Desenvolvimento de um sistema instrumentado para ensaios de filtração em batelada

Transcrição

1 Desenvolvimeno de um sisema insrumenado para ensaios de ilração em baelada Pedro Tersiguel de Oliveira Bolsisa de Iniciação Cieníica, Engenharia ecânica, UFRJ Claudio L. Schneider Orienador, Engenheiro de inas, Ph.D. Resumo Um sisema para ensaios de ilração em baelada oi implanado no laboraório de separação sólido-líquido do CETE. O sisema oi apereiçoado e já é capaz de produzir dados úeis para a deerminação dos parâmeros envolvidos em processos de ilração. eoria envolvida no escalonameno de ilros a vácuo indusriais é apresenada e discuida. lguns resulados preliminares são mosrados para uma amosra de caulim. O sisema auomaizado a ser desenvolvido é apresenado de orma sucina, com base na experiência obida a parir deses experimenos. 1. Inrodução ilração é uilizada em operações de remoção de água de processo em planas de processameno mineral. Frequenemene as operações de remoção de água se ornam congesionadas, reduzindo a capacidade de produção para os níveis de capacidade de ilração. Como resulado, roas de processo que eviam os processos de ilração são preeríveis. Nos casos em que a ilração é uilizada para a remoção de água, ilros conínuos a vácuo são os mais uilizados. Eses ilros esão disponíveis em diversas ormas, enre as mais comuns esão os ambores roaivos, os discos roaivos e os ilros de correia horizonal. Enre eses, os ilros de ambor roaivo são os mais comumene uilizados. Em geral, a axa de luxo de ilrado aravés da ora é lena. Ese ao az com que a equação de Kozeny- Carman (Bear, 1988) se orne válida para descrever o processo de ilração. ( ε ) Δ P 15 1 μv = s Δx ε d 3 p (1) Esa equação relaciona o luxo de ilrado aravés da ora ao gradiene de pressão. Na equação (1) emos: V s = velocidade supericial do líquido; ε = porosidade da ora; d p = diâmero de superície especíica de parícula. Para parículas eséricas ese diâmero esá relacionado à área supericial por unidade de volume (S ) da seguine orma: dp = 6/ S. Para parículas irregulares, dp =Ψ / S onde Ψ é um aor de orma que pode ser medido experimenalmene. XVI Jornada de Iniciação Cieníica CETE 9

2 Se deinirmos como a área da ora de ilração e L como a sua espessura, a equação (1) pode ser re-escria da seguine orma para parículas eséricas: ( ) ε ΔP 4,17 1 S μl ε = Q () onde Q é o luxo volumérico de ilrado, aravés da ora, que é produzido pelo gradiene de pressão aplicado. consane 4,17 (= 15/36) na equação () varia com as propriedades das parículas (e locos em caso de polpas loculadas) que ormam a ora. ssim, uma orma simpliicada da equação de Kozeny-Carman, conhecida como lei de Darcy (Bear, 1988) para meios porosos, pode ser uilizada com vanagem: ΔP Q = (3) μl K onde ε K = 4,17 1 ( ε ) S (4) é a permeabilidade da ora. É mais conveniene rabalhar com a resisência da ora R = L/K. ssim, a lei de Darcy pode ser escria como mosrado na equação (5). μqr Δ P = (5) espessura da ora esá relacionada com a massa de sólidos por unidade de área s ( 1 ε ) e a resisência da ora esá relacionada com : = ρ L (6) R α por: = (7) onde α é chamado de resisência especíica da ora. Em circunsâncias normais, a resisência do meio ilrane (papel ilro, pano, ec.) conribui com alguma signiicância para a resisência oal do sisema e é necessário adicionar a resisência do meio ilrane: R = R + R (8) ora m XVI Jornada de Iniciação Cieníica CETE 3

3 resisência do meio ilrane pode variar durane a ilração já que algum sólido pode penerar o meio e alerar sua resisência em relação ao luxo de ilrado. Ese eeio é negligenciado nesa análise. Subsiuindo as equações (8) e (7) na equação (5) chegamos em: R Δ =Δ +Δ = + α m P P Pm μq (9) No caso de um simples ensaio de ilração em baelada, emos: dv Q = d (1) onde V é o volume de ilrado. massa de sólidos deposiada na ora esá relacionada à quanidade de ilrado coleado: VC a = (11) onde C a é a concenração de sólidos na polpa de alimenação, em kg de sólidos / m 3 de água. Ese cálculo não leva em cona o líquido que ica reido pela ora de ilração, porém, em condições normais, ese volume pode ser desprezado nas aplicações práicas. Subsiuindo as equações (11) e (1) na equação (9) chegamos em: dv 1 Δ P= μ αca( V + Ve) (1) d onde V e é um volume icício, requerido para consruir um leio de ora que enha a mesma resisência do meio ilrane (pano ou papel ilro). Reorganizando a equação (1): d μαc V V V 1 dv ΔP e = + = k1 + k (13) Para pressão consane, a equação (13) pode ser inegrada acilmene, resulando em: V V = k1 k + (14) s consanes k 1 e k podem ser medidas a parir de um simples ese de ilração em baelada, a parir do gráico de /V versus o volume de ilrado V, k k = V + (15) V 1 XVI Jornada de Iniciação Cieníica CETE 31

4 que deve produzir uma linha rea com inclinação igual a k, sendo que o valor da consane k 1 é deinida 1 αμc como k a 1 =. ssim, conhecendo-se o gradiene de pressão, a concenração de sólidos na alimenação, a Δ P viscosidade do luido e a área da ora, pode-se calcular a resisência especíica da ora. O valor de α é consane para oras incompressíveis, e deve ser possível ober esimaivas acuradas de α a parir de eses com concenrações de sólidos diversas e gradienes de pressão diversos. Toras compressíveis podem ser produzidas a parir de polpas loculadas, e neses casos, o valor de α pode variar com o gradiene pressão e com a concenração de sólidos na alimenação (Concha, 1). qui, serão consideradas apenas oras incompressíveis, ormadas a parir de polpas de parículas não loculadas.. Objeivos Os objeivos dese projeo são, de orma sucina: 1. Desenvolver um aparao adequado para eses de ilração de baelada, equipado com um sisema de aquisição de dados compleo, para odas as variáveis de ensaio.. Desenvolver um aplicaivo (soware) que, a parir do processameno dos dados gerados no sisema de aquisição auomáico, calcule os parâmeros relevanes para o processo de ilração, como por exemplo a resisência especíica da ora e a permeabilidade. 3. Desenvolver um aplicaivo que permia o escalonameno dos diversos ipos de ilros a vácuo (ambor, disco, correia, ec.) a parir dos parâmeros obidos com os dados de ensaios de ilração de baelada, e das variáveis operacionais do ilro indusrial a ser empregado. Embora eses objeivos pareçam ser basane ousados, espera-se que, com recursos e empo suicienes, seja possível alcança-los sem maiores diiculdades. O processo cieníico se inicia com o aprendizado das práicas de laboraório envolvidas e com o esudo da eoria correnemene empregada para descrever os processos. Como descrio acima, a eoria que supora a caracerização dos processos de ilração à vácuo é relaivamene simples, e ese enendimeno é pare imporane no cumprimeno dos objeivos. O oco dese projeo ainda se enconra no primeiro objeivo, e embora o sisema auomáico de aquisição de dados ainda não enha sido implanado, um primeiro proóipo de insrumeno para ensaios de ilração de baelada já se enconra operacional, e alguns resulados experimenais já se enconram disponíveis. 3. Experimenal O aparao para o ensaio de ilração em baelada é mosrado de orma esquemáica na Figura 1. XVI Jornada de Iniciação Cieníica CETE 3

5 Vácuo 4 Figura 1: parao básico para execução de um ese de ilração de baelada. 1) ilro de mesa; ) recipiene para colea do ilrado; 3) vacuômero; 4) recipiene de conenção para proeção do roâmero; 5) roâmero; 6) válvula de agulha; 7) bomba ou linha de vácuo. O equipameno disponível no laboraório de separação sólido-líquido do CETE é baseado na linha de vácuo do laboraório, e não há necessidade de uma bomba de vácuo dedicada. linha de vácuo do laboraório é conrolada por uma válvula de agulha, e isso permie algum conrole sobre a vazão de ar e pressão. Os recipienes de ilrado e de conenção são rascos de vidro ipo Erlenmeyer com vedação de borracha. O vacuômero é analógico. Exise um segundo vacuômero analógico insalado na saída da linha de vácuo. O ilro de mesa é eio de aço e em uma área de ilração circular com 4 cm de diâmero. Uma amosra de caulim oi genilmene cedida pela Rohm & Haas para execução de ensaios de ilração de bancada. Ensaios preliminares oram execuados para veriicar a vedação e a uncionalidade dos equipamenos. s mangueiras oram subsiuídas por mangueiras de láex com parede de 3mm. O maior problema de vedação oi observado no próprio ilro de mesa, e o sisema de vedação oi solucionado com uma ira de borracha e aplicação de vaselina. O sisema oi considerado apo quando o vácuo medido na saída da linha de vácuo oi igual ao vácuo medido no rasco de ilrado. Uma série de rês ensaios com o caulim, sem adição de loculane, oi execuada com 5, 1 e 15% de sólidos na polpa de alimenação. Isso equivale a concenrações de 5, 1 e 15 kg/m 3. Para medir o empo de ilração oi uilizado um cronômero manual, acionado assim que a polpa de alimenação é adicionada ao ilro de mesa. Para medir o volume de ilrado, uma adapação oi eia com sucesso. Uma balança de mesa com capacidade de 3 kg oi insalada de orma que o peso de ilrado pudesse ser medido durane o ensaio. Para ano, a ara da balança deve ser eia com o recipiene de ilrado, anes do início do ensaio. Esa adapação aciliou em muio a execução dos ensaios. 4. Resulados Os resulados dos ensaios com a amosra de caulim não loculada são mosrados na Figura. Pode-se observar que os ensaios com 1 e 15% de sólidos produziram dados lineares no gráico /V versus V, como previso na eoria para oras incompressíveis. Iso é conirmado pela linha de endência adicionada aos ponos medidos. Já o ensaio com 5% de sólidos parece iniciar com uma inclinação maior e poseriormene ainge uma inclinação menos acenuada. linha de endência mosra a inclinação média do ensaio. XVI Jornada de Iniciação Cieníica CETE 33

6 resisência especíica da ora, calculada a parir das inclinações da linha de endência como mosrado na equação (15), e a parir da deinição da consane k 1, oi idênica para os ensaios com 5 e 1% de sólidos, em orno de 1,9x1 1, e signiicaivamene maior no ensaio com 15% de sólidos, em orno de,6x1 1. Eses resulados indicam que a ora ormada passa a ser compressível para concenrações de sólidos maiores do que 1% para as parículas de caulim naural (não loculado). No enano, ensaios com concenrações de sólidos maiores devem ser realizados para conirmar esa endência. Como o objeivo dese projeo não é deerminar os parâmeros de ilração da amosra de caulim, e sim insrumenar o ensaio de ilração em baelada, pode-se considerar que eses resulados aingiram seu objeivo primário, que é esabelecer um procedimeno adequado para o ensaio de ilração, aplicar os aspecos eóricos e esabelecer um sisema para a insrumenação do ensaio /V, s/m 3 6 /V, s/m Volume de ilrado, m 3 Volume de ilrado, m 3 a) b) /V, s/m Volume de ilrado, m 3 Resisência especíica/ Concenração de sólidos, kg/m 3 c) d) Figura : Resulados dos ensaios de ilração de caulim. a) 5% de sólidos, b) 1% de sólidos, c) 15% de sólidos, d) resisência especíica calculada. 5. Discussão e conclusões Os primeiros passos oram omados na direção de um sisema auomaizado para ensaios de ilração em baelada. Um proóipo de laboraório que permie medir a resisência especíica da ora para um minério oi comissionado. Os aspecos eóricos envolvidos na eoria da ilração esão suicienemene enendidos. Desa XVI Jornada de Iniciação Cieníica CETE 34

7 orma, pode-se considerar que o caminho enconra-se abero para o desenvolvimeno de um ensaio auomaizado. O sucesso na uilização de uma balança para medir o volume de ilrado em implicações. edidores de nível ulrasônicos e a LSER seriam alernaivas porém, ambos necessiam uma disância de rabalho considerável, e não parece, em princípio, que poderiam ser acomodados em um recipiene de baixo volume ( liros). Balanças elerônicas de laboraório podem ser adquiridas com uma inerace RS3, que permie a leiura do peso por soware. ssim, duas balanças já oram adquiridas, e um aplicaivo esá sendo criado para arar as balanças simulaneamene, e iniciar as medições. Uma balança medirá o peso do recipiene de ilrado enquano a oura medirá o peso do ilro de bancada. Eses dados são redundanes, porém a medição simulânea permiirá esimar perdas, o volume de água reido na ora ao inal do ensaio e a axa de evaporação na ora areada após o ensaio. Eses dados êm imporância no dimensionameno da área de secagem que é comumene uilizada em ilros de correia, em aplicações que exigem um produo sólido com baixa umidade. Os dados redundanes ambém poderão ser uilizados para compensar oscilações de leiura durane o ensaio, como observadas na Figura 1a. Um iem imporane no ensaio de ilração de baelada é o próprio ilro de bancada. O ilro uilizado aualmene em uma área muio grande, e diicilmene uma ora se orma com espessura homogênea. lém disso, o ilro em si pesa mais de 3 kg, sendo de diícil manipulação. Um ilro de bancada esá sendo coneccionado em polyeser, com um encaixe para papel ilro de 18,5 cm de diâmero. Com isso, não haverá necessidade de uso de selane (vaselina ou silicone), nem risco de vazameno pela borda do meio ilrane. Espera-se ambém ober um vácuo mais uniorme. Como o novo ilro de mesa será consideravelmene mais leve que o aual, uma balança com capacidade de 3 kg será suiciene para complear o sisema redundane de pesagem. Ouros insrumenos a serem adquiridos serão um vacuômero modelo VDR-9 abricado pela Insruherm, e com inerace RS3. Com isso, as condições e a qualidade do gradiene de pressão poderão ser analisadas pós ese. Um ermômero para moniorar a emperaura ambiene DHT-314,abricado pela percepec, ambém com inerace RS3. Ese ermômero permiirá corrigir o valor da viscosidade da água para a emperaura do ensaio. Finalmene, e compleando o sisema, o roâmero analógico será subsiuído por um roâmero com sinal elerônico proporcional ao luxo mássico de ar, modelo Sierra 8, abricado pela Sierra Insrumens. Isso requer uma inerace analógico/digial, e esa deverá ser implanada no aplicaivo a ser desenvolvido nese projeo. 6. Reerências BER, J. Dynamics o Fluids in Porous edia: Dover Publicaions, Inc CONCH, F. anual de Filracion & Separacion: Ediorial Diario El Sur S.. 1. XVI Jornada de Iniciação Cieníica CETE 35