ANÁLISE DO IMPACTO DA FILTRAÇÃO SOBRE UM HIDROCICLONE CONCENTRADOR DE GEOMETRIA OTIMIZADA

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1 ANÁLISE DO IMPACTO DA FILTRAÇÃO SOBRE UM HIDROCICLONE CONCENTRADOR DE GEOMETRIA OTIMIZADA Suélen M. Gonçalves, ¹ Fernanda F. Salvador, Luiz Gustavo M. Vieira e Marcos Antonio de S. Barrozo Mestranda do programa de Pós-graduação da Faculdade de Engenharia Química da UFU/MG Professor da Faculdade de Engenharia Química da UFU/MG, Faculdade de Engenharia Química da Universidade Federal de Uberlândia. Av João Naves de Ávila,, Bloco K, Campus Santa Mônica, Uberlândia - MG, CEP luizgustavo.ufu@gmail.com RESUMO - Versáteis na separação sólido-líquido, os hidrociclones são separadores centrífugos usados tanto na clarificação quanto na concentração de minérios. Apesar de serem equipamentos bastante conhecidos, uma nova geometria de hidrociclones cônico-filtrantes, oriunda da otimização por Técnicas de Superfície de Resposta e pelo Algoritmo de Evolução Diferencial, apresenta características altamente concentradoras, sem prejuízos à sua alta eficiência, o que ressalta um grande potencial de aplicação industrial. Desta forma, este estudo se propôs a comparar o desempenho do novo hidrociclone nas suas formas convencional e cônico-filtrante, mediante a combinação de diferentes diâmetros de underflow. Assim, através de ensaios experimentais, foram determinadas as respostas comumente relacionadas à hidrociclonagem, tais como número de Euler, razão de líquido e eficiência total. Destarte, concluiu-se que a filtração teve um efeito benéfico nos custos energéticos, posto que houve uma diminuição média de aproximadamente % no número de Euler utilizando-se o cone filtrante, ao passo que ainda foi possível observar acréscimos médios de 38% na razão de líquido e incrementos da ordem de 5% na eficiência total do hidrociclone filtrante, se comparado à configuração convencional. Palavras-Chave: hidrociclone, filtrante, separação. INTRODUÇÃO Hidrociclones são separadores centrífugos de ampla aplicação nos setores petroquímico e de processamento mineral. Podem ser utilizados tanto na separação de suspensões sólido-líquido quanto emulsões líquido-líquido. São flexíveis quanto ao objetivo de separação, podem clarificar ou concentrar correntes. Em comparação a outros separadores, como centrifugas e filtros, possuem tamanho reduzido e ausência de partes móveis. Outras vantagens estão relacionadas a simplicidade operacional e ao baixo custo de manutenção e aquisição (Svarovsky, 000). A suspensão é alimentada tangencialmente a parte superior cilíndrica do equipamento. Em função da força centrifuga aplicada, é formado um movimento espiral descendente, de forma que, as partículas de maior densidade se aproximam da parede e são descarregadas no orifício de underflow. Um outro vórtice central, de movimento ascendente, é formado e arrasta as partículas menores a serem descarregadas no duto de overflow. Os hidrociclones convencionais são feitos de material impermeável. Neste estudo, as partes de tamanho fixo foram manufaturadas de latão, e as peças variáveis, de orifício de underflow, feitas de teflon. A modalidade filtrante apresenta parede porosa, e neste presente caso, apenas o tronco de cone de material permeável foi usado. Vieira (006) estudou a modalidade cônicofiltrante em diferentes configurações, concluindo que a geometria do equipamento deve ser escolhida dependendo do objetivo da demanda industrial (concentração ou classificação). Com o objetivo de melhorar a separação sólido-líquido, Silva (04) encontrou três novas geometrias de hidrociclones filtrantes através de técnicas de otimização combinando as superfícies de respostas com um algoritmo de Evolução Diferencial. Uma das configurações, além de ir de encontro ao objetivo inicial (minimização de custos energéticos), também apresentou características concentradoras, o que despertou o interesse de

2 estudo desta configuração geométrica na modalidade convencional. Este estudo teve como objetivo avaliar o efeito da filtração no hidrociclone otimizado por Silva (04) em relação a configuração convencional. O desempenho dos hidrociclones, convencional e filtrante, foi estudado frente a manipulação do diâmetro de underflow e da variação da queda de pressão na alimentação. Conceitos fundamentais referentes a hidrociclonagem, como razão de líquido, eficiência total e número de Euler, serão brevemente descritos a seguir para melhor compreensão dos resultados obtidos. Razão de Líquido A fração de líquido coletada na corrente de underflow em relação a alimentação do hidrociclone é denominada razão de líquido, e está diretamente relacionada ao poder de classificação do equipamento. Representada através da Equação, pode ser facilmente determinada uma vez conhecidas as vazões volumétricas das correntes de alimentação (QA) e underflow (QU) com suas respectivas concentrações volumétricas. R L = Q U( C VU ) Q A ( C VA ) () O cálculo das concentrações volumétricas das correntes pode ser visualizado através da Equação, onde i representa uma corrente genérica (alimentação, underflow ou overflow). C vi = [ ρ S ρ ( C wi ) + ] () unidade de volume na parte cilíndrica. A Equação 4 fornece as informações necessárias para o cálculo do número de Euler quando conhecidas as vazões volumétricas de alimentação, queda de pressão e densidade da água na temperatura de operação em cada configuração concebida para os hidrociclones filtrante e convencional. Eu = ΔP ρ ( 4Q (4) πd ) C MATERIAIS E MÉTODOS Material Utilizado O quartzito, material particulado composto predominantemente por silício (SiO), foi concedido pela ANEX Mineração, sediada em Itabirito (MG). Este material apresenta densidade média de,69 g/cm³ e distribuição granulométrica regida pelo modelo RRB (Rosin-Rammlet-Bennet), com os parâmetros d63, =,45 μm e n = 0,9. Unidade Experimental A unidade experimental encontra-se no Laboratório de Separação e Energias Renováveis (LASER) da Faculdade de Engenharia Química da UFU, dotada dos principais acessórios para reproduzir as mesmas condições industriais durante a hidrociclonagem (reservatório, agitador mecânico, bomba centrífuga, flowmeter, manômetro digital etc.). As dimensões geométricas do Hidrociclone Concentrador de geometria Otimizada (HCO) estão mostradas na Figura. Eficiência Total A eficiência total do hidrociclone contabiliza o percentual de massa de sólidos coletado na corrente de underflow frente à quantidade inicialmente introduzida na alimentação Esta resposta pode ser obtida através do conhecimento das vazões mássicas das correntes de alimentação (WA) e underflow (WU), e, das suas respectivas concentrações mássicas, a eficiência está representada através da Equação 3. η = C WUW U C WA W A (3) Número de Euler O adimensional de Euler representa a capacidade de operação, ou seja, o consumo energético do equipamento através da razão entre a queda de pressão pela energia cinética por Figura Dimensões Geométricas do Hidrociclone Concentrador de Geometria Otimizada em milímetros

3 Q A (cm³/s) R L (%) Os arranjos geométricos convencional e cônico-filtrante foram facilmente obtidos através da troca do tronco de cone impermeável pelo poroso cuja permeabilidade média e porosidade média do meio filtrante foram k = 9,97x0-4 m e ε =,68% (Silva, 04). Metodologia A suspensão aquosa do material particulado (quartzito), a % em volume, foi introduzida no tanque; e, para montagem dos equipamentos as dimensões características descritas na Figura foram utilizadas. Ressalta-se que na configuração convencional utilizou-se o tronco de cone impermeável e na configuração filtrante o tronco de cone permeável. Para cada hidrociclone foram combinados os diâmetros de underflow de 3, 4 e 5 mm, e tomadas medidas experimentais em quatro quedas de pressão: 0,88,,8,,47 e,77 bar. As concentrações mássicas das principais correntes do hidrociclone foram determinadas por técnicas de gravimetria. As distribuições granulométricas das principais correntes do hidrociclone foram determinadas por difração a laser no Mastersizer da Malvern. As vazões mássicas das principais correntes do hidrociclone foram determinadas pelo medidor eletromagnético do tipo Coriolis. RESULTADOS E DISCUSSÃO Sabe-se que a capacidade de processamento é a vazão de alimentação em uma dada queda de pressão. Tais resultados experimentais estão mostrados na Figura ,88,8,47,77 P (bar) Figura Vazão de alimentação média em função da Queda de Pressão Os resultados para o HCO filtrante foram superiores ao convencional em cerca de 5%. Quanto maior a queda de pressão aplicada, maior é a vazão alimentada. Os resultados experimentais para a razão de líquido do HCO em diferentes quedas de pressão e diâmetros de underflow estão apresentados na Figura 3.,00 0,00 9,00 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00,00,00 0,00 0,88,8,47,77 Du = 5 mm (F) Du = 4 mm (F) Du = 3 mm (F) P (bar) Du = 5 mm (C) Du = 4 mm (C) Du = 3 mm (C) Figura 3 Razão de Líquido em função da Queda de Pressão e Diâmetro de underflow As linhas pontilhadas fazem referência aos resultados do hidrociclone cônico-filtrante (F), enquanto as linhas contínuas ao hidrociclone concentrador otimizado em sua geometria convencional (C). As cores azul, vermelho e verde representam os comprimentos de diâmetro de underflow de 5, 4 e 3 mm, respectivamente. Pode-se observar que, para cada queda de pressão, a resposta de Razão de Líquido para os hidrociclones filtrantes foi maior que para os hidrociclones convencionais, em todos diâmetros estudados. Para o maior orifício de underflow, o aumento médio foi de 4%. Para Du = 4 mm, o acréscimo no RL foi maior, cerca de 7%. Já para o menor Du (3 mm), o aumento médio foi de aproximadamente 8%. Em geral, o aumento da queda de pressão diminuiu a Razão de Líquido devido ao aumento da vazão alimentada. A Figura 4 mostra a eficiência em função do diâmetro de underflow, na média observada para as pressões, para os hidrociclones convencional e filtrante.

4 d 50 (µm) Eu η (%) 70,00 65,00 60,00 55,00 50,00 45,00 5,55 57,54 60,97 6,0 6,37 64,6 Figura 4 Eficiência total média em função do Diâmetro de underflow É possível visualizar que a eficiência total para a modalidade filtrante se manteve entre 57 e 65%, enquanto a modalidade convencional entre 5 e 6%. Resultados razoáveis para hidrociclones concentradores. Houve um aumento médio de cerca de 5% na eficiência total do HCO através do uso do cone filtrante. Quando se é imposta uma restrição ao escoamento, é de se esperar que o rendimento seja menos expressivo, o que foi observado através dos testes que usaram Du de 3 mm. A melhor resposta de coleta de sólidos no underflow foi observada na configuração filtrante de maior orifício de underflow (Du = 5 mm). Neste caso, a filtração e a menor de restrição ao escoamento foram benéficas ao processo de coleta de sólidos. Outra forma de avaliar a coleta de sólidos no underflow é através da resposta Diâmetro de Corte. Representa o poder de classificação de um hidrociclone. A Figura 5 ilustra esta variável para o HCO convencional e filtrante. 6,50 5,50 4,50 3,50,50,50 0,50 3,90 6,6,63,44,04,6 Figura 5 Diâmetro de Corte médio em função do Diâmetro de underflow Por definição, o diâmetro de corte (d50) é o diâmetro da partícula (dp) que possui eficiência granulométrica (G) de 50% (Vieira, 006). Entende-se por eficiência granulométrica (G) a probabilidade de uma partícula de certo tamanho ser separada. As partículas que possuem diâmetro maior que o diâmetro de corte são coletadas com eficiência superior a 50%. Para o HCO filtrante, certamente as partículas de tamanho maior que 4 micras são coletadas com G maior que 0,5. Já para o HCO convencional as partículas maiores que 7 micras serão coletadas com eficiência granulométrica maior que 0,5 A resposta média, nas tomadas de pressão, do Número de Euler em função do diâmetro de underflow, para a configuração convencional e filtrante está apresentada na Figura Figura 6 Número de Euler médio em função do Diâmetro de underflow Em geral, número de Euler observado para o HCO filtrante foi menor em todas geometrias exceto para o menor orifício de underflow, em que os valores médios foram iguais. A filtração gera alterações no escoamento interior do fluido e, como consequência, a capacidade de processamento do hidrociclone é modificada devido a geração de forças contrárias ao movimento, que neste presente estudo, aumentaram a capacidade de processamento do hidrociclone. Foi observado um comportamento atípico ainda em relação ao Número de Euler. Era de se esperar que, quanto maior a restrição ao escoamento (Du = 3 mm), maior seria o Número de Euler e maior o gasto energético. Entretanto, o oposto foi quantificado, a melhor capacidade de processamento deve-se a configuração de menor orifício de underflow. Lanna et al. (99), verificou que, a utilização de um meio filtrante ao tronco de cone de um

5 hidrociclone de geometria Bradley, aumentou a vazão volumétrica de alimentação e diminuiu o número de Euler. O contrário foi verificado por Vieira (00), ao se passar da modalidade convencional para filtrante estudando os hidrociclones Rietema. A depender da geometria característica, a filtração gera resultados distintos em relação ao gasto energético. Neste presente estudo, a filtração contribuiu para a diminuição de cerca de % no Número de Euler, em relação ao HCO convencional. CONCLUSÃO A inserção de um tronco de cone permeável ao hidrociclone concentrador influenciou de maneira significativa a resposta de Razão de Líquido. Houve um acréscimo considerável na eficiência de coleta de sólidos e na capacidade de processamento do HCO. Portanto, a filtração interferiu de forma benéfica no desempenho do hidrociclone concentrador de geometria otimizada, pois diminuiu o gasto energético e ainda diminui o diâmetro de corte, ou seja, mais partículas são coletadas no underflow. NOMENCLATURA CVA - concentração volumétrica de sólidos na corrente de alimentação (-) CVU - concentração volumétrica de sólidos na corrente de underflow (-) CWA - concentração mássica de sólidos na corrente de alimentação (-) CWU - concentração mássica de sólidos na corrente de underflow (-) d50 - diâmetro de corte d63, parâmetro ajustado do modelo RRB DC - diâmetro da parte cilíndrica do hidrociclone dp - diâmetro da partícula DU - diâmetro da parte cilíndrica do hidrociclone Eu número de Euler (-) G eficiência granulométrica (-) η - eficiência total (-) L comprimento total da seção cilíndrica do hidrociclone l comprimento do vortex finder n parâmetro ajustado n do modelo RRB (-) Q - vazão volumétrica da corrente de alimentação (L 3 T - ) QU - vazão volumétrica da corrente de underflow (L 3 T - ) RL razão de líquido (-) WA - vazão mássica da corrente de alimentação (MT - ) WU - vazão mássica da corrente de underflow (MT - ) - P - queda de pressão no hidrociclone (ML - T - ) ρ - densidade do fluido (ML -3 ) ρs-densidade do sólido/material particulado (ML -3 ) REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS LANNA, A. E.; BARROZO, M. A. S.; DAMASCENO, J. J. R. 99. Estudo de desempenho de um hidrociclone filtrante. Revista Ciência & Engenharia, p SILVA, N.K.G., 04. Estudo da Otimização da Configuração do Hidrociclone, da UFU, Uberlândia-MG. (Dissertação de Mestrado), 0 f. SVAROVSKY, L., 000. Solid-Liquid Separation. 4th Edition. Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX 8DP: Butterworth-Heinemann. 554 p. VIEIRA, L. G. M., 00. Estudo da Performance de Hidrociclones s Rietema, da UFU, Uberlândia-MG. (Dissertação de Mestrado), 4 f. VIEIRA, L. G. M., 006. Otimização dos Processos de Separação em Hidrociclones s, da UFU, Uberlândia-MG. (Tese de Doutorado), 97 f. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à Capes e ao CNPq, como órgãos de fomento da pesquisa e ao Laboratório de Separação e Energias Renováveis (LASER) da Faculdade de Engenharia Química da Universidade Federal de Uberlândia pelo suporte na execução deste trabalho.