ANÁLISE DOS EFEITOS DO DIÂMETRO DO DUTO DE UNDERFLOW E DA HASTE SÓLIDA INSERIDA EM UM HIDROCICLONE

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1 ANÁLISE DOS EFEITOS DO DIÂMETRO DO DUTO DE UNDERFLOW E DA HASTE SÓLIDA INSERIDA EM UM HIDROCICLONE J. L. MOGNON, J. M. SILVA, C. H. ATAÍDE Universidde Federl de Uberlândi, Fculdde de Engenhri Químic E-mil pr contto: chtide@ufu.br RESUMO O núcleo gsoso ou o ir core n prte centrl do hidrociclone é um fenômeno muits vezes inevitável e ind pouco compreendido, que lter o cmpo de escomento rotcionl d mistur no interior do seprdor. Diversos utores tem relciondo ocorrênci do ir core o umento dos níveis de turbulênci, efeito esse prejudicil o processo de seprção, principlmente frção de prtículs mis fins. Tendo em vist isso, esse trblho visou nlisr os efeitos d supressão do ir core trvés d inserção de um hste sólid o longo de um hidrociclone modulr de 30 mm de diâmetro crcterístico. Além disso, foi possível descrever os efeitos individuis e combindos do diâmetro d hste inserid (4, 5 e 6 mm) e o diâmetro do duto de underflow empregdo (6, 7 e 8 mm). Os resultdos obtidos mostrrm um redução ds eficiêncis de colet, umento ds divisões de fluxo e incremento n cpcidde de processmento pr operção com s hstes, o que de form gerl não justific os custos de su instlção nos equipmentos tuis. 1. INTRODUÇÃO Hidrociclones, tmbém denomindos ciclones hidráulicos, consistem em dispositivos mplmente utilizdos n indústri, com destque pr o setor d minerção, como sistems extremmente versáteis de seprção (sólido-líquido e líquido-líquido) mis de 100 nos (Wills e Npier-Munn, 2006). A expnsão d plicção industril de tl equipmento começou por volt do finl d décd de 40, inicilmente ns indústris de extrção e processmento minerl. Desde então, su utilizção foi difundid, sendo tulmente um equipmento de seprção bstnte usdo ns indústris químic, petroquímic, metlúrgic, dentre outrs. O fto d mpl presenç dest tecnologi no setor industril deve-se fundmentlmente, o seu tmnho reduzido qundo comprdo com outros tipos de seprdores, usênci de prtes móveis, bixo custo de instlção e operção e principlmente su flexibilidde opercionl Escomento no interior do hidrociclone A mistur de líquidos ou sólido-líquido é limentd tngencilmente n câmr cilíndric gerndo um escomento helicoidl que form um cmpo centrifugo dirigindo s prtículs (ou Áre temátic: Engenhri ds Seprções e Termodinâmic 1

2 líquido) mis denss pr prede intern do equipmento. N região cônic, o fluido sofre um restrição de escomento e prte do fluxo esse é direciondo pr síd superior (overflow) onde se concentrm s prtículs de menor diâmetro ou menor densidde, enqunto que o fluxo junto prede é coletdo pel síd inferior (underflow). As lts velociddes tngenciis, ssocids o movimento helicoidl do fluido o longo do hidrociclone crim um grdiente de pressão em direção rdil do equipmento, resultndo ssim em um núcleo de bix pressão linhdo o eixo centrl deste. Ness região, devido própri dinâmic de seprção entre componentes de diferentes densiddes e o fto de presentr pressões inferiores à tmosféric, form-se um núcleo gsoso comumente denomindo ir core. Segundo Neesse e Dueck (2007) o r presente nesse núcleo provém tnto de bolhs presentes n corrente de limentção qunto d sucção de gás pelo duto de underflow Revisão Bibliográfic A inserção de hstes no interior de hidrociclones tem sido estudd e descrit por diversos utores, dentre eles pode-se destcr os trblhos de Sripriy et l (2012) e Chu et l (2000). Esses utores reltrm umentos significtivos ns eficiêncis de seprção e redução do diâmetro de corte trvés d inserção de um hste metálic sólid o longo eixo centrl do corpo do hidrociclone, com o objetivo principl de suprimir formção do núcleo de r denomindo ir core. Segundo os utores citdos justifictiv pr tl melhori de desempenho se fundment n estbilizção ds linhs de corrente no interior do hidrociclone, tendo-se em vist que presenç do ir core tem cráter ltmente turbulento e instável. Os utores observrm tmbém um redução ns velociddes rdil e xil juntmente com um umento d velocidde tngencil n região cônic do hidrociclone. Esses efeitos podem explicr um mior recuperção ds prtículs (principlmente frção mis fin). De outro modo, Lee e Willins (1993) relizrm um trblho pioneiro no que se refere inserção de hstes e supressão do ir core em hidrociclones. Em seus resultdos consttou-se que ess modificção estruturl não presentou benefícios no que tnge eficiênci de seprção e rzão de líquido, o que vi em sentido contrário os utores mis recentes, brindo espço pr futurs discussões e outrs pesquiss no ssunto Objetivo O objetivo do presente estudo é nlisr o efeito d combinção de diferentes diâmetros de underflow e diâmetros de hste sólid, inserids no interior de um hidrociclone, com o propósito de suprimir o efeito do ir core. 2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1. Unidde Experimentl Um esquem d unidde experimentl utilizd neste trblho, montd no Lbortório d Unidde Avnçd de Pesquis d Fculdde de Engenhri Químic d Universidde Federl de Uberlândi, encontr-se n Figur 1. Áre temátic: Engenhri ds Seprções e Termodinâmic 2

3 1. Hidrociclone; 2. Mnômetro digitl; 3. Tubulção pr overflow; 4. Motor do gitdor; 5. Bomb centrifug de 10 cv; 6. Qudro elétrico; 7. Medidor de vzão (Coriólis); 8. Plc de quisição de ddos; 9. Agitdor; 10. Serpentin pr resfrimento; 11. Válvuls do tipo gvet; 12. Unidde de refrigerção. Figur 1 Unidde de hidrociclongem Hidrociclone O hidrociclone utilizdo nos experimentos consiste em um geometri bsed no hidrociclone fbricdo pel empres Derrick (tulmente utilizdo como dessiltdor no controle de sólidos d perfurção de poços de petróleo e gás), fbricdo em poliuretno em menor escl (1:3) com relção o comercil. As principis dimensões do hidrociclone utilizdo são presentds n Figur 2. Figur 2 Dimensões do hidrociclone (dimensões em milímetros). Áre temátic: Engenhri ds Seprções e Termodinâmic 3

4 2.3. Mteril Prticuldo Pr os ensios utilizou-se águ industril contendo um quntidde de 0,5% (em volume) de roch fosfátic fin. A grnulometri do mteril em questão foi obtid trvés do método de difrção de rio lser (Mstersizer 2000) e é presentd n Figur Plnejmento experimentl Figur 3 Grnulometri do mteril prticuldo. O plnejmento experimentl utilizdo compreendeu três níveis de diâmetro de underflow (6, 7 e 8 mm) e diâmetro de hste (4, 5 e 6 mm) instldos no hidrociclone modulr. Somdo-se isso form relizdos ensios sem presenç d hste sólid. Deve-se slientr que geometri com DU 6 mm e DH 4 mm não pode ser nlisd pel ocorrênci de instbilidde opercionl (vibrção e rompimento d hste). Além disso, geometri onde DU 6 mm e DH 6 mm não foi testd pel complet obstrução do duto de underflow e impossibilidde de nálise do equipmento. Com isso o plnejmento relizdo contemplou um totl de 10 experimentos independentes Metodologi experimentl A metodologi utilizd n preprção dos ensios e nálise dos resultdos é descrit seguir: Áre temátic: Engenhri ds Seprções e Termodinâmic 4

5 Preprção d suspensão contendo 160 litros de águ e cerc de 5 kg de roch fosfátic. A mistur foi mntid sobre constnte gitção de modo evitr sedimentção do mteril prticuldo. Ajuste d vzão de limentção em 360 g/s, trvés de sistem de controle proporcionl copldo o inversor de frequênci d bomb. Medição ds vzões mássics d lm ns correntes de underflow e overflow por grvimetri. Colet em triplict de mostrs ds correntes de underflow e overflow, seguid por secgem em estuf 107 ºC por 24 hors. A tempertur dos experimentos foi continumente verificd, situndo-se n fix de 23 à 25 ºC. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1. Prâmetros de nálise Os prâmetros seleciondos pr determinção ds condições ótims de operção são presentdos seguir: Eficiênci totl de seprção ( E t ): corresponde porcentgem de sólidos coletdos no duto de underflow em relção quntidde limentd, pode ser express pel Equção 1. CW E (%) u u t 100 CW Rzão de líquido ( R L ): corresponde porcentgem de líquido coletdo no duto de underflow com relção o totl limentdo, pode ser express pel Equção 2. W ( ) % u 1 C R u L 100 W ( 1 C ) Número de Euler ( Eu ): corresponde quntidde de energi necessári pr mnutenção de determind vzão trvés do equipmento (Equção 3). Eu P H O c 2 v Ddos obtidos nos experimentos N Tbel 1 são presentdos os ddos obtidos nos experimentos relizdos segundo o plnejmento proposto. Pode-se observr um redução expressiv no número de Euler pr os ensios s geometris que presentm inserção d hste. Isso pode ser explicdo pel redução dos níveis (1) (2) (3) Áre temátic: Engenhri ds Seprções e Termodinâmic 5

6 de turbulênci obtid trvés d supressão do ir core e pelos efeitos de prede presentes com inserção ds hstes. Tbel 1 Ddos experimentis obtidos obtidos. D H (mm) D U (mm) R L (%) E t (%) Eu ,91 86,93 825, ,85 79,41 885, ,87 86,85 812, ,38 82,77 839, ,84 81,21 861, ,93 86,77 866, ,00 83,44 888, ,22 87,42 871, ,65 84,17 907, ,04 83,30 920, Eficiênci totl de seprção A Figur 4 ilustr os vlores de eficiênci totl obtidos pr s geometris nlisds segundo Tbel 1. Pode-se observr que há um umento d eficiênci de seprção com o umento do diâmetro de underflow, esse efeito já er esperdo pelo fto do umento d divisão de fluxo e consequente crregmento de mior quntidde de mteril prticuldo pel corrente de underflow. Figur 4 Eficiênci totl ds geometris testds. Áre temátic: Engenhri ds Seprções e Termodinâmic 6

7 Com relção presenç ds hstes, Figur 4 mostr que houve um redução de eficiênci pr tods s configurções com hste. Ess redução foi mis expressiv qunto menor o diâmetro do duto de underflow. Esse efeito pode ser explicdo pel redução n áre totl d seção de underflow que ocorre pelo umento do diâmetro d hste ou pel própri redução do diâmetro do duto inferior Rzão de líquido A Figur 5 present os vlores de rzão de líquido pr tods s combinções de geometri testds. Pode-se observr que pr grnde prte ds configurções houve um umento d rzão de líquido com utilizção de hstes mis espesss. Esse efeito é diferente do esperdo, já que há um redução n áre d seção de underflow, o que deveri crretr em um umento d divisão de fluxo. Um possível explicção pr esse fenômeno seri o controle ds estruturs de turbulênci e estbilizção ds linhs de fluxo no interior do equipmento, o que reduziri s perds de energi cinétic do fluido n direção descendente, umentndo ssim quntidde de líquido coletdo do underflow. 4. CONCLUSÕES Figur 5 Rzão de líquido ds geometris testds. Os resultdos obtidos segundo o plnejmento experimentl proposto mostrrm que inserção de hstes sólids não presentm gnhos concretos n eficiênci de operção dos Áre temátic: Engenhri ds Seprções e Termodinâmic 7

8 hidrociclones. Em todos os csos estuddos, esss modificções presentrm redução d eficiênci totl de colet, e em diverss situções um umento d rzão de líquido do equipmento. Por outro ldo, cpcidde de operção umentou com presenç ds hstes, o que de modo gerl não compens os custos de instlção e mnutenção d modificção em questão. 5. NOMENCLATURA C : concentrção mássic de limentção [ ] C u : concentrção mássic do underflow [ ] P : qued de pressão no hidrociclone [psi] D H : diâmetro ds hstes [mm] D : diâmetro do duto de underflow [mm] U E t : eficiênci totl [%] Eu : número de Euler [ ] R : rzão de líquido [%] c L v : velocidde n câmr cilíndric [m/s] W : vzão mássic d limentção [g/s] W : vzão mássic do underflow [g/s] u 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS CHU, L., CHEN, W., LEE, X. Effect of structurl modifiction on hydro-cyclone performnce. Seprtion nd Purifiction Technology., Vol. 21, p , LEE, M. S., WILLIANS, R.A. Performnce chrcteristics within modified hydrocyclone. Minerls Engineering, Vol. 6, No 7, p , NEESSE, T., DUECK, J. Air core formtion in the hydrocyclone. Journl of Minerls Engineering, Vol. 20, p , SRIPRIYA, R., SURESH, N., CHANDRA,S., BHATTACHARJEE, D. The effect of dimeter nd height of the inserted solid rod in dense medium cyclone to suppress ir core. Minerls Engineering, Vol. 42, p. 1-8, WILLS, B. A., NAPIER-MUNN, T. Wills' Minerl Processing Technology, Seventh Ed. Butterworth-Heinemnn, Boston, AGRADECIMENTOS Agrdecemos Fundção de Ampro à Pesquis do Estdo de Mins Geris (FAPEMIG) pelos recursos concedidos no Projeto de Prticipção Coletiv em Eventos Técnicos-Científicos (PCE ). Áre temátic: Engenhri ds Seprções e Termodinâmic 8