Sedimentacão - Apostilas - Engenharia_Parte1, Notas de estudo de Engenharia Química. Universidade Estadual do Norte Fluminense (UENF)
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GloboTV7 de Março de 2013

Sedimentacão - Apostilas - Engenharia_Parte1, Notas de estudo de Engenharia Química. Universidade Estadual do Norte Fluminense (UENF)

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Apostilas de Engenharia Química e de Alimentos sobre o estudo da Sedimentacão, separação sólido-líquido, critérios de classificação dos métodos de separação.
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UFSC – Universidade Federal de Santa Catarina Depto De Eng. Química e de Eng. De Alimentos EQA 5313 – Turma 645 – Op. Unit. de Quantidade de Movimento

OPERAÇÕES DE SEPARAÇÃO SÓLIDO-LÍQUIDO A etapa de separação sólido-líquido está entre as operações

unitárias mais importantes que hoje são empregadas em indústrias químicas, têxteis, farmacêuticas, no beneficiamento de minério, bem como no processamento de alimentos, tratamento de água e resíduos, entre outras, pois muitos dos produtos industriais são suspensões de sólidos em líquidos.

Existem dois critérios de classificação dos métodos de separação: a) Quanto ao movimento relativo das fases: Decantação: onde o sólido se move através do líquido em repouso.

Esta pode ser subdividida de acordo com a concentração da suspensão. A clarificação de líquidos envolve suspensões diluídas e tem como objetivo obter a fase líquida com um mínimo de sólidos. O espessamento de suspensões visa obter os sólidos com um mínimo de líquido, partindo de suspensões concentradas.

Filtração: operação na qual o líquido se move através da fase sólida estacionária.

b) Quanto a força propulsora As operações são gravitacionais, centrífugas, por diferença de

pressão ou eletromagnéticas. Então, com a combinação destes critérios, tem-se a seguinte

divisão: 1. Separação por decantação - Clarificação de líquidos - Espessamento de suspensões - Lavagem de sólidos 2. Decantação invertida (Flotação) 3. Separação centrífuga 4. Filtração

Separação por Decantação (Sedimentação Gravitacional)

Definida como o movimento de partículas no seio de uma fase

fluida, provocado pela ação da gravidade. Geralmente as partículas sólidas são mais densas que o fluido. O caso em particular que será estudado é o

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de partículas sólidas que decantam através de uma fase líquida, apesar de haver decantação de sólidos ou líquidos em gases.

A decantação pode ter como objetivo a clarificação do líquido, o espessamento da suspensão ou ainda a lavagem dos sólidos.

Clarificação do líquido: tem-se inicialmente uma suspensão com baixa concentração de sólidos para obter um líquido com um mínimo de sólidos.

Espessamento da suspensão: inicialmente se tem uma suspensão concentrada para obter os sólidos com uma quantidade mínima possível de líquido. Geralmente tem a finalidade de reduzir o tamanho de filtros ou de centrífugas. Um decantador pode funcionar como clarificador ou espessador.

Lavagem dos sólidos: é a passagem da fase sólida de um líquido para outro, para lavá-la sem filtrar (operação mais dispendiosa). Esse processo pode ser realizado em colunas onde a suspensão alimentada pelo topo é tratada com um líquido de lavagem introduzido pela base. A decantação das partículas sólidas realiza-se em suspensão de concentração praticamente constante. Porém são operações instáveis, pois existem escoamentos preferenciais intensos causados pelas diferenças locais de concentração. Uma alternativa é utilizar decantadores em série operando em contracorrente. Tipos de Decantação

A decantação pode ser livre ou retardada. No primeiro tipo as

partículas encontram-se bem afastadas das paredes do recipiente e a distância entre cada partícula é suficiente para garantir que uma não interfira na outra. Segundo Taggart, para que a sedimentação seja “livre” o número de colisões entre as partículas não pode ser exagerado, portanto pode-se ter sedimentação livre em suspensões concentradas.

A decantação retardada ou ainda decantação com interferência ocorre quando as partículas estão muito próximas umas das outras, sendo muito freqüente o número de colisões.

De um modo geral os fatores que controlam a velocidade de decantação do sólido através do meio resistente são:

- as densidades do sólido e do líquido; - o diâmetro e a forma das partículas; - a viscosidade do fluido. A viscosidade do fluido é influenciada pela temperatura, logo, dentro

de certos limites, é possível aumentar a velocidade de decantação através do aumento da temperatura. Porém, o diâmetro e as densidades são fatores mais importantes. É possível, antes da decantação, realizar uma etapa visando o aumento das partículas.

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A digestão e a floculação são dois métodos utilizados com o objetivo de aumentar o tamanho das partículas sólidas antes da decantação, etapa essencial no caso de sistemas coloidais (dispersão onde as partículas do disperso apresentam tamanho médio entre 1 e 100nm, exemplo: gelatina ou amido em água), pois neste estado a decantação é impossível, uma vez que o movimento browniano (movimento aleatório de partículas macroscópicas num líquido como consequência dos choques das moléculas do líquido nas partículas) e a repulsão elétrica entre as partículas anulam a ação da gravidade.

A digestão consiste em deixar a suspensão em repouso até que as partículas finas sejam dissolvidas enquanto as grandes crescem à custa das pequenas, na qual é utilizada no caso de precipitados. Isto ocorre devido a maior solubilidade das partículas menores com relação às maiores.

A floculação consiste em aglomerar as partículas à custa de forças de Van Der Waals (força de atração entre as moléculas), dando origem a flocos de maior tamanho que o das partículas isoladas.

Dois fatores estão relacionados com o grau de floculação de uma suspensão:

1. A probabilidade de haver o choque entre as várias partículas que vão formar o floco, que depende da energia disponível das partículas em suspensão. Portanto, uma agitação branda favorece os choques, aumentando o grau de floculação. Entretanto, a agitação não pode ser intensa devido a possível desagregação dos aglomerados formados;

2. A probabilidade de que, depois da colisão, elas permaneçam aglomeradas.

O uso de agentes floculantes aumenta a probabilidade dos aglomerados recém-formados não se desagregarem espontaneamente, são eles:

Eletrólitos: neutralizam a dupla camada elétrica existente nas partículas sólidas em suspensão, eliminando dessa forma as forças de repulsão que favorecem a dispersão. Assim as partículas podem aglomerar-se, formando flocos de dimensões convenientes. O poder aglomerante do eletrólito é diretamente proporcional a valência dos íons (regra de Hardy-Shulze).

Coagulantes: provocam a formação de precipitados gelatinosos capazes de arrastar consigo, durante a decantação, as partículas finas existentes em suspensão, como por exemplo na clarificação de águas, na qual é muito utilizado sais de alumínio (sulfato de alumínio) e de ferro.

Agentes tensoativos: decantam arrastando consigo os finos de difícil decantação.

Polieletrólitos: são polímeros de cadeias longas com um grande número de pontos ativos nos quais as partículas sólidas se fixam, formando flocos.

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A escolha do melhor floculante deve ser feita experimentalmente para cada caso específico.

A separação sólido-líquido através do método de sedimentação gravitacional é aplicada há bastante tempo. Antigamente utilizavam-se recipientes ou poços (processo em batelada) principalmente para a clarificação de líquidos extraídos tais como vinho ou azeite.

O processo em batelada é ainda praticado em indústrias que apresentam um baixo fluxo, porém plantas industriais maiores requerem a implementação de uma operação contínua. A tendência da implementação de processos contínuos começou no final do século 19 quando alguns processos de beneficiamento cresceram rapidamente, como por exemplo, o beneficiamento de minério de ferro e de carvão.

Em tratamento de água, a finalidade da decantação (clarificação) é transformar as impurezas que se encontram em suspensão fina, em estado coloidal ou em solução; bactérias, protozoários e o plâncton, em partículas maiores (flocos) que possam ser removidas por decantação e filtração. A clarificação representa uma parte bastante delicada e importante do tratamento de água e, se ela for falha, pode-se ter problemas bastante sérios nas operações seguintes. Dentre as partículas que se encontram na água provocando turbidez e cor, as que causam maiores dificuldades de remoção são as partículas coloidais.

Atualmente conhecemos como unidades clássicas de tratamento: Misturadores: unidade onde a água bruta recebe o coagulante.

Tem por finalidade proporcionar um movimento turbilhonar, a fim de que ocorra a dispersão da substância química empregada.

Acondicionadores (floculadores): são unidades onde a velocidade da água é diminuída para favorecer a formação do floco, promovendo o contato e a atração do material em suspensão.

Decantadores: após as operações de coagulação e floculação a etapa seguinte é a separação dos sólidos do meio no qual encontram-se suspensos. Isto é conseguido através da decantação e/ou filtração. Estas etapas do processo de clarificação não se constituem como processos independentes, mas sim complementares. A decantação objetiva a separação do material mais denso do que a água, enquanto que a filtração preocupa-se com partículas de densidade próxima a da água.

Filtros: seu objetivo básico é separar as partículas e microorganismos que não tenham ficado retidos no processo de decantação. Por esta razão a eficiência dos filtros depende diretamente do desempenho dos processos anteriores.

As indústrias de alimentos utilizam largamente operações unitárias fundamentadas nas operações físicas entre sólidos particulados e fluidos, como por exemplo:

- Processos de cristalização (separação dos cristais);

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- Produção de cerveja: etapa de fabricação do mosto (separação do precipitado protéico e dos componentes do lúpulo não solubilizados do mosto quente);

- Produção de vinho: após a prensagem, o mosto deve ser clarificado por sedimentação, filtração ou centrifugação com o objetivo de remover os sólidos. Na sedimentação o mosto é resfriado a 15ºC e deve repousar entre 12 a 48 horas;

- Processo de obtenção de açúcar de cana: A cana é inicialmente lavada, para remover a terra e os detritos, após é picada e esmagada em moendas, na preparação para a remoção do caldo e então, o caldo é extraído pela passagem da cana esmagada através de uma série de moendas. Para macerar a cana e auxiliar a extração, é possível adicionar água ou caldo diluído às moendas.

O caldo é coado para remover impurezas grossas e tratado com cal para coagular parte da matéria coloidal, precipitar certas impurezas e modificar o pH. Além do agente alcalinizante, utilizam-se polieletrólitos, pois em pequenas quantidades (1 ou 2 ppm) melhoram a floculação. Adiciona-se um pouco de ácido fosfórico, pois os caldos que não contêm um pouco de fosfato não são bem clarificados. A mistura é aquecida com vapor de água à alta pressão e decantada em grandes tanques (espessadores contínuos).

Para recuperar o açúcar dos lodos decantados, usam-se filtros a vácuo, a tambor rotatório ou filtro prensa de quadro. O filtrado (caldo clarificado) é evaporado tornando-se um xarope grosso. O xarope resultante é lançado no primeiro estágio de um evaporador a vácuo, onde atinge um determinado grau de supersaturação. Adicionam-se núcleos de açúcar cristal (semeadura) e pela adição de xarope grosso e evaporação controlada, os cristais crescem até o tamanho desejado nesses cristalizadores. A mistura de xarope e cristais (massa cozida) é lançada num cristalizador onde há uma deposição adicional de sacarose sobre os cristais já formados, e a cristalização está completa. Após a massa cozida é centrifugada para a remoção do xarope, esse xarope é reciclado para dar uma ou mais cristalizações. O líquido residual, depois da reciclagem, é conhecido como melaço.

A sedimentação também é uma das principais operações envolvidas no tratamento primário de efluentes, e considerando o volume representativo de água residuária produzido por indústrias, inclusive de alimentos, e a atual preocupação com o ambiente, este tratamento primário deve ser observado com grande importância.

Decantadores para Sólidos Grosseiros

A separação de sólidos grosseiros de uma suspensão é uma

operação mais simples de conduzir do que a de partículas finas. Esta separação pode ser realizada em tanques de decantação operando em batelada ou em processo contínuo. As partículas podem ser retiradas pelo

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fundo do decantador e o fluido um pouco acima, ou ambos pelo fundo, através de manobras adequadas. Porém, esses equipamentos não permitem a classificação dos sólidos pelo tamanho. Quando isto é necessário, se utilizam decantadores contínuos, cujos modelos mais comuns são:

Decantador de rastelos (Figura 1): a suspensão é alimentada num ponto intermediário de uma calha inclinada. Um conjunto de rastelos arrasta os grossos (decantados facilmente), para a parte superior da calha. Devido à agitação moderada promovida pelos rastelos, os finos permanecem na suspensão que é retirada através de um vertedor que existe na borda inferior da calha.

Figura 1. Decantador de rastelos Decantador helicoidal (figura 2): semelhante ao anterior, onde a

suspensão é alimentada num ponto intermediário de uma calha semicircular inclinada. A helicóide arrasta continuamente os grossos para a extremidade superior da calha. O movimento lento promovido pelo mecanismo transportador evita a decantação dos finos, que permanecem na suspensão sendo retirada através de um vertedor.

Figura 2. Decantador helicoidal

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Ciclone separador: a alimentação é feita tangencialmente na secção superior cilíndrica do ciclone por meio de uma bomba. Os finos saem pela abertura existente na parte superior e os grossos saem pelo fundo da parte cônica inferior, através de uma válvula de controle.

Hidroseparador: o mais conhecido é um tanque cilíndrico com fundo cônico e equipado com rastelos que giram lentamente.

Esses equipamentos funcionam como classificadores ou separadores de primeiro estágio, pois os finos devem ser retirados do líquido em decantadores de segundo estágio.

Decantadores para Sólidos Finos

A decantação de sólidos finos pode ser feita sem interferência mútua

das partículas (decantação livre) ou com interferência (decantação retardada). O tipo de decantação, de modo geral, depende da concentração de sólidos na suspensão. A velocidade de decantação pode ser calculada através de correlações empíricas para a decantação retardada e pelas leis de Stokes e Newton. O projeto de decantadores é baseado em ensaios de decantação realizados em laboratório devido ao desconhecimento das verdadeiras características das partículas. O tamanho dos flocos formados não é predito, sendo difícil até mesmo reproduzir com segurança as condições que conduzem a um determinado tipo de floculação. Nem a densidade das partículas é conhecida com certeza, uma vez que a forma dos flocos é indefinida e a quantidade de água retida é variável. Os ensaios de laboratório são conduzidos de maneira diferente quando se trata de solução diluída ou concentrada, estes permitem a obtenção das curvas de decantação da suspensão.

A sedimentação industrial pode ser operada descontinuamente ou ainda continuamente em equipamentos denominados tanques de decantação ou decantadores (clarificadores ou espessadores). O decantador em batelada (Fig. 3) é um tanque cilíndrico com aberturas para alimentação da suspensão e retirada do produto. O tanque é cheio pela suspensão e fica em repouso, sedimentando. Depois de um período pré-estabelecido, o líquido puro é decantado até que a lama apareça no fluido efluente. A lama é removida através de aberturas no fundo do tanque.

Os decantadores contínuos ( Figura 4) são tanques rasos, de grande diâmetro, onde operam grades que giram lentamente e removem a lama. A suspensão é injetada pela parte central do equipamento. Em torno da borda do tanque existem vertedores para a retirada do líquido límpido. As grades (ou rastelos) servem para raspar a lama, conduzindo-a para o centro, por onde é descarregada. O movimento das grades promove uma agitação na camada de lama, favorecendo a floculação e a remoção da água retida na lama. Os rastelos giram à razão de 1 rotação a cada 5 a 30 minutos.

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Figura 3. Esboço de um tanque de decantação

Figura 4. Esboço de um decantador contínuo.

A capacidade de um decantador depende da área de decantação. Quando áreas muito grandes são necessárias utilizam-se bacias de decantação que ficam diretamente no terreno ou decantadores de bandejas múltiplas (Fig. 5). Cada bandeja é ligeiramente inclinada e munida de rastelos presos ao eixo central.

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Figura 5. Decantador de bandejas múltiplas.

Dimensionamento de Clarificadores O projeto de decantadores se baseia na curva de decantação, que é

obtida através de um ensaio de decantação com uma amostra da suspensão diluída a ser clarificada. Se uma amostra previamente homogeneizada da suspensão for colocada num tubo de vidro graduado de seção constante (proveta) e deixada em repouso, verifica-se que, depois de um certo tempo, as partículas mais grossas depositam-se no fundo do tubo e as mais finas continuam em suspensão. As partículas intermediárias ficam distribuídas em diversas alturas de acordo com a sua granulometria. Ou seja, existe uma classificação espontânea das partículas ao longo da proveta. Cada partícula decanta com velocidade proporcional ao seu tamanho e a clarificação vai progredindo, mas não há uma linha nítida de separação entre a suspensão e o líquido clarificado. A única separação nítida é entre o sedimento sólido depositado no fundo e o resto da suspensão. Este comportamento é típico das suspensões diluídas.

A área de decantação ( S ) é obtida a partir de dados experimentais podendo ser calculada pela equação abaixo:

u AQS =

Onde:

AQ = vazão volumétrica da suspensão alimentada (m 3/h)

u= velocidade de decantação (m/h)

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Deve-se usar um coeficiente de segurança de 100% ou mais para

atender uma série de fatores imprevisíveis, como: escoamentos preferenciais, diferenças locais de temperatura que causam turbulência e consequentemente reciclagem dos sólidos, os distúrbios causados por variações bruscas das condições de operação (alimentação ou retirada de lama ou o escorregamento de grandes massas de lama) e algumas vezes até mesmo reações químicas e pequenas explosões decorrentes da decomposição de compostos.

A partir da curva de decantação (Figura 6) se obtém a velocidade de decantação. Durante o ensaio de decantação se mede a altura (Z ) dos sólidos depositados no fundo do recipiente graduado em diversos instantes e traça-se a curva Z versus θ .

Figura 6. Ensaio de decantação No instante θ a altura dos sólidos depositados é Z . Depois de certo

tempo fθ , a turbidez da suspensão será bastante pequena podendo considerar terminada a clarificação. A altura dos sólidos depositados até esse instante será fZ e a velocidade de decantação pode ser obtida pela equação abaixo:

f

fZZu θ −

= 0

Onde: Z = altura da interface do sólido - suspensão no instante θ a partir do início da decantação

0Z = altura inicial da suspensão na proveta

fZ = altura dos sólidos depositados no fundo do recipiente após o término da decantação

fθ = tempo no final da decantação

O emprego de floculantes provoca o aumento da velocidade,

conduzindo a menores áreas de decantação e, ainda, pode aumentar a

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