PROCESSO DE SEPARAÇÃO BIFÁSICO USANDO SEDIMENTADOR CONTINUO: MODELAGEM E SIMULAÇÃO

Transcrição

1 PROCESSO DE SEPARAÇÃO BIFÁSICO USANDO SEDIMENTADOR CONTINUO: MODELAGEM E SIMULAÇÃO F. D. T. de LUNA 1 e A. S. Vianna Jr 1 1 Universidade de São Paulo, Escola Politécnica, Departamento de Engenharia Química para contato: flaviadaylane@usp.br RESUMO Devido à facilidade de operação e elevada eficiência de separação, sedimentadores são utilizados pelas indústrias no tratamento de água. Porém, a eficiência de remoção depende: Das características dos sólidos em suspensão e dimensões geométricas do equipamento; fatores que influenciam a dinâmica do escoamento. Pesquisadores usam simulações de CFD para descrever o comportamento dos fluidos em tanques de sedimentação. Mas, a modelagem CFD para tanques circulares verticais utilizados para tratamento de água potável não aparece facilmente na literatura. Devido a isso, o presente trabalho propõe avaliar numericamente equipamento de separação água/sólido, utilizando o ANSYS CFX, considerando escoamento turbulento, isotérmico, incompressível e estado estacionário. O modelo de partícula e de turbulência k- foram empregados. Através dos perfis de vetores velocidade e campos de concentração, verificou-se a influência da concentração na alimentação sobre o comportamento dos fluidos dentro dos equipamentos. Foi analisada também, a influência da adição de uma região cônica acoplada no final do corpo cilíndrico sobre a eficiência de separação. Observando que o sedimentador cônico apresenta maior eficiência em relação ao sedimentador cilíndrico. A maior eficiência obtida, dentre os casos estudados, foi de aproximadamente 90% para o caso com concentração de 1% da fase sólida. 1. INTRODUÇÃO A sedimentação, motivada pela ação da gravidade, é um dos métodos mais comuns e utilizados para a separação de sólidos suspensos em água e esgoto. Segundo Shahrokhi et al. (2011), do investimento total em tratamento de água, 30% é reservado para investir em tanques de sedimentação. Devido a grande importância dos tanques de sedimentação, a sua eficiência de separação tem sido objeto de numerosos estudos teóricos e experimentais. White et al. (2003) afirmam que o desempenho da sedimentação depende das características dos sólidos em suspensão, geometria e dimensões do tanque separador e do campo de fluxo dentro do equipamento. Dessa forma, o estudo em CFD vem crescendo consideravelmente, pois ele possibilita uma melhor compreensão básica dos processos internos (GOULA et al., 2008; FARROW et al., 2000). Apesar do interesse crescente, ainda não há disponível facilmente na literatura trabalhos que

2 apresentem estudo em CFD de tanques de sedimentação para tratamento de água potável (com baixas concentrações de sólidos). Diante desse quadro, o presente trabalho tem com objetivo estudar o comportamento dinâmico de uma mistura (água/ carbonato de cálcio) em sedimentadores contínuos e analisar a influência de parâmetros geométricos sobre a eficiência de separação das fases. 2. METODOLOGIA 2.1. Geometrias e Malhas Foram estudadas duas geometrias de sedimentadores, ilustradas na Figura 1. Os dois problemas são constituídos por um corpo cilíndrico, uma entrada localizada na parte superior do equipamento, e duas saídas; uma situada próxima à entrada e a outra no fundo do equipamento. No interior dos dois equipamentos há um quebra-fluxo, auxiliando a alimentação da mistura. A diferença no segundo sedimentador, Figura 1B, é uma parte cônica que foi acoplada no final do corpo cilíndrico, a fim de reduzir o acúmulo no fundo do equipamento. Para realizar as simulações numéricas, foram criadas malhas compostas por elementos hexaédricos para cada geometria, utilizando o ICEM-CFX (a) (b) Figura 1: Geometria dos sedimentadores estudados; (a) Sedimentador Cilindríco e (b) Sedimentador Cônico Modelagem Matématica

3 Para a modelagem matemática algumas considerações foram feitas, como seguem: Fluido newtoniano e incompressivel; Escoamento permanente, isotérmico e turbulento; Paredes lisas e estáticas; Força de arrasto considerada; Modelo de mistura (Água fase continua e carbonato de cálcio fase dispersa); Diâmetro da fase dispersa constante e igual a 100 m. As equações de conservação de massa e quantidade de movimento reduzem à, respectivamente: f U 0 (1) T M 0 f U U fp f U U S M (2) Onde o subscrito representa uma fase, U,, p, S M são respectivamente, a velocidade, densidade, viscosidade e termo fonte. M representa as forças interfaciais, e devido às considerações feitas, pode ser determinada por: C D 3 f M U U U U 4 d (3) No qual o C D é o coeficiente de arrasto e é calculado pelo modelo de Schiller-Naumann. O modelo de turbulência utilizado foi A fim de quantificar a eficiência de separação água/óleo usando o separador ciclônico, foi utilizada a seguinte relação. CL C C E(%) x100 CL (4) No qual, E corresponde à eficiência de separação água/carbonato de cálcio, C L é a concentração de carbonato na saída lama, C é a concentração de carbonato na saída clarificado Casos Estudados C

4 Na Tabela 1, são apresentados os casos estudados. Tabela 1: Casos estudados Casos Sedimentador Concentração volumétrica na Entrada (%) Caso 01 Cilíndrico 1,0 Caso 02 Cilíndrico 5,0 Caso 03 Cilíndrico 10,0 Caso 04 Cônico 1,0 Caso 05 Cônico 5,0 Caso 06 Cônico 10,0 3. RESULTADOS Os resultados numéricos, obtidos dos casos estudados, são analisados através de campo de vetores de velocidade da fase contínua, concentração volumétrica e eficiência de separação. Nas Figuras 2 e 3, são apresentados os perfis de velocidade dos vetores da fase contínua (água) sobre um plano xy localizado na região central dos equipamentos. Em todos os casos apresentados, observam-se zonas de recirculação, igualmente verificados em trabalhos na literatura de sedimentadores em CFD, a exemplo de: Shahrokhi et. al (2011), Joodi e Hameed (2014), Dixon et al.(2003) e Goula et al. (2008). Além do mais, Shahrokhi et al. (2011) e Diehl (2000) afirmam que para aumentar a eficiência de separação no tanque se faz necessário um campo de fluxo uniforme. Apesar da recirculação do fluido possuir um escala de velocidade inferior à velocidade de sedimentação, a existência dessas zonas de recirculação tem efeitos adversos, que são principalmente: Diminui a área efetiva do tanque; Induz uma elevada intensidade de turbulência, o que não só diminui a possibilidade de partícula depositar-se, mas pode também causar problemas de ressuspensão.

5 Figura 2: Campo de vetores velocidades da fase contínua no sedimentador cilíndrico para as concentrações estudadas; (a) 1% de sólido, (b) 5% de sólido e (c) 10% de sólido. Figura 3: Campo de vetores velocidades da fase contínua no sedimentador cônico para as concentrações estudada (a) 1% de sólido, (b) 5% de sólido e (c) 10% de sólido.

6 Na Figura 4 e 5, são apresentados os perfis de concentração volumétrica do carbonado de cálcio sobre um plano xy localizado no eixo central dos equipamentos. Observa-se nessas figuras, uma maior concentração da fase sólida na região inferior do sedimentador, denominada de região de compactação (JOODI e HAMEED, 2014; NGUYEN et al., 2006). Verifica-se que quanto maior a concentração da fase sólida na alimentação, maior é a altura da região de compactação para as duas geometrias estudadas. Figura 4: Perfil de concentração da fase sólida para cada concentração estudada no sedimentador cilíndrico; (a) 1% de sólido, (b) 5% de sólido e (c) 10% de sólido. Ao comparar os perfis de concentração no sedimentador cilíndrico e cônico (Figuras 4 e 5), verifica-se que as alturas de compactação no primeiro equipamento são maiores, igualmente observado por Diehl (2000) ao também comparar sedimentadores ideias, no qual a concentração é assumida ser constante em cada secção transversal, cônico e cilíndrico. Figura 5: Perfil de concentração da fase sólida para cada concentração estudada no sedimentador cilíndrico; (a) 1% de sólido, (b) 5% de sólido e (c) 10% de sólido. Foram determinados valores da eficiência de separação dos sedimentadores utilizando a Equação 04 e, posteriormente, representado em função da concentração volumétrica da fase sólida na alimentação, conforme apresentada na Figura 6.

7 Figura 6: Eficiência de separação em função da concentração volumétrica na alimentação para os dois sedimentadores estudados. Observa-se na Figura 6, que os maiores valores de eficiência foram obtidos no sedimentador cônico. E para os dois equipamentos, a eficiência de separação diminuiu à medida que a concentração da fase sólida foi aumentada. A maior eficiência obtida para o caso de 1% da fase sólida no sedimentador cônico e foi próxima a 90%. 4. CONCLUSÕES A partir dos resultados obtidos nos sedimentadores contínuos pode-se concluir que: O modelo matemático proposto mostrou-se capaz de avaliar o problema em questão, sendo possível verificar o comportamento tridimensional do escoamento no interior de ambos os sedimentadores contínuos; Dentro dos dois sedimentadores, foi possível observar zonas de recirculação indesejáveis; O aumento da concentração influenciou consideravelmente na eficiência de separação, dentre os casos estudados; No sedimentador cilíndrico há um maior deposito de sólidos na região inferior, o que pode justificar sua menor eficiência de separação; A maior eficiência obtida foi para a concentração volumétrica de 1% de sólidos no sedimentador cônico.

8 5. REFERÊNCIAS DIEHL, S. On boundary conditions and solutions for ideal clarifier thickener units.. Chemical Engineering Journal, Vol. 80, p , DIXON, T., MANN, A., HOBSON, P., PLAZA, F., PENNISI, S. E STEINDL, R. Applocation of CFD in the sugar industry. Third International Conference on CFD in the Mineral and Process Industrias. Austrália, FARROW, J. B., FAWELL, P. D., JOHNSTON, R. R. M, NGUYEN, T.B., RUDMAN, M., SIMIC, K. e SWIFT, J.D. Recent developments in techniques and methodologies for improving thickener performance. Chemical Engineering Journal, Vol. 80, p , GOULA, A.M., KOSTOGLOU, M., KARAPANTSIOS, T.D e ZOUBOULIS, A.L. A CFD methodology for the design of sedimentation tanks in potable water treatment. Case study: The influence of a feed flow control baffle. Chemical Engineering Journal, Vol. 140, p , JOODI, A. S e HAMEED, M. A. S. Numerical Model for Water Flow and Settling Behavior in the Sedimentation Basin of AlKaramah Treatment Plant. International Journal of Engineering Sciences e Technology, Vol.3, p , NGUYEN, T., HEATH, A. e WITT, P. Population Balance CFD Modelling of fluid flow, solids distribution and flocculation in thickener feedweels. Fifth International Conference on CFD in the Process Industries. CSIRO, Melbourne, Australia, SHAHROKHI, M., ROSTAMI, F., MD SAID, M. A. e SYAFALNI, S. Numerical Investigation of Baffle Effect on the Flow in a Rectangular Primary Sedimentation Tank. World Academy of Science, Engineering and Technology, Vol.5, p , WHITE, R.B., SSUTALO, I.D. e NGUYEN, T. Fluid flow in thickener feedwell models. Minerals Engineering, Vol.16, p , 2003.