OPERAÇÕES UNITÁRIAS. Prof a Dr a Maria Cristina Rizk

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1 OPERAÇÕES UNITÁRIAS Prof a Dr a Maria Cristina Rizk 2018 crisrizk@fct.unes.br htt://docs.fct.unes.br/docentes/lan/crisrizk/

2 OPERAÇÕES MECÂNICAS Fragmentação de sólidos; Oerações envolvendo sólidos granulares Transorte de sólidos; Mistura de sólidos; Sólidos de sólido; Peneiramento Searação hidráulica (arraste elutriação) Decantação Oerações com sistemas sólidofluido Sólido de líquidos; Flotação (borbulhamento de ar) Floculação (sulfato de alumínio aglutinação flocos) Searação centrífuga Filtração Sólidos de gases Centrifugação (ara gases - ciclones) Filtração (ara gases - filtros manga) Oerações envolvendo sistemas fluidos Líquidos de líquidos Bombeamento de líquidos; Mistura e agitação de líquidos; Decantação Centrifugação

3 Sólido articulado: um material comosto de materiais sólidos de tamanho reduzido (artículas). O tamanho equeno das artículas ode ser uma característica natural ou ode ser devido a um rocesso révio de fragmentação.

4 Pós: artículas de 1 µm até 0,5 mm Sólidos granulares: artículas de 0,5 a 10 mm Granulometria é o termo usado ara caracterizar o tamanho das artículas de um material. Distinguem-se elo tamanho cinco tios de sólidos: Blocos equenos: 1 a 5 cm Blocos médios: 5 a 15 cm Blocos grandes: maiores que 15 cm

5 Esfericidade e diâmetro equivalente Densidade Dureza Os arâmetros de forma mais utilizados são: Fragilidade Asereza Porosidade Densidade aarente

6 Esfericidade: a forma de uma artícula ode ser exressa ela esfericidade (), que mede o afastamento da forma esférica. Densidade: ermite classificar os sólidos nas seguintes classes: Leves ( < 500 kg/m 3 ) serragem, turfa, coque Intermediários (550 < < 1000 kg/m 3 ) rodutos agrícolas Médios (1000 < < 2000 kg/m 3 ) areia, minérios Muito esados ( > 2000 kg/m 3 ) minérios de ferro ou chumbo Dureza: nos lásticos e metais corresonde a resistência ao corte enquanto que no caso dos minerais é a resistência que eles oferecem ao serem riscados or outros sólidos.

7 Fragilidade: mede-se ela facilidade à fratura or imacto. Muitas vezes não tem relação com a dureza. Ex: os lásticos são moles, mas não são frágeis. Asereza: determina a maior ou menor dificuldade de escorregamento das artículas. Porosidade: é a fração de vazios; ode ser definida como a relação entre o volume de vazios entre as artículas e o volume total). volume de vazios (oros) da amostra volume total (artículas oros) Densidade aarente ( a ) ou densidade bruta: corresonde ao volume ocuado or uma determinada massa de sólido, incluindo a orosidade (oros intragranulares).

8 Santos et al., Alicabilidade das técnicas de determinação de tamanho de artículas em sistemas de tratamento de água e esgoto sanitário. Engenharia Sanitária e Ambiental, v. 9, n. 4,

9 As artículas em susensão encontradas em afluentes e efluentes de sistemas de tratamento de água e de esgoto são estruturas tridimensionais, em sua maioria irregulares, olidisersas (de vários tamanhos) e com diferentes roriedades físico-químicas. No entanto, todos os métodos disoníveis ara determinação de seus tamanhos fornecem como resosta (em rincíio) um único número, com o qual se retende reresentar o tamanho da artícula. A esfera é a única forma assível de ser reresentada or um único número em todas as direções do esaço tridimensional. Todavia, uma mesma artícula ode ser caracterizada or diferentes esferas com base em uma de suas diferentes roriedades, tais como: maior ou menor dimensão, erímetro da área rojetada, área rojetada, área suerficial, volume, velocidade de sedimentação, dentre outras. A eficiência das unidades de tratamento físico-químico está mormente ligada às características do material articulado que se retende remover (tamanho, forma, densidade, carga suerficial, velocidade de sedimentação e orosidade) e ao rocesso de searação emregado. Santos et al., Alicabilidade das técnicas de determinação de tamanho de artículas em sistemas de tratamento de água e esgoto sanitário. Engenharia Sanitária e Ambiental, v. 9, n. 4,

10 Santos et al., Alicabilidade das técnicas de determinação de tamanho de artículas em sistemas de tratamento de água e esgoto sanitário. Engenharia Sanitária e Ambiental, v. 9, n. 4,

11 Santos et al., Alicabilidade das técnicas de determinação de tamanho de artículas em sistemas de tratamento de água e esgoto sanitário. Engenharia Sanitária e Ambiental, v. 9, n. 4,

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15 Exercício 1 Lista 1

16 ALMEIDA, P. H. S. Solidificação/estabilização de lodo de lavanderias industriais ara fabricação de blocos cerâmicos acústicos (ressoadores de Helmholtz), Tese de Doutorado, 2014.

17 Velocidade Terminal As artículas ao cair no seio de um fluido, sob ação de uma força constante, or exemlo a força da gravidade, sofrem aceleração durante um eríodo de temo muito curto e deois disso se movem à uma velocidade constante. Essa máxima velocidade que as artículas odem alcançar é chamada de velocidade terminal, e deende da densidade, tamanho e forma da artícula, além das roriedades do fluido e do camo.

18 Que forças agem sobre a artícula em movimento? As forças de camo, de emuxo e de arraste Força de camo gravitacional, centrífugo, elétrico-magnético Força de emuxo Força de arraste (atrito) Força resultante F c F e F a V b g 2 b w r F r f b V b Fa 1/ 2 f Ac Cd ( vr m a resultante F c Fe Fc 2 ) ( v f F Resistência Movimento da artícula v ) a F e v R

19 Balanço de forças ara uma artícula m a resultante F c F a F e m a result m a = força resultante F a = força de atrito F c = força de camo F e = força de emuxo A C ( v ) ( V ). ( V g) f c d R f g m massa da artícula a aceleraçãodocamo densidade do fluido A C v V b c d R f área característica da artícula coeficiente dearraste velocidaderelativa da artícula densidade daartícula volumeda artícula intensidade do camo externo

20 Consideremos uma artícula isolada, sob ação de força gravitacional e em movimento uniforme (sem aceleração). Como não há aceleração da artícula, tem-se: g V v C A f R d c f ) ( ) ( d c f f R A C g V v ( ) 2 Rearranjando tem-se: ) ( ) ( 2 1 ) ( 2. g V v C A g V a m f R d c f result

21 Quando a artícula é esférica considera-se que a área característica é a área rojetada: A c A d 2 4 V ( 6 d 3 ) Vamos agora substituir os termos de A e V destas exressões na equação de V R

22 f f d R C g d v ( ) Para artículas esféricas f d f c R C g A V v ( ) 2 2 f d f R C g d d v ) ( f d f R C g d v ( ) f d f R C g d v 3 ) ( 4 E o valor de Cd?

23 O coeficiente de arraste (Cd) é função do número de Reynolds da Partícula: C d f (Re), onde Re d v R f f

24 Sedimentação: oeração de searação sólido-fluido baseada na diferença entre as concentrações das fases resentes na susensão a ser rocessada, sujeitas à ação do camo gravitacional.

25 A sedimentação ocorre normalmente em tanques cilíndricos conhecidos como sedimentadores. Esessador: roduto de interesse a fase articulada (rodução de esessados com alta concentração de artículas). Clarificador: roduto de interesse o líquido (rodução de esessados com baixa concentração de artículas.

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27 Mecanismo (fases) da sedimentação Zona clarificada Zona de concentração uniforme Zona de concentração não-uniforme Zona de transição Sólidos sedimentados 27

28 A sedimentação tem or base a descrição fluidodinâmica do contato entre as fases articulada e líquida, sujeita ao camo gravitacional. Análise da velocidade terminal de uma artícula isolada. Partículas esféricas, maiores em diâmetro e massa esecífica aresentarão maior valor ara a velocidade terminal, decantando mais raidamente quando comaradas a artículas não esféricas e de diâmetros e massa esecífica menores. Força de arraste Peso Emuxo V 4.( ). g. d 3.. C d V Lei de Stokes g.( ). 2 d 18.

29 Fatores que controlam a velocidade de sedimentação: Densidades do sólido e do líquido; Diâmetro e a forma das artículas; Viscosidade do meio. O aumento do tamanho das artículas sólidas é essencial no caso de sistemas coloidais.

30 Sedimentação discreta (Tio 1): As artículas ermanecem com dimensão e velocidade constantes ao longo do rocesso de sedimentação. Não ocorre aglomeração entre elas e desse modo cada artícula mantém inalteradas as suas características físicas (forma, tamanho, densidade). Ex.: sedimentação das artículas de areia na caixa de areia. Sedimentação floculenta (Tio 2): As artículas se aglomeram e sua dimensão e velocidade aumentam ao longo do rocesso de sedimentação. Ex.: sedimentação das artículas de natureza orgânica que ocorre no decantador rimário do rocesso de lodo ativado. temo Sedimentação em zona (Tio 3): As artículas sedimentam em massa. As artículas ficam róximas e interagem. Aarece quase que instantaneamente uma interface límida sólido-líquido que vai baixando na bacia de sedimentação como um todo. Ex.: sedimentação de flocos de hidróxido de alumínio resultantes do rocesso de coagulaçãofloculação (tratamento físico-químico) de desejos oleosos (emulsões). Tios de lama: Sedimentação or comressão (Tio 4): As artículas se comactam como lodo. A concentração de artículas é tão elevada que ocorre a formação de uma estrutura e a sedimentação ocorre aenas ela comressão desta estrutura, devido ao eso das artículas.

31 Forma do reciiente: Existe influência na velocidade de sedimentação se a decantação for realizada em reciientes diferentes. Considerando dois reciientes, com forma diferentes, de mesma seção transversal e mesma altura com a sedimentação ocorrendo no mesmo temo: - Sedimentação em tubo inclinado - Sedimentação em tubo vertical Observando as duas figuras, odemos observar que a sedimentação em Tubo Inclinado é mais eficiente. Sedimentação em tubo inclinado Sedimentação em tubo vertical

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33 Tamanho das imurezas Sólidos susensos: artículas > 1 m Sólidos dissolvidos: artículas < 10-3 m Sólidos coloidais: 10-3 m < artículas < 1 m

34 Coagulação: Oeração unitária resonsável ela desestabilização das artículas coloidais em um sistema aquoso, rearando-as ara a sua remoção nas etaas subseqüentes do rocesso de tratamento.

35 Fenômeno químico: consiste na reação do coagulante com o meio e na formação de esécies hidrolisadas com carga ositiva. Coagulação: Resultante dos fenômenos químicos e físicos. Fenômeno físico: consiste no transorte das esécies hidrolisadas, ara que estas interajam com as imurezas resentes no meio.

36 A coagulação ocorre sob condições de forte agitação mistura ráida. Através da mistura ráida tem-se a distribuição uniforme do coagulante no meio ara que todas as artículas tenham contato com as esécies hidrolisadas. Deende de fatores como: H; Temeratura; Quantidade de imurezas no meio. O rocesso de coagulação exerce influência na : turbidez do meio a ser tratado (maior turbidez, menor quantidade de coagulante, devido a maior ossibilidade de choques); comosição química do meio (os ânions interferem mais que os cátions); temeratura (menor temeratura, maior viscosidade, menor velocidade de sedimentação.

37 As imurezas coloidais consistem em artículas com carga elétrica geralmente negativa. A adição de coagulantes e floculantes rovoca a desestabilização dessas cargas. As artículas coloidais odem ser desestabilizadas de através de quatro mecanismos: comressão da dula camada, adsorção e neutralização da carga, varredura e formação de ontes. DALSASSO, 1999

38 COAGULANTES EFEITOS Al 2 (SO 4 ) 3 Sulfato de Alumínio PAC Policloreto dealumínio FeCl 3 Cloreto Férrico Cátions olivalentes (Al +3, Fe +3, Fe +2, etc.) neutralizam as cargas elétricas das artículas susensas e os hidróxidos metálicos. FeSO 4 Sulfato Ferroso Ca(OH) 2 Hidróxido de Cálcio Usualmente utilizado como agente controlador do H. Porém, os íons cálcio atuam também como agentes de neutralização das cargas elétricas suerficiais, funcionando como um coagulante inorgânico. Polímeros Aniônicos e Não-iônicos Polímeros Catiônicos Policátions Geração de ontes entre as artículas já coaguladas e a cadeia do olímero, gerando flocos de maior diâmetro. Neutralização das cargas elétricas suerficiais que envolvem os sólidos susensos e incremento do tamanho dos flocos formados (via formação de ontes). São olieletrólitos catiônicos de baixo eso molecular, os quais ossuem como função rincial a neutralização das cargas elétricas suerficiais e aumento do tamanho dos flocos. Ex. olímeros naturais: Qutiosana, tanino, moringa, etc.

39 Tabela 1 Condições de tratamento ara Tanfloc SL e SG Parâmetro Valor Faixa ótima de dosagem de 6,0; 6,5; 7,0; 7,5 e 8,0 coagulante (ml/l) Faixa ótima de H 5,0; 6,0; 7,0 e 8,0 Temo de mistura ráida (120 rm) Temo de mistura lenta (45 rm) Temo de sedimentação 20 segundos 20 minutos 15 a 30 minutos

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41 Floculação: É um rocesso físico no qual as artículas coloidais são colocadas em contato umas com as outras, de modo a ermitir o aumento do seu tamanho físico, alterando, desta forma, a sua distribuição granulométrica.

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