 68 3 9 L 2 007 015 3 10 Re 2 10 Re c c c c c U c c c D D D D D D D D u Hidrociclone Bradley 29 a Cálculo do d b Eficiência INDIVIDUAL de coleta Massarani 12 05 2 d 1 1 0016 1 173 48 1 38 1 c c S L v v D D Q R C C L f R 263 U 553 D U L L C D R R d D Hidrociclone Bradley P exp 5 1 exp 5 146 D d D d c Eficiência GLOBAL de coleta 1 0 1 0 Para o caso específico do modelo RRB neste Hidrociclone 113 0138 1 144 0279 L L I dX n D n d I R dX R D n d d Perda de carga entre a Alimentação e a descarga do overflow 2 2 7500 7500 lembrando que 2 4 C C C P Q u u D Hidrociclone Bradley 31 o i e 0 0 3 3 Hidrociclone RIETEMA D D 1 028 3 L 04 L 5 10 20 010 030 5 10 Re 5 10 Re c c c c U c c c D D D D D D D u Hidrociclone Rietema 32 a Cálculo do d b Eficiência INDIVIDUAL de coleta Massarani 12 05 2 d 1 1 0039 1 173 48 1 38 1 c c S L v v D D Q R C C 475 145 U L C D R D Hidrociclone Rietema exp 5 1 exp 5 146 D d D d f RL P 33 2 2 1200 1200 sendo 2 4 C C C P Q u u D c Eficiência GLOBAL de coleta REDUZIDA mesma do Bradley d Perda de carga entre a Alimentação e a descarga do overflow Hidrociclone Rietema 1 0 1 0 Para o caso específico do modelo RRB neste Hidrociclone 113 0138 1 144 0279 L L I dX n D n d I R dX R D n d 34 Segundo LOPES 1998 o diâmetro da parte cilíndrica Dc de um hidrociclone é definido em função do diâmetro das partículas que se pretende separar Ex 02 Hidrociclone Desejase estimar a concentração no underflow g de solução L de suspensão de uma suspensão aquosa de barita 180 g sólidos L de suspensão alimentada que pode ser obtida na operação de uma bateria de hidrociclones BRADLEY em paralelo com Dc 5 cm de diâmetro operando com uma queda de pressão de 5 atm e com Du Dc 015 3 3 gcm 24 cP e 80 01 gcm Físicas Prop S Análise Granulométrica RRB 51 12 μm 1 exp X n D n D D a Diâmetro de corte d 12 05 2 d 1 1 0016 1 173 48 1 38 1 c c S L v v D D Q R C C Ex 02 Continuação Razão de líquido RL 263 263 553 553 015 0377 u L c L L D R D R R Para achar Q 6 2 1013 10 dina cm 5 atm 1 atm 3675cm s 7500 10 2 2 c P u 2 2 3 5 cm 3675 7216 4 4 c c D cm cm Q u Q s s suspensão cm 0 0429 cm sólidos cm 1000 24 180 3 3 3 cm3 Cv Cv g g Cv base de cálculo 1L de susp 1000 cm3 Ex 02 Continuação a Diâmetro de corte 4 23 10 cm 23 m 12 52 23 d D d b Para achar a eficiência global de coleta devido ao campo centrífugo I 12 05 2 d 1 1 0016 1 173 48 1 38 1 c c S L v v D D Q R C C 113 0138 0865 144 0279 n D n d I D n d Para Modelo RRB c Para achar a eficiência global 1 1 0377 0865 0377 0916 L L u R I R Ws Ws 3 3 180 g sólidos cm suspensão 7216 12989 1000 cm suspensão seg g Ws Ws s 0916 12989 11893 u g Ws s Vazão mássica de sólidos na alimentação Vazão de sólidos no underflow Vazão líquida na alimentação QL e no underflow QLu 3 3 3 3 cm susp cm líq cm líq 1 7216 1 00429 69069 s cm susp L v L Q Q C Q s 3 cm líq 0377 69069 26009 L Lu L Q R Q s d Concentração de sólidos em gL no underflow C 3 g sólidos seg 3 3 cm líquido cm sólidos seg seg 11893 C 11893 26009 42 g sólidos g sólidos 0412 412 cm suspensão L suspensão C Equipamentos ciclônicos em Paralelo Vazão Potência do soprador ou bomba 40 3 1 1 2 Q m s P mmH O Pot HP 75 n 1 1 Se os ciclones em paralelo são iguais n total i i total Q Q Q n Q Equipamentos ciclônicos em Série 41 O sistema em série opera à mesma vazão Potência do soprador ou bomba série 1 2 n 3 1 série 2 P P P P Desta maneira a potência associada do sistema será Q m s P mmH O Pot HP 75 1 total n Q Q Q