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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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−=→=
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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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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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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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