Operações Unitárias Vol 3 - Gomide, Manuais, Projetos, Pesquisas de Química Industrial

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opercicõtô

uniláriaS

3 ^volume

Separações Mecânicas

REYNALDO G(M\ÜE

“Advanced Chemical Engineei" e “Master of Science ir C)»micd E n^eering iftractioe’' peío Masaachusetts [nstitute of Technology. Engeheira Qufmico e ChrU pek EFUSF. Engenheiro comultoi industrial. I^ofessoí da Faculdade de Engenharia biduatrúd e da Faculdade de Engenharia da F u n d e o Armando Álvares Penteado de Sio Ikulo,

ediçAo do autor

Conteúdo

• CAPÍTULO I - O p ei^S ^ (te Sepa^a^o Medinka iP^Mdo. VII
• Cj^ÍTULD íí - S e p a ^ ío í S ^ M o ^ d ô _ _______ _______________ _ - Pengirsnieiitô - ^paraçlo hidráulica - R o ía ç fo - SeparaçSo magnética - Se|waç&) eletrostátíca - Qüçsíífes propostas
• CAPÍTULO III ^ S e p a r a ^ Sóado-LíqHW»....... - Separações por decantaçfô - Separações por floíaçlo - Separações centrífugas , - Questões propostas
• C A PíT lM IV - Fütiaçâo.. - FiJtros de leito poroso Tipos de {litros - Fütros-prensa S - Filtros de lâmina - Filtros contínuos rotativos
  • Teoria <k MtraçSo...................................... m. ÍXÍKTEÜBO
    • Filtro» de leitos granulates s o lto i
    • Filtro» convendonais
    • OtimizaçSo das operações
  • Questões propostas
• CAPtrULO V - Separações de SóUdos e Liquido» de Gaaes
  • Cámtrat gravítadonais...................................... 1S
  • Separadores inerdais
  • Separadores centrífugos......................—
  • Precipitadores eletrostáticos Filtros. n o
  • Separadores únúdos..................................................................................
  • Questões propostas
• CAFiTULO VI - SepaiaçlQ Mecânica de Líquido»
  • Oecantadores para líquidos
  • Centrífugas

v i r i frefAcio

Mio queremos debtar de registra nossos agradecíirientos à espose e filhos qpe leiigíiadanieíjfe aceítaiam » tacon?ersÍentes fiiieijceiros e de ordem familiar qoe es& tMeft lhes impôs, sem niomo coitheceieni a sua ímalidade. Agradecemos temhém io José J ^ o B arbei pelo seu do^áveí devotamenío e eficiente colabo- sa preparação dss do texto.

ã o Paulo, Janeiro de 1980

O AUTOR

CAPÍTULO I

Operações de separação mecânica

0 engenheiro químico ctefronta^ç freqüenteii^fite com o problsiia & separar materiais. Quando um rea^nte sólido d e ^ ser dassifícado |^ o tamanho de suas partículas um peneiranuirito p o ^ ser a soluço. Em osiírss a tarefa é eliminar impurezas de um rea^ote ou isolar o produto das mhtsim obtidrs. Há também separaçóes espedais envolvendo sólidos com propriedades n ií^ éü ím diferentes, como no procesBantónto de areias monazíticas oe do ferro existente na borra de alumínio, importantes ánda a ^ptra.^o # úêmm e poeiras que poluem o ar. Em conespondênda ao número de problemas, há uma pmcte wiedaífe- de técnicas â disposição do en^nlieiro para cada situação, tod;^ visamk) a se|mraçfo considerada. Muitas wsks a grande djficuldMe é saber a qual remner mim m o específico. Uma separação satisfatória depende primordiaiimíite da esaalha áo método mais apropriado. Nossa preferênda dews recair num método no qual o comportamento do nuterial a separar ^ fra influênda marcante de uim de suas propriedades, sendo a separação realizada wm b a^ nessa propriedade. Três grupos de separações sâo identificados: separações mecânicas separações físico-químicas separações químicas

As separações do primeho grupo empre^m mítodi^ puianssiite nwcânicos p ra isolar as fases de um sistema heíero^neo, sendo ejffimpios o pendrao^ato, a filtração e as decantações de sólidos c líquidos, Nas separaçfe físico-quíimcas, que visam separar os componenies de uam fase, lança-<se mão de proptedades

CAPÍTULO II

Separações sólído-sóíida

A separação mecâaica de sólidos pode \isai um dos seguintes resultados: Í9) aubdivldk a massa de um sólido granular de natureza relativamente homo gênea, mas comiütujdq de partículas de granitlometria variada, em frações nas quais as partícuíis sejam mais ou menos uniformes; 29) obter frações de natureza telaíivameníe homogênea a partir de tmsturas contendo sólidos diferentes. É muito raro a ím ^ os dois objetivos simultaneamente em operações isoladas. Em geral o segundo objetivo ê o mais importante e visa obter o produto mais valioso sob a forma de uma fração concentrada, O método mais antigo, hoje quase que total- meníe fora ih; uso, é a seleção manual.

Ih-cqn^iedades utilizadas nas separações

As propriedades mais comumente utilizadas para separar sólidos sSo o tamanho das partículas, a densidade e as propriedades eletromagnéticas. 0 tamanho das partículas controla sua passagem através de crivos ou malhas. Em outras operações determina a s^tocidade de decantação num fluido que se utiliza para promover a separado. Convém lembrar que se as partículas forem muito pequenas haverá influencia do movimento Browniano e da repulsão eletros- tática, que dificultam ou impedem a decantação. A densidade real permite separar partículas de mesmo tamanho pela simples imersto da mistura num fluido de densidade iníermediária, mas influi também no movimento das partículas em meios fluidos. Em certas operações a densidade real de algumas partículas é diminuída transitoriamente por meios artificiais, o que

4 CAPITULO n

pemííê daqüdas ctp derisidade ndo se aiíera. É o que acontece na

Soíaffc,

As px>^eshde^ tíetromagnéticas permitem separar o ferro do alumínio nas

fundiçfes que empregam retalhos eomo ntatém pdma, ou do ferro das areias de

fimdí^o. & materiais m í^étt«)s contidos nas areias monazííicas sfo separados

dos nfo^iis^éticôs graças a este üpo de propriedade. O separador eletrostático

separa « s é id » m atad o s mima corrente gasosa. As partículas sSo eletrizadas e

lí^o depois atraídas {ma um dos eletrodos do equiimiiento.

As prifíci{)âis operaçdes mecânicas de seimação de sólidos consideradas a

segiár sior

1. n^neiramento

2. Sepamçfc hidráulica

3. F lo ta ^

4. Separado magnética

5. Sepra^o eletic^íáííca

1. PENIÊIRiiyWENTO

l^tâ operado já foi estudada quando tratamos dos sistemas sólidos. Visa separar um sóMo gran^ar em fraçóes uniformes. A fração que {lassa pela peneira constitui o m atmãi pno c a que ürm retida constitui o material grosso. A abertura da peneira dtama-^e diâmetro de corte. Uma {jeneira dá origem a duas frações não ekâsifkadâs, mas um coiyuato de {jcneíras pode fornecer o número desejado de fmções classificadas, isto é, que satisfaçam a especificações de tamanho máximo e míninK» das partictdas. Em{>rega-se geralmente para sei^ar material particulado grosso. Partículas muito fínas exigriam peneiras de malhas pequenas, o que toma {»uco viável a operação em ^cala industrial. Um desenvcdvinfônto recente é a peneira de superffde curva DSM da Dorr-Oliver, que opera com material entre 8 mesh e 50 em suspensão líquida.

2. SEPA RA ÇÃ O H ID R Á U LICA

Este üpo de se|)aração requer a movimentação das partículas através de ura fluido no qual os sólidos sio postos em suspensão. A separação é conseguida graças á diferença de velocidade das diversas partícula causada pela diferença de tamanho ou densidade. Os firincípios da dinâmica de partículas são o fundamento deste üfK) de separação.

CAPÍTUIX) n

Vslocidade tarmlnal

Na equação (l) o segundo terrao, qM é a resistênda de aíóto do ib«ío sob» a partícula, aumenta com a "^iDadade, ao q « o p iím ro é coiiitffiíe, Então uma velocidade termiml constante % ^ rá final n^níe aílEgidâ q u ^d o a aceleração for igual a zero. A partir des!^ instante as forças redstentes centrâbalan- çam a força externa cmisadora do movimento. Em remino, partindo do repoii» M dois períodos na decantação da partícula; imi de aceleração, bastmlc curto (geral- n«nte inferior a wn dedmo de seguii^), ^gtíido do período de fêlodda^

terminal U| que po<k ^ r obtida (ürst^eiite da exptetólo (I) far;siido ^ = 0 :

«t

/ 2ma(p -- p’) V Capp’ (^2 )

Esta expressão não se aplica ao movimento de partíeulM coloidak pdas niz&s |á expr^tas. O valor C pode ser obtido através eorreíaçdes em pM m em ftmçio ás um níimero de Reynolds nuadjficado que envolve o difin^tro da partícula e m propriedades do fluido;

Re Dup’ u

A flgura II-2a é a correlação para partículas esféricas, disoss, dlindrcfô e tótrae- drosf^^^^^ Para partículas de forma geoir^trica nio defmida utilizar a figura Il-2b^ na qual ^ é h esfericidade definida anteriomiente pela expressão

^ = 4,

bV

sendo a e b os parâmetros de forma das p^íícuJas.

Partículas esféricas

Neste caso particular muito freqifcnte a e q u j^ o anterior se sim ^flca c a curva experimental pode ser r e p r e ^ n t^ por equações apropriadas, o que fadliía o seu emjn^ego em cálculos realizadr^ asm computadores. A massa, a área da transversal e a velocidade terminai são respectivamente

m

»t

ítD^ -P, A^ ^

aP(p - P’) Cp’

Í3)

SEPARAÇÕES SÕiíDCESOLlDO

E ^ íí-2a “ Coefleknte de anaüEo jwa disco», esfeias e cilindros.

0,ÇOt C^Of o,t

Bgt U-2lt ~ Coeficiente de arrasto em função da esfericidade.

A e m a experimental para o cálculo de C encontra-se na figura III-3. Pode ser representada com aproximaçáo suficiente para cálculos técnicos por três equações que correspondem ás ret^ pontilhadas, uma para cada regjme de decantação.

SEPARAÇÕES SÔUíXMÔLíBO

b) Regime intermediário: 1.9 < Re < 5D O coefldente de arrasto é dado &Kj^mSú de Allaii:

„ ÍS, Rs*»

A velocidade terminal resulta:

U(

Segundo Allen, entre Re 30 e 300 a expressão aproximada & C é

10

Uma relação iihís com|áexa foi proposta por

C ^ + 4 R e - / >

Dá uro erro inferior a 2% para 3 < Re < 400. Outra relaçlto que dá erro menor do que 2% para Re entre 0,1 e 3500 é a de Siskt>. Valores mais precisos íKsderão ser obtídc^ peks seguintes gqutçí^s de SiMier e Naumann^^ para 0.5 < Re < ^X):

C = ™ (! + 0,

e de Langmuir e Bloágeít^"^, para 1 < Re < líW;

24 Re (1 + 0,197 Re»® + 0,íK)26Re'^)

c) Regime hidráulico: 500 ^ Re < 200 000 O coefldente C é constante e aproxímadamsnte igual a 0,44. A velocidade terminai vem dada pela Lei de Newton;

Ut = 1 J 4 l j -^ aD(p ™ p’) m

d) Para Re > 2ÍW 000 resulta C ^ 0.20 e

= 2.582 V )

10 CAFlTUU) II

e) Equações generalàadss. ^ Sffo úteis para efetuai cálcult^ c^m computadores as ^giáiiías generalizadas:

B Re'’

ut

- P')

-n

Valores B e n encontram-se m Tabela 0 4 ;

t- n m

TABELA H i

Jiegime â Viscoso 24 i Intermediário 18,5 (^) 0, Hidráulico 0,44 0 Re > 200 060 0,20 0

f) Critério para identificar o regime de decantação Quando a velocidacte de decantação é descoiihearU, to tn a ^ difícil reco nhecer o regime de decantação, pois o número Reynoids não pode sex otlculado diretamente. Pode-se proteder por tentativas, também é pmíveí calcular um número K que permite identificar o regime. Seu wlor é obtido pela ex pre^o

D (^) V ap’(p ™ p’) M

m

Os regimes sao identificados otmo «!gue;

K<

f< 3 , 3,3 a 44 44 a 2 360

2 360

regime fiscoso re^me intermediário re^me hidráulico Re > 200 000

NOTA:

Todas as ex|M:essões apresentadas requerem unidades consistentes. Por em u|do, usando o sistema C.G.S.: D em cm, u em cm/s, p em poise, g em on/s^ e p em g/cm^

12 CÁPfXULO Í

Hmn gráfico Ic^áog a a:rva ti| vs D é uma reta de coeficiente angular 0 ^. Iteis pontos p^ra traçar a reta;

a (cm) U( (cm/s) 70 03 38,

o) Re^gtím. imermedmrw

y = 04 53(98 l F * (l,65)"-^‘ = 211 6 • ^ (0,01)^'^

Tris poirtí^ para traçar o gráfica;

O (em) tff (cmfit) 0,02 2, 0,05 6, 0.1 15,

O giáfim compteto encontra-se na figura II-4, Observa-se que há boa concor dância entee o fim da curva que corresponde ao regime laminar e o começo da corr^pondente ao r^ m e intermediário (mesmo com escalas bem mais ampliadas), O mesmo ocorre no cruzamento das outras duas retas. Há também uma boa concordância entre a curva calcidada e a obtida experímentalmente (curva ponti- Ihada)^^^

Tipos de sedimentação

Há dois tipos de sedimentação: livre retardada ou com interferência. Numa sedimentação livre as parttctUas encontram-se bem afastadas das paredes do recipiente e, além disso, as cUsíâncias entre elas são suficientemente grandes para uma nâo interferir com a outra. Essa distância é da ordem de 10 a 20 diâmetros. Taggait generaliza esta definição que, como foi apresentada, leva à conclusão de que só há sedimentação livre em suspensões diluídas. Segundo T uj^rt a suspensão pode ser concentrada. Para que a sedimentação seja livre será suficiente que não haja interferência mútua entre as partículas, isto é. que o número de colisões entee as partículas não seja exagerado. Quando durante a sedimentação as colisões são muito frcqüentes porque as partículas estão miúta próximas umas das outras ou porque a operação é conduzida com esse intuito, a sedimentação é dita retardada ou com interferência. As expres-

SEPARAÇÕES BÚUmMÚUm 13

Fig. U-4 - Compai-í^ão d» turva c^iuikda «sfti a e;*:i^rmí»ta5.

sSes apresentadas valem apenas para sedimentação Evre. Ka ^dimeníaçâo «om interferência a velocidade real é menor do que a prevista pelas SA;^ess&s pof diversas razões: 14) havendo maior resíriçêo ao escoamento das partículas a rem- tência é maior; 24) a densidatk do meio e a ^scosidade slo maiores neste

34. havendo grande concentração de sólidos decantando na simpeasSo, h am á escoamento de fluido em sentido contrário ao das partícidas durante a áecan* tação. Vários ntetodos empíricos, a maioria aplítáwl a partículas esféricas, têm sido propostos^''^^®^^^^ Os métodos de Steinom sâo c« mais práticos^ O primeiro método de Steinour consiste em mídtiplicar a veloddada calculada pela expressão (8) mas com a densidade pjji da suspensão em lugar da densidade p’ do líquido, pelo produto da porosidade e da suspensão por # ”**, onde a função ^ dada peia figura VI-2 do

Manual de Operações Unitárias, ref. 23.