Ciclone - Hidrociclone - Versão Final

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UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO 
INSTITUTO DE QUÍMICA 
 
CICLONE/HIDROCICLONE 
Curso de Graduação em Engenharia Química 
Disciplina: Processos Químicos II Profª.: Ana Maria Furtado 
Grupo: Mariana Ferreira 
 Michelle Colão 
 Renan Carriço Payer 
 Vanessa de Oliveira Santos 
 
Rio de Janeiro, 09 de dezembro de 2013 
 
Introdução 
 Separadores centrífugos 
Nestes equipamentos as partículas são separadas da 
corrente fluida sob a ação de uma força centrífuga. 
Atuam de maneira semelhante a separadores 
gravitacionais porém com intensidade dezenas ou centenas 
de vezes maior. 
 
Ciclones 
 
Hidrociclones 
Ciclone - Descrição geral 
 Promove a separação de partículas em uma corrente 
gás-sólido (a fase contínua é um gás ou vapor). 
 
 Partículas são removidas do fluxo gasoso pela ação 
da força centrífuga resultante do escoamento da 
suspensão. 
 
 Usado na separação de sólidos de maior tamanho de 
uma corrente gasosa. 
Ciclone - Descrição geral 
 
 Apresentam, na sua forma clássica, uma construção 
cônica-cilíndrica. 
 
 
Ciclone - Aplicações 
 Controle da poluição do ar. 
 
 Indústrias químicas, metalúrgicas e alimentícias. 
 
 Recuperação de produtos com alto valor agregado. 
 
 Na área industrial pode atuar na limpeza de gases e 
vapores de processo. 
 
 
Ciclone – Vantagens 
 
 Facilidade de construção. 
 
 Baixo custo de capital, operação e manutenção. 
 
 A separação ocorre em segundos. 
 
 Habilidade de poder operar a altas temperaturas e 
pressões. 
 
 Habilidade de remoção de partículas grandes e médias 
com alta eficiência. 
 
Ciclone – Desvantagens 
 Não remove com boa eficiência partículas finas 
(menores que 5µm). 
 
 Desgaste rápido com pó de alta dureza e velocidade. 
 
 Podem entupir com poeiras pegajosas, úmidas e em 
altas concentrações. 
 
Hidrociclone - Descrição geral 
 Usado para a separação de partículas em uma corrente 
líquido-sólido (a fase contínua é um líquido). 
 
 Equipamentos onde se produz a rotação da suspensão 
através da alimentação tangencial sob 
pressão, fazendo com que as partículas mais 
grossas sejam separadas. 
 
Hidrociclone - Descrição geral 
 Apenas as formas cilindro-cônica e totalmente cilíndrica 
encontram aplicação industrial. 
 
 
 Podem ser fabricados 
em poliuretano, aço 
revestido em borracha, 
aço revestido em 
poliuretano e em aço 
inoxidável,dependendo 
da aplicação e material 
a ser tratado. 
 
 
Hidrociclone - Aplicações 
 Indústria de mineração – aplicação na 
deslamagem (retirada de lama e terra, ou seja, 
retirada de barro do minério). 
 Indústria de petróleo. 
 Tratamento de água (hidrociclone “de-oiling”). 
 
 
 
Hidrociclone – Vantagens 
 
 Assim como os ciclones, possuem baixo custo para 
aquisição, instalação e manutenção. 
 
 Tempo de residência de poucos segundos. 
 
 Pode ser instalado na posição horizontal ou vertical. 
 
 Tolera flutuação na vazão. 
Hidrociclone – Desvantagens 
 São mais susceptíveis à abrasão do que outros 
equipamentos de separação, tais como sedimentadores, 
centrífugas e filtros, devido às altas tensões de 
cisalhamento. 
 
 Quebra de gotículas devido as tensões cisalhantes 
desenvolvidas no interior do equipamento. 
 
 Pouca flexibilidade quanto à mudanças de vazão e 
distribuição na alimentação, dificultando que a 
utilização de um equipamento projetado para uma 
condição tenha bom desempenho em outra. 
FUNCIONAMENTO 
 Baseia-se na geração de um campo gravitacional 
centrífugo. 
 Atuam de forma semelhante a separadores 
gravitacionais, mas com maior intensidade. 
 Promovem a separação de fluidos ou fluido/sólidos 
imiscíveis e de diferentes densidades. 
 
FUNCIONAMENTO 
 
 Os separadores ciclônicos 
não possuem quaisquer 
partes móveis e o campo 
centrífugo é formado pelas 
condições impostas ao 
escoamento do fluido que 
passa pelo equipamento. 
FUNCIONAMENTO 
Fluxo axial reverso formado no interior do 
hidrociclone 
 Divisão das seções do equipamento 
 Seção cilíndrica, cujo objetivo é causar aceleração por 
conservação de momento angular. 
 Seção cônica, de menor ângulo, cujo objetivo é captar 
as partículas/gotículas de maior densidade 
 A seção reta evita que o cone reverso atinja a saída de 
fundo. 
FUNCIONAMENTO 
FUNCIONAMENTO 
 Um dos problemas fundamentais é a ocorrência de 
ruptura das gotículas de água dispersas, que é prejudicial 
à separação. 
 A ruptura das gotículas de água é decorrente das elevadas 
tensões cisalhantes presentes na corrente da fase contínua 
(óleo). 
 Na separação de sólidos não há qualquer preocupação 
com eventual ruptura das partículas. 
 A intensidade do vórtice controla a intensidade do 
campo centrífugo, que promove a segregação das 
fases contínua e dispersas, dada a diferença de 
densidade existente entre elas. 
 O tempo requerido para a separação do óleo é maior 
do que o requerido para um sólido de mesma 
distribuição granulométrica. 
FUNCIONAMENTO 
 A maneira de promover maior tempo para a migração 
consiste em aumentar o tempo de residência da 
dispersão na região de atuação do campo centrífugo, 
o que é obtido através de um maior comprimento do 
equipamento. 
FUNCIONAMENTO 
 A mistura de duas fases entra tangencialmente na 
câmara cilíndrica ou cônica em alta velocidade. 
 As partículas experimentam várias forças: A força 
centrífuga, a força de arraste, a força da gravidade e a 
força de empuxo. 
 A força centrífuga atua na direção radial. 
Princípios Físicos e Químicos 
Desenvolvimento do Modelo Matemático 
Desenvolvimento do Modelo Matemático 
Desenvolvimento do Modelo Matemático 
Desenvolvimento do Modelo Matemático 
Desenvolvimento do Modelo Matemático 
 Conclusão dos slides anteriores: A força centrífuga tende 
a empurrar as partículas para a parede e a força de arraste 
tende a puxar as partículas para a saída do aparelho. 
Partículas com tamanhos diferentes giram em raios 
diferentes. 
 V = [ὠ2r(ρp-ρf)₯
2] / 18µ (para escoamento laminar) 
 V é velocidade de sedimentação, ὠ é o índice de rotação em radianos por 
segundo, r é a distância radial, ρp é a densidade da partícula, ρf é a densidade do 
fluido, ₯ é o diâmetro da partícula e µ é a viscosidade do fluido. 
 
Princípios Físicos e Químicos. 
A Lei de Stokes 
http://www.google.com.br/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=krCKuoQ8oCk9HM&tbnid=PMnDhC2zKiP53M:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.infopedia.pt/$george-stokes-fisico-ingles&ei=UCKjUtfNO-_hsASh0YHoCw&bvm=bv.57752919,d.cWc&psig=AFQjCNFwHAVkCpKtWoAgvtB3ITAKeQk4pw&ust=1386509252595812
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 Conclusão dos slides anteriores: Partículas com tamanhos 
diferentes giram em raios diferentes. 
 V = [ὠ2r(ρp-ρf)₯
2] / 18µ) 
 
Princípios Físicos e Químicos. 
A Lei de Stokes 
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REGRAS HEURÍSTICAS - CICLONES 
 Heumann (1991) sugere uma regra básica no dimensionamento de ciclones: 
 
 Utilizar sempre ciclones cujo desempenho já tenha sido determinado ou verificado através 
de testes em ciclones da mesma “família”, ou seja, com a mesma geometria. 
 Estas famílias de ciclones caracterizam-se por razões fixas entre as oito dimensões chaves 
do ciclone. 
Tabela: Principais relações geométricas dos ciclones Lapple e Stairmand 
Operam a baixas temperaturas e pressões, 
como a temperaturas até 1000°c e pressões 
de 500 atm. 
REGRAS HEURÍSTICAS - CICLONES 
 
 A teoria de Lapple é a mais usada das teorias de corte. 
 Lapple assumiu que as partíclas que entram no ciclone são igualmente distribuídas pela 
entrada. 
 A partícula que é coletada com 50% de eficiência possui o assim chamado diâmetro de corte. 
Na prática: 
 
 Ciclone Lapple: velocidades recomendadas na faixa de 6 e 21 m/s, sendo de 15 m/s a 
velocidade usualmente recomendada. 
 Ciclone Stairmand: velocidade recomendadas na faixa de 6 e 30 m/s. 
(MASSARANI, 1997). 
 
Logo, partículas maiores que o diâmetro de 
corte terão maiores possibilidades de serem 
separadas com eficiência superior a 50%, 
enquanto que as menores provavelmente 
serão separadas com eficiência abaixo desse 
patamar. 
REGRAS HEURÍSTICAS - CICLONES 
 A eficiência global de separação de um ciclone é definida como a razão entre, a 
massa de sólidos retidos na saída inferior (underflow) e a massa de sólidos 
alimentados no ciclone, de acordo com a equação apresentada abaixo: 
 
 A eficiência global de separação de um ciclone é influênciada pelas condições 
operacionais, pelas propriedades físicas do material particulado alimentado e pela 
geometria do ciclone. 
 A eficiência pode aumentar quando a concentração de sólidos aumenta, pois as 
partículas mais grossas carregam as mais finas para a circunferência do ciclone 
REGRAS HEURÍSTICAS - CICLONES 
 A queda de pressão, na qual o ciclone é projetado para operar, pode variar em até 20 
vezes a pressão cinética inicial. 
 Outro parâmetro importante nos ciclones é a queda de pressão, que diminui quando 
as partículas são introduzidas no fluxo. Este fenômeno foi atribuído à inércia da 
partícula, que tenderia a igualar o momento do gás nas camadas adjacentes, na 
direção do fluxo do gás (FASSANI & GOLDSTEIN, 2000). 
 Shepherd e Lapple (1939) foram os primeiros a abordar o efeito da concentração de 
sólidos na queda de pressão, observando que a mesma diminui com o aumento da 
concentração de sólidos. Eles atribuíram esse fato à inércia das partículas, que 
quando entram em movimento perpendicular ao escoamento do gás, tende a 
equalizar a quantidade de movimento do gás em camadas adjacentes. 
REGRAS HEURÍSTICAS 
HIDROCICLONES 
Tabela: Proporções geométricas de “famílias” de Hidrociclones 
Utilizar sempre ciclones cujo 
desempenho já tenha sido 
determinado ou verificado através 
de testes em ciclones da mesma 
“família” 
REGRAS HEURÍSTICAS 
HIDROCICLONES 
Como regra geral sabe-se que o processo de separação líquido-líquido em hidrociclones é mais 
difícil que o do sólido-líquido, devido a: 
 
 Diferença de massa específica entre dois líquidos imiscíveis é geralmente muito pequena, 
sendo menor ainda que aquela calculada teoricamente em função da formação de 
emulsões; 
 As gotas de fase dispersa tendem a variar de tamanho durante o processo. 
 
Logo deve-se ter cuidados relativos aos Hidrociclones líquidos/líquidos comparados com os 
sólido/líquidos: 
 
 Cabeçote mais suave – minimizar o problema de rupturas das gotas; 
 Corpo mais longo – aumenta o tempo de residência; 
 Não existe prolongamento da saída superior – prejudica a eficiência. 
 
REGRAS HEURÍSTICAS 
HIDROCICLONES 
 Hidrociclones bem projetados operam com eficiência total de remoção na faixa de 
80% a 90%; 
 Dispositivos capazes de separar partículas com peso específico superior ao da água 
e diâmetros maiores que 75 μm; 
 Nas mesmas condições operacionais, os hidrociclones “Bradley” apresentam 
maiores eficiências que os de geometria “Rietema”; 
 As perdas de carga nos hidrociclones são da ordem de 30 a 70 kPa, dependem da 
vazão, porém, são constantes no tempo, diferentemente de sistemas de filtragem em 
que as perdas de carga aumentam à medida que se acumulam sedimentos. 
VARIÁVEIS DE OPERAÇÃO 
 
 Vazão ou volume injetado na unidade de tempo; 
 Pressão de alimentação; 
 Características dos sólidos (ou da polpa); 
 Características do meio (granulometria, ρ e µ); 
 
 
 
 
 
 A vazão é um fator importante na operação, guardando estreita dependência com o tamanho 
da separação. 
 Um aumento da pressão leva a um corte mais fino, embora menos preciso, provocando maior 
densidade do overflow: uma diminuição conduz a efeitos inversos. 
Referências Bibliográficas 
 Alves, J. V .B. Hidrociclone para a Separação do Óleo Residual de Água em Refinarias / 
Rio de Janeiro: UFRJ/EQ, 2011. XVIII, 90 p. 
 http://www.enq.ufsc.br/muller/operacoes_unitarias_qm/Camsedimentacao_ciclones.pdf 
(Acessado em 30 de novembro de 2013). 
 Cerri, F. F. P. Estudo para validação de modelo gás-sólido em separação ciclônica de sais 
de iodo na indústria química - Florianópolis, SC, 2010. 74 p. 
 SILVA, M.A.P. da. Hidrociclones de Bradley: dimensionamento e análise de 
desempenho. 1989. 81f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Universidade 
Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 1989. 
 MARTI, S. Analysis of gas carry-under in gas-liquid cylindrical cyclones. In: CLAXTON, 
D.; SVAROVSKY, L.; THEW, M.T. (Eds). Hydrocyclones. London: London & Bury Saint 
Edmunds, 1996. p. 399-421. 
 BOYSAN, F.; AYERS, W. H.; SWITHENBANK, J. A Fundamental Mathematical 
Modeling Approach to Cyclone Desing. Trans. I. Chem. E., v.60, p. 222-230, 1982. 
 CLIFT, R., M. GHADIRI, et al., A Critique of Two Models for Cyclone Performance, 
AIChE Journal, vol. 37, no2, p. 285-289, 1991. 
http://www.enq.ufsc.br/muller/operacoes_unitarias_qm/Camsedimentacao_ciclones.pdf
http://www.enq.ufsc.br/muller/operacoes_unitarias_qm/Camsedimentacao_ciclones.pdf
http://www.enq.ufsc.br/muller/operacoes_unitarias_qm/Camsedimentacao_ciclones.pdf
http://www.enq.ufsc.br/muller/operacoes_unitarias_qm/Camsedimentacao_ciclones.pdf
http://www.enq.ufsc.br/muller/operacoes_unitarias_qm/Camsedimentacao_ciclones.pdf
http://www.enq.ufsc.br/muller/operacoes_unitarias_qm/Camsedimentacao_ciclones.pdf
http://www.enq.ufsc.br/muller/operacoes_unitarias_qm/Camsedimentacao_ciclones.pdf
http://www.enq.ufsc.br/muller/operacoes_unitarias_qm/Camsedimentacao_ciclones.pdf
http://www.enq.ufsc.br/muller/operacoes_unitarias_qm/Camsedimentacao_ciclones.pdf
http://www.enq.ufsc.br/muller/operacoes_unitarias_qm/Camsedimentacao_ciclones.pdf
http://www.enq.ufsc.br/muller/operacoes_unitarias_qm/Camsedimentacao_ciclones.pdf