EQ651 Operações Unitárias I

Transcrição

1 EQ65 Operações Unitárias I Capítulo V Sedimentação

2 Sedimentação O processo de sedimentação mais comum consta da separação sólidofluido, sob ação da gravidade, em geral efetuada em tanques de secção cilíndrica ou retangular denominados de sedimentadores. A operação consiste em concentrar suspensões de sólidos em líquidos ou purificar o líquido. Pode ser realizada em batelada (um simples tanque) ou em equipamento contínuo. alimentação Extravasante (overflow) lodo ou lama (underflow) - slurry Filtração ou centrifugação 2

3 Finalidades A depender do objetivo, essa operação é denominada: Clarificação Espessamento obtenção de um extravasante limpo Ex: tratamento d'água e lodo com baixas concentrações envolvidas obtenção de uma suspensão mais concentrada Ex: indústrias químicas e as concentrações envolvidas são moderadas. 3

4 Imagens de um Sedimentador ( 4

5 Unilever Arg. - Buenos Aires AR Camara de aeração - Sed. secundaria. ( 5

6 Greater Nile Petroleum - Muglad Sudan Republic. Celda IAF PETROBRAS - Amazonas - BR Tratamento de salmora oleosa. ( 6

7 Projeto do Sedimentador Cálculo da Área (ou capacidade) e Altura do Sedimentador Esses cálculos baseiam-se classicamente nos testes de proveta. Se a solução for bem comportada (partículas de tamanho uniforme) aparecem na proveta 4 regiões distintas. Região clarificada Região concentrada constante Região de concentração variável Região de sedimento Distância da interface à base da proveta Região 3 Região 2 Região 4 Pto crítico Região tempo sedimentação * Região 3 ausente em sedimentador contínuo 7

8 Variáveis no Sedimentador Valores típicos das variáveis no sedimentador: Conc. sólidos na alimentação: a 0% em peso Conc. sólidos no lodo: 5 a 70% em peso Raio do sedimentador: até 00m Altura do sedimentador: até 0m Número de rotações do raspador: 2 a 30rot/h Dimensão partículas sólidas: > 50 µm 8

9 Cálculo da Área do Sedimentador F vazão de alimentação, [L 3 /θ] L vazão de suspensão descendente, em um nível qualquer do sedimentador, [L 3 /θ] V vazão de líquido ascendente, em um nível qualquer do sedimentador, [L 3 /θ] U vazão de lama que deixa o sedimentador, [L 3 /θ] c concentração de sólidos, [L 3 sólido/l 3 suspensão] c 0 na alimentação c e na lama espessa A área da seção transversal do sedimentador, [L 2 ] 9

10 Admite-se que o extravasante (overflow) não contenha sólidos. Balanço de massa de sólidos: F. c 0 L.c U. c e U L (c/c e ) () F.c 0 L.c U.c e 0

11 Balanço de líquido entre um nível qualquer e a saída do sedimentador: L(-c) V U(-c e ) L( L(-c) V + U(-c e ) (2) aplicando o balanço de massa de sólidos: c c) L..( ce ) V (3) c e V L.c. + L.c. (4) c ce c c e

12 2 e 0 0 c c. F.c V F.c.c L (5) (6) e 0 c c. A F.c A V v A V ( velocidade de ascensão do líquido ) e 0 c c v F.c A e 0 c c A F.c v (8) (7) ou

13 Para que o overflow seja límpido é necessário que a velocidade de ascensão do líquido, v, não exceda a velocidade de sedimentação do sólido. Os valores de A devem ser calculados para toda a gama de concentrações presentes e o projeto deve se basear no maior valor de A obtido. Classicamente, c x v é determinado através de teste de proveta em duas versões, ambas empregando a interface da região clarificada e a de concentração constante. 3

14 Sedimentação em Proveta 4

15 Zona D: partículas mais pesadas: sedimentação mais rápida Zona C: distribuição variável de tamanho e concentração não uniforme Zona B: concentração uniforme proporcional a concentração inicial (divisão nítida, quando as partículas são uniformes) Zona A: Líquido límpido. Após o ponto de sedimentação crítico: o processo é de uma compressão lenta dos sólidos com a expulsão do líquido retido para a região límpida. * Num equipamento contínuo, as mesmas zonas estão presentes 5

16 Métodos O dimensionamento pode ser feito por vários métodos: a) COE e CLEVENGER b) KYNCH c) TAHMADGE E FITCH d) ROBERTS a) Versão Coe e Clavenger Testes de provetas a diferentes concentrações iniciais, c, medindo-se a velocidade de sedimentação, v. 6

17 Altura da interface b)versão Kynch Um único teste com concentração inicial igual à alimentação do sedimentador, medindo-se θ, ze z i.. z o z i z θ tempo c v c 0 z z i.z i θ 0 z 7

18 Cálculo da Altura do Sedimentador A altura do sedimentador está intimamente relacionada com a capacidade de compactação. É feita uma estimativa da região de compactação do sedimentador contínuo. H H volume sólidos + volume líquidos A A [ Fc t Fc tx] onde o + o x volume líquido volume sólido médio (na região de compactação) t tempo de residência do sólido na região de compactação 8

19 Desse modo: Fc t H o + A Pode-se provar facilmente que: y + x + vol. líq. vol. sól. [ x] vol. sól. + vol. líq. vol. sól. vol. líq. vol. suspensão + x + vol. sól. vol. sól. vol. sól. vol. suspensão y onde y fração volume sólida 9

20 ρ y ρ y. ρ s + ρ f ρ f y y ( ρ s ρ f ) + ρ f susp. ρ s + ( y ). f ρ y susp ρ s ρ ρ f f Então: + x ρ ρ s susp ρ f ρ f H Fc 0 A t ρ ρ s susp ρ f ρ f 20

21 ρ susp é de difícil determinação Na realidade, H > H calc, pois H 4. 3 Fc A 0 fator de correção t ρ ρ s lodo ρf ρ f ρsusp ρ lodo compactado ρ susp. < ρ lodocomp. Resta obter o tempo de residência t, desde o início da compactação até que se atinja a concentração final. 2

22 Procedimento sugerido por Coulson & Richardson: (sedimento com a composição desejada) A altura total do sedimentador é normalmente tomada como sendo 2H. (Coulson e Richardson, Tecnologia Química - Operações Unitárias, 968 ) 22

23 Determinação do ponto crítico através do gráfico logz x logθ 23