Operações Unitárias PENEIRAÇÃO. Colégio Técnico de Lorena. Prof. Lucrécio Fábio. Dep. de Engenharia Química

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1 Colégio Técnico de Lorena Operações Unitárias PENEIRAÇÃO Prof. Lucrécio Fábio Dep. de Engenharia Química Atenção: Estas notas destinam-se exclusivamente a servir como roteiro de estudo. Figuras e tabelas de outras fontes foram reproduzidas estritamente com fins didáticos.

2 PENEIRAÇÃO 2

3 Introdução Peneiração O peneiramento é um método de separação de partículas que leva em consideração apenas o tamanho. No peneiramento industrial, os sólidos são colocados sobre uma superfície com um determinado tamanho de abertura. As partículas menores, ou finas, passam através das aberturas da peneira; as partículas maiores não. Ex.: processo de extração e beneficiamento de rochas. 3

4 Introdução Peneiração 4

5 Brita 1) A brita ou pedra britada é um bem mineral que pode ser constituído de vários tipos de materiais rochosos, disponíveis nos locais de extração e caracteriza-se como um material que, depois de sofrer desmonte por explosivos, britagem e classificação, pode ser usada in natura, ou misturada com outros insumos (cimento, asfalto, areia, etc.) e utilizada na construção civil. 2) Em seguida, efetua-se o carregamento dos fragmentos rochosos com páscarregadeiras em caminhões, que depositam o material em locais junto às instalações de britagem, conhecidos como praças de alimentação, para armazenagem temporária e alimentação dos britadores. Etapa 1 Etapa 2 5

6 Brita 3) As operações de beneficiamento são puramente mecânicas, e consistem em britagem primária, secundária e rebritagem em uma ou duas etapas (britagem terciária e quaternária), e pode ser realizada a seco ou a úmido. O britador primário, de mandíbulas faz a fragmentação, e neste ponto pode ou não ocorrer lavagem da pedra, para a diminuição de material pulverulento durante a cominuição e classificação da rocha. Etapa 4 Etapa 3 6

7 Brita 4) Após a fragmentação no britador primário, há a formação de pilhas-pulmão, que alimentam os britadores secundários. O britador secundário pode ser de mandíbulas ou do tipo cônico. Os britadores terciário e quaternário são cônicos, ou de impacto, sendo atualmente usados na tentativa de reduzir a lamelaridade do agregado e a produção de finos. Etapa 3 Etapa 4 7

8 Brita 5) O transporte de brita entre os britadores é feito, normalmente, por um sistema de correias transportadoras, sempre procurando aproveitar o desnível topográfico para economia na planta de beneficiamento. Para diminuir o pó em suspensão, gerado pela atividade de britagem, algumas das pedreiras valem-se de sistemas de aspersores de água, instalados nas bocas dos britadores e nas correias transportadoras. 6) Peneiração (peneira vibratória) 7) A classificação por diâmetros é feita em peneiras vibratórias, com telas de aço ou borracha, em decks ou silos. Geralmente, a fração retida nas peneiras superiores retorna aos rebritadores, para produzir pedra 01, e atender à demanda atual, e a fração passante compõe as pilhas, principal forma de estoque dos produtos. Etapa 5 Etapa 6 Etapa 7 8

9 Introdução Peneiração A peneiração é uma das operações unitárias mecânicas de separação mais simples. A OPERAÇÃO DE PENEIRAÇÃO A separação de sólidos tem como finalidade dividir o sólido granular em frações homogêneas e com partículas de mesmo tamanho. 9

10 Peneiração O que é um sólido particulado? Um material composto de materiais sólidos de tamanho reduzido (partículas). O tamanho pequeno das partículas pode ser uma característica natural do material ou pode ser devido a um processo prévio de fragmentação. 10

11 Introdução Peneiração Peneiração: passagem ou retenção de uma partícula num crivo ou malha de abertura pré-estabelecida. O sólido alimentado A é movimentado sobre a peneira. As partículas que passam pelas aberturas constituem os finos (F) e as que ficam retidas são os grossos (G). Qualquer destas duas frações poderá ser o produto da operação. O objetivo geralmente é indicado no próprio nome da operação: eliminação de finos, separação de grossos ou corte do material visando sua posterior concentração. 11

12 Introdução Peneiração Frações obtidas num peneiramento. 12

13 Introdução Peneiração O objetivo de um peneiramento é separar com maior nitidez possível a alimentação A nas frações F e G. Numa operação ideal a maior partícula da fração fina é menor do que a menor partícula da fração grossa. Há um diâmetro de corte D C que limita o tamanho máximo das partículas da fração fina e o mínimo da fração grossa. As duas frações obtidas na operação ideal são frações ideais, representadas por F i e G i. 13

14 Peneiração Redução de tamanho O conhecimento das propriedades dos sólidos particulados é fundamental para o estudo de muitas operações unitárias como: Fluidização Transporte Pneumático Centrifugação Decantação Sedimentação Filtração 14

15 Tamanho de Partículas Granulometria é o termo usado para caracterizar o tamanho das partículas de um material. Pós 1 μm até 0,5 mm Distinguem-se pelo tamanho cinco tipos de sólidos particulados: Sólidos Granulares Blocos Pequenos Blocos Médios 0,5 a 10 mm 1 a 5 cm 5 a 15 cm Blocos Grandes > 15 cm 15

16 Em sistemas de processamento de materiais particulados, o conhecimento do tamanho e da distribuição do tamanho de partícula é pré-requisito fundamental. influenciam significativamente as propriedades destas suspensões e portanto as etapas do seu processamento. 16

17 Um dos fatores de grande importância a ser considerado na determinação da distribuição do tamanho de partícula é qual dimensão da partícula está sendo medida. Somente para as esferas, o tamanho de uma partícula pode ser representada por um único parâmetro, por exemplo, seu diâmetro. Porém partículas com formatos irregulares necessitam de mais de uma medida para a quantificação do seu tamanho. Para expressar este valor em um único número, normalmente adotase o valor de uma esfera equivalente. 17

18 MÉTODOS DE MEDIDA DE DIMENSÕES DE PARTÍCULAS O método mais comum utilizado são as peneiras padronizadas (Peneiramento). O segundo método mais usado é medir as partículas e efetuar um levantamento estatístico. O método usado quando as partículas são muito pequenas é colocando-se uma amostra do material na lâmina de um microscópio e cada partícula é medida por meio de um micrômetro. 18

19 MÉTODOS DE MEDIDA DE DIMENSÕES DE PARTÍCULAS Quando as partículas têm formas irregulares podem-se adotar outras técnicas: a. Determinar as dimensões máxima e mínima; b. Escolher apenas uma direção e medir a maior dimensão deste sentido; 19

20 MATERIAIS HETEROGÊNEOS O meio mais prático de separação de materiais heterogêneos é o tamisamento, que consiste em passar o material através de uma série de peneiras com malhas progressivamente menores, cada uma das quais retém uma parte da amostra. Esta operação, conhecida como análise granulométrica, é aplicável a partículas de diâmetros compreendidos entre 7 cm e 40 µm. 20

21 MATERIAIS HETEROGÊNEOS A análise granulométrica é realizada com peneiras padronizadas quanto à abertura das malhas e à espessura dos fios de que são feitas. As séries de Peneiras mais Importantes são: British Standard (BS) Institute of Mining and Metallurgy (IMM) National Bureau of Standards - Washington Tyler (Série Tyler) A mais usada no Brasil As peneiras (padronizadas) são agrupadas em ordem decrescente de mesh (nº de aberturas por polegada linear), de baixo para cima, ou em ordem crescente de diâmetro de peneira. 21

22 Peneiração Uma peneira separa apenas duas frações chamadas de não-classificadas, pois só é conhecida uma medida extrema. Quando utilizamos mais de uma peneira torna-se possível conhecer as chamadas frações classificadas, que possuem especificações de tamanho máximo e mínimo das partículas; Nestes casos o material pode ser separado em frações de partículas uniformes; 22

23 Peneiração Várias escalas de peneiras padrão têm sido apresentadas, nas quais o diâmetro do arame e o número de malhas por polegada são especificados. 23

24 MATERIAIS HETEROGÊNEOS O sistema Tyler é constituído de quatorze peneiras e tem como base uma peneira de 200 fios por polegada linear (200 mesh), feita com fios de 0,053 mm de espessura, o que dá uma abertura livre de 0,074 mm. As demais peneiras, apresentam 150, 100, 65, 48, 35, 28, 20, 14, 10, 8, 6, 4 e 3 mesh. Quando se passa de uma peneira para a imediatamente superior (por exemplo da 200 mesh para a de 150 mesh), a área da abertura é multiplicada por dois e, portanto, o lado da malha é multiplicado por. 24

25 MATERIAIS HETEROGÊNEOS (mesh) 25

26 MATERIAIS HETEROGÊNEOS O ensaio de peneiramento consiste em colocar a amostra sobre a peneira mais grossa a ser utilizada e agitar o conjunto de peneiras em ensaio padronizado, onde estas são colocadas umas sobre as outras na ordem decrescente da abertura das malhas. Abaixo da última peneira há um coletor que recolhe a fração mais fina que consegue passar através de todas as peneiras da série. Quanto maior o mesh, maior o número de aberturas, e mais fino deverá ser o grão. Para material grosseiro, utilizam-se peneiras de baixo mesh e para finos com maior mesh. 26

27 MATERIAIS HETEROGÊNEOS As quantidades retidas nas peneiras e no coletor são pesadas. É possível calcular a fração de cada tamanho dividindo a massa pela massa total da amostra. 27

28 Peneiração A fração é representada pela peneira que reteve a massa e pela peneira que a massa atravessou, por exemplo, sendo as malhas 20 e 14, a fração ficaria 14/20 ou 14+20; A fração é representada pelas partículas de diâmetro D i, correspondente à média aritmética das aberturas das malhas das peneiras. 28

29 Peneiração 29

30 A fração poderá ser caracterizada de dois modos: 1. Como a fração que passou pela peneira i-1 e ficou retida na peneira i. Se estas forem as peneiras 14 e 20, respectivamente, será a fração 14/20 ou A fração será representada pelas partículas de diâmetro igual a média aritmética das aberturas das malhas das peneiras i e i-1. No caso que estamos exemplificando, será a fração com partículas de tamanho: Exemplo: Atenção: Neste caso, o sólido passou pela peneira de 14 mesh e ficou retido na peneira de 20 mesh! 30

31 Quando temos uma mistura de partículas de diversos diâmetros, podemos definir um diâmetro médio que represente esse material. Uma mistura que contem frações com N i partículas de diâmetro equivalente, d eq, (se forem esféricas seria, dp i ) pode apresentar uma distribuição granulométrica com a seguinte forma: 31

32 Análise Granulométrica Distribuição de tamanhos de uma amostra de partícula As peneiras são organizadas em ordem decrescente de abertura 32

33 Análise Granulométrica 33

34 Análise Granulométrica 34

35 Análise Granulométrica 35

36 Análise Granulométrica 36

37 Análise Granulométrica-Representação gráfica 37

38 Análise Granulométrica-Representação gráfica Modelos de Distribuição Granulométrica A aplicação de modelos estatísticos de distribuição, que relacionam a quantidade de material com o tamanho das partículas de um dado sistema, facilita a manipulação dos dados e os cálculos computacionais. A utilização destes modelos torna mais simples o projeto dos equipamentos de separação de partículas. Distribuição de frequência Histograma 38

39 Peneiras Industriais As peneiras industriais são feitas de telas metálicas, revestidas de seda ou plástico (PVC, polietileno, polipropileno ou teflon), barras metálicas, pratos metálicos perfurados ou ranhurados, ou fios. Vários metais são usados, sendo os de aço e aço inox os mais comuns. As peneiras padrão variam de 4 in a 400 mesh, e telas metálicas com aberturas tão pequenas quanto 1µm são comercialmente disponíveis. Peneiras mais finas que 150 mesh normalmente não são usadas, porque com partículas tão finas outros métodos de separação geralmente são mais econômicos (câmaras de poeira, ciclones, filtros de tecido). 39

40 Peneiras Industriais Existe uma grande variedade de equipamentos usados para diferentes propósitos. Em muitas peneiras, as partículas caem através das aberturas pela gravidade; em alguns outros as partículas passam através das peneiras por uma escova ou pela força centrífuga. Partículas grossas caem lentamente através das aberturas maiores em uma superfície estacionária, mas com partículas finas a superfície da peneiras deve ser agitada, como por agitação, girando, ou por vibração mecânica ou elétrica. 40

41 Peneiras Industriais Movimento das peneiras. (a) giros em um plano horizontal; (b) giros em um plano vertical; (c) giros em uma ponta e agitação na outra; (d) agitação; (e) vibração mecânica; (f) vibração elétrica 41

42 Peneiras Industriais As peneiras podem operar a seco (sólidos com pouca umidade) ou a úmido. Materiais pouco úmidos ou muito aderentes devem ser peneirados a úmido para evitar o entupimento da peneira; a água lava continuamente a peneira evitando a deposição dos finos sobre os fios da peneira. A agitação também ajuda a prevenir o entupimento. Uma agitação muito vigorosa pode provocar a moagem do material, erosão excessiva das peneiras e baixa eficiência, além de agravar o problema do pó. Para facilitar a operação, as peneiras são inclinadas, mas uma inclinação grande prejudica a separação, pois o escoamento do pó poderá ser tão rápido que impossibilitará a chegada de muitas partículas finas até a malhas das peneiras; a inclinação insuficiente pode reduzir a capacidade. 42

43 Peneiras Industriais O sólido é alimentado em larga escala e um leito granular espesso é formado sobre a peneira. À medida que o material cai na caixa de alimentação, ele perde a componente vertical de velocidade e as partículas tendem a se espalhar pela base da caixa e pela superfície da peneira. Se a bica de alimentação, a caixa de alimentação e a peneira forem bem dimensionadas, o material irá ocupar toda a largura da peneira, aproveitando ao máximo todo o equipamento. 43

44 Peneiras Industriais Os principais responsáveis pela baixa eficiência e pelas dificuldades encontradas nesta operação são: 1. A coesão entre as partículas tende a reter fino no material grosso. A coesão aumenta com a umidade do material. Quando a operação é feita com o sólido seco, este efeito é pouco importante. 2. Durante o peneiramento, os fios das malhas afastam-se uns dos outros. Assim, umas aberturas ficam menores e outras aumentam, dificultando a previsão teórica da abertura da peneira para obter o diâmetro necessário. 44

45 Tipos de Peneiras Industriais 1- PENEIRAS ESTACIONÁRIAS 2- PENEIRAS ROTATIVAS 3- PENEIRAS AGITADAS 4- PENEIRAS VIBRATÓRIAS 45

46 1) Peneira Estacionária Peneiras metálicas estacionárias operam separando partículas de ½ a 4 in São as mais simples, robustas e econômicas das peneiras, e servem para sólidos grosseiros, à vezes maiores que 5 cm. Operam descontinuamente e entopem com facilidade. Elas são eficientes apenas com sólidos grossos de escoamento fácil, contendo poucas partículas finas. São adequadas para operações intermitentes de pequena escala, como o peneiramento de areia ou cascalho. Quando há necessidade de maior produção, são substituídas por peneiras vibratórias. Tipos mais comuns: telas inclinadas com 1 a 10cm de abertura, alimentadas manualmente; 46

47 Peneira Estacionária 47

48 2) Peneira Rotativa, de revolução ou de Trommel O tipo mais comum é o tambor rotativo, muito utilizado nas pedreiras para classificação de pedregulhos e pedras da construção civil; É um cilindro longo, inclinado de 5 a 10º em relação à horizontal e que gira a baixa velocidade em torno do eixo. A superfície lateral do cilindro pode ser uma placa metálica perfurada ou tela, com aberturas de tamanhos progressivamente maiores na direção da saída. Os equipamentos variam de 4 a 10m de comprimento. Os sólidos passam primeiro sobre o trecho de orifícios menores com ¼ in de diâmetro. A rotação típica é da ordem de 15 rpm. 48

49 Peneira Rotativa, de revolução ou de Trommel 49

50 3) Peneiras Agitadas ou excêntricas Estes equipamentos contém várias camadas de peneiras, uma em cima das outras, mantidas em uma armação. A peneira mais aberta é a do topo e a mais fechada a do fundo. Geralmente o material mais grosso é removido inicialmente e o mais fino no fim. A velocidade de movimento é de 600 a 1800 vibrações por minuto; A mistura de partículas é lançada no topo da peneira. As peneiras e a armação são movimentadas para separar as partículas através das aberturas da peneira. A agitação provoca a movimentação das partículas sobre a superfície das peneiras, geralmente são inclinadas para que o material seja transportado ao mesmo tempo em que ocorre a peneiração. A agitação é provocada por excêntricos que permitem regular a frequência e a amplitude para conseguir experimentalmente a melhor combinação destas variáveis. O excêntrico pode funcionar em plano vertical ou plano horizontal. Geralmente as peneiras agitadas com excêntricos são mais lentas. 50

51 Peneiras Agitadas 51

52 4) Peneiras Vibratórias Peneiras que vibram rapidamente com pequena amplitude são menos susceptíveis à obstrução do que qualquer outra peneira giratória. Usualmente, operam entre 1800 a 3600 vibrações por minuto. Estas peneiras são de alta capacidade e eficiência, principalmente para materiais finos. Existem dois tipos mais comuns: - Estrutura Vibrada: a estrutura é submetida a vibração mecânica por meio de excêntricos ou eixos desbalanceados, ou vibração eletromagnética com solenóides. A maior diferença entre as peneiras agitadas e as vibratórias está na frequência (neste caso, 1800 a 3600 ciclos/minuto) e na menor amplitude de vibração (1,5 a 10mm). São ligeiramente inclinadas. As malhas utilizadas na indústria química variam de 2,5 cm a 35 mesh, para peneiramento a seco, indo até bem abaixo de 100 mesh para peneiramento a úmido, chegando a até 225 mesh para alguns casos. 52

53 Tela Vibrada: elas possuem eletroímas que atuam diretamente sobre a tela. A frequência é bastante alta (1800 a 7200 vibrações por minuto) e a amplitude é bem pequena. Fazem o peneiramento de finos (80 a 100 mesh), não sendo recomendadas para trabalho pesado. Apresentam como desvantagem um desgaste excessivo da tela e ruído (pode ser atenuado utilizando telas emborrachadas ou feitas totalmente de borracha). 53

54 54

55 Grelha vibratória 55

56 Chapa com furos cônicos para pré-classificação 56

57 CÁLCULOS RELATIVOS AO PENEIRAMENTO Os problemas de engenharia envolvem os seguintes cálculos: A- QUANTIDADE PRODUZIDA B- EFICIÊNCIA DO PENEIRAMENTO C- DIMENSIONAMENTO DE UMA PENEIRA operação. A solução destes problemas interessa, tanto ao projeto, como à 57

58 Eficiência de uma peneira Medida da capacidade da peneira em separar completamente os materiais de tamanho acima e abaixo daquele da abertura da peneira. Capacidade de uma peneira Massa do material alimentado por unidade de tempo por unidade de área da peneira (kg/h.m 2 ) Capacidade e eficiência são fatores opostos: Para obter a máxima eficiência de uma peneira, a capacidade deve ser pequena. Uma grande capacidade é obtida às custas de uma baixa eficiência. Deve-se encontrar um balanço adequado entre capacidade e eficiência. 58

59 Capacidade de peneiras reais Capacidades aproximadas de peneiras, operando com minérios secos, valores dados em ton/h.ft 2. TIPO DE PENEIRA VARIAÇÃO DE CAPACIDADE Grelhas 1-5 Rotativas 0,3-2 Peneiras Agitadas 2-8 Peneiras vibratórias

60 CÁLCULOS RELATIVOS AO PENEIRAMENTO O que vamos discutir conduz ao estabelecimento de um parâmetro importante: a eficiência do peneiramento. Seu valor resulta da comparação entre as operações real e ideal, devendo depender, logicamente, das frações A, F e G. Diversas razões explicam a retenção de partículas finas nos grossos do peneiramento: A aderência do pó às partículas grandes é uma causa importante; 60

61 CÁLCULOS RELATIVOS AO PENEIRAMENTO A aglomeração de várias partículas pequenas, por coesão ou forças de qualquer outra natureza, pode dar origem a um aglomerado incapaz de passar pelas malhas da peneira; várias partículas finas poderão incidir simultaneamente numa dada abertura da peneira e nenhuma conseguirá passar; Finalmente, as malhas são irregulares e, assim sendo, as partículas finas que atingirem poucas vezes a peneira terão menos chances de passar. 61

62 CÁLCULOS RELATIVOS AO PENEIRAMENTO Mas há também problemas associados com o próprio mecanismo de operação. De fato, as partículas movimentam-se paralelamente ao plano das aberturas e, se o movimento for muito rápido, as partículas podem saltar de um fio para outro das malhas, sem jamais atingir as aberturas. Isso permite concluir que velocidades elevadas e fios muito grossos tendem a reduzir as dimensões efetivas das aberturas, dificultando a passagem dos finos através das malhas da peneira. E por último, a incidência do sólido nas malhas nem sempre é favorável. O ideal, sob o ponto de vista da passagem dos finos pelas malhas, seria: 62

63 CÁLCULOS RELATIVOS AO PENEIRAMENTO 1. alimentar individualmente cada partícula a uma abertura; 2. movimentar as partículas perpendicularmente à superfície da peneira; 3. conseguir que as partículas cheguem às aberturas com velocidade zero; 4. que a peneira tenha pequena espessura; 5. que a incidência de cada partícula na malha seja a mais favorável, isto é, com as dimensões paralelas ao plano da peneira. Mas tudo isto é obviamente impossível de controlar numa operação industrial. 63

64 CÁLCULOS RELATIVOS AO PENEIRAMENTO A passagem de grossos através das malhas ocorre por muitas causas. A primeira é sem dúvida a irregularidade das malhas, mas a incidência favorável de partículas grossas cuja maior dimensão não seja muito diferente de Dc também é importante. Se houver carga excessiva de material na peneira, algumas partículas grossas poderão ser forçadas a passar indevidamente pelas malhas. 64

65 A QUANTIDADES PRODUZIDAS As mesmas letras que estamos utilizando para designar o material alimentado e as frações produzidas servirão para indicar suas quantidades. Como A, F e G representam as frações em peso de grossos D C em A, F e G respectivamente, um balanço material de grossos poderá ser escrito: A A F F G G 65

66 A QUANTIDADES PRODUZIDAS Quantidades produzidas F e G. 66

67 A QUANTIDADES PRODUZIDAS Onde: A = fração acumulada de grossos Dc na alimentação, que é a fração do peso total de A constituída de partículas maiores do que Dc. F = fração acumulada de grossos Dc nos finos F, isto é, a fração do peso total de F que é constituída de partículas maiores do que Dc. G = fração acumulada de grossos Dc no produto grosseiro G. Se o peneiramento fosse ideal teríamos F = 0 e G = 1. 67

68 B EFICIÊNCIA DO PENEIRAMENTO A fração dos grossos Dc alimentados na peneira e que chegam finalmente ao produto grosseiro G é uma medida da eficiência de recuperação de grossos, conforme representado na fórmula abaixo. E G G A G A 68

69 B EFICIÊNCIA DO PENEIRAMENTO Por outro lado, a quantidade de finos na alimentação é A.(1- A ) e a quantidade que finalmente chega à fração fina é F.(1 - F ). A relação abaixo mede a eficiência de recuperação de finos: E F F A 1 1 F A 69

70 B EFICIÊNCIA DO PENEIRAMENTO peneiramento: O produto destas duas eficiências é a eficiência do E = E G x E F 70

71 Experimento MOAGEM E PENEIRAÇÃO DATA A SER DEFINIDA!!! 71