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1 -

Mat

eria

l Ela

bora

do p

elas

Pro

fas.

Kat

ia T

anno

use

Sand

ra C

.S. R

ocha

EQ651 – Operações Unitárias I

Capítulo V – Sedimentação

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Sedimentação

alimentação

lodo ou lama (underflow) -slurry

Filtração ou centrifugação

Extravasante(overflow)

O processo de sedimentação mais comum consta da separação sólido-fluido, 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.

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Finalidades

A depender do objetivo, essa operação é denominada:

Clarificação obtenção de um extravasante limpoEx: tratamento d'água e lodo com baixasconcentrações envolvidas

Espessamento obtenção de uma suspensão mais concentradaEx: indústrias químicas e as concentrações envolvidas são moderadas.

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Imagens de um Sedimentador

(http://www.enq.ufsc.br/disci/eqa5313/topicos.html)

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Unilever Arg. - Buenos Aires – ARCamara de aeração - Sed. secundaria.

(http://www.lockwood-ar.com.ar/equipamiento1.htm)

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Greater Nile Petroleum - Muglad Sudan Republic. Celda IAF

PETROBRAS - Amazonas - BRTratamento de salmora oleosa.

(http://www.lockwood-ar.com.ar/equipamiento1.htm)

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Projeto do SedimentadorCálculo da Área (ou capacidade) e Altura do SedimentadorEsses cálculos baseiam-se classicamente nos testes de proveta.

Se a solução for “bem comportada” (partículas de tamanho uniforme) aparecem na proveta 4 regiões distintas.

tempo sedimentação

Região clarificada

Região concentrada constante

Região de concentração variável

Região de sedimento

Distância da interface à base da proveta

Região 4Região 3

Região 1Região 2

Pto crítico

* Região 3 ausente em sedimentador contínuo

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Variáveis no Sedimentador

Valores típicos das variáveis no sedimentador:

Conc. sólidos na alimentação: 1 a 10% em peso

Conc. sólidos no lodo: 5 a 70% em peso

Raio do sedimentador: até 100m

Altura do sedimentador: até 10m

Número de rotações do raspador: 2 a 30rot/h

Dimensão partículas sólidas: > 50 µm

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Cálculo da Área do Sedimentador

F – vazão de alimentação, [L3/θ]L – vazão de suspensão descendente, em um nível qualquer do

sedimentador, [L3/θ]V – vazão de líquido ascendente, em um nível qualquer do

sedimentador, [L3/θ]U – vazão de lama que deixa o sedimentador, [L3/θ]c – concentração de sólidos, [L3 sólido/L3 suspensão]

c0 – na alimentaçãoce – na lama espessa

A – área da seção transversal do sedimentador, [L2]

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ochaAdmite-se que o extravasante (overflow) não contenha sólidos.

Balanço de massa de sólidos:

F. c0 = L.c =U. ce U = L (c/ce) (1)

F.c0

L.cU.ce

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ochaBalanço de líquido entre um nível qualquer e a saída do

sedimentador:

L(1-c) = V + U(1-ce) (2)

U(1-ce)

L(1-c) Vaplicando o balanço de massa de sólidos:

V)c1.(cc.L)c1(L ee

=−−− (3)

−=

+−−=

ee c1

c1.c.L1

c11

c1.c.LV (4)

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ocha

−=→=

e00 c

1c1.c.FVc.Fc.L (5)

(6)

−=

e

0c1

c1.

Ac.F

AV

vAV= ( velocidade de ascensão do líquido )

−=

e

0c1

c1

vc.F

A

−=

e

0c1

c1

Ac.F

v (8)(7) ou

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ocha

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.

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Sedimentação em Proveta

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ocha

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 compressãolenta dos sólidos com a expulsão do líquido retido para a região límpida.

* Num equipamento contínuo, as mesmas zonas estão presentes

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Métodos

O dimensionamento pode ser feito por vários métodos:

a) COE e CLEVENGERb) KYNCHc) TAHMADGE E FITCHd) ROBERTS

a) Versão Coe e Clavenger

Testes de provetas a diferentes concentrações iniciais, c, medindo-se a velocidade de sedimentação, v.

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ochab)Versão Kynch

Um único teste com concentração inicial igual à alimentação do sedimentador, medindo-se θ, z e zi..

Altura da interface

tempoθ

zzi

zoi

00z

z.cc =

θ−

=zz

v i

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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.

AlíquidosvolumesólidosvolumeH +

= (na região de compactação)

[ ]xtFctFcA1H oo +=

médiosólido volumelíquido volumex

=

onde

t =tempo de residência do sólido na região de compactação

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[ ]x1A

tFcH o +=Desse modo:

Pode-se provar facilmente que:

.sól.vol.líq.vol.sól .vol

.sól.vol

.líq.vol1x1 +=+=+

y1

.sól .voluspensãos .vol

.sól .vol

.líq.vol1x1 ==+=+

uspensãos .vol.sól.voly = onde y = fração volume sólida

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fssusp ).y1(.y ρ−+ρ=ρ ( ) ffsffs yy.y ρ+ρ−ρ=ρ−ρ+ρ=

fs

fsuspyρ−ρ

ρ−ρ=

Então:

ρ−ρρ−ρ

=fsusp

fs0A

tFcHfsusp

fsx1ρ−ρρ−ρ

=+

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ocha

suspρcompactado lodosusp ρ≈ρ→é de difícil determinação

comp.lodo.susp ρ<ρ→Na realidade, H > Hcalc, pois

ρ−ρρ−ρ

=flodo

fs0A

tFc.34H

fator de correção

Resta obter o tempo de residência t, desde o início da compactação atéque se atinja a concentração final.

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ochaProcedimento 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, 1968 )

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ochaDeterminação do ponto crítico através do gráfico logz x logθ