UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALFENAS CAMPUS POÇOS DE CALDAS LARISSA PIANCASTELI CLEPF

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALFENAS CAMPUS POÇOS DE CALDAS LARISSA PIANCASTELI CLEPF ESTUDO DE HIDROCICLONE PARA SEPARAÇÃO DE PEDRAS E AREIA NO PROCESSO DE LAVAGEM DE GARRAFAS PET DA EMPRESA M&G POÇOS DE CALDAS 2015

2 LARISSA PIANCASTELI CLEPF ESTUDO DE HIDROCICLONE PARA SEPARAÇÃO DE PEDRAS E AREIA NO PROCESSO DE LAVAGEM DE GARRAFAS PET DA EMPRESA M&G Trabalho de conclusão de curso apresentado como parte dos requisitos para a conclusão do curso de graduação em Engenharia Química pela Universidade Federal de Alfenas campus Poços de Caldas. Orientador: Prof. Dr. Marcos Vinícius Rodrigues. POÇOS DE CALDAS 2015

3 FICHA CATALOGRÁFICA C628e Clepf, Larissa Piancasteli. Estudo de hidrociclone para separação de pedras e areia no processo de lavagem de garrafas pet da empresa M&G. / Larissa Piancasteli Clepf. Orientação de Marcos Vinícius Rodrigues. Poços de Caldas: fls.: il.; 30 cm. Inclui bibliografias: fls Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Química) Universidade Federal de Alfenas Campus de Poços de Caldas, MG. 1. Reciclagem. 2. Embalagens PET. 3. Hidrociclone. I. Marcos Vinícius Rodrigues. (orient.). II. Universidade Federal de Alfenas Unifal. III. Título. CDD 628

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5 AGRADECIMENTOS À Universidade Federal de Alfenas campus Poços de Caldas, pela oportunidade oferecida. Ao Prof. Dr. Marcos Vinícius Rodrigues, orientador, pelos conhecimentos transmitidos, disponibilidade, dedicação e confiança depositada na realização deste trabalho. Ao Prof. Dr. Leandro Lodi, pelo apoio, suporte e conhecimentos transmitidos durante a realização deste trabalho. À equipe da empresa M&G, pela oportunidade, disponibilidade, receptividade, apoio e confiança depositada durante a realização deste trabalho.

6 RESUMO Devido ao crescente uso e descarte de embalagens PET, sua reciclagem tem sido cada vez mais importante. O produto obtido a partir de sua reciclagem é utilizado como matéria prima em diversos setores industriais, como na fabricação de tintas, cordas e principalmente na indústria têxtil. O processo de reciclagem é realizado em várias etapas, sendo a de lavagem do material uma das mais críticas, pois é onde ocorre a separação entre os flakes de PET e os resíduos, como areia, pedras, rótulos e metais. A empresa M&G FIBRAS BRASIL, localizada no município de Poços de Caldas MG, investe bastante nessa etapa e um dos equipamentos que auxilia nessa separação é um hidrociclone. O hidrociclone é um equipamento simples que realiza a separação de partículas em campo centrífugo e apresenta alta eficiência de coleta. O objetivo inicial do presente trabalho era avaliar a eficiência de coleta do hidrociclone presente no processo de reciclagem da empresa M&G, no entanto, o mesmo se trata de equipamento não convencional o que impossibilitou a realização desse estudo. Desse modo, projetou-se um equipamento da família Rietema que atendesse bem ao processo, porém, por apresentar diâmetros de corte reduzido muito abaixo do diâmetro médio das partículas presentes na corrente de alimentação, concluiu-se que hidrociclone não é o equipamento adequado a ser adotado nessa etapa do processo. Palavras chave: Reciclagem. Embalagens PET. Hidrociclone.

7 ABSTRACT Due to high use and discard of PET packaging, its recycling has been more importante each day. The recycling product is used as raw material for many industrial sectors, as in manufacture of paints, ropes and, mainly, in the textile industry. The recycling process is carried out in several steps, the washing process is one of the most critical one, because it is in this stage that occurs the separation between the PET flakes and the waste (sand, stones, labels and metals). The M&G FIBRAS BRASIL company, located in the city of Poços de Caldas MG, invests a lot at this stage and one of the separation equipments is a hydrocyclone. Hydrocyclone is a simple equipment that makes the particle separation in a centrifugal field and show high efficiency. The inicial goal for this paperwork was to measure the hydrocyclone collection efficiency from the M&G company recycling process, however, this is a non-conventional equipment that made this study impossible. Therefore, it was designed an equipment of Rietma family that cater well the process, but, this has shown cutting diameters far below the average diameter of the particles presents in the feed stream, it was concluded that the hydrocyclone is not the suitable equipment to be used at this process stage. Key words: Recycling. PET packaging. Hydrocyclone.

8 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO OBJETIVOS OJETIVOS GERAIS OBJETIVOS ESPECÍFICOS REVISÃO BIBLIOGRÁFICA A EMPRESA M&G E SEU PROCESSO DE RECICLAGEM HIDROCICLONE E SEU PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO CLASSIFICAÇÃO DOS HIDROCICLONES MODELAGEM DE HIDROCICLONES GRUPOS ADIMENSIONAIS APLICADOS A HIDROCICLONES MEDIDA DE DESEMPENHO DE HIDROCICLONES Eficiência total ou global Eficiência total reduzida Eficiência granulométrica Eficiência granulométrica reduzida CARACTERIZAÇÃO DO MATERIAL MATERIAIS E MÉTODOS RESULTADOS E DISCUSSÕES CONCLUSÕES SUGESTÕES FUTURAS REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 32

9 7 1. INTRODUÇÃO Os materiais plásticos são cada vez mais utilizados no mercado. Os fatores desse crescente uso estão relacionados às suas propriedades, como, leveza, durabilidade, baixa densidade, baixo custo, razoável resistência mecânica e mobilidade a baixa temperatura (MANCINI; BEZERRA; ZANIN, 1998). Atualmente, o PET é um dos termoplásticos mais fabricado no mundo. São inúmeras as aplicações para esse material, contudo, no Brasil, 71% do PET produzido é empregado na elaboração de embalagens plásticas, as quais são destinadas, principalmente, à indústria alimentícia (ROMÃO; SPINACÉ; PAOLI, 2009). Essas embalagens apresentam um período de vida útil muito curto e por serem materiais poliméricos possuem um período de degradação relativamente longo. O descarte das embalagens de PET aumentou consideravelmente nos últimos anos, e tornou-se grande parte dos resíduos sólidos presentes em aterros sanitários. Para minimizar os efeitos desses resíduos sobre o meio ambiente fez-se necessário aprimorar e desenvolver técnicas de reciclagem do material. A reciclagem do PET traz benefícios sociais, econômicos e ambientais. A matériaprima reciclada é utilizada em diversos áreas industriais, como na fabricação de tintas, cordas, resinas insaturadas, na construção civil, e principalmente, na indústria têxtil. Cerca de 38% do PET reciclado no Brasil é destinado à indústria têxtil para a fabricação de fios para tecelagem, tapetes, carpetes, entre outros (ABIPET, 2012). O processamento de polímeros pode ser feito por meio de reciclagem mecânica, química e energética (FERREIRA; FONSECA; SARON, 2011). No Brasil, a reciclagem mecânica é a mais aplicada no processamento de PET. É uma técnica simples, se comparado à reciclagem energética, e possibilita razoável controle das características e da qualidade do produto final (GRUPO M&G). No processo de reciclagem de PET, as embalagens devem ser selecionadas e lavadas para que os materiais grosseiros, como areia e pedras, sejam retirados. Porém, a eficiência da etapa de lavagem das garrafas nem sempre é satisfatória, alguns resíduos podem seguir no processo e ocasionar danos aos equipamentos e a qualidade do produto final. Para realizar a separação entre esses sólidos indesejáveis e o flake, a empresa M&G FIBRAS BRASIL localizada no município de Poços de Caldas MG, utiliza um hidrociclone, o qual, nem sempre apresenta os resultados almejados.

10 8 Os hidrociclones são equipamentos antigos utilizados na separação de partículas em campo centrífugo. Apresenta design simples, sendo basicamente composto por uma região cilíndrica ligada a uma região cônica. Seu princípio de funcionamento é baseado na sedimentação centrífuga, ou seja, a aceleração centrífuga atua sobre as partículas em suspensão fazendo com que aquelas com maior densidade e dimensão sejam coletadas no underflow e as partículas de diâmetro e densidade menores saiam pelo overflow e sigam no processo. Apresentam diversas vantagens, entre elas é importante ressaltar sua alta eficiência, design simples, baixos custos de manutenção e operação. Os hidrociclones são agrupados em famílias e classificados de acordo com suas proporções geométricas entre suas principais dimensões. Essa divisão está relacionada com o desempenho dos equipamentos. As famílias mais conhecidas e estudadas hoje são as de Bradley e Rietema.

11 9 2. OBJETIVOS 2.1. OJETIVOS GERAIS Os objetivos gerais do presente trabalho são realizar um estudo sobre o processo de reciclagem de PET e sobre hidrociclones e projetar um equipamento ideal para a separação entre flakes e resíduos presentes na corrente do processo de lavagem de garrafas PET da empresa M&G OBJETIVOS ESPECÍFICOS Os objetivos específicos são realizar a caracterização do material presente na corrente do processo de reciclagem da empresa M&G FIBRAS BRASIL, determinar o diâmetro de corte obtido por hidrociclones da família RIETEMA de acordo com as amostras analisadas e avaliar a viabilidade da utilização de hidrociclone convencional para a separação requerida pelo processo da empresa.

12 10 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 3.1. A EMPRESA M&G E SEU PROCESSO DE RECICLAGEM A M&G FIBRAS BRASIL é uma empresa localizada na cidade de Poços de Caldas MG, pertencente ao grupo Mossi e Ghisolfi (M&G Chemicals) líder no mercado sulamericano de resinas PET para o setor de embalagens (Grupo M&G). Suas resinas apresentam um elevado padrão de desempenho e alta qualidade e são designadas a diversos tipos de aplicações. A fábrica de Poços de Caldas MG deu início a suas atividades em 1976, com a produção de fibras e poliéster pela Calanese do Brasil. Na década de 80, foi incorporada ao grupo Sinasa e iniciou-se a produção de resina de PET. Após essa fase, a empresa foi adquirida pelo grupo Rhodia em 1994, e em 2002 passou a ser controlada pelo grupo italiano Mossi & Ghisolfi (Grupo M&G). As atividades de produção de resina de PET da planta de Poços de Caldas foram suspensas em Atualmente, contam com uma unidade recicladora de PET e uma de fabricação de fibras de poliéster. Em sua planta industrial também estão presentes uma estação de tratamento de efluentes, a qual trata o efluente industrial e doméstico da empresa, e uma estação de tratamento de água (Grupo M&G). O método de reciclagem utilizado pela empresa M&G é a reciclagem mecânica, a qual é a técnica mais adotada no processamento de PET no país. Segundo o nono censo da reciclagem de PET no Brasil, realizado em 2012 pela ABIPET (Associação Brasileira da Indústria do PET), 331 mil toneladas de embalagens PET foram recicladas no país no ano de 2012, apontando o crescimento de 12% em relação ao senso anterior. Cerca de 38% do PET reciclado no Brasil é destinado à indústria têxtil, seguido de 24% usados como resina insaturada e alquídicas e 18% aplicado na fabricação de embalagens para alimentos e nãoalimentos (ABIPET, 2012). A reciclagem mecânica baseia-se na aplicação de processos físicos na matéria-prima para modelá-la em forma e tamanho diferentes do original mantendo as propriedades do produto. Segundo a ABIPET, a reciclagem mecânica é divida em três fases: recuperação, revalorização e transformação.

13 11 A etapa de recuperação consiste na coleta e triagem do material a ser reciclado. A coleta seletiva urbana e os catadores de rua são os responsáveis por recolher a matéria-prima do processo de reciclagem. A triagem das embalagens PET é uma etapa crítica, pois é nesse momento que as embalagens são separadas em fardos de acordo com a cor, conteúdo e origem. Esses fardos são recebidos pela empresa M&G, onde as garrafas PET passarão por etapas de lavagem e separação. Primeiramente, as garrafas passam por uma pré-lavagem sendo retirados rótulos, tampas e outros contaminantes grosseiros. Em seguida, passam por uma seleção automática que utiliza o método de separação óptica e diferença de densidade para identificar e retirar (através de bicos de ar comprimido) as garrafas indesejadas. Por fim, o material segue para uma etapa complementar de seleção manual para eliminar qualquer material indesejado que ainda esteja no processo (GRUPO M&G). Essa etapa de separação é importante, pois garante a conformidade do produto em relação à cor e é determinante para garantir a qualidade do produto final, pois é onde outros tipos de polímeros e materiais indesejáveis são retirados evitando a contaminação das embalagens plásticas. A fase da revalorização compreende na moagem e lavagem do PET. O processamento da matéria-prima só é possível se as embalagens forem transformadas em flake, que são pequenos flocos de PET obtidos pela moagem das embalagens. O flake pode conter materiais prejudiciais ao seu processo de reciclagem, como pedras, areia, matéria orgânica, materiais particulados, xarope do refrigerante, entre outros. Esses contaminantes são retirados pelo processo de lavagem dos flakes, que é realizada com a adição de hidróxido de sódio e detergentes à água, seguida de um enxague com água limpa. As garrafas selecionadas na pré-lavagem do processo de reciclagem da empresa M&G seguem para linha principal, onde irão passar por uma primeira moagem e, em seguida, pelas etapas de lavagem. Essa é realizada através de um hidrociclone, o qual faz a separação de materiais sólidos dos flakes de PET, e tanques de decantação. Logo em seguida, o material passa pelas etapas de secagem e moagem final. Antes do material seguir para fase de transformação, ele passa por mais uma etapa de seleção automatizada, a qual irá detectar e separar quaisquer fragmentos de outros polímeros. Os flakes de PET limpos, secos e descontaminados são recolhidos em sacos (big-bags) e estocados para alimentarem as linhas de produção de fibras e/ou a linha de extrusão da própria empresa (GRUPO M&G).

14 12 A última fase é a de transformação do PET. Para a produção de novos produtos, o flake passará por etapas que envolvem aquecimento e conformação mecânica. Podem ser citados alguns exemplos de métodos utilizados na fabricação de peças plásticas como extrusão, modelagem por sopro e modelagem por injeção. A M&G conta com uma linha de extrusão, onde os flocos de PET são fundidos e direcionados de forma contínua por uma matriz de espaguete, banheira de resfriamento, granulador, secador de grãos, e são armazenados em big-bags. O material final será destinado a venda e/ou linha de pós-condensação (GRUPO M&G). Os resíduos sólidos e líquidos gerados durante todo o processo são armazenados para posterior destinação e/ou são tratados na empresa, em suas estações de tratamento de água e efluentes. Figura 1: Fluxograma do processo de reciclagem. Fonte: Do autor.

15 HIDROCICLONE E SEU PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO Os hidrociclones são equipamentos antigos utilizados na indústria de particulados, sua patente data do século XIX, porém, nessa época, eram apenas empregados na remoção de areia de águas. Os estudos sobre esses dispositivos avançaram e, a partir de 1940, passaram a ser fabricados com tecnologias avançadas, o que permitiu que fossem adotados em inúmeros processos industriais. Geralmente, os hidrociclones são aplicados na separação de suspensões sólido-líquidos e líquido-líquido. Esses equipamentos apresentam alta eficiência, design simples, de fácil construção e instalação. Por não possuírem partes móveis, os custos de aquisição, de manutenção e de operação são baixos. Outra vantagem a ser citada é sua versatilidade, o que permite que sejam aplicados em muitos setores industriais, tais como, siderúrgico, químico, metalúrgico, alimentício, têxtil, etc. A configuração geométrica dos hidrociclones é simples, sendo basicamente compostos por uma seção cilíndrica acoplado a uma parte cônica. Apesar de apresentar uma configuração simples, o escoamento interno é de alta complexidade. A Figura 2 demonstra as principais dimensões geométricas de um hidrociclone. O princípio base de funcionamento dos hidrociclones é a sedimentação centrífuga, ou seja, a aceleração centrífuga atua sobre as partículas suspensas fazendo com que essas se separem do líquido (SVAROVSKY, 2001). A alimentação da suspensão é tangencial à câmera cilíndrica, o que resulta a geração das forças centrífugas responsáveis pela separação das partículas. Origina-se um vórtice, fazendo com que as partículas de maiores tamanhos e densidades sejam direcionadas contra a parede do hidrociclone, seguindo uma trajetória em espiral descendente, até a saída inferior (underflow). As partículas de menores tamanho e densidades são arrastadas para o centro do equipamento, num movimento espiral ascendente, saindo pelo orifício superior (overflow) (VIEIRA, 2001). Esse movimento é representado pela Figura 3.

16 14 Figura 2: Representação das principais partes que compõem um hidrociclone. Fonte: Do Autor. Figura 3: Escoamento interno simplificado de um hidrociclone (SOCCOL, 2003).

17 CLASSIFICAÇÃO DOS HIDROCICLONES Os hidrociclones são agrupados em famílias e sua classificação se dá pela relação geométrica entre suas principais dimensões. A principal característica de cada família é a proporção constante entre suas dimensões geométricas com o diâmetro da parte cilíndrica. Essa classificação está diretamente ligada ao desempenho desses equipamentos. Pesquisas mostram que as famílias que oferecem uma maior eficiência de coleta são aquelas dotadas de uma região cônica com dimensões maiores, enquanto que as famílias constituídas de uma região cilíndrica maior apresentam uma maior capacidade de processamento (VIEIRA, 2001). De acordo com Svarovsky e Thew (1992), dentre os diversos grupos de hidrociclones, existem apenas duas famílias geometricamente semelhantes bem conhecidas e estudas, que são as de Rietema e de Bradley. A Tabela 1 apresenta as principais relações geométricas referentes a essas duas famílias. Tabela 1 Razões entre as principais relações geométricas de duas famílias de hidrociclones. Família de Proporções geométricas hidrociclone D i /D c D o /D c l/d c L l /D c L/D c θ Rietema 0,28 0,34 0, Bradley 0,133 0,20 0,33 0,5 6,85 9 Fonte: MASSARANI, MODELAGEM DE HIDROCICLONES Existem diversas modelos que tentam explicar através de princípios teóricos a separação das partículas no interior de um hidrociclone, sendo que, um dos melhores deles é a teoria do tempo de residência. O modelo do tempo de residência, inicialmente proposto por Rietema (1961), baseiase na hipótese de que uma dada partícula será coletada se seu tempo de permanência no interior do hidrociclone for maior ou igual ao tempo necessário para que ela se desloque radialmente até a parede do equipamento.

18 16 Sob algumas suposições, Massarani (1989) parte da proposta inicial de Rietema (1961) e apresenta as mesmas variáveis importantes para o processo de separação sólidolíquido de uma maneira diferente, dada pela equação a seguir. A Equação 1 estabelece uma relação direta entre as características geométricas do hidrociclone e as propriedades físicoquímicas do sistema sólido-líquido (VIEIRA, 2001). 𝑑!" 𝜇𝐷! =𝐾 𝐷! 𝑄(𝜌! 𝜌)!,! (1) É importante ressaltar que o diâmetro de corte obtido durante a operação de um hidrociclone é resultado da ação do campo centrífugo e do material transportado pelo fluxo descendente do fluido (VIEIRA et al., 2004). Para a predição do diâmetro de corte reduzido, reduzido (d 50), ou seja, diâmetro de uma partícula separada com uma eficiência granulométrica reduzida de 50%, muitos autores sugeriram a adição de alguns fatores na Equação 1, como a concentração de sólidos e razão de líquido. Massarani (1989), a partir de estudos experimentais, propôs a seguinte correlação para a estimação do diâmetro de corte reduzido: 𝑑!" 𝜇𝐷! =𝐾 𝐷! 𝑄(𝜌! 𝜌)!,! 𝐹 𝑅! 𝐺 𝐶! (2) onde, 𝐹 𝑅! = ,73𝑅! 𝐺 𝐶! = 𝑒 (!,!!! ) 𝑅! = 𝐵 𝐷! 𝐷! em que, 𝑑!" diâmetro de corte reduzido; 𝐷! diâmetro da parte cilíndrica do hidrociclone; (3) (4)! (5)

19 17 D! diâmetro do orifício de underflow; μ viscosidade do fluido puro; Q vazão volumétrica da alimentação do hidrociclone; ρ! densidade do sólido; ρ densidade do fluido puro; R! razão de líquido; C! concentração volumétrica de sólidos na corrente de alimentação; K, B, C parâmetros adimensionais específicos para cada família de hidrociclone. Cada família possui valores exclusivos para os parâmetros das equações acima, os quais estão descritos na tabela a seguir. Tabela 2 Parâmetros de configuração das famílias Bradley e Rietema. Design K B C Eu D u /D c Bradley 0,016 54,6 2, ,07-0,15 Rietema 0, , ,10-0,30 Fonte: adaptado de VIEIRA et al., 2004; VIEIRA, GRUPOS ADIMENSIONAIS APLICADOS A HIDROCICLONES A modelagem matemática do escoamento interno de um hidrociclone é bastante complexa, pois trata-se de um movimento tridimensional que ocorre em todas as direções possíveis (axial, radial e angular). A utilização de números adimensionais é uma alternativa para descrever a operação de um hidrociclone. Os números adimensionais sintetizam em sua concepção as variáveis relevantes ao fenômeno estudado, diminuindo o esforço empírico e facilitando a análise da operação de um equipamento. No caso do estudo dos hidrociclones, os grupos adimensionais relevantes são os números de Stokes (Stk!" ), Euler (Eu) e Reynolds (Re), os quais estão relacionados com o poder de classificação, custos energéticos e tipo de escoamento, respectivamente (VIEIRA, 2001).

20 18 𝑆𝑡𝑘!" = (𝜌! 𝜌)𝑢! 𝑑!" 18𝜇𝐷! 𝐸𝑢 = (6) 2( Δ𝑃) 𝜌𝑢!! (7) 𝜌𝐷! 𝑢! 𝜇 (8) 𝑅𝑒 = onde, 𝑢! velocidade da suspensão com base na parte cilíndrica do hidrociclone; Δ𝑃 queda de pressão do hidrociclone. Estudos mostram que esses três números adimensionais podem ser associados entre si de acordo com a influência que exercem no processo de separação, e também podem ser relacionados com a concentração volumétrica dos sólidos e a razão de líquido (SILVA; MEDRONHO, 1988). 𝑆𝑡𝑘!" 𝐸𝑢 = 𝑓 𝑅𝑒, 𝑅!, 𝐶! MEDIDA DE DESEMPENHO DE HIDROCICLONES Eficiência total ou global A eficiência total (𝐸! ) de separação de um hidrociclone expressa a relação entre a vazão mássica dos sólidos coletados no underflow (𝑊!" ) pela vazão mássica dos sólidos na alimentação (𝑊! ). 𝐸! = 𝑊!" 𝑊! (10)

21 Eficiência total reduzida O hidrociclone age como um divisor de escoamento, atuando como uma conexão em T. Ou seja, mesmo com uma alimentação lenta ao ponto de que o fluido não adquira um movimento rotacional, ocorre a divisão das partículas. Parte dos sólidos alimentados serão arrastados para o underflow e a outra fração da suspensão será descarregada no overflow. Segundo Silva (1989), essa divisão das partículas independente da existência do campo centrifugo contribui para o processo de separação. Esse fenômeno pode ser relacionado diretamente com a razão de líquido (𝑅! ), dada por: 𝑅! = 𝑄! (1 𝐶!" ) 𝑄(1 𝐶! ) (11) onde, 𝑄! vazão da suspensão concentrada; 𝑄 vazão da suspensão de alimentação; 𝐶!" concentração volumétrica da suspensão concentrada; 𝐶! concentração volumétrica da alimentação. Desse modo, o Efeito T deve ser levado em consideração, pois ele garante uma eficiência mínima ao hidrociclone. A influência desse efeito (simbolizada pela razão de líquido) é desconsiderada na Eficiência Total Reduzida (𝐸! ), admitindo assim apenas os sólidos coletados no underflow pela a ação do campo centrífugo. 𝐸! = 𝐸! 𝑅! (1 𝑅! ) (12) Eficiência granulométrica A eficiência granulométrica ou eficiência por tamanho está ligada ao poder de separação do hidrociclone de acordo com o tamanho das partículas da suspensão de

22 20 alimentação. Essa grandeza pode ser definida como a razão entre a vazão mássica das partículas, de um determinado diâmetro, no underflow e na alimentação. 𝐺= 𝑊!" 𝑑𝑋! 𝑑𝑋! = 𝐸! 𝑊! 𝑑𝑋 𝑑𝑋 (13) em que, 𝐺 eficiência granulométrica; 𝑊!" vazão mássica dos sólidos na corrente de underflow; 𝑊! vazão mássica dos sólidos na alimentação; 𝑋! fração mássica de partículas no underflow; 𝑋 fração mássica de partículas na alimentação. Uma referência para o potencial de separação do hidrociclone pode ser definida e representada pelo diâmetro de corte (d 50). O diâmetro de corte é o diâmetro de uma partícula separada com uma eficiência granulométrica de 50%. Para que um hidrociclone apresente melhores resultados, deseja-se um diâmetro de corte com baixo valor, pois assim, partículas maiores serão coletadas com uma eficiência acima de 50% (VIEIRA, 2001) Eficiência granulométrica reduzida Do mesmo modo que a razão de líquido foi considerada no cálculo da Eficiência Total Reduzida, ela também deve ser admitida nesse caso. A Eficiência Granulométrica Reduzida (𝐺 ) está relacionada com a separação de partículas por tamanho realizada pela atuação do campo centrífugo. Desse modo, pode ser definida como: 𝐺 = (𝐺 𝑅! ) (1 𝑅! ) (14) A eficiência granulométrica reduzida pode ser relacionada com a eficiência total reduzida de forma diferencial e integral.

23 21 𝑑𝑋 𝐸! 𝑑𝑋! 𝑅! 𝐺= (1 𝑅! ) 𝐸!! =! 𝐺! 𝑑𝑋 (15) (16)! Nesse caso, utiliza-se como referência ao potencial de separação do hidrociclone o diâmetro de corte reduzido (d 50) CARACTERIZAÇÃO DO MATERIAL Existem diversas técnicas para determinar o diâmetro de partícula representativo de uma amostra. O peneiramento foi a técnica empregada na caracterização do material do processo de lavagem de garrafas PET da empresa M&G. O peneiramento representa a distribuição de tamanho das partículas de acordo com a fração mássica retida em cada peneira, ou seja, a fração mássica do material dentro de cada intervalo de tamanho (CREMASCO, 2012). Nessa técnica, uma série de peneiras é montada de forma decrescente de tamanho e colocada sobre um agitador eletromagnético. Uma certa quantidade de massa da amostra é adicionada à primeira peneira e a medida que o sistema é agitado, as partículas se deslocam para a peneira cujo diâmetro é correspondente ao seu. A definição do diâmetro médio de Sauter é a mais utilizada em sistemas particulados (CREMASCO, 2012), dada pela Equação 17. 𝑑! = onde, 𝑑! diâmetro médio de Sauter; 𝑥! fração mássica retida; 𝐷! diâmetro da partícula. 1 𝑥! 𝐷! (17)

24 22 4. MATERIAIS E MÉTODOS Para a caracterização do material a ser separado pelo hidrociclone, foram coletadas amostras no underflow do equipamento, as quais são compostas de flake e sólidos contaminantes (areia, pedras e metais). Desse modo, para a determinação do diâmetro médio das partículas, fez-se necessário a separação dos materiais em duas amostras diferentes, uma contendo apenas sólidos contaminantes (amostra 1) e a outra apenas flakes (amostra 2). O diâmetro das partículas foram determinados pela técnica de peneiramento, a qual relaciona a fração mássica de amostra retida em cada peneira com o seu respectivo diâmetro. O material coletado no fundo apresenta diâmetro inferior ao de abertura da última peneira utilizada. Para essa análise granulométrica foram utilizados os seguintes equipamentos: peneiras e agitador Bertel e balança Digimed modelo DG-5000 (precisão ± 0,1 g). Inicialmente, mediu-se a massa de cada peneira e o do fundo com o auxílio de uma balança e em seguida, pesou-se 600 gramas da amostra 1 e 200 gramas da amostra 2. Montou-se a série de peneiras de acordo com as características de cada amostra, sendo que os sólidos exigem peneiras com diâmetros bem menores comparados aos do flake. Adicionou-se a massa de amostra em sua respectiva série de peneiras, a qual foi mantida em agitação máxima por 15 minutos. Ao término do ciclo, pesou-se novamente as peneiras, agora com frações de amostras retidas. Desse modo, foi possível determinar o diâmetro médio das partículas coletadas pelo hidrociclone. Os dados operacionais do processo, como vazão, temperatura e massa específica dos materiais foram fornecidos pela empresa M&G. A empresa também disponibilizou o desenho técnico do hidrociclone (ANEXO A) com suas dimensões geométricas. A partir da caracterização granulométrica do material e dos dados operacionais, foi possível projetar um hidrociclone através das Equações (2) (5) e avaliar a viabilidade de implantação do equipamento no processo de reciclagem da empresa.

25 23 5. RESULTADOS E DISCUSSÕES A Figura 4 mostra as duas amostras analisadas neste trabalho. As tabelas a seguir apresentam a caracterização das amostras da corrente de underflow do hidrociclone presente no processo de lavagem de PET da empresa M&G. Figura 4: Amostras 1 (sólidos contaminantes) e 2 (flakes). Fonte: Do autor. Tabela 3 Caracterização granulométrica da amostra 1. Abertura da peneira (mm) Massa peneira (g) Amostra 1 Massa peneira + amostra (g) Massa amostra retida (g) Fração mássica (%) 3, ,20 481,10 121,90 20,21 2, ,70 444,90 64,20 10,64 2, ,50 438,50 28,00 4,64 1, ,40 392,40 24,00 3,98 1, ,30 439,00 60,70 10,06 0, ,80 424,00 44,20 7,33 0, ,10 405,10 56,00 9,28 0, ,00 349,40 25,40 4,21 0, ,50 372,70 40,20 6,66 0, ,30 346,60 39,30 6,52 0, ,90 343,90 32,00 5,31 0, ,70 393,50 37,80 6,27 fundo 378,90 408,40 29,50 4,89 Total 603,20 100,00 Fonte: Do autor.

26 24 Inicialmente, foram pesados 600,00 g da amostra 1, porém ao final do peneiramento a massa total encontrada foi de 603,20 g, essa diferença entre a massa inicial e final pode ser explicada devido a presença de materiais presos à peneira que se soltaram durante o período de agitação. A amostra 1 é composta por areia relativamente grossa, pedras e metais de tamanhos e formas variados. Devido a não uniformidade do material, plotou-se um gráfico da distribuição granulométrica cumulativa na forma de Xi x Di, sendo Xi a fração mássica cumulativa e Di o diâmetro da partícula, a fim de analisar melhor a distribuição granulométrica da amostra. Conforme o gráfico da Figura 5 e da Tabela 4, observa-se que 60% da amostra apresenta diâmetro menor que 1,5 mm, ou seja, a maior parcela da amostra 1 se trata de materiais pequenos, principalmente areia. Os 40% restantes de amostra refere-se as molas, vidros, pedras, entre outros. O diâmetro médio das partículas sólidas encontradas na corrente de underflow foi calculado de acordo com a Equação 17 e é de 0,75 ± 0,99 mm. O desvio padrão possui valor elevado devido a grande diferença entre o formato e tamanho dos componentes da amostra, fato que pode ser observado no gráfico da Figura 5. Tabela 4 Distribuição granulométrica cumulativa da amostra 1. Amostra 1 Di (mm) xi (%) Xi (%) fundo 4,89 4,89 0,25 6,27 11,16 0,30 5,31 16,46 0,36 6,52 22,98 0,43 6,66 29,64 0,50 4,21 33,85 0,60 9,28 43,14 0,85 7,33 50,46 1,18 10,06 60,53 1,70 3,98 64,51 2,00 4,64 69,15 2,36 10,64 79,79 3,35 20,21 100,00 Fonte: Do autor.

27 25 Fração mássica cumulatia Xi (%) 100,00 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 Distribuição granulométrica cumulativa Amostra 1 0,00 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 Diâmetro Di (mm) Figura 5: Gráfico da distribuição granulométrica cumulativa da amostra 1. Fonte: Do autor. Como as amostras são compostas por diferentes materiais realizou-se a mesma análise para a amostra 2, a qual é composta por flakes. A caracterização das partículas da amostra 2 está demonstrada nas Tabelas 5 e 6 e Figura 6. Tabela 5 Caracterização granulométrica da amostra 2. Abertura da peneira (mm) Massa peneira (g) Amostra 2 Massa peneira + amostra (g) Massa amostra retida (g) Fração mássica (%) 19,00 429,0 435,1 6,1 3,05 12,50 487,4 531,5 44,1 22,05 9,50 426,7 472,8 46,1 23,05 6,35 426,8 483,2 56,4 28,20 4,75 437,4 459,4 22,0 11,00 3,35 359,5 377,7 18,2 9,10 fundo 368,9 376,0 7,1 3,55 Total ,00 Fonte: Do autor.

28 26 Tabela 6 - Distribuição granulométrica cumulativa da amostra 2. Amostra 2 Di (mm) xi (%) Xi (%) fundo 3,55 3,55 3,35 9,1 12,65 4, ,65 6,35 28,2 51,85 9,5 23,05 74,9 12,5 22,05 96, , Fonte: Do autor. Distribuição granulométrica cumulativa Amostra 2 Xi (%) Di (mm) Figura 6: Gráfico da distribuição granulométrica cumulativa da amostra 2. Fonte: Do autor. De acordo com o gráfico da Figura 6, observa-se que há uma grande diferença entre os componentes de ambas as amostras. Nesse caso, 50% das partículas apresentam diâmetro entre 3 e 6 mm. Os flakes apresentam diâmetro médio de 7,23 ± 5,82 mm, sendo 90% maior se comparado ao diâmetro médio dos sólidos. Apesar de se tratar de uma amostra de apenas um tipo de material, não há uniformidade entre os flakes, motivo pelo qual o elevado valor do desvio padrão.

29 27 Em ambos os gráficos há uma fração de material retida em um recipiente sem abertura, ou seja, o fundo da sequência de peneiras utilizadas para a caracterização do material. Essas partículas retidas no fundo representam a fração do material cujo diâmetro é menor que o diâmetro de abertura da última peneira. As condições operacionais e alguns dados dos materiais foram fornecidos pela empresa, como vazão, temperatura e massa específica do flake e dos sólidos contaminantes. A viscosidade da água e sua massa específica foram obtidas em consultas às referências bibliográficas. Esses dados estão apresentados na Tabela 7. Tabela 7 Condições operacionais. Variáveis operacionais T (ºC) 45 µ (kg/ms) 0,0006 Q (m 3 /h) 50 Q flake+sólidos (kg/h) 2500 ρ flake (kg/m 3 ) 1300 ρ água (kg/m 3 ) 1000 ρ sólido (kg/m 3 ) 2000 Fonte: GRUPO M&G; BRUNETTI, Inicialmente, a proposta do presente trabalho era avaliar a eficiência de coleta do hidrociclone existente no processo de lavagem de garrafas PET da empresa M&G, porém não foi possível realizar essa análise, pois se trata de um hidrociclone não convencional e não foi encontrado na literatura nenhum equipamento parecido com o hidrociclone da empresa. A Tabela 8 mostra uma comparação entre os hidrociclones convencionais e o equipamento da empresa M&G. Ao invés de determinar a eficiência de tal equipamento, projetou-se um hidrociclone da família Rietema de acordo com o equacionamento proposto pelo modelo do tempo de residência para a separação de partículas em um hidrociclone. Optou-se por projetar um hidrociclone da família Rietema, pois essa apresenta custos energéticos menores, dado pelo número de Euler vide Tabela 2, e uma eficiência granulométrica menor se comparada aos hidrociclones da família de Bradley. Fato que não é um empecilho, já que a separação entre os flakes dos sólidos não requer uma eficiência muito alta por se tratar de partículas relativamente grandes.

30 28 Tabela 8 Comparação entre as principais relações geométricas de hidrociclones convencionais e o da empresa M&G. Família de hidrociclone Proporções geométricas D i /D c D o /D c l/d c L l /D c L/D c θ Rietema 0,28 0,34 0, Bradley 0,133 0,20 0,33 0,5 6,85 9 Empresa M&G 0,23 0,23-1,16 3, Fonte: MASSARANI, 2002; GRUPO M&G. Para um melhor estudo do comportamento do equipamento, os cálculos foram realizados para cada amostra separadamente. Primeiramente, adotou-se uma alimentação contendo apenas os sólidos a serem retirados do processo e em seguida, uma corrente composta apenas pelos pelo material desejado, os flakes. A partir das proporções geométricas dada pela Tabela 1 e pela razão D! D! dada pela Tabela 2, determinou-se as dimensões de três hidrociclones com diferentes diâmetros da parte cilíndrica. A Tabela 2 fornece uma faixa de valores a serem utilizados para a razão entre D! D!, neste caso, adotou-se o valor médio dessa faixa, ou seja, D! D! = 0,2. As dimensões calculadas estão descritas na Tabela 9. Tabela 9 Dimensões dos hidrociclones da família Rietema. D c (m) D i (m) D o (m) D u (m) l (m) L (m) θ 0,75 0,21 0,26 0,15 0,30 3, ,60 0,17 0,20 0,12 0,24 3, ,50 0,14 0,17 0,10 0,20 2,50 20 Fonte: Do autor. Analisando, primeiramente, uma alimentação contendo apenas sólidos. De acordo com as Equações (3) (5) e os dados da Tabela 7 calculou-se a razão de líquido e concentração volumétrica da suspensão e suas respectivas funções. Considerando que todos os sólidos que entrem no hidrociclone sejam coletados no underflow, temos que C! = C!", desse modo determinou-se a vazão de underflow a partir da Equação 11. Do mesmo modo, calculou-se os fatores para uma alimentação composta apenas de flakes. Nesse caso, considerou que todos os flakes presentes na corrente de alimentação seguissem para o processo, assim C!" = 0.

31 29 Tabela 10 Razão de líquido, concentração volumétrica e vazão de underflow para as duas amostras. Alimentação C v G(C v ) R L F(R L ) Q u (m 3 h) Amostra 1 0,025 1,119 0,069 0,893 3,469 Amostra 2 0,039 1,189 0,069 0,893 3,336 Fonte: Do autor. A razão de líquido para os dois casos é a mesma, já que leva em consideração apenas os parâmetros de configuração da família Rietema. A vazão de underflow de ambas é de aproximadamente 7% da vazão de alimentação, porém a da corrente contendo apenas sólidos é um pouco mais alta devido a necessidade de retirá-los todos no underflow. Em seguida, determinou-se o diâmetro de corte reduzido para cada amostra e para cada D! adotado, utilizando a Equação 2. Além disso, estimou-se a velocidade do fluido na região cilíndrica do hidrociclone para prever a queda de pressão do processo, sendo essa definida pela Equação 7. A queda de pressão é a mesma para ambos os casos, pois não está relacionada com a natureza da suspensão, mas com as características do equipamento e do fluido que o percorre. Os valores encontrados estão descritos nas Tabela 11 e 12. Tabela 11 Diâmetro de corte reduzido para ambas as correntes de alimentação. D c (m) Amostra 1 Amostra 2 d 50 (mm) d 50 (mm) 0,75 0,17 0,32 0,60 0,12 0,23 0,50 0,09 0,28 Fonte: Do autor. Tabela 12 Queda de pressão promovida no processo. D c (m) D i (m) u c (m s) P(Pa) 0,75 0,21 0, ,60 0,17 0, ,50 0,14 0, Fonte: Do autor. O hidrociclone que apresenta as menores perdas energéticas é também aquele com as maiores dimensões, com um diâmetro da parte cilíndrica de 0,75 m e comprimento total de

32 30 3,75 m. O diâmetro de corte reduzido para o equipamento com essas dimensões é satisfatório para a amostra 1, pois seu diâmetro médio é bem abaixo do d!", sendo de 0,75 ± 0,99 mm. Desse modo, todas as partículas sólidas seriam coletadas no underflow. No entanto, para qualquer hidrociclone convencional com dimensões aceitáveis para construção, o diâmetro de corte para a amostra 2 é muito abaixo do seu diâmetro médio. Assim, todos os flakes seriam retidos no underflow, o que não é o objetivo do processo. Para que os flakes seguissem para o overflow o hidrociclone deveria apresentar um D! = 6 m e assim, o seu comprimento total seria de L = 30 m, dimensões completamente inadequadas para construção e operação. Portanto, conclui-se que os hidrociclones convencionais não são os equipamentos adequados para realizar a separação entre os flakes de PET e os sólidos, já que esse apresenta alta eficiência na separação de material com partículas bem menores do que as tratadas neste trabalho. De acordo com a granulometria dos materiais e da diferença entre suas massas específicas, um tanque de sedimentação ou um elutriador seriam os equipamentos mais indicados para a separação sólido-sólido requerida pelo processo, pois esses equipamentos se baseiam na diferença entre a velocidade média do fluido e a velocidade terminal da partícula para realizar a separação entre os materiais (CREMASCO, 2012).

33 31 6. CONCLUSÕES Com base nos resultados obtidos no trabalho pode-se concluir hidrociclones convencionais não são adequados para a separação entre os flakes e os sólidos contaminantes do processo de reciclagem de PET, pois se trata de uma separação entre partículas com granulometria muito elevada e o hidrociclone é empregado em separações de sólidos ultrafinos, sendo que esses apresentam diâmetro entre 38 e 300 μm (CREMASCO, 2012). O hidrociclone projetado da família Rietema apresentou diâmetro de corte de 0,17 mm, sendo assim, satisfatório apenas para a coleta dos resíduos no underflow. Os flakes apresentam diâmetro médio de 7,23 ± 5,82 mm, valor muito acima do diâmetro de corte do equipamento, assim, todas suas partículas também seriam retidas no underflow, o que não é o objetivo do processo. Como nenhum hidrociclone com dimensões aceitáveis para construção atende adequadamente ao processo, conclui-se que esse não é o equipamento ideal para realizar a separação entre os flakes e os sólidos (areia, pedras, metais, etc.). De acordo com as propriedades das partículas (massa específica e granulometria), os equipamentos mais indicados para realizar a separação entre elas seria um elutriador ou um tanque de sedimentação, pois esses se baseiam na diferença entre as velocidades terminais das partículas para realizar a separação (CREMASCO, 2012) SUGESTÕES FUTURAS Para dar continuidade ao trabalho é sugerido um estudo sobre os equipamentos mais indicados para a separação desejada e realizar testes a fim de determinar as velocidades terminais e de arraste dos materiais presentes na corrente do processo de reciclagem. Com essas velocidades conhecidas e as equações de projeto, é possível dimensionar um equipamento ideal para realizar a separação sólido-sólido requerida pelo processo de lavagem de PET da empresa M&G FIBRAS BRASIL.

34 32 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ABIPET: Associação Brasileira da Indústria do PET Disponível em: < Acesso em: 22 maio ARRUDA, Aziel Alves de. Otimização de um hidrociclone utilizado na separação de uma mistura líquido-líquido f. Dissertação (Mestrado) - Curso de Processos Ambientais, Universidade Católica de Pernambuco, Recife, BRUNETTI, Franco. Mecânica dos fluidos. São Paulo: Pearson Education - Br, CASTILHO, L.r.; MEDRONHO, R.a.. A simple procedure for design and performance prediction of Bradley and Rieteme hydrocyclones. Minerals Engineering. Rio de Janeiro, p ago CREMASCO, Marco Aurélio. Operações unitárias em sistemas particulados e fluidodinâmicos. São Paulo: Blucher, p. FERREIRA, Caio T.; FONSECA, Juliana B. da; SARON, Clodoaldo. Reciclagem de Rejeitos de Poli(tereftalato de etileno) (PET) e de Poliamida (PA) por meio de Extrusão Reativa para a Preparação de Blendas. Polímeros: Ciência e Tecnologia, Lorena, v. 21, n. 2, p , FORLIN, Flávio J.; FARIA, José de Assis F.. Considerações Sobre a Reciclagem de Embalagens Plásticas. Polímeros: Ciência e Tecnologia, Campinas, v. 12, n. 1, p.1-10, Departamento de Tecnologia de Alimentos, FEA, UNICAMP. GRUPO M&G. MG Fibras Brasil LTDA. Disponível em: < Acesso em: 02 set GUELBERT, Tanatiana Ferreira et al. A Embalagem PET e a Reciclagem: Uma visão econômica sustentável para o planeta. In: ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE

35 33 PRODUÇÃO, , Foz do Iguaçu. MANCINI, Sandro D.; BEZERRA, Maxwell N.; ZANIN, Maria. Reciclagem de PET Advindo de Garrafas de Refrigerante Pós-Consumo. Polímeros: Ciência e Tecnologia, São Carlos, p.68-75, MASSARANI, Giulio. Fluidodinâmica em Sistemas Particulados. 2. ed. Rio de Janeiro: E- papers, p. MASSARANI, G, 1989, São Carlos. Projeto e análise do desempenho de ciclones e hidrociclones II. In: ENCONTRO SOBRE ESCOAMENTO EM MEIOS POROSOS. 1989, São Carlos. Anais São Carlos, p/ RIETEMA, K. Performance and design of hydrocyclones. Chemical Engineering Science. p ROMÃO, Wanderson; SPINACÉ, Márcia A. S.; PAOLI, Marco-a. de. Poli(Tereftalato de Etileno), PET: Uma Revisão Sobre os Processos de Síntese, Mecanismos de Degradação e sua Reciclagem. Polímeros: Ciência e Tecnologia, Campinas, v. 19, n. 2, p , SAMPAIO, João Alves; OLIVEIRA, Gerson Pereira; SILVA, Antonio Odilon da. Ensaios de classificação em hidrociclone. In:. Tratamento de Minérios: Práticas Laboratoriais CETEM/MCT. Rio de Janeiro: Cetem, Cap. 7. p SILVA, M. A. P; MEDRONHO, R.A. Modelos que prevêem o desempenho de hidrociclones: Uma avaliação crítica. In: ENCONTRO SOBRE ESCOAMENTO EM MEIOS POROSOS, 16., 1988, Petrópolis. Anais...Petrópolis, p SILVA, M. A. P. Hidrociclones de Bradley: Dimensionamento e análise de desempenho f. Dissertação (Mestrado), COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, SOCCOL, Olívio José. Construção e avaliação de hidrociclone para pré filtragem da água de irrigação f. Tese (Doutorado) - Curso de Agronomia, Universidade de São Paulo, Piracicaba, 2003.

36 34 SPINACÉ, Márcia Aparecida da Silva; PAOLI, Marco Aurélio de. A tecnologia da reciclagem de polímeros. Quim. Nova. Campinas, p Disponível em: < Acesso em: 07 maio SVAROVSKY, L. Hydrocyclones. In: SVAROVSKY, L. Solid-Liquid Separation. 4. ed. Butterworth Heinemann, Cap. 6. p SVAROVSKY, L.; THEW, M. T. Hydrocyclones: Analysis and Applications. Kluwer Academic Publishers, p. VIEIRA, Luiz Gustavo Martins. Estudo da performance de hidrociclones filtrante de rietema f. Dissertação (Mestrado) - Curso de Engenharia Química, Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, VIEIRA, L. G. M. et al. Performance analysis and design of filtering hydrocyclones. Brazilian Journal Of Chemical Engineering. Uberlândia, p set

37 ANEXO A Desenho técnico do equipamento da empresa M&G. 35