AVALIAÇÃO DA DISTRIBUIÇÃO DO DIÂMETRO DE BOLHAS EM COLUNA DE FLOTAÇÃO

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1 AVALIAÇÃO DA DISTRIBUIÇÃO DO DIÂMETRO DE BOLHAS EM COLUNA DE FLOTAÇÃO 1 Argileu Mendes dos Reis Filho, 1 Fernanda Gardusi, 1 Pedro Henrique de Morais Luz, 1 Guilherme Ribeiro de Lima e Carvalho, 2 Angelica da Silva Reis, ³Marcos Antonio Souza Barrozo ¹Discente do curso de Engenharia Química, ²Discente da Pós-graduação em Engenharia Química, ³Professor da Faculdade de Engenharia Química da UFU/MG. 1,2,3 Faculdade de Engenharia Química da Universidade Federal de Uberlândia. Av. João Naves de Ávila, 2121, Bloco 1K, Campus Santa Mônica, Uberlândia - MG, CEP masbarrozo@ufu.br Resumo - Em indústrias cuja matéria-prima é o minério, o processo de flotação é uma importante operação realizada para separar e remover impurezas a fim de tornar o mineral mais puro e adequado à utilização nos processos subsequentes. Dentre as principais formas de flotação, destaca-se a flotação em coluna, que permite maior variabilidade nas condições a serem utilizadas, quando comparada com a flotação em células mecânicas. Nesse processo a distribuição de tamanhos das partículas e das bolhas são variáveis físicas importantes e de grande impacto, pois influem diretamente na eficiência de captura das partículas e no holdup de ar. Visto que a distribuição de diâmetro de bolhas é uma variável importante no processo de flotação, a determinação precisa deste parâmetro é essencial para a compreensão dos fenômenos físicos que governam esses sistemas. Assim, esse trabalho teve por objetivo o estudo da formação de bolhas intermediárias (bolhas com diâmetro entre os obtidos na flotação por ar dissolvido (FAD) e no sistema de flotação por ar disperso) produzidas a partir da passagem forçada da recirculação por um. Utilizando-se da técnica de planejamento composto central (PCC) foi avaliada a influência das variáveis: pressão de ar, vazão de ar e pressão da linha do no holdup e na distribuição de diâmetro de bolha, os quais foram obtidos por técnicas de manometria e análise de imagens, respectivamente. Os resultados obtidos mostraram que a variável mais influente no processo foi a vazão do rotâmetro, e que o diâmetro de bolha e holdup apresentaram-se de forma inversa, de acordo com o observado na literatura. Palavras-Chave: holdup, diâmetro de bolha, vazão de ar. INTRODUÇÃO O processo de flotação baseia-se no comportamento físico-químico das partículas minerais em suspensão aquosa em que se tem o interesse de separar as espécies dos componentes da ganga presentes em um mineral. As espécies de interesse aderem-se às bolhas de ar formando agregados pelas partículas hidrofóbicas e são conduzidas à superfície devido à menor densidade que o fluido. Forma-se uma espuma onde são retirados e separados, enquanto as outras espécies minerais, por serem hidrofílicas, ficam mantidas na fase aquosa, As variáveis físicas importantes e de grande relevância para o processo de flotação em coluna são o diâmetro das bolhas e a granulometria das partículas. Elas colaboram diretamente na eficiência da coleta do produto desejado, e no holdup de ar (fração de gás na mistura gás-líquido) (Rodrigues, 24). Desta forma, a distribuição de tamanho de partículas exige que se disponha de uma faixa de tamanho de bolhas que maximize a captura de partículas pelas bolhas, otimizando o processo de beneficiamento mineral. Na flotação de partículas finas e ultrafinas, produzidas durante o processo de moagem do minério, a utilização de microbolhas aumenta a probabilidade de colisão bolha-partícula. Porém, a flotação tem suas taxas de reciclo limitadas pela pequena velocidade de ascensão das microbolhas, levando ao arraste dos 1

2 agregados, o que traz resultados indesejáveis. (Filippov et al, 2). Bolhas de tamanho intermediário, na faixa de 2 a 14 µm, são geradas pela passagem forçada de uma mistura água/ar, através de um tubo. Essas bolhas geradas são favoráveis principalmente para a flotação de partículas finas e ultrafinas contribuindo parar uma melhor recuperação tanto na flotação convencional quanto na FAD (Rodrigues, 24). Diante dos fatores citados, nota-se a importância do beneficiamento da rocha fosfática e da necessidade de uma ampla faixa de distribuição de tamanhos de bolhas para maximizar o processo de captura de partículas minerais, principalmente finas e ultrafinas. Dessa forma, o estudo de novos métodos para geração de bolhas com tamanho intermediário e de técnicas para se avaliar a distribuição de diâmetro de bolhas tornase necessária e importante para aumentar a eficiência do processo de flotação. Portanto, este trabalho teve como objetivo a geração de bolhas intermediárias através da passagem forçada da corrente de recirculação por um. A análise da influência da vazão de ar, pressão de ar, e pressão da linha do sobre o holdup e o diâmetro das bolhas foi realizada com o intuito de caracterizar a formação e distribuição de tamanho das bolhas na flotação. são utilizados para amostragem de holdup, sistema de alimentação de ar comprimido com filtro de ar e rotâmetro em 8. É possível também identificar o (9), aerador (1) e a bomba peristáltica (11) utilizada para promover a recirculação. Na figura ainda mostra-se o ponto de coleta do rejeito (12), o sistema de amostragem de bolhas (13) e os manômetros diferenciais (14). MATERIAIS E MÉTODOS Unidade Experimental A unidade experimental, representada pela Figura 1, encontra-se no Laboratório de Sistemas Particulados da Faculdade de Engenharia Química da Universidade Federal de Uberlândia. A unidade consiste de uma coluna de flotação feita em acrílico composta uma seção cilíndrica com 15 cm de comprimento e 4 cm de diâmetro, abaixo uma seção tronco-cônica com 9,5 cm de altura e abaixo desta outra seção cilíndrica com 12 cm de altura e 1 cm de diâmetro. Através da Figura 1, pode-se observar ponto de alimentação de água (1) e coleta do concentrado (2), os pontos de recirculação em 3,4,5,6,7 os quais também Figura 1 Unidade Experimental Metodologia para determinação do holdup O valor de holdup foi determinado através dos manômetros diferenciais (14) ilustrados segundo a Figura 1. A diferença de nível entre os manômetros era obtida quando não observava uma variação significativa no holdup da coluna. Dessa forma o valor de holdup foi calculado segundo a Equação 1, na qual Δh se refere à diferença de nível entre os manômetros e L se refere à diferença entre os pontos utilizados para amostragem da holdup na coluna, ou seja, a distância ente os pontos 3 e 7 mostrados na Figura 1. 2

3 Metodologia para determinação do diâmetro das bolhas (1) Para a medida do diâmetro das bolhas foi utilizado um amostrador projetado por Ribeiro (212), uma câmera de alta velocidade e um estereomicroscópio. A amostragem era feita através de um tubo de aço, conectado ao amostrador, com 6 cm de diâmetro e 1 cm de comprimento posicionado no centro e com um ângulo de 45º em relação à coluna. Com o auxílio de uma bomba peristáltica, posicionada a jusante do amostrador, as bolhas eram succionadas do interior da coluna com velocidade previamente controlada de forma a diminuir o efeito de quebra e coalescência das bolhas coletadas. As imagens obtidas foram capturadas diretamente no computador e a análise das imagens foi obtida através do software ImageJ, o qual, a partir de uma calibração prévia, fornecia a área das bolhas filmadas e o diâmetro de bolhas calculado foi o diâmetro da esfera de mesma área projetada. A partir da distribuição de diâmetros obtida para cada condição testada foi possível obter o diâmetro médio aritmético (d m ) e o diâmetro médio de Sauter (d 32 ) a partir das Equações 2 e 3, respectivamente. d d m di (2) n d 3 i 32 2 di (3) em que é o diâmetro individual de bolha medido e a quantidade total de bolhas medidas. Para verificar os resultados obtidos, foi utilizado um segundo método que se baseava na filmagem direta da coluna em operação com a mesma câmera de alta velocidade. As análises destas filmagens foram feitas da mesma forma que no método anterior. A deformação causada pela refração da luz através do acrílico foi corrigida por meio de uma filmagem com esfera de diâmetro conhecido, colocadas no interior da coluna em operação. Planejamento Experimental Para avaliar a influência das três variáveis independentes vazão de ar no rotâmetro (Qrot), pressão da linha de ar comprimido (Par) e pressão da corrente de alimentação do proveniente da passagem da recirculação por uma bomba peristáltica (Pb) foi realizado um PCC (Planejamento Composto Central). As variáveis respostas analisadas foram o diâmetro médio aritmético de bolhas (d m [ m]), diâmetro médio de Sauter (d 32 [ m]) e o holdup (ε o [-]). A fim de manter a ortogonalidade do sistema foi utilizado α=1,287. Os valores correspondentes a cada condição estão listados na Tabela 1. Tabela 1 Planejamento Composto Central Teste Par(bar) Qrot(L/h) Pb(bar) RESULTADOS E DISCUSSÕES Distribuição de Diâmetro de Bolha Foram analisados três diferentes sistemas para a geração de bolhas: flotação por ar dissolvido (FAD) - na qual microbolhas são geradas pela descompressão súbita de uma mistura saturada de ar-água através da passagem 3

4 desta mistura por válvula agulha; bolhas geradas pela passagem forçada da corrente de recirculação através de um ; e, ar disperso, em que a geração de bolhas se dá por meio da injeção de ar em um aerador, sistema poroso que permite a geração de macrobolhas. As Figuras 2 e 3 apresentam a eficiência da formação de bolhas intermediárias geradas com a utilização do, segundo o objetivo proposto neste trabalho. Foi obtida uma distribuição de bolhas com diâmetros maiores, operando com este sistema, do que às bolhas geradas pela FAD conforme mostra a Figura 2. Os dados obtidos pela FAD são referentes ao trabalho de Santana et al. (212). 5 4 FAD Comparando-se essa distribuição com a distribuição obtida com as bolhas geradas na flotação por ar disperso o diâmetro das bolhas geradas a partir do foram menores como mostrado na Figura 3. Estes resultados são coerentes com a literatura científica que mostra que as microbolhas geradas pela FAD, apresentam diâmetro menor que 1 µm, as bolhas intermediárias se encontram na faixa de 2 a 14 µm e as bolhas geradas por ar disperso na faixa de 6 a 2 µm (Rodrigues, 24). Efeito das variáveis independentes Para análise do PCC, as variáveis independentes foram adimensionalizadas pressão de linha de ar (Par), vazão de ar (Qrot), e a pressão da corrente de alimentação do (Pb) conforme as equações 4, 5 e 6, respectivamente. 3 4 FAD (4) Diametro de bolha Figura 2 - Histograma comparativo da distribuição de bolhas geradas pelo com as geradas pela FAD Ar Disperso Ar Disperso (5) (6) A partir de regressões múltiplas, foram obtidas as equações empíricas que descrevem de que maneira e quais as variáveis independentes influenciam o sistema. O diâmetro médio aritmético das bolhas ( ) teve como modelo a Equação 7, com r² =,942. Sendo o coeficiente de correlação quadrática igual a,953, o diâmetro de Sauter ( ) foi obtido pela Equação 8. O valor de holdup ( ) r² =,987 foi obtido a partir da Equação Diametro de Bolhas Figura 3 Histograma comparativo da distribuição de bolhas geradas por ar disperso. Em que:, e. (7) 4

5 Em que:, e. (8) Em que:, e. (9) Nas três respostas obtidas na análise dos modelos empíricos, a variável que apresentou maior influência foi a vazão de ar ( ). Já a variável, que representa a pressão conferida ao sistema pela passagem forçada da corrente de recirculação pelo não apresentou efeito significativo para o diâmetro médio. Foi utilizado um nível de significância de 1% para obtenção dos modelos correspondentes a cada variável. As Figuras 4 e 5 mostram a influência no e no, das variáveis vazão de ar (Qrot) e pressão do ar (Par) para a pressão na linha do (Pb) no valor de 3 bar (nível zero para a variável adimensionalizada). Figura 4 Superfície de resposta para o em função da pressão (Par) e da vazão (Qrot) do ar com a pressão da linha do no ponto central igual a 3 bar. Observou-se a diminuição do diâmetro de bolha e aumento no valor de para baixos valores de vazão de ar concomitantemente com a diminuição da pressão da linha de ar. Percebe-se uma inversão do sistema à medida que se aumenta a vazão de ar, pois, enquanto o holdup sofre um leve decaimento em seu valor, o diâmetro de bolha aumenta com a diminuição da pressão do ar. Esse fenômeno se deve, provavelmente, ao processo de quebra e coalescência das bolhas, e foi constatado tanto no quanto no. Figura 5 Superfície de resposta para o em função da pressão (Par) e da vazão (Qrot) do ar com a pressão da linha do no ponto central igual a 3 bar. Estes resultados corroboram com o relatado por Finch et al. (212) de que com o aumento do diâmetro da bolha, a velocidade de ascensão dela é maior, e menor é o tempo de retenção no interior da coluna, o que diminui o valor do holdup, ou seja, o tamanho de bolha e holdup apresentam-se sempre de forma inversa. Nota-se nas Figuras 6 e 7 que com o aumento da pressão na linha do (Pb), em elevadas vazões de ar (Qrot) e mantendo no seu ponto central a variável Par (pressão de ar), desencadeou o aumento do e a diminuição do. Esse resultado era esperado, pois, como mencionado anteriormente o holdup e o 5

6 diâmetro de bolha apresentam comportamentos contrários entre si. baixa influência da pressão na linha do no sistema, o aumento da pressão provocada nela pela bomba favorece o processo de quebra das bolhas, o que consequentemente diminui seu diâmetro médio. CONCLUSÕES Figura 6 Superfície de resposta para o em função da vazão no rotâmetro (Qrot) e da pressão na linha do (Pb) e com a pressão do ar no ponto central igual a 3bar. Através da análise de imagens foi possível mensurar o diâmetro das bolhas geradas no interior da coluna de flotação e constatar que as bolhas geradas pela passagem forçada da corrente de recirculação pelo acoplado à coluna de flotação são bolhas com tamanho intermediário, de acordo com o objetivo proposto. Pode-se concluir também que a variável mais influente no processo foi a vazão de ar, conforme identificado pelos resultados obtidos no PCC, e o comportamento do diâmetro de bolha e do holdup no processo apresentaram-se de forma inversa, de acordo com o observado na literatura. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Figura 7 Superfície de resposta para o em função da vazão no rotâmetro (Qrot) e da pressão na linha do (Pb) e com a pressão do ar no ponto central igual a 3bar. Para baixas vazões de ar, nota-se também a diminuição do devido ao aumento de Pb, no entanto, isto não apresentou tanta influência na caracterização do holdup, levando a uma pequena diminuição do seu valor, conforme indicado nas Figuras 6 e 7. Apesar da FILIPPOV, L. O.; JOUSSEMET, R.; HOUOT, R. Bubble Spargers in Column Flotation: Adaptation to precipitate flotation. Miner. Eng., v 13, p 37-51, 2. FINCH, J. A. ; ZHANG, W. ; ZHOU, X. Determining independent control of dual-frother systems Gas holdup, bubble size and water overflow rate. Mine. Eng., v. 39, p , 212. RUBIO, J.; GARIBAY, R. P.; RAMOS, E. M. Gás dispersion measurements in microbubble flotation systems. Miner. Eng., v. 26, p. 34-4, 212. RODRIGUES, R. T. Desenvolvimento da técnica LTM-BSizer para a caracterização de bolhas e avaliação de parâmetros no processo de flotação. Dissertação de doutorado, UFRGS, Porto Alegre (RS), 24. RIBEIRO, J. A. Contribuição ao estudo experimental e em CFD da 6

7 fluidodinâmica de colunas de bolhas com aplicações na separação de misturas oleosas e processamento mineral por ar dissolvido, Tese de Doutorado, UFU, Uberlândia (MG), 212. AGRADECIMENTOS Agradecimentos especiais à Capes, como órgão de fomento da pesquisa e à Faculdade de Engenharia Química pelo incentivo e apoio à realização deste trabalho. 7