AVALIAÇÃO DE UM HIDROCICLONE DE GEOMETRIA RIETEMA OPERANDO COM DIFERENTES RAZÕES DE LÍQUIDO

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1 AVALIAÇÃO DE UM HIDROCICLONE DE GEOMETRIA RIETEMA OPERANDO COM DIFERENTES RAZÕES DE LÍQUIDO INES, E.A.S. 1 ; CRUZ, O.C Estudante período em Tecnologia em Irrigação e Drenagem, CEFET Uberaba MG, bolsista FAPEMIG, erica_cefet@hotmail.com. 2 Prof. CEFET Uberaba MG, Ms. Eng. Agrícola, othon@cefetuberaba.edu.br. RESUMO O hidrociclone é um equipamento amplamente utilizado pela indústria em processos envolvendo separação sólido-líquido, porém, ainda, pouco utilizado na agricultura irrigada no Brasil. Neste trabalho avaliou-se o desempenho de um hidrociclone operando com razões de líquido de 8% e 4%. A razão de líquido (RL) é a relação da vazão na corrente de alimentação e a vazão na corrente do underflow do hidrociclone. Os testes foram realizados com um hidrociclone de geometria Rietema, possuindo diâmetro de 19,2 cm na parte cilíndrica para seis vazões variando entre 10 m 3 h -1 e 27 m 3 h -1. O material particulado usado em suspensão foi areia. O melhor desempenho do hidrociclone ocorreu operando com razão de líquido a 8%, apresentando eficiência total de 85,49% para vazão de 2,88 m 3 h -1. Concluiu-se que, hidrociclone operando com razão de liquido 8%, proporcionou melhor eficiência na separação de partículas sólidas. Palavras-chave: pré-filtragem, separação sólido-líquido, razão de líquido. INTRODUÇÃO Os hidrociclones foram patenteados no final do século XVIII, no entanto, sua utilização industrial só teve início após a 2ª Guerra Mundial nas indústrias de extração e processamento de minérios (SILVA 1989). O hidrociclone consiste de uma parte cônica ligada a uma parte cilíndrica, na qual existe uma entrada tangencial para a suspensão de alimentação. A parte superior do hidrociclone apresenta um tubo para saída da suspensão diluída (overflow) e na parte inferior há um orifício de saída da suspensão concentrada (underflow), conforme pode ser observado na Figura 1. O princípio de separação dos hidrociclones é o mesmo das centrífugas, proporcionado pela sedimentação centrífuga, por meio da qual, as partículas em suspensão são submetidas a um campo centrífugo que 40

2 provoca sua separação do fluído (SVAROVSKY, 2000). Com a alimentação tangencial de uma suspensão sólido-líquido na região cilíndrica do equipamento, provoca a formação de um vórtex descendente, o que faz com que as partículas de maior densidade relativa sejam projetadas contra a parede e arrastadas até a saída inferior do mesmo (underflow). Já as partículas menores são arrastadas para o centro do equipamento formando um vórtex ascendente, saindo pelo orifício superior denominado de overflow, (Figura 1). Duto do overflow (Do) Duto de alimentação (Da) l Região cilíndrica Diâmetro do cilindro (Dc) L Região cônica Duto do underflow (Du) Do Da Du Figura 1- Esquema típico de um hidrociclone e princípio de funcionamento. Os hidrociclones são agrupados em famílias, possuindo como característica principal a relação entre suas medidas geométricas associadas com o diâmetro da parte cilíndrica. As famílias de hidrociclones mais conhecidas e de maior interesse técnico-científico são as famílias: Bradley, Krebs e Rietema (SVAROVSKY, 2000). As principais relações geométricas referentes a estas famílias de hidrociclones são apresentadas na Tabela 1. 41

3 Tabela 1. Proporções geométricas das famílias de hidrociclones. Hidrociclone Da/Dc Do/Dc l/dc L/Dc θ RIETEMA 0,280 0,340 0,400 5, ,0º BRADLEY 0,133 0,200 0,330,850 9,0º KREBS 0,27 0,159-5,874 12,7º Fonte: Adaptada de VIEIRA (200) A razão de líquido (RL) é a relação das vazões na corrente de alimentação e corrente do underflow. As razões de líquido são sensíveis à variação do diâmetro do underflow, ou seja, quanto maior o diâmetro do underflow, maiores serão os valores de RL. Em contrapartida, quanto menor o diâmetro do underflow mais concentrada será a corrente de underflow (VIEIRA, 200). Segundo Silva & Medronho (1988), as principais variáveis associadas ao estudo do desempenho dos hidrociclones são: a eficiência total e a eficiência total reduzida. A eficiência total (ET) do hidrociclone é definida pela razão entre a massa total de sólidos coletados no concentrado (underflow) e a massa total de sólidos coletados na alimentação, sendo calculada pela Equação 1 (SVAROVSKY, 2000). ET = su sa C = C wu wa u a (1) em que, ET- eficiência total, adimensional; su - vazão mássica de sólidos recuperados no underflow, kg s -1 ; sa - vazão mássica de sólidos na alimentação, kg s -1 ; C wu - concentração mássica de sólidos no underflow, adimensional; C wa - concentração mássica de sólidos na alimentação, adimensional; u - vazão mássica da suspensão no underflow, kg s -1 ; e a - vazão mássica da suspensão na alimentação, kg s -1. A razão de líquido (RL) é calculada pela Equação 2: Qu RL = Qa (2) em que, RL - razão de líquido, adimensional; 42

4 Qu - vazão volumétrica no underflow, L s -1 ; Qa - vazão volumétrica na alimentação, L s -1. A eficiência total reduzida (ET ) demonstra o real desempenho do hidrociclone, pois considera apenas a capacidade de separação do hidrociclone pelo efeito centrífugo, desconsiderando o fluxo morto que está correlacionado com a razão de líquido, a qual deve ser subtraída da eficiência total (ET). Para quantificação deste parâmetro utiliza-se a Equação 3 (SVAROVSKY, 2000). ET RL ET' = 1 RL (3) em que, ET - eficiência total reduzida, adimensional; ET - eficiência total; RL - razão de líquido. Os hidrociclones são usados de maneira diversificada nas indústrias química, metalúrgica, têxtil, petroquímica, de alimento, de bioengenharia, dentre outras (SILVA, 1989). Soccol (2003) comenta que, apesar de terem seu uso difundido em outras áreas do conhecimento, os hidrociclones não têm sido utilizados no Brasil com a mesma freqüência que o são em sistemas de irrigação de países como Israel e Estados Unidos. Têm se verificado várias pesquisas no campo da engenharia química, de minas e de alimento, que informam sobre o desempenho dos pré-filtros, denominados de hidrociclone. Entretanto, poucas pesquisas têm sido desenvolvidas acerca da avaliação deste equipamento como dispositivo de separação de partículas sólidas na água de irrigação. Desta forma, este trabalho teve como objetivo avaliar o desempenho de um hidrociclone de geometria Rietema operando com razões de líquido 8% e 4%. MATERIAL E MÉTODOS O estudo foi desenvolvido no laboratório de hidráulica do Centro Federal de Educação Tecnológica de Uberaba (CEFET Uberaba), Minas Gerais. Para a realização do experimento, montou-se uma bancada de ensaio conforme mostra a Figura 2. 43

5 RESERVATÓRIO AGITADOR PAINEL DE COMANDO MOTOBOMBA HIDROCICLONE LEGENDA COLUNA DE MERCÚRIO 7 SUPORTE DE MADEIRA TOMADA DE PRESSÃO PONTO DE COLETA MANÔMETRO REGISTRO DE GAVETA SENTIDO DE FLUXO REGISTRO DE ESFERA PLACA DE ORIFÍCIO Figura 2- Esquema da bancada de testes com hidrociclone de geometria Rietema. Nessa bancada, foram instalados os seguintes equipamentos: reservatório de 5000 litros para suspensão da areia; conjunto moto bomba com motor de potencia 15 cv; chave de partida contactora com relê de sobrecarga; manômetro tipo Bourdon; registro de gaveta DN 2 ; tubos de PVC DN 2 ; manômetro diferencial com coluna de mercúrio em U ; medidores de vazão tipo placa de orifício que foram previamente calibrados; hidrociclone de geometria Rietema com diâmetro da parte cilíndrica de 19,20 cm; agitador submersível composto por um motoredutor elétrico, com motor de potência 1,0 cv interligado a um dispositivo tipo hélice; que permaneceu dentro do reservatório, misturando a suspensão. A bancada de ensaios foi colocada em operação por meio do acionamento do conjunto motobomba e aproximadamente 30 minutos após, era acionado o agitador submersível. Com o controle de um registro de gaveta instalado no recalque da bomba, foi fixada uma determindada vazão no hidrociclone, com o conhecimento prévio da curva de ajuste (pressão versus vazão) das placas de orifício instaladas nos dutos do overflow e underflow. Com a soma das vazões observadas nas placas de orifícios instalados nos dutos do overflow (Qo) e underflow (Qu) determinou-se a vazão de alimentação (Qa). As razões de líquido (RL 8% e 4%) foram pré-estabelecidas, ajustando-se as vazões observadas nas correntes de alimentação e underflow por meio do comando dos registros instalados nas referidas correntes. Os ensaios foram realizados com seis vazões variando de 10 a 27 m 3 h -1. Durante o tempo de coleta dos dados de vazão e queda de pressão ( P), 44

6 tomava-se amostra da suspensão em dois pontos de coleta (alimentação e underflow). Em seguida, pesava-se a mesma, obtendo a vazão mássica da referida corrente. A concentração mássica nas correntes foi obtida pelo método gravimétrico, utilizando-se uma estufa para a retirada de toda água da suspensão. Desta forma, conhecendo-se a massa de sólidos e a massa da suspensão nas amostras foi possível determinar a concentração mássica de sólidos nas correntes de alimentação e underflow. A quantidade de material particulado (areia) colocado no reservatório foi de 30 kg, o que proporcionou uma concentração de 000 mg L -1. Com esses parâmetros mensurados, com o auxílio de uma planilha eletrônica do Office EXCELL da Microsoft e utilizando-se das equações 1, 2 e 3, quantificou-se o desempenho do hidrociclone para as vazões testadas. RESULTADOS E DISCUSSÃO A Tabela 1 apresenta os resultados médios obtidos no teste realizado com o hidrociclone de geometria Rietema operando com razões de líquido 8% e 4% para as seis vazões testadas. Pela Tabela 1, verifica-se um decréscimo na eficiência total (ET) do hidrociclone operando com razão de líquido (RL) 8% e 4% com a diminuição da vazão de alimentação (Qa), conseqüentemente queda de pressão ( P). Esta diminuição da eficiência total é explicada pelo menor efeito centrífugo em função da menor velocidade terminal das partículas sólidas no interior do equipamento. Observa-se, ainda que a RL 8% apresentou maiores eficiências totais em relação à RL 4%. Isso implica em afirmar que, com a diminuição da RL, diminui-se a vazão de sólidos no underflow, mesmo que a suspensão se torne mais concentrada em sólidos, a eficiência total manteve-se inferior com o hidrociclone operando com RL 4%. Tabela 1. Valores médios obtidos para o hidrociclone operando com suspensões de areia às razões de líquido 8% e 4%. Qa (m³ h -1 ) Qu (m³ h -1 ) RL (%) P (Kpa) ET (%) ET (%) Razão de líquido 8% 2,88 2,28 8,08 51,99 87,15 85,95 22,7 1,89 8,30 3,2 81,17 79,43 20,71 1,70 8,20 29,42 3,28 0,03 18,24 1,4 8,01 22, 2,8 59,3 15,8 1,27 8,09 1,18 4,13 41,47 12,29 0,98 7,97 9,51 45,07 40,38 Razão de líquido 4% 2,5 1,11 4,1 51,37 53,41 51,38 24,71 1,03 4,17 43,33 49,95 47,78 21,28 0,87 4,09 32,53 35,28 32,53 18,33 0,82 4,47 23,51 31,98 28,84 14,83 0,0 4,04 14,7 1,78 13,29 10,89 0,4 4,23 8,14 12,08 8,17 45

7 CONCLUSÕES Conclui-se que o hidrociclone testado, operando com razão de líquido a 8%, proporcionou maiores eficiências na separação de sólidos suspensos. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS SILVA, M.A.P., MEDRONHO, R.A. Modelos que prevêem o desempenho de hidrociclones: uma avaliação crítica. In: ENCONTRO SOBRE ESCOAMENTO EM MEIOS POROSOS, 1., 1988, Petrópolis. Anais... Petrópolis, 1988, p SILVA, M.A.P. da. Hidrociclones de Bradley: dimensionamento e análise de desempenho f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, SOCCOL, O.J. Construção e avaliação de hidrociclone para pré-filtragem da água de irrigação f. Tese (Doutorado em Agronomia) - Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz, Universidade São Paulo, Piracicaba, SVAROVSKY, L. Solid-liquid separation. 2. ed. London: Butterworths, p. VIEIRA, L.G.M. Otimização dos processos de separação em hidrociclones filtrantes f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Faculdade de Engenharia Química, Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia,