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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ
INSTITUTO DE TECNOLOGIA - ITEC
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
Separação Sólido - Líquido
Arley Henrique de Souza Luz
Moysés P. Mufarrej
Waldemilson Correia da Silva
Belém
Maio/2010
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Separação Sólido - Líquido, Notas de estudo de Engenharia Química
Espessadores são tanques de sedimentação empregados em um tipo particular de separação sólido-líquido, separação esta que é denominada de espessamento. Tais espessadores fazem uso da diferença de massa específica entre a fase líquida e as partículas sólidas que estão suspensas na referida fase líquida.
Tipologia: Notas de estudo
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ
INSTITUTO DE TECNOLOGIA - ITEC
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
Separação Sólido - Líquido
Arley Henrique de Souza Luz Moysés P. Mufarrej Waldemilson Correia da Silva
Belém Maio/
Arley Henrique de Souza Luz Moysés P. Mufarrej Waldemilson Correia da Silva
Separação Sólido - Líquido
Trabalho sobre Separação Sólido – Líquido, da disciplina Tecnologia Metalúrgica, ministrado pelo Mestrando: Engº Lúcio da Silva Barboza Filho, Orientador: Prof. Dr. Eduardo de Magalhães Braga.
Belém Maio/
- INTRODUÇÃO
- ESPESSAMENTO
- SEDIMENTAÇÃO
- FATORES QUE AFETAM O ESPESSAMENTO
- 4.1. NATUREZA DAS PARTÍCULAS
- 4.2. EFEITO DE CONCENTRAÇÃO
- 4.3. PRÉ-TRATAMENTO
- 4.4. TANQUE DE SEDIMENTAÇÃO
- TIPOS DE ESPESSADORES
- 5.1. ESPESSADOR CONTÍNUO CONVENCIONAL
- 5.2. ESPESSADOR DE ALTA CAPACIDADE
- 5.3. ESPESSADOR DE LAMELAS
- DIMENSIONAMENTO DE ESPESSADORES
- 6.1. MÉTODO DE COE E CLEVENGER
- 6.2. MÉTODO DE KYNCH
- 6.3. MÉTODO DE ROBERTS
- 6.4. MÉTODO DE TALMADGE E FITCH
- FILTRAÇÃO
- PROCESSOS DE FILTRAÇÃO
- FATORES QUE INFLUENCIAM A FILTRAÇÃO
- 9.1. VISCOSIDADE
- 9.2. TEMPERATURA
- 9.3. ESPESSURA
- 9.4. LAVAGEM
- 9.5. O TAMANHO DA PARTÍCULA
- 9.6. O MEIO FILTRANTE
- 9.7. CONCENTRAÇÃO DE SÓLIDOS
- TESTE EM ESCALA DE LABORATÓRIO.................................................................
- MEIOS FILTRANTES
- AUXILIADORES DE FILTRAÇÃO
- EQUIPAMENTOS DE FILTRAÇÃO
- 13.1. FILTROS DE PRESSÃO
- 13.2. FILTRO PRENSA
- 13.3. FILTROS A VÁCUO
- 13.4. FILTROS CONTÍNUOS A VÁCUO
- CONCLUSÃO...................................................................................................................
- REFERÊNCIAS BIOGRÁFICAS
1. Introdução
Espessadores são tanques de sedimentação empregados em um tipo particular de separação sólido-líquido, separação esta que é denominada de espessamento. Tais espessadores fazem uso da diferença de massa específica entre a fase líquida e as partículas sólidas que estão suspensas na referida fase líquida. No âmbito da tecnologia mineral, o espessamento é utilizado para aumentar a concentração de sólidos de polpas até valores convenientes para operações subseqüentes, como bombeamento, filtragem ou condicionamento com reagentes de flotação. Deste modo, a função dos espessadores é a de receber uma polpa diluída e gerar um produto (underflow) que exibe maior concentração de sólidos que a alimentação. Um segundo produto, (overflow), exibe concentração de sólidos menor que aquela apresentada pela alimentação. Via de regra, tal produto constitui a fase líquida clarificada.
Entre as múltiplas opções oferecidas pela operação de separação de fases, este capítulo restringe-se às suspensões sólido-líquido e aos aspectos relacionados ao projeto e análise do desempenho de alguns equipamentos tradicionais para o espessamento e a filtração.
No que se refere ao espessamento, será abordada a sedimentação contínua tanto no campo gravitacional como no campo centrífugo moderado resultante do escoamento da suspensão na configuração geométrica peculiar do hidrociclone.
O diâmetro de espessadores industriais é dimensionado através de determinadas técnicas, as quais são baseadas no estudo do comportamento da sedimentação de partículas sólidas no meio aquoso. Tal estudo é executado em bateladas, embora a unidade industrial opere em escala contínua. Essas técnicas, apesar de seu largo uso, apresentam deficiências em função das muitas variáveis do processo de espessamento e, também, da complexidade dos mecanismos de sedimentação de partículas sólidas em meio fluido. O presente trabalho teve por objetivo aplicar três metodologias convencionais (Fluxo de Sólidos ou Metcalf-Eddy, Talmadge-Fitch e Roberts) para validar o dimensionamento de um espessador industrial, que já se encontra em operação, comparando o diâmetro calculado pelas técnicas convencionais com o diâmetro real do equipamento industrial. Tal comparação se justifica, não somente como validação das técnicas tradicionais de dimensionamento, como também para discussão sobre fatores de escalonamento utilizados em projetos de espessadores industriais.
- espessamento de rejeitos com concentração de sólidos elevada, visando transporte e descarte mais eficazes;
- recuperação de água para reciclo industrial;
- recuperação de sólidos ou solução de operações de lixiviação, utilizados em processos hidrometalúrgicos.
3. Sedimentação
A operação de sedimentação é baseada em fenômenos de transporte, onde a partícula sólida em suspensão está sujeita à ação das forças da gravidade, do empuxo e de resistência ao movimento. O mecanismo da sedimentação descontínua auxilia na descrição do processo contínuo, com o uso do teste de proveta, que é baseado no deslocamento da interface superior da suspensão com o tempo, conforme ilustra a figura abaixo. Durante esse teste pode ser observada, após um tempo, a existência de cinco regiões distintas: a região de líquido clarificado, a de sedimentação livre e a de compactação. Algumas considerações físicas devem ser estabelecidas, a fim de caracterizar cada região: A- Líquido clarificado: no caso de suspensões que decantam muito rápido esta camada pode ficar turva durante certo tempo por causa das partículas finas que permanecem na suspensão; B- Suspensão com a mesma concentração inicial: a linha que divide A e B é geralmente nítida; C- Zona de transição: a concentração da suspensão aumenta gradativamente de cima para baixo nesta zona, variando entre o valor inicial até a concentração da suspensão espessada. A interface BC é, de modo geral, nítida; D- Suspensão espessada na zona de compressão: é a suspensão onde os sólidos decantados sob a forma de flocos se encontram dispostos uns sobre os outros, sem atingirem a máxima compactação, uma vez que ainda existe líquido entre os flocos. A separação entre as zonas C e D geralmente não é nítida e apresenta diversos canais através dos quais o líquido proveniente da zona em compressão escoa. A espessura desta zona vai aumentando durante a operação; E- Sólido grosseiro: foram sólidos que decantaram logo no início do ensaio. A espessura desta zona praticamente não varia durante o ensaio.
A figura mostra também a evolução da decantação com o tempo. As zonas A e D tornam-se mais importantes, enquanto a zona B diminuiu e C e E permaneceram inalteradas. Ao final do processo B e C desapareceram, ficando apenas o líquido clarificado, a suspensão em compressão e o sedimento grosso. Este é também chamado ponto de compressão, ou ponto crítico. A zona A aumenta enquanto que a zona D diminui lentamente até a superfície de separação das camadas A e D atingirem o valor. Este valor mínimo não corresponde necessariamente à concentração máxima da suspensão decantada, pois é possível, com agitação apropriada, reduzir ainda mais a altura da lama espessada.
Decantações de suspensões concentradas.
4. Fatores que Afetam o Espessamento
A eficiência de um espessador é encontrada pela razão de seu espessamento expressos pela unidade de sólidos espessados por área ao dia e pela qualidade dos produtos obtidos, isto é, Pela quantidade de sólidos prestes no “overflow” e no “underflow”. A sedimentação de uma suspensão aquosa de partículas ou flocos pode sofrer a influencia de fatores tais como:
- a natureza das partículas, como distribuição de tamanhos, forma, densidade específica, propriedades químicas e mineralógicas etc.;
- a quantidade de sólidos na suspensão;
- pré-tratamento da suspensão, para auxiliar na sedimentação;
- dimensões do tanque de sedimentação.
4.4. Tanque de Sedimentação
A geometria e as dimensões do tanque têm influência no processo de sedimentação; a existência de paredes ou obstáculos no trajeto da partícula promove a redução da taxa de sedimentação. A altura de suspensão no tanque não altera a taxa de sedimentação nem a concentração de sólidos na lama ao final do teste, porém se a concentração de sólidos é muito alta, é importante que o tanque seja alto o suficiente para que o processo de sedimentação aconteça livremente, sem que as partículas sejam indevidamente desaceleradas devido ao fundo do tanque.
5. Tipos de Espessadores
A capacidade de uma unidade de espessamento é diretamente proporcional à sua área e é usualmente determinada em função da taxa de sedimentação dos sólidos na suspensão, que independe da altura de líquido. A polpa, na sedimentação, passa através de zonas de concentração de sólidos variável entre a da alimentação e da descarga final; consequentemente, nas zonas intermediárias existentes entre esses limites de concentração, cada partícula encontrará diferentes taxas de sedimentação e a zona que exibir a menor taxa de sedimentação será a responsável pelo dimensionamento da unidade.
A capacidade de uma unidade contínua de espessamento está baseada na sua habilidade em processar suspensões, tanto na função de espessador quanto de clarificador. A área da unidade controla o tempo necessário para que ocorra a sedimentação dos sólidos através do líquido, a uma dada taxa de alimentação do mesmo e é importante na determinação da capacidade de clarificação do equipamento. A altura da unidade controla o tempo necessário para o espessamento da polpa para uma dada taxa de alimentação dos sólidos e é importante na determinação da capacidade de espessamento da unidade.
No projeto das unidades de espessamento, a relação entre altura e diâmetro é importante apenas para avaliar se o volume do tanque proporcionará um tempo de sedimentação necessário aos objetivos do equipamento, considerando fatores como eficiência operacional e projeto mecânico.
Os tipos de espessadores variam em função da geometria ou forma de alimentação do equipamento. Basicamente são tanques de concreto equipados com um mecanismo de
raspagem, para carrear o material sedimentado até o ponto de retirada, o que corresponde ao maior custo do equipamento. Os braços raspadores são acoplados à estrutura de sustentação do tubo central de alimentação da suspensão e devem ser projetados baseados no torque aplicado ao motor. Devem também ter flexibilidade para suportar diferentes volumes e tipos de cargas impostas.
5.1. Espessador Contínuo Convencional O espessador contínuo convencional consiste em um tanque provido de um sistema de alimentação de suspensão e outro de retirada do espessado (raspadores), dispositivos para descarga do overflow e do underflow. Esse tipo de espessador contínuo é o mais utilizado industrialmente; maiores detalhes sobre a sua estrutura e mecanismos de operação podem ser vistos no esquema abaixo:
Esquema operacional de um espessador contínuo convencional
5.2. Espessador de Alta Capacidade
Esse tipo de espessador é bastante semelhante ao contínuo convencional, porém com alguma modificação estrutural de projeto - seja por meio da inserção de lamelas ou modificação no posicionamento da alimentação da suspensão, entre outras – que promove o aumento da capacidade do equipamento. Uma das vantagens desse equipamento, além de aumentar a capacidade, é promover um aumento na área de espessamento, sem que seja aumentando o seu diâmetro. Este fato é muito atraente industrialmente, especialmente no que diz respeito ao espaço necessário para a montagem dos mesmos.
6. Dimensionamento de Espessadores
u = dz / dθ
6.1. Método de Coe e Clevenger
A área de um espessador deve ser suficiente para permitir a decantação de todas as partículas alimentadas.
Hipóteses:
- A velocidade de sedimentação é função da concentração local : u = f(C);
- As características essenciais do sólido não se alteram quando se passa para o equipamento de larga escala.
Para que não haja arraste de partículas sólidas na direção do vertedor, a velocidade ascensional do líquido nesta seção limite deverá ser menor do que a velocidade de decantação das partículas.
Q - QE = Vazão de líquido claro que sobe pelo decantador nesta seção. Se a área for insuficiente começará a haver acúmulo de sólidos numa dada seção do espessador e finalmente haverá partículas sólidas arrastadas no líquido clarificado. Esta Seção → Zona Limite.
Como QA. CA = Q.C = QE. CE
Onde: S = Área de decantação (m^2 ); QA = Vazão volumétrica da suspensão (m^3 /s); CA = Concentração de sólidos na suspensão (Kg/m^3 ); CE = Concentração de sólidos na lama (Kg/m^3 ); C = Concentração na zona limite (Kg/m^3 ); u = Velocidade de decantação na zona limite (m/s).
⇒ C e u: São determinados experimentalmente.
⇒ S: Diversos cálculos são realizados com pares de valores de C e u.
O maior valor de S será a área mínima do decantador!
6.2. Método de Kynch
Consiste em fazer um ensaio que forneça a curva de decantação:
z
t
- Calculam-se diversos pares (C, u) a partir da curva de decantação;
- Calcula-se:
- O máximo valor de S será a área do decantador.
- Localizar:
- Ler θE
- Calcular a área, que por dedução através das 3 equações do método de Roberts resulta em :
7. Filtração
A Filtração é um processo unitário que consiste na separação de uma fase sólida de uma fase liquida. Basicamente uma operação de separação de sólidos presentes em uma polpa na qual a fase liquida chamado filtrado, é compelida a passar através de um meio poroso, este denominado meio filtrante, ao passo que a fase sólida, nomeada torta de filtração, firma uma camada sobre a superfície do meio poroso.
8. Processos de Filtração
No processo de filtração por gravidade ocorre quando o liquido escorre pelo meio filtrante (meio poroso) apenas pelo efeito de pressão hidrostática. Caso esta filtração ocorra sob uma pressão alta em relação à atmosférica será denominada de filtração sob pressão, ou e uma pressão baixa, denominando-se filtração a vácuo. E por fim, a filtração centrifuga, quando há forças centrifugas sendo aplicadas no meio filtrante.
A filtração é uma importante fase do processamento industrial mineral. Neste setor, esta operação é muito utilizada para a recuperação de sólidos e para a obtenção de líquidos clarificados devido aos seus respectivos valores econômicos.
9. Fatores que influenciam a filtração
9.1. Viscosidade A viscosidade da polpa a ser filtrada deve ser inversamente proporcional à razão da filtração. Em uma determinada fase liquida, a alta viscosidade pode ser reduzida diluindo- se com um solvente de baixa viscosidade, conseqüentemente, melhorando a velocidade de filtração.
9.2. Temperatura A velocidade de filtração de polpa é marcante com o efeito da temperatura, principalmente relacionando-se com a viscosidade. De um modo geral, temperatura viscosidade estão intimamente relacionadas nos trabalhos de filtração. Em grande parte dos líquidos, por exemplo, o aumento de temperatura provoca certo decréscimo da viscosidade dando maior eficiência na filtração.
9.3. Espessura A espessura é de extrema importância no dimensionamento de um filtro e dela depende o ciclo de operação, pois a velocidade média de filtração para uma dada quantidade de filtrado ou de torta é inversamente proporcional ao quadrado da espessura da torta no final da filtração.
9.4. Lavagem Com a torta retida no leito filtrante, após a etapa de filtração, inicia-se a operação de lavagem utilizando-se água nova ou outro liquido compatível com o sistema. O objetivo desta operação é remover ou reduzir em nível desejado o volume de filtrado residual e/ou sólidos retidos na torta, no caso de especificação do sólido ou para a recuperação máxima de filtrado. A velocidade de lavagem da torta do filtro é inversamente proporcional à espessura da desta torta. A eficiência de lavagem muitas vezes não é afetada pela espessura da torta, desde que esta esteja estável.
equipamentos relativamente simples, de pequena escala e de fácil montagem. (Figura caso seja necessário)
Figura – Primeira etapa do ensaio de teste de folha (formação da torta).
Figura – Segunda etapa do ensaio de teste de folha (secagem).
Os testes de folhas são empregados na necessidade de se prever o desempenho de filtros de tambor ou de discos e filtros planos, por isso devem ser conduzidos de forma a simular com detalhes a operação destes equipamentos. Deve-se iniciar um programa de ensaios de filtragem com uma série de ensaios preliminares, visando observar a ordem de grandeza do tempo de formação da torta e de desaguamento ou secagem e o nível de vácuo e seleção dos meios filtrantes que possam fornecer os resultados desejados.
Recipiente com a suspensão aquosa
As condições geralmente estudadas nos ensaios são: temperatura da polpa; concentração de sólidos em suspensão; tratamento prévio da polpa; nível de vácuo; lavagem e outros fatores que venham ser de interesse. Dados adquiridos nos testes de folha são: tempo total de filtração; volume de filtrado; espessura e uniformidade da torta; massa de torta formada; teor de unidade de torta e o nível de vácuo, além da velocidade e a eficiência de lavagem, o comportamento da torta na secagem, a ocorrência de rachaduras na torta, as características de descarga, o pH do filtrado, a compatibilidade química do meio filtrante e a tendência do filtrado a formar espuma. É necessário que todos os ensaios sejam executados em situações que simulem as condições de operação em escala industrial. Os resultados obtidos nos testes de folha são expressos em peso de sólido seco ou volume de filtrado, por unidade de área ou por ciclo, que é a razão de filtragem. Essa grandeza, multiplicada pelo número de ciclos por dia, permite o cálculo da área do filtro necessária para processar e obter uma capacidade diária de uma determinada escala de produção. No cálculo do ciclo da filtragem, devem ser considerados os tempos de carga, descarga, troca de tecidos, manutenção e previsão de expansão (Chaves, 1996).
11. Meios Filtrantes
A escolha do meio filtrante é de grande importância para que se possa obter uma operação de filtração satisfatória. Um meio filtrante adequado deve contemplar sua capacidade de retenção dos sólidos a serem separados do liquido durante um período aceitável e sua compatibilidade com o meio no qual irá trabalhar. Para isso basta-se observar as seguintes características ao selecionar um meio filtrante: a) Redução máxima da passagem de sólidos através dos poros no inicio da filtração; b) Apresentar a mínima resistência à passagem do liquido; c) Ter compatibilidade química com o meio; d) Apresentar resistência mecânica para agüentar a pressão de operação; e) Apresentar mínimo desgaste mecânico; f) Possuir facilidade para descarregar a torta; g) Baixo custo;