Departamento de Engenharia Química e Engenharia de Alimentos EQA 5313 - Operações Unitárias de Transferência de Quantidade de Mo imentov Prof. Regina de Fátima Peralta Muniz Moreira e Prof. José Luciano Soares

Sedimentação

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SedimentaçãoObjetivos.

- Clarificação do líquido. - Espessamento da suspensão. - Lavagem dos sólidos.

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1. Fundamentos Teóricos.

- Dependência da concentração das partículas sólidas ( livre ou retardada ).

- Fatores que controlam a velocidade de decantação: ρs, ρ , dp, forma das partículas e viscosidade do meio μ (T) → Então é possível aumentar a velocidade de decantação, aumentando a temperatura.

Tipos de Sedimentadores

Nas indústrias químicas, os processos de separação por sedimentação são feitos continuamente ou descontinuamente em equipamentos denominados tanques de decantação ou decantadores.

Descontínuos: tanques cilíndricos com a solução em repouso por um certo tempo tempo.

Contínuos: tanques rasos de grande diâmetro, em que operam grades com função de remover a lama. A alimentação é feita pelo centro do tanque.

Os decantadores mais comuns são: de rastelos; helicoidal; ciclone e hidroseparadores.

Quanto a finalidade podem ser classificados:

Clarificadores: fase de interesse é o líquido limpo.

Espessadores: fase de interesse é a zona de lama.

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2. Mecanismo de Decantação.

A ⇒ Líquido limpo . B ⇒ Região de concentração constante. C ⇒ Região de concentração variável. D ⇒ Região de compactação.

A sedimentação pode ser: natural (livre) ou forçada (quando se utiliza floculantes- substâncias com propriedades de aglomeração de partículas).

O aumento do tamanho de partículas, aumenta a velocidade de sedimentação. É possível aumentar o tamanho das partículas antes da decantação :

Digestão: No caso de precipitados ⇒ deixa-se a suspensão em repouso até que as partículas finas sejam dissolvidas, enquanto que as grandes crescem à custa das partículas menores.

Floculação : Aglomerar partículas formando flocos. Uso de floculantes : Eletrólitos; Coagulantes- ex: Al(OH)3, Fe(OH)3; Tensoativos : Amido, gelatina, cola; Polieletrólitos.

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3. Processo de Sedimentação.

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3.1. Dimensionamento de Clarificadores.

Provém dos trabalhos de Coe & Clevenger.

O projeto de decantador consiste no cálculo da área de decantação :

Onde :

S = Área do decantador; QA = Vazão volumétrica da suspensão alimentada; u = Velocidade de sedimentação.

Deve ser usado um coeficiente de segurança (f= 100%) devido a :

- Escoamentos preferenciais, - Diferenças locais de temperatura que causam turbulência, - Variações bruscas nas condições de operação.

A variável u (velocidade de sedimentação) é obtida da curva de decantação.

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3.2. Dimensionamento de Espessadores.

u = dz / dθ

A. Método de Coe e Clevenger

A área de um espessador deve ser suficiente para permitir a decantação de todas as partículas alimentadas.

Hipóteses :

- A velocidade de sedimentação é função da concentração local : u = f(C); - As características essenciais do sólido não se alteram quando se passa para o equipamento de larga escala.

Para que não haja arraste de partículas sólidas na direção do vertedor, a velocidade ascencional do líquido nesta seção limite deverá ser menor do que a velocidade de decantação das partículas.

Q - QE = Vazão de líquido claro que sobe pelo decantador nesta seção.

Se a área for insuficiente começará a haver acúmulo de sólidos numa dada seção do espessador e finalmente haverá partículas sólidas arrastadas no líquido clarificado.

Esta Seção ⇒ Zona Limite.

Como QA.CA = Q.C = QE.CE

Onde : S = Área de decantação (m2); QA = Vazão volumétrica da suspensão (m3/s); CA = Concentração de sólidos na suspensão (Kg/m3); CE = Concentração de sólidos na lama (Kg/m3); C = Concentração na zona limite (Kg/m3); u = Velocidade de decantação na zona limite (m/s).

⇒ C e u : São determinados experimentalmente.

⇒ S : Diversos cálculos são realizados com pares de valores de C e u.

O maior valor de S será a área mínima do decantador!!!!!!

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Exemplo 01 : Uma suspensão aquosa de CaCO3 foi submetida a uma série de ensaios de decantação e foram obtidos os seguintes resultados :

Deseja-se calcular o diâmetro de um decantador com capacidade de processar 8 ton/h de CaCO3 seco, alimentado ao decantador em suspensão contendo 236 Kg / m3. A lama deverá encerrar 550 Kg / m3.

Resolução :

QA.CA = 8 ton / h CE = 550 Kg / m3 CA = 236 Kg / m3

Coeficiente de Segurança : 100 % S = 342 m2

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B. Método de Kynch

Consiste em fazer um ensaio que forneça a curva de decantação:

- Calcula-se diversos pares (C,u) a partir da curva de decantação;

- Calcula-se :

- O máximo valor de S será a área do decantador.

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C. Método de Roberts

Permite localizar com exatidão o ponto crítico ( entrada em compressão ).

⇒ Com os dados do ensaio de decantação, traçar log(z-zf);

⇒ A curva obtida mostra uma descontinuidade no ponto crítico.

OBS: Ponto Crítico: linha de separação entre o espessado e o clarificado.

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D. Método de Talmadge e Fitch (Método Gráfico ).

- Traçar a tangente à curva de sedimentação na zona de clarificação; - Traçar a tangente à curva de sedimentação na zona de espessamento; - Traçar a bissetriz entre as 2 retas; - Localizar o ponto crítico.

- Traçar a tangente à curva de sedimentação passando pelo ponto crítico.

- Localizar :

- Ler θE

- Calcular a área, que por dedução através das 3 equações do método de Roberts resulta em :

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Exemplo 02 : Um ensaio de decantação foi realizado em laboratório num cilindro graduado de 1000 ml, com o fim de fornecer os dados para o projeto de um espessador para 30 ton/h de uma suspensão contendo 48 g/l de um sólido cristalino. Os resultados obtidos foram tabelados :

A altura do cilindro graduado de 1000 ml é de 36,1 cm. A concentração de saída do decantador deverá ser a correspondente a 60 minutos de decantação.

Resolução :

Fator de Segurança : 100 %

S = 1786 m2

D = 47,7 m

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3.3. Dimensionamento da Profundidade do Sedimentador.

A concentração da lama espessada que se pode obter numa dada operação não é função da área do espessador, mas do tempo de residência dos sólidos na zona de compressão - Volume da zona de compressão.

- Cálculo do volume da zona de compressão :

Vazão mássica do sólido : QA.CA, Kg/m3

Vazão volumétrica de sólido : QA.CA / ρS, m3/h

Tempo de residência do sólido na zona de compressão : tE - tC

Então, o volume de sólido na zona de compressão VS é dado por :

Representando :

V : Volume da suspensão de densidade média (ρm)

VS : Volume do sólido

Então o volume de suspensão na zona de compressão V será :

Este é o mínimo volume que a zona de compressão deverá ter para espessar a lama até a concentração CE :

H = V / S