Operação Unitária de Centrifugação

UFPR Setor de Ciências da Saúde Curso de Farmácia Disciplina de Física Industrial Operação Unitária de Centrifugação Prof. Dr. Marco André Cardoso

Centrifugação Operação unitária com a principal finalidade de separação de frações ou a concentração das moléculas de interesse Pode ser realizada com o objetivo de separar sólidos de líquidos ou mesmo uma mistura de líquidos É um processo mecânico que tem por função a separação ou clarificação de mistura, onde seus componentes possuam densidades diferentes

Centrifugação Na sedimentação as partículas são separadas de um fluído por ação de forças gravitacionais; A separação gravitacional pode ser muito lenta devido à proximidade entre as densidades das partículas e do fluido, ou por causa de forças associativas que mantém componentes ligados, como em emulsões; O uso de centrífugas aumenta muitas vezes a força que atua sobre o centro de gravidade das partículas, facilitando e a separação e diminuindo o tempo de residência

Centrifugação

Força Centrífuga Qualquer corpo ou partícula que apresente um movimento circular uniforme está submetido a uma força centrífuga, que tem como referência, o centro da trajetória circular que a partícula descreve; Consiste numa força aparente que se manifesta nos corpos em rotação e cujo efeito é o afastamento dos corpos do centro de rotação; Ocorre devido a uma rotação que faz variar continuamente a direção do movimento do corpo, dando origem a uma aceleração que pode ser interpretada como uma força de inércia que o empurra para fora;

Força Centrífuga

Força Centrífuga Equações A aceleração pela força centrífuga é dada por: a r 2 e a e é a aceleração devido à força centrífuga (m/s 2 ) r é a distância radial do centro da rotação em metros ω é a velocidade angular em radianos/s A força centrífuga Fc: F c ma e mr 2

Força Centrífuga Equações A força gravitacional em uma partícula é: F g mg Se comparamos ambas: F F c g r g 2 2 v rg r g 2 N 60 2 0.001118 rn 2 Onde: N é a velocidades rotacionais dada em RPM ou seja por rotações/min r é a distância radial do centro da rotação em metros

Centrifugação Rotores Eixo de Rotação At rest Rotação g g Ângulo Fixo

Centrifugação Geometria dos Rotores r max r av r min Eixo de Rotação a r min r av r max r min r av r max b c Sedimentação

Centrifugação Taxas de Separação Todo o líquido se move para cima à velocidade uniforme, transportando partículas sólidas com ele; As partículas movem-se radialmente na vt de sedimentação; Se o tempo de residência for suficiente para que a partícula chegue até parede do tambor ela é separada;

Centrifugação Separação Eixo de Rotação

Misturas Líquido/Líquido

Misturas Sólido/Líquido

Centrífugas Decantadoras ou Clarificadoras Servem para clarificar ou espessar suspensões e emulsões; Um tambor vertical, horizontal ou inclinado gira em alta rotação em torno de um eixo e as partículas são dirigidas para a periferia da centrífuga; Ao mesmo tempo em que é feita a clarificação podese realizar a decantação de dois líquidos; Para haver clarificação as partículas deverão ter tempo suficiente para atingir a parede ou os bocais de saída da centrífuga;

Centrífugas de Tambor ou Tubular Consiste em um tubo sólido fechado em ambas as extremidades, e que normalmente é alimentado com dois líquidos de densidades diferentes, por uma entrada no fundo; A fase mais pesada se concentra contra a parede do cilindro, enquanto a fase mais leve flutua sobre ela. As duas fases são separadas por meio de um defletor que as descarrega em dois fluxos distintos; Se a alimentação do processo for do tipo líquido/sólido ou líquido/líquido/sólido, faz-se necessário uma limpeza regular mas, se não há a presença de sólidos suspensos, o processo pode ser contínuo;

Centrífugas de Tambor ou Tubular

Centrífugas de Discos Opera a velocidades de 3000 a 20 000 g e proporciona um sistema de clarificação contínuo que é satisfatório para materiais com um conteúdo de sólidos de 1-2% ou menos; É projetada para separação sólido/líquido ou duas fases líquidas em base contínua. Os sólidos sedimentam na parede do vaso e são descarregados manualmente ou automaticamente por aberturas intermitentes do vaso; A pilha de discos aumenta grandemente a área efetiva de sedimentação ou clarificação, e as fases líquida e sólida movem-se para cima ou para baixo na superfície dos discos. O líquido descarrega através de um ou mais discos;

Centrífugas de Discos

Centrífugas de Vaso Horizontal Consistem em dois elementos giratórios concêntricos horizontais contidos em uma carcaça estacionária; O cesto (elemento giratório exterior) afila-se de forma que os sólidos descarreguem em um raio menor que o do licor; O elemento interno é um transportador de parafuso tipo rosca-sem-fim com a extremidade da lâmina ajustada próximo ao contorno da cesta; A suspensão é alimentada no interior do eixo transportador por bombeamento ou por gravidade, sendo automaticamente acelerada até a velocidade da máquina;

Centrífugas de Vaso Horizontal A força centrífuga impele a suspensão através de canais para o interior da cesta giratória, onde os sólidos decantam através da camada de licor formada sobre a parede; Há uma pequena diferença de velocidade entre a rotação da cesta e a do transportador, permitindo que os sólidos sejam transportados continuamente ao longo da parede de cesta, para fora da piscina e em direção à zona secante cônica, até as portas de descarga dos sólidos; O licor clarificado descarrega continuamente na direção oposta, através de portas de transbordamento ajustáveis;

Centrífugas de Vaso Horizontal

Centrífugas Filtrante Constam de uma cesta que gira em alta velocidade em torno de um eixo vertical ou horizontal e cuja parede é feita de tela ou placa perfurada; Os sólidos vão para a periferia e formam uma torta cuja espessura vai aumentando à medida que a operação prossegue; O líquido filtrado passa através da torta e da tela, sendo recolhido num tambor fixo em cujo interior está girando a cesta; Sua maior vantagem é a redução da quantidade de filtrado que fica retido na torta;

Centrífugas Filtrante

Centrífugas Filtrante de Cesta Permite tanto a filtração como a decantação e é particularmente satisfatória para processar materiais no ambiente ultra-limpo das indústrias de química fina e farmacêutica; Podem ter uma cesta perfurada com membrana filtrante para o processo de filtração, ou uma cesta sólida para decantação; Ela também possui um mecanismo automático de faca raspadora (peeler) para descarga do bolo, além de um sistema efetivo de remoção dos resíduos ('heel') - uma característica que permite retenção completa a cada batelada e reduz o ciclo operacional removendo os sólidos separados a velocidade alta;

Centrífugas Filtrante de Cesta As altas forças g e o modo acelerado de descarga faz com que a centrífuga peeler use tempos de ciclo menores, que podem ser ajustados para assegurar uma larga faixa de capacidades de lavagem; Este tipo de centrífuga pode ser usado para aplicações onde a suspensão tem baixa concentração de sólidos ou é flutuante; A centrífuga tem uma cobertura frontal que abre completamente o que permite a inspeção segura do interior pelo operador;

Centrífugas de Cesta Filtração Decantação

Centrífugas de Cesta Vertical Produzem bolos excepcionalmente secos e têm duas vantagens principais: - capacidade para uma lavagem eficiente de bolos sólidos usando um mínimo de líquido de lavagem; - habilidade para descarregar os sólidos separados a baixa velocidade de cesta, assegurando quebra desprezível de cristais delicados; O licor mãe extraído e o licor de lavagem são segregados facilmente em etapas separadas do ciclo descontínuo;

Centrífugas de Cesta Vertical Durante a operação, a suspensão é alimentada pela abertura no topo da cesta que, normalmente, opera a uma velocidade reduzida; Dependendo do tipo de suspensão que é tratada e/ou do tipo da máquina, a alimentação ou é introduzido diretamente na cesta por um tubo tangencial ou por um cone distribuidor de 360 ; A taxa de alimentação e/ou a velocidade da cesta é ajustada de forma que a taxa de alimentação iguale a taxa de filtração a medida em que a suspensão cobre a parede da cesta e forma um bolo uniformemente distribuído;

Centrífugas de Cesta Vertical