EQ651 – Operações Unitárias I

Transcrição

Capítulo V – Sedimentação
EQ651 - Material Elaborado pelas Profas. Katia Tannous e Sandra C.S. Rocha
EQ651 – Operações Unitárias I
1
alimentação
O processo de sedimentação mais
comum consta da separação sólidofluido, sob ação da gravidade, em
geral efetuada em tanques de secção
cilíndrica ou retangular denominados
de sedimentadores.
A operação consiste em concentrar
suspensões de sólidos em líquidos ou
purificar o líquido. Pode ser realizada
em batelada (um simples tanque) ou
em equipamento contínuo.
Sedimentação
Extravasante
(overflow)
lodo ou lama (underflow) slurry
Filtração ou centrifugação
2
Finalidades
A depender do objetivo, essa operação é denominada:
Clarificação
obtenção de um extravasante limpo
Ex: tratamento d'água e lodo com baixas
concentrações envolvidas
Espessamento
obtenção de uma suspensão mais
concentrada
Ex: indústrias químicas e as concentrações
envolvidas são moderadas.
3
Imagens de um Sedimentador
(http://www.enq.ufsc.br/disci/eqa5313/topicos.html)
4
Unilever Arg. - Buenos Aires – AR
Camara de aeração - Sed. secundaria.
(http://www.lockwood-ar.com.ar/equipamiento1.htm)
5
PETROBRAS - Amazonas - BR
Tratamento de salmora oleosa.
(http://www.lockwood-ar.com.ar/equipamiento1.htm)
6
Greater Nile Petroleum - Muglad
Sudan Republic. Celda IAF
Cálculo da Área (ou capacidade) e Altura do Sedimentador
Esses cálculos baseiam-se classicamente nos testes de proveta.
Se a solução for “bem comportada” (partículas de tamanho uniforme)
aparecem na proveta 4 regiões distintas.
Distância da interface à base da proveta
Região 4
Região clarificada
Região concentrada constante
Região de concentração variável
Região de sedimento
Região
3
Pto crítico
Região 2
Região 1
tempo sedimentação
* Região 3 ausente em sedimentador contínuo
7
Projeto do Sedimentador
Variáveis no Sedimentador
Valores típicos das variáveis no sedimentador:
¾ Conc. sólidos na alimentação:
1 a 10% em peso
¾ Conc. sólidos no lodo:
5 a 70% em peso
¾ Raio do sedimentador:
até 100m
¾ Altura do sedimentador:
até 10m
¾ Número de rotações do raspador: 2 a 30rot/h
¾ Dimensão partículas sólidas:
> 50 µm
8
Cálculo da Área do Sedimentador
F – vazão de alimentação, [L3/θ]
L – vazão de suspensão descendente, em um nível qualquer do
sedimentador, [L3/θ]
V – vazão de líquido ascendente, em um nível qualquer do
sedimentador, [L3/θ]
U – vazão de lama que deixa o sedimentador, [L3/θ]
c – concentração de sólidos, [L3 sólido/L3 suspensão]
c0 – na alimentação
ce – na lama espessa
A – área da seção transversal do sedimentador, [L2]
9
Admite-se que o extravasante (overflow) não contenha sólidos.
Balanço de massa de sólidos:
F. c0 = L.c =U. ce
U = L (c/ce)
(1)
F.c0
L.c
U.ce
10
L(1-c) V
L(1-c) = V + U(1-ce)
aplicando o balanço de massa de sólidos:
L(1 − c) − L.
U(1-ce)
(2)
c
.(1 − c e ) = V
ce
1

1 1
1
+ 1 = L.c. −
V = L.c. − 1 −
ce
c

 c ce
(3)
 (4)


11
Balanço de líquido entre um nível qualquer e a saída do
sedimentador:
F .c 0
V
=
A
A
1
1
.  −
ce
c
V
=v
A
v=
F.c 0
A
1 1
 −
 c ce



(5)
(6)



( velocidade de ascensão do líquido )



(7)
ou
F.c 0
A=
v
1 1
 −
 c ce



(8)
12
1 1
L.c = F.c 0 → V = F.c 0 . −
 c ce
ascensão do líquido, v, não exceda a velocidade de sedimentação
do sólido. Os valores de A devem ser calculados para toda a gama
de concentrações presentes e o projeto deve se basear no maior
valor de A obtido.
Classicamente, c x v é determinado através de teste de proveta em
duas versões, ambas empregando a interface da região clarificada e
a de concentração constante.
13
Para que o overflow seja límpido é necessário que a velocidade de
Sedimentação em Proveta
14
Zona C: distribuição variável de tamanho e concentração não uniforme
Zona B: concentração uniforme proporcional a concentração inicial
(divisão nítida, quando as partículas são uniformes)
Zona A: Líquido límpido.
Após o ponto de sedimentação crítico: o processo é de uma compressão
Zona D: partículas mais pesadas: sedimentação mais rápida
lenta dos sólidos com a expulsão do líquido retido para a região límpida.
* Num equipamento contínuo, as mesmas zonas estão presentes
15
O dimensionamento pode ser feito por vários métodos:
a)
b)
c)
d)
COE e CLEVENGER
KYNCH
TAHMADGE E FITCH
ROBERTS
a) Versão Coe e Clavenger
Testes de provetas a diferentes concentrações iniciais, c, medindo-se a
velocidade de sedimentação, v.
16
Métodos
b)Versão Kynch
Um único teste com concentração inicial igual à alimentação
do sedimentador, medindo-se θ, z e zi..
Altura da
zo
interface
c=
zi
c 0 .z 0
zi
zi − z
v=
θ
z
θ tempo
17
A altura do sedimentador está intimamente relacionada com a
capacidade de compactação. É feita uma “estimativa” da região de
compactação do sedimentador contínuo.
H=
volume sólidos + volume líquidos
A
H=
1
[Fco t + Fco tx ]
A
onde
(na região de
compactação)
volume líquido 

x=
 volume sólido  médio
t =tempo de residência do sólido na região
de compactação
18
Cálculo da Altura do Sedimentador
Fco t
[1 + x ]
H=
A
Desse modo:
Pode-se provar facilmente que:
vol. líq. vol. sól. + vol. líq.
1+ x = 1+
=
vol. sól.
vol. sól.
1+ x = 1+
vol. líq. vol. suspensão 1
=
=
vol. sól.
vol. sól.
y
vol. sól.
y=
vol. suspensão
onde y = fração volume sólida
19
y=
ρsusp − ρf
ρs − ρ f
Então:
ρs − ρ f
1+ x =
ρsusp − ρf
Fc0 t  ρs − ρf 
H=


A  ρsusp − ρf 
20
ρsusp = y.ρs + (1 − y).ρf = y.ρs + ρf − ρf y = y(ρs − ρf ) + ρf
→ ρsusp ≈ ρlodo compactado
Na realidade, H > Hcalc, pois
→ ρsusp. < ρlodocomp.
4 Fc0 t  ρs − ρf 
H= .
3 A  ρlodo − ρf 
fator de correção
Resta obter o tempo de residência t, desde o início da compactação até
que se atinja a concentração final.
21
ρsusp é de difícil determinação
Procedimento sugerido por Coulson & Richardson:
(sedimento com a composição
desejada)
A altura total do sedimentador é normalmente tomada como sendo 2H.
(Coulson e Richardson, Tecnologia Química - Operações Unitárias, 1968 )
22
Determinação do ponto crítico através do gráfico logz x logθ
23

EQ651 – Operações Unitárias I

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