DIMENSIONAMENTO DE CÂMARA DE FAD PARA TRATAMENTO DE ÁGUAS OLEOSAS

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1 DIMENSIONMENTO DE CÂMR DE FD PR TRTMENTO DE ÁGUS OLEOSS Resultados Parciais do Mestrado (UNICP). Financiamento: FCEPE, TERMOPE. Fernanda Cristina Padilha da Rocha e Silva 1 ; Nathália Maria Padilha da Rocha e Silva 2 ; lex Elton de Moura 3 ; Leonie sfora Sarubbo 4 ; Valdemir lexandre do Santos 4 1 Mestranda em Desenvolvimento de Processos mbientais, UNICP e Centro de Ciências e Tecnologia. [CEP: , padilha.nanda@gmail.com]. Bolsista FCEPE. 2 Graduanda em Engenharia mbiental, UNICP e Centro de Ciências e Tecnologia. Voluntária PIBIC/UNICP. 3 Mestrando em Ciências Nucleares, UFPE. 4 Professores e Pesquisadores do Centro de Ciências e Tecnologia, UNICP. Resumo Foi desenvolvido um modelo de dimensionamento para câmaras de flotação por ar dissolvido (FD) para tratamento de águas oleosas, com base na cinética de primeira ordem proposta na literatura para o processo e na analogia de semelhanças entre este e os reatores de mistura perfeita (CSTRs - Continuous Stired Tank Reactor). técnica de FD baseia-se na separação de partículas sólidas e/ou líquidas de uma fase líquida, através da utilização de bolhas de gás, com aderência das partículas às superfícies dessas bolhas, reduzindo a densidade dessas partículas, provocando a flotação, para que sejam devidamente coletadas após atingirem uma determinada concentração em forma de espuma. Contudo, a dificuldade para se dimensionar essas câmaras reside na ausência de critérios de dimensionamento para câmaras de interação entre as microbolhas e o material a ser flotado. adoção de uma analogia com base em um reator do tipo CSTR, associada a uma cinética de primeira ordem, permitiu simulações para uma câmara de FD com 10 litros de volume. s simulações foram realizadas para razões de reciclos de 20% a 140%, observando-se as respectivas conversões que vare para conversões entre 75% e 98%, na recuperação de águas oleosas com concentração de óleo da ordem de 800ppm. Palavras-chave: Microbolhas; Constante cinética; Separação líquido-líquido. INTRODUÇÃO flotação por ar dissolvido (FD) pode ser definida como um processo de separação de partículas (solida ou liquida) via adesão de bolhas de ar. união partícula bolha passa a apresentar uma densidade menor que a do meio aquoso e flutua (levita) ate a superfície da célula de flotação (ou interface líquido/ar) de onde as partículas são removidas (RUBIO; SOUZ; SMITH, 2002). Numa instalação experimental de FD (Figura 1), o ar é dissolvido em água num saturador sob pressão (2-5 kgf/cm²). Quando a água saturada com ar é injetada a pressão atmosférica na célula de flotação, o ar em excesso é liberado sob a forma de microbolhas ( μm), as quais aderem à fase em suspensão promovendo a flotação, através de uma terceira fase formada em forma de 1

2 espuma (ar + partículas). Uma bomba de recirculação permite a descarga de parte da água que recebeu o referido tratamento e recirculação da outra parte, para realimentação do tanque de saturação do afluente a ser saturado, com ar comprimido. Figura 1 - Esquema com câmara de FD na separação água-óleo flotação de partículas depende do tipo de superfície da matéria particulada (COUTO; MELO; MSSRNI, 2002). Testes de laboratório e em plantas piloto são usualmente realizados para verificar os critérios de projeto. Os fatores que devem ser considerados no projeto de unidades de flotação incluem a concentração do material particulado (diâmetro médio das gotículas de óleo, neste caso), quantidade de ar usado, velocidade de ascensão das microbolhas, entre outros. O conhecimento da lei cinética no processo de flotação é uma característica importante, uma vez que pode ajudar a determinar a eficiência do mesmo, bem como auxilia a estabelecer as equações de projeto e, consequentemente, necessárias ao scale-up do equipamento. MTERIL E MÉTODOS Numa abordagem mais simples e, frequentemente mais utilizada, a flotação é comparada a uma reação química do seguinte tipo: k ( ) by( bolhas) cz( agregado flotável) ax partículas + (1) 2

3 Em que a velocidade de consumo de partículas (ou gotas de óleo) pela flotação, para uma reação de ordem n é dada pela seguinte equação (COUTO; MELO; MSSRNI, 2002): d ( C V) n dt = k V C (2) Em que C é a concentração de partículas na câmara de flotação, V é o volume da câmara de flotação, k é a constante cinética do processo de remoção e n é a ordem da reação, determinada como igual à unidade. Para operação em regime contínuo a seguinte equação deve ser utilizada: dc t dt ( ) Q C Q C( t) ( ) n a a s = k C t (3) Vic Vic Com, ( ) t = tic, C tic = Cic Qs = QLS + Qa, Vic = V0 t ic Em que C a e Q s são a concentração e a vazão de alimentação e V(t) é a variação no volume do tanque com o tempo durante a operação em batelada. operação em batelada alimentada termina no tempo t ic, quando a operação em regime contínuo é iniciado. Neste momento o tanque de flotação tem uma concentração C ic e um volume V ic. O efluente tratado sai a uma vazão de Q s, constante igual à soma da alimentação e do líquido saturado por ar. Para cada corrida experimental, C a, V 0, Q LS, Q a, V ic e C ic permanecem constantes. O desempenho de uma flotação por ar dissolvido depende primariamente da relação entre o volume de ar e massa de material a ser flotado (/S) necessária para atingir um dado grau de clarificação. Esta razão vai variar com cada tipo de suspensão e pode ser determinada experimentalmente usando uma célula de flotação em escala de laboratório. Razões /S típicas encontradas no abrandamento de lodo em plantas de tratamento de efluentes variam de 0,005 a 0,060. s equações que permitem dimensionar os sistemas de flotação por ar dissolvido sem e com reciclo (L-SHMRNI; JMES; XIO, 2002). Sem reciclo: 3

4 Em que: S ( f P 1) 1,3 Sa = (4) X0 S a - solubilidade do ar em água, em cm 3 /L de água residuária à pressão atmosférica; f - fração de ar dissolvido, considerando-se a saturação incompleta (valores entre 0,5 e 0,8); P - pressão de funcionamento em atmosfera; C 0 - concentração de material a ser flotado na água residuária. E com reciclo: ( f P 1) R 1,3 Sa = S Q C0 (5) Em que: R - razão de recirculação, - Q - vazão afluente, m 3 /s Valores de S a disponíveis na literatura conforme a temperatura de trabalho são: 29,2 (0 C); 22,8 (10 C); 18,7 (20 C); 15,7 (30 C). De acordo com o balanço de massa em uma câmara de flotação, seja: M C - taxa de acúmulo de material a ser flotado; M E - taxa de entrada de material a ser flotado; M F - taxa de formação do material a ser flotado; M S - taxa de saída do material a ser flotado; M C - taxa de consumo, por flotação, do material flotado. Ou seja, Tem-se então: M C = (M E + M F ) - (M S + M C ) (6) F = F0 kcv (7) E como o volume pode ser considerado constante, Q0 V = ( C C ) 0 k C Em que F0 = C0 Q0 e: F 0 e C 0 - fluxo e concentração do material a ser flotado, na alimentação, respectivamente, mols/s e mols/m 3 ; (8) 4

5 F e C - fluxo e concentração de material a ser flotado na saída da câmara de flotação, mols/s e mols/m 3 k - constante de velocidade do processo de flotação; s -1 Q0 - vazão de alimentação, m 3 /s. Como o processo empregado possui reciclo, ficando a vazão de material a ser processado através da câmara de FD, representada pela equação a seguir: Como Q R 1,3 S ( f P 1) a 0 = (9) ( / S) C0 Introduzindo-se a Equação (9) na Equação (8), tem-se: V R 1,3 S ( f P 1) ( C C ) a 0 = (11) C0 k C 0 C S 0 C C ( 1 X ) representa a conversão para a flotação ( X ) e C = C0, a Equação (11), que estima o volume para a câmara de flotação, pode ser rescrita finalmente como: ( f P 1) R 1,3 Sa X V = (12) k C0 ( 1 X) S RESULTDOS E DISCUSSÃO Equação (12) foi utilizada para simular e ajustar os parâmetros a valores da concentração do material flotado para uma determinada concentração de alimentação (utilizada em ppm). Utilizou-se para isso a ferramenta Solver da Planilha eletrônica Excel (BURG, 2006). O programa computacional permitiu observações da relação à conversão (X ) como função da razão de Reciclo (R) e apresenta esses dados na Figura 2. Os dados utilizados na simulação foram para uma câmara de flotação de volume de 0,1m 3 ; /S igual a 0,008; Sa igual a 15,7mg/L; P igual a 4 atm; teor de óleo na 5

6 alimentação de 800ppm e; constante cinética (k) igual a 0,0015s -1 (COUTO; MELO; MSSRNI, 2002). Observa-se na Figura 2 que com a redução da razão de reciclo existe um aumento da conversão no processo, obedecendo a uma equação matemática ou modelo polinomial de previsão: X 2 = 0,9955 0,2195 R + 0,0313 R (13) com uma variância explicada de 99,8%, isto é, um modelo que pode explicar praticamente a variabilidade existente no fenômeno estudado, no intervalo de condições operacionais em que foi realizada a simulação. Figura 2 - Comportamento da conversão em um processo de desenvolvido FD em função da razão de reciclo CONCLUSÃO O modelo de simulação desenvolvido por esse trabalho, com base na analogia dos reatores tipo CSTR, apresentou-se como uma ferramenta necessária ao estudo de importantes parâmetros para o processo de flotação por ar dissolvido (FD). Outros parâmetros como a relação entre o volume de ar e massa do óleo a ser flotado (/S) e a 6

7 pressão de saturação também podem ter seus valores numéricos investigados com auxílio de dados experimentais e do modelos proposto. REFERÊNCIS L-SHMRNI,..; JMES,.; XIO, H. Separation of oil from water by dissolved air flotation. Colloids and Surfaces : Physicochemical and Engineering spects. Volume 209, Issue 1, 4 September 2002, Pages BOURG, D.M. Excel Scientific and Engineering. 1. ed. US: O'Reilly, COUTO, H.J.B.; MELO, M..V.; MSSRNI, G. Tratamento de Efluentes da Indústria Láctea través da Flotação por r Dissolvido, Proceedings of XXX ENEMP Congresso Brasileiro de Sistemas Particulados, São Carlos-SP, October, 9 p (2002). FOGLER, H.S. Elements of Chemical Reaction Engineering. International Edition. New York: Prentice Hall, RUBIO, J.; SOUZ, M. L.; SMITH, R. W. Overview of Flotation as a Wastewater Treatment Technique. Minerals Engineering 15 (2002),