CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA. Operações Unitárias I. Separadores centrífugos: ciclones e hidrociclones. Prof.: Robson Valle

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1 CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA Operações Unitárias I Separadores centrífugos: ciclones e hidrociclones Prof.: Robson Valle Ciclone e hidrociclone são equipamentos normalmente destinados a separação de particulados presentes em uma corrente gasosa, no caso de ciclones ou contidos em uma corrente líquida ou suspensões (hidrociclones).

2 Tais equipamentos apresentam-se na sua forma clássica como uma construção cone-cilíndrico. Esses dispositivos, sem peças móveis, constituem-se de uma entrada lateral e duas saídas orientadas no eixo central do equipamento. Uma saída de partículas, então separadas da corrente fluida, situa-se a base do aparato e que dá acesso a um coletor de sólidos. Outra saída situa-se na base do aparato e dá acesso a um coletor de sólidos. Outra saída, para partículas e fluido,disposta no topo do equipamento, permite a descarga da corrente fluida com concentração de particulados finos para um filtro. A figura abaixo ilustra as características geométricas básicas de um ciclone com diversos tipos de entrada. Face a sua característica construtiva e a maneira como a corrente fluida com partículas entra no ciclone (ou hidrociclone), ele é classificado como um separador tipo centrífugo. Alem da forma da entrada, essa denominação advém da também da fluidodinâmica de seu interior. Na entrada do (hidro)ciclone a mistura fluido-partículas adquire movimento em espiral, que se estende até a base do equipamento (underflow). As partículas, em virtude da ação da força centrífuga, oriunda do escoamento da fase fluida, deslocam-se na direção da parede do

3 (hidro)ciclone. Esta, por sua vez, age na direção radial, impondo movimento circular às partículas. A fase particulada escoa encostada na parede em direção ao coletor de sólidos. No seu percurso, as partículas descrevem trajetória helicoidal sob a ação do arraste, da gravidade e do atrito com as paredes do equipamento. A fase fluida ascende em movimento espiral, circundando o eixo central até o duto de saída do fluido (overflow). A figura abaixo ilustra o comportamento descrito há pouco para um ciclone característico. O escoamento em espiral apresenta componentes de velocidade nas direções tangencial (Ɵ), axial (z) e radial (r). Uma forma comum de identificar as regiões de escoamento no interior do (hidro)ciclone é por meio da análise da componente tangencial da velocidade. Nesse caso, divide-se o escoamento em duas regiões conforme a figura abaixo. Existe uma região central situada, aproximadamente entre 0 < r < 0,4.D, onde a distribuição radial da componente tangencial de velocidade é análoga àquela advinda da descrição da rotação de um corpo rígido (Cremasco e Nebra, 1992): u Ɵ = kr. Existe uma região anular situada entre a região central e a periferia ciclônica. Nesta, a descrição do escoamento, para a componente tangencial de velocidade, segue o tipo vorticial na forma u Ɵ = k / r n, sendo k um parâmetro cinemático que depende das dimensões do bocal de entrada, bem como da velocidade de entrada do fluido no (hidro)ciclone.

4 O valor aproximado de k é Q/ab, em que Q é a vazão volumétrica do fluido na entrada do equipamento, e ab, a área da seção de entrada no caso do ciclone; e ab = πd 0 2 /4 para o hidrociclone. O índice de vórtice ( n ), indica o distanciamento de vórtice livre, que corresponderia a n=1 na equação u Ɵ = k / r n. Shepperd e Lapple (1939) observaram uma faixa de valor para o índice de vórtice de 0,5 < n < 0,8. Separação de particulados em ciclones e hidrociclones A separação de partículas mo interior do ciclone ou hidrociclone é efetuado por ação do campo centrífugo resultante da configuração do equipamento e do modo como a suspensão o alimenta. Tais configurações para os ciclones dos tipos Lapple e Stairmand estão ilustradas na figura abaixo

5 As configurações dos tipos Rietema e Bradley: Ressalte-se que a configuração do ciclone ou hidrociclone caracteriza-se por uma relação especifica entre suas dimensões, expressa usualmente em termos da parte cilíndrica do equipamento, D. O projeto e análise do desempenho do equipamento de separação fluido partículas, incluindo a elutriação, câmara de poeira, podem ser realizados embasados nas seguintes informações (Massarani, 1997): a) equação que relaciona o diâmetro de corte ( d c ) às propriedades físicas do sistema particulado, às dimensões do equipamento e às condições operacionais. O diâmetro de corte é um diâmetro crítico de separação. Partículas com diâmetros superiores ao de corte (d p > d c ) são coletadas no underflow, enquanto as partículas com diâmetros inferiores ao de corte (d p < d c ) são arrastadas para o overflow; b) função eficiência individual de coleta relativa à partícula com diâmetro d i :

6 Eficiência individual ( ƞ ) = ƞ(d i /d c ), que depende da configuração do equipamento, do regime de escoamento do fluido e da dinâmica da partícula. c) função eficiência global de coleta que depende da distribuição granulométrica do conjunto de partículas, y = y(d i ), 1 Eficiência global ( ƞ G ) = ƞ(d i /d c ) dy 0 d) equação para a potência na qual se estabelece a relação entre a queda de pressão e a vazão do fluido no equipamento de separação. O diâmetro de corte, dc, pode ser especificado de diferentes formas como, por exemplo, o diâmetro das partículas que são coletadas com eficiência de 50% no equipamento de separação. Além disso, é possível obter o seu valor por meio do emprego da seguinte correlação: Em que D é o diâmetro da parte cilíndrica do equipamento, K é um parâmetro que depende da família do (hidro)ciclone; μ e Q são a viscosidade dinâmica e a vazão volumétrica do fluido que alimenta o equipamento. Importante: (I) α(r L ) é um fator de correção que considera o fato de uma fração das partículas ser coletada no underflow sem a ação do campo centrifugo, e que está relacionado ao quociente entre as vazões de fluido no underflow (saída B) e na alimentação, R L. (II) O fator β(c v ) considera a concentração volumétrica de sólidos na alimentação. Para partículas arredondadas, este fator pode ser expresso por meio da seguinte correlação:

7 Sendo C v a concentração volumétrica adimensional de sólidos (visto anteriormente), ou em termos de vazão volumétrica, a partir de: em que Q p é a vazão volumétrica de sólidos que alimenta o equipamento. Os parâmetros ϕ, ξ e ψ estão associados à configuração do equipamento. B e D são respectivamente, os diâmetros do underflow e da parte cilíndrica do equipamento. Os ciclones operam com suspensões mais diluídas do que os hidrociclones e frequentemente a descarga do sólido é feita de modo intermitente a partir do tanque acoplado ao underflow do equipamento. Por tais razões, considera-se, nos ciclones, que tanto C v quanto R L não influenciam de modo significativo o valor do diâmetro de corte, ou seja, α(r L ) = β(c v ) = 1. Os valores dos parâmetros de configuração ϕ, ξ, ψ e K estão reunidos na tabela abaixo, cuja validade está destacada na própria tabela. Configuração K ϕ ξ ψ k f u ou Re Lapple 0, < u < 20 m/s Stairmand 0, < u < 30 m/s Rietema 0,039 1,73 1,45 4, <Re< Bradley 0,016 1,73 55,3 2, <Re< Nesta tabela, u é a velocidade média do fluido na seção de entrada do ciclone, u = Q/(a.b). Re = u c.d/ν, em que u c é a velocidade média do fluido na seção cilíndrica do ciclone, u c = 4.Q f /(π.d 2 ), sendo Q f a vazão volumétrica do fluido. Eficiência individual de coleta no campo centrifugo A eficiência individual de coleta relativa à partícula com diâmetro d i pode ser expressa por correlações empíricas: Ciclones Lapple e Stairmand : ƞ(d i /d c ) = (d i /d c ) 2 / [1+ (d i /d c ) 2 ] Hidrociclones Rietema e Bradley : ƞ(d i /d c ) = (exp(5.d i /d c ) 2-1) / (exp(5.d i /d c ) ) Conhecida a distribuição granulométrica das partículas, y = y i (d i ), pode se estabelecer o valor da eficiência (I) de coleta no campo centrífugo: 1 I = ƞ dy 0 (A)

8 Assim como a eficiência global alcançada no hidrociclone: Ƞ G = (1 R L ).I + R L Lembre que R L é o quociente entre as vazões de fluido no underflow e na alimentação. A integração da equação (A) para uma distribuição granulométrica representada pelo modelo Rosin-Rammlet-Bennet (modelo RRB, y = 1 exp (- (d/k) m ), toma a seguinte forma: Ciclones Lapple e Stairmand Hidrociclones Rietema e Bradley Lembrando: Na equação RRB, y = 1 exp (- (d/k) m, onde y é a fração acumulada, em massa, das partículas com diâmetro menor que d. k e m são parâmetros do modelo RRB em que k é o diâmetro da partícula que corresponde a y=0,632.

9 Queda de pressão em modelos ciclônicos Quando se trabalha com equipamentos ciclônicos, as perdas de energia estão, normalmente, associadas a: a) configurações de entrada e saída do equipamento; b) existência ou não de volutas no interior do equipamento; c) perdas de energia cinética, principalmente aquelas resultantes de componente tangencial da velocidade; d) efeito da concentração de sólidos. Assim como em outros sistemas fluidodinâmicos, haverá tanto para ciclones quanto para hidrociclones, a proporcionalidade entre ΔP/ρ e u 2 /2, como sendo linear, possibilitando a equação ΔP/ρ = k f. u 2 c/2, em que u c = Q/(π.D 2 ), sendo o subscrito c referente à seção cilíndrica do equipamento. A diferença de pressão apresentada anteriormente é obtida, experimentalmente, entre o overflow e a alimentação. O valor de k f depende da configuração do equipamento, conforme a tabela dos valores dos parâmetros de configuração ϕ, ξ, ψ e K, vista anteriormente. Cálculo da potencia empregada em um ciclone ou hidrociclone Pot. = Q. ΔP/ƞ onde ƞ é o rendimento global da instalação do soprador. Influencia da concentração de partículas na queda de pressão em ciclones A presença de particulados reduz a diferença de pressão. Esse efeito está diretamente associado à diminuição do valor da componente tangencial de velocidade do gás, conforme:

10 A redução no valor da componente tangencial da velocidade do gás pode ser, basicamente, devido a: a) inércia das partículas. As partículas, durante a sua trajetória no seio da corrente gasosa, tem ação equalizadora do momento de camadas adjacentes de gás, diminuindo assim o valor da componente tangencial de velocidade da fase fluida; b) aumento do atrito entre a corrente da mistura gás-partículas com a parede do ciclone, em virtude de nela depositarem-se os sólidos. O efeito viscoso resultante estende-se às camadas adjacentes da mistura, acarretando a diminuição do valor da componente tangencial de velocidade da fase fluida; c) composição entre os dois efeitos anteriores, pois na dependência da distribuição granulométrica, haverá partículas tanto no seio da corrente gasosa quanto junto à parede e essas, já separadas, escorregam pela parede do ciclone em movimento espiral. A redução do valor da componente tangencial de velocidade do fluido pode ser acompanhada mediante a análise da equação u Ɵ = k / r n, a qual se dá, neste caso por diminuição do parâmetro n. Esta redução, por sua vez, acarreta imediatamente a redução da diferença de pressão no equipamento. Para explicitar esta diferença, pode-se aventar as seguintes hipóteses (Bradley, 1965; Cremasco e Nebra, 1992): os valores das componentes axial e radial de velocidade são desprezíveis frente à componente tangencial; ação do campo centrífugo maior do que o gravitacional; o efeito da força resistiva na direção radial não é significativo. Desta forma, a variação de pressão, na componente radial, é descrita por: dp/dr = ρ u Ɵ 2 Integrando ao longo do raio, obtemos: Sendo k Q/(a.b) e n = n(c M ), sendo C M a concentração mássica adimensional das partículas: Em que m p e m f referem-se à massa de partícula e fluido, respectivamente.

11 A concentração mássica adimensional também pode ser obtida a partir do conhecimento das vazões mássicas das fases fluida e particulada na forma: em que ṁ p e ṁ f referem-se às vazões mássicas de partículas e de fluido, respectivamente. A redução na diferença de pressão, dessa maneira, pode ser expressa segundo a correlação proposta por Briggs (1946), na forma: Em que ΔP é obtido da equação ΔP/ρ = k f. u 2 c/2. A tabela abaixo mostra alguns valores de p e q propostos por diversos autores: Sistemas em série e em paralelo de equipamentos ciclonicos

12 Sistemas em Série Os equipamentos ciclônicos (ciclone e hidrociclone) podem ser operados em série, ou seja, conectados sucessivamente em linha, com a finalidade de separar os finos oriundos do primeiro estágio de separação. Os estágios operam à mesma vazão, sendo a perda de energia (de pressão) igual à soma das perdas desenvolvidas pelos estágios. Para uma determinada capacidade de operação Q, tem-se: ΔP SÉRIE = ΔP 1 + ΔP 2 Dessa maneira, a potência associada ao sistema em série, será Pot. = Q. ΔP SÉRIE /ƞ. Sistemas em Paralelo A adição de dois ou mais equipamentos em paralelo é útil em sistemas que se opera com capacidades elevadas de particulados, objetivando o aumento da eficiência de coleta, decorrente do aumento de velocidade de alimentação em cada equipamento, os quais devem fornecer perdas de energia iguais, desde que tenham a mesma configuração e tamanho. A característica do sistema representado é Q PARALELO = Q 1 + Q 2, ou para n equipamentos:

13 Se os equipamentos apresentarem as mesmas dimensões, Q PARALELO = n.q 1, desta forma W : potencia Teremos ou ]

14 Resumo A separação de partículas sólidas de um gás pode ser efetuada através de diversas maneiras, por exemplo, filtração, precipitação eletrostática, aspersão com líquidos, ciclones e outros processos. O mais utilizado em refinarias, geralmente, é o ciclone, especialmente empregado em processos de craqueamento catalítico, onde são retidas as partículas finas do processo de craqueamento. No processo de craqueamento catalítico, o gás que entra nos ciclones pela abertura lateral encontra-se carregado de partículas de catalisador, saindo pela parte superior, o gás purificado e, por baixo, as partículas de catalisador, que voltam ao leito. Dentro do ciclone, as partículas de sólidos chocam-se contra as paredes, perdem velocidade e, em consequência se precipitam. O ciclone é um separador por decantação, em que a força da gravidade é substituída pela força centrífuga. A força centrífuga que age sobre às partículas pode variar de 5 a vezes a mais do que a força da gravidade sobre a mesma partícula, dependendo das condições do gás e do projeto do ciclone. O ciclone é um equipamento muito eficiente e por isso muito utilizado nos processos de separação sólido-gás. Fatores que influenciam o funcionamento de um Ciclone a) Diâmetro das partículas: o ciclone não é muito eficiente para partículas menores do que 0,005 mm. b) Velocidade do gás na entrada do ciclone: é muito importante notar que quanto maior a velocidade do gás que entra no ciclone, mais partículas finas serão retirada do gás. A velocidade do gás que vai para o ciclone não pode ser aumentada de forma indiscriminada, pois a perda de pressão (perda de carga) que ocorre no interior do ciclone poderá ser muito grande. c) Viscosidade: O aumento da viscosidade do gás dificulta a remoção das partículas. Uso de ciclones no processo de craqueamento catalítico No processo de craqueamento catalítico, a carga (gasóleo) entra em contato com o catalisador no riser, onde são iniciadas as reações, que ocorrem em fase gasosa. O riser é um tubo de grande dimensão, que fica a montante do reator. O reator, por sua vez, funciona como um vaso separador entre os produtos formados e o catalisador. O catalisador em forma de pó, ou seja, partículas muito finas, quando retirado do reator, está impregnado com coque; por isso necessita de retificação para retornar ao reator.

15 No regenerador, o coque do catalisador é queimado na presença de ar, que vem do blower (soprador). Os gases gerados na combustão do catalisador (CO 2, CO, H 2 O, H 2, N 2, O 2 em excesso, e outros gases), antes de serem enviados para a atmosfera, passam em uma caldeira recuperadora de calor (caldeira de CO), para que o calor latente dos gases, bem como a queima do CO na caldeira possam ser aproveitadas na geração de vapor. Os ciclones, que estão localizados no topo do reator, evitam que o catalisador contamine os produtos que saem do reator. Os produtos gerados no reator seguem para uma torre de fracionamento, onde são separados em frações, como GLP, nafta craqueada, diesel de FCC (LCO) e óleo combustível de FCC. Na torre de fracionamento, ainda é produzido uma fração denominada borra, que por conter algum catalisador arrastado do processo de craqueamento, retorna para o início do processo, junto com a carga. Observação: As unidades de craqueamento catalítico contínuo são mais conhecidas como UFCC, ou unidade de craqueamento catalítico fluidizado, e são as maiores responsáveis pela formação de gasolina e GLP a partir de gasóleos nas petroquímicas. O FCC ( Fluid Catalytic Cracking ) surgiu na década de 40 e baseia-se no conceito de fluidização de sólidos. LCO: óleo diesel de craqueamento. Glossário: Corpo rígido: aquele que executa os movimentos de rotação, translação ou os dois de forma combinada. Força centrífuga: consiste numa força aparente (de inércia) que se manifesta nos corpos em rotação e cujo efeito é o afastamento dos corpos do centro de rotação. É devida a uma rotação que faz variar continuamente a direção do movimento do corpo, dando origem a uma aceleração que pode ser interpretada como uma força de inércia que o empurra para fora. O seu valor é dado por F c = mw 2 r, onde m é a massa do corpo, w a velocidade angular e r o raio do movimento. Voluta: forma em espiral muito comum no reino animal, que lembra um caramujo. Há séculos vem sendo utilizada em exemplos aplicados na geometria, além de servir como objeto de adorno. Vórtice: um escoamento giratório onde as linhas de corrente apresentam um padrão circular ou espiral. São movimentos espirais ao redor de um centro de rotação. Exemplo: Deseja-se avaliar o desempenho de dois ciclones em paralelo, ambos do tipo Lapple, de diâmetro igual a 0,14 m para operar com vazão total de 90 m 3 /h com ar (ρ = 1, g/cm 3 e ν = 0,196 cm 2 /s), carregado com partículas de massa específica igual a 2,43 g/cm 3 e vazão mássica igual a 40 g/s. Obtenha os valores da eficiência global de coleta e da potência do soprador envolvido (que apresenta rendimento de 50 %), considerando a correção de Comas (1991) para a influência da concentração de particulados, na perda de carga no ciclone. Sabe-se que a distribuição granulométrica do particulado que alimenta o sistema, segue o modelo RRB, conforme y = 1 exp (- (d/70) 2,5, com d expresso em μm.