Ciclones: Princípios e Aplicações

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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
DAQBI - DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE QUÍMICA E BIOLOGIA
BACHARELADO EM QUÍMICA
FERNANDA DE ALMEIDA LEON
MATEUS COELHO DE MATTOS
CICLONES
CURITIBA
2021
FERNANDA DE ALMEIDA LEON
MATEUS COELHO DE MATTOS
CICLONES
Trabalho apresentado à disciplina de
Operações Unitárias I, do curso de
Bacharelado em Química, da
Universidade Tecnológica Federal do
Paraná, como forma de avaliação parcial
da disciplina.
Orientador: Prof. Roberta Carolina
Pelissari Rizzo Domingues
CURITIBA
2021
SUMÁRIO
1. Introdução
2. Desenvolvimento
2.1. Campos de aplicação
2.2. Ciclones dos tipos Lapple, Niigas-11 e Stairmand
2.3. Velocidade terminal
2.4. Eficiência de Coleta
2.5. Perda de carga em ciclones
2.6. Ciclones em Paralelo
2.7. Ciclones em Série
3. Referências
1. Introdução
Os ciclones são equipamentos que utilizam técnicas de separação de particulados
tendo como fundamento a trajetória da partícula, por meio da ação da gravidade e da
centrifugação separam as partículas presentes em uma corrente gasosa.
Eles são classificados como separadores tipo centrífugo, pois a mistura
fluido-partículas, ao entrar no equipamento, adquire movimento em espiral até a base
(underflow) e além disso, o escoamento da fase fluida cria uma força centrífuga que age
sobre as partículas fazendo com que se desloquem em direção a parede, e está, age na
direção radial ditando um movimento circular as partículas. Sendo assim, as partículas
escoam pela parede até o coletor de sólidos, enquanto a fase fluida sobe em movimento
espiral, circundando o eixo central até o duto de saída (overflow).
2. Desenvolvimento
O separador ciclônico é o equipamento mais utilizado para a coleta de partículas
(limpeza de gases) e do ponto de vista de investimento e operação é o meio mais barato
para coleta de partículas. A Figura 1 apresenta um ciclone típico.
No ciclone, o gás carregado de pó entra tangencialmente na câmara cilíndrica ou
cônica em velocidade alta (6-20 m / s), por um ou mais de um ponto e sai por uma abertura
central. Dentro do ciclone as partículas experimentam na direção radial dois tipos de
opostas: a força centrífuga e de arraste. A força centrífuga tende a empurrar partículas para
as paredes do ciclone enquanto a força de arraste age no sentido de carregar as partículas
junto com o gás na saída do ciclone.
As entradas geralmente são retangulares ou apresentam outros tipos de entradas,
como pode ser visto na Figura 2. Nas condições de operação empregadas comumente, a
força centrífuga de separação pode ir de 5 (nos ciclones de diâmetro muito grande e
pequena resistência) a 2.500 vezes a força gravitacional em unidades muito pequenas, de
alta resistência.
2.1 Campos de aplicação
O ciclone é de fácil construção, possui baixo custo de material e de operação e uma
ampla faixa de condições de operação.
Os ciclones convencionais podem operar em pressões entre 0,01 - 100 bar, e em
temperatura na faixa de 300 - 2000 K, sendo utilizados tanto para remoção de sólidos como
líquidos (gotículas) dispersos em gases, a várias concentrações de alimentação e coletar
partículas entre 10 e 200 µm. A maior desvantagem do ciclone é a sua baixa eficiência
relativa para partículas menores que 5 µm de diâmetro.
Os ciclones são normalmente empregados:
● na classificação de tamanho de partículas;
● em operações onde a coleta extremamente alta de partículas não é crítica;
● na coleta de partículas grossas;
● para atuar como aparelhos que fazem uma limpeza prévia em linhas que tenham
coletores que retém a maioria das partículas finas.
Uma outra aplicação de ciclones é no controle de poluição. Atua também como coletor de
produtos após secadores de leito fluidizado, pneumáticos ou "spray dryer".
O uso de ciclones é favorável para aplicações onde o pó coletado possui um alto
valor agregado; como é o caso de indústrias alimentícias onde o produto desejado é um pó
e as contaminações com pequenas fibras de um filtro de tecido não podem ser toleradas.
Entretanto, o uso de ciclones tem se estendido além de seu funcionamento
convencional. Peres (1996) estudou a transferência de calor entre o ar aquecido e materiais
particulados em um ciclone com entrada em espiral, propondo uma correlação para o
cálculo do coeficiente de transferências de cal gás/parede, com e sem material particulado.
Szekely e Carr (1996) citam o uso de ciclones para a secagem de material granular.
Silva e Nebra (1991) estudaram a secagem de borra de café em um ciclone. Segundo
Cremasco (1994) o ciclone pode ser utilizado como reator químico.
Ainda nas plantas químicas, os ciclones internos em reatores catalíticos prevêem a perda de
catalisadores reduzindo o custo do processo.
2.2 Ciclones dos tipos Lapple, Niigas-11 e Stairmand
Razões entre uma das dimensões (B., Z, L. D, H, D. e S.) e o diâmetro da parte
cilíndrica do ciclone D. Geralmente, as dimensões geométricas dos ciclones são colocadas
em formas razões para os três tipos de ciclone são apresentadas na Tabela 1.
Configuração dos ciclones a gás Lapple, Niigas-11 e Stairmand.
2.3 Velocidade terminal
O ciclone também pode ser visto como um sedimentador em que partículas
sedimentam em um campo centrífugo. Richardson & Coulson (1991) determinaram, através
de um balanço de forças agindo sobre a partícula girando no ciclone, uma expressão para o
cálculo da velocidade terminal da menor partícula (de diâmetro Do) que o separador do
ciclone irá reter.
(1)
Onde:
● ut » velocidade terminal da menor partícula adotada
● G » vazão mássica do fluido (kg/s)
● Ai » área da secção transversal da entrada do fluido no ciclone
Quanto maior for a velocidade terminal (u,) da partícula maior será o raio que ela girará e
mais fácil será a sua captura.
Pequena entrada e saída do ciclone resultam em separação de partículas menores,
entretanto como a queda de pressão varia com a velocidade da entrada e saída ao
quadrado, pode-se ter queda de pressão muito alta.
A velocidade de entrada (u) do gás no ciclone após serem conhecidas as dimensões
Bc e Hc é calculada pela equação:
(2)
Condições de operações recomendadas:
● Ciclone Lapple o intervalo de velocidade recomendado: 6-21 m/s, e geralmente
se trabalha com velocidades em torno de 15 m/s;
● Ciclone Stairmand o intervalo é de 6 a 30 m/s, e
● Ciclone Niigas-11 o intervalo é de 15 a 24 m/s.
2.4 Eficiência de Coleta
A eficiência de coleta mássica (n) é definida como a fração da massa de sólidos
alimentados que são retidos pelo ciclone. Matematicamente, a eficiência mássica pode ser
dada pela equação:
(3)
Entretanto, o objetivo ao estudar a eficiência de coleta de um ciclone pode ser o de
determinar qual é a eficiência granulométrica de coleta, isto é, com que eficiência o ciclone
está coletando partículas de um determinado diâmetro. Desse modo, pode-se calcular a
eficiência granulométrica utilizando-se a equação:
(4)
em que:
● fc(i) - a fração mássica de partículas coletadas com diâmetro i
● fa(i) - a fração mássica de partículas alimentadas com diâmetro i
● n(i) - a eficiência granulométrica do diâmetro i
A eficiência fracionária, ou seja, eficiência de separação de um ciclone, é a função do
diâmetro das partículas se a alimentação é composta por uma distribuição de tamanho. A
eficiência de coleta fracionária tem a forma mostrada na figura:
Eficiência fracionária de coleta
Os resultados de coleta de partículas em ciclones devem ser sempre apresentados
na forma da eficiência fracionária, e quando apresentadas como eficiência global é
necessário saber a distribuição de tamanhos de partículas que se está coletando e também
sua densidade.
Pode-se definir a eficiência global, que é a soma da eficiência de cada tamanho em
proporção ao seu conteúdo, dessa forma:
(5)
ou então pelo método gráfico, mostrado na figura abaixo, sendo que a eficiência global será
definida onde as áreas A1 e A2 forem iguais.
O diâmetro de corte (Dcp - é um diâmetro crítico de separação, o tamanhoda
partícula cuja eficiência de coleta é de 50% no ciclone considerado) de um ciclone depende
das propriedades do sólido, das propriedades do gás, do tamanho do ciclone e das
condições operacionais. A determinação do diâmetro de corte bem como das eficiências de
coleta de partículas são feitos experimentalmente, sendo de grande confiança. Partículas
com diâmetros superiores ao de corte são coletadas no underflow, enquanto partículas com
diâmetros inferiores ao de corte são arrastadas para o overflow. Segundo Lapple (1951),
para o projeto de ciclones, esse valor pode ser calculado pela equação:
(6)
em que:
● Bc » largura do duto de entrada do ciclone (cm)
● N » número de voltas executadas pelo gás no interior do ciclone
● u » velocidade média de entrada no ciclone (cm/s) baseada na área
● BcHc (recomenda-se usar 15 m/s)
● µ » viscosidade do gás (P)
● Ps » densidade do sólido (g/cm)
● P » densidade do fluido (g/cm')
Embora Lapple (1951) tenha sugerido que o valor de N deveria ser determinado
experimentalmente para cada ciclone, para os ciclones Lapple tem-se usado N = 5.
Masin e Koch (1968) apresentam uma equação que pode ser usada para N para
ciclones comerciais:
(7)
em que: Vi - velocidade de alimentação em ft/s
Massarani (1986), modificou a equação (6) obtendo a equação (8)
em que:
● Dcp - diâmetro de corte das partículas
● Dc - diâmetro da parte cilíndrica do ciclone
● K - parâmetro que depende da configuração do ciclone
● Q - vazão do fluido que alimenta o ciclone
● u - viscosidade do fluido que alimenta o ciclone
A Tabela apresenta os valores de K para cada tipo de ciclone.
Durante o dimensionamento de ciclones, estima-se qual o diâmetro de partícula que
se deseja coletar (Dp) com uma certa eficiência (n), e a partir destes valores estimados,
pode-se calcular o diâmetro de corte, como pode ser visto na figura:
Diâmetro de corte
As diferentes equações que permitem o cálculo da eficiência de coleta individual para
cada partícula são apresentadas na tabela:
2.5 Perda de carga em ciclones
Ciclones causam perdas de cargas relativamente grandes e aumentam à medida que
diminui o diâmetro. O cálculo da perda é importante para prever e minimizar o consumo de
energia.
As fontes de perdas são:
● Por atrito no duto de entrada;
● Por contração e expansão na entrada;
● Por atrito nas paredes;
● Perdas cinéticas no ciclone;
● Perdas na entrada do tubo de saída.
ΔP pode variar de 1 a 20 alturas.
As perdas de energia cinética dos gases são consideradas as maiores e mais
importantes. A queda de pressão pode ser calculada em termos da velocidade de entrada e
de um fator adimensional da perda de pressão:
(9)
em que: p' - densidade do gás incluindo as partículas p'= p + c(ps - p)
c- fração em volume das partículas sólidas no gás
Para os ciclones tradicionais com entrada tangencial:
em que: Ae - área de entrada ( Bc x Hc )
AS - área de saída
Combinando as equações (9) e (10), tem-se uma expressão para ∆P (mmH2O):
As equações existentes na literatura para a predição da perda de carga são muitas e
variam de acordo com o tipo de ciclone; e mesmo assim suas predições não são, muitas
vezes, confiáveis.
Os custos de energia devido à queda de pressão (∆P) representam os maiores
custos de operação para os ciclones. Pode-se calcular a potência necessária de um
soprador pela equação:
onde:
● P- potência necessária (cv)
● Q- vazão ( )𝑚3/𝑠
● E - eficiência elétrica do motor
● ΔP- queda de pressão (mm H20)
2.6 Ciclones em paralelo
Se a vazão de gás a tratar for muito grande, devem-se usar vários ciclones em
paralelo, respeitando a queda de pressão.
Usualmente projeta-se uma unidade, mas se a eficiência requerida for alta, deve-se
adotar ciclones em paralelo.
2.7 Ciclones em Série
A distribuição de partículas é muito ampla, com partículas de tamanhos < 10 ou 15
µm até com partículas muito grandes e abrasivas.
Ciclone de baixa velocidade (ciclone maior): Removendo partículas maiores
Ciclone de alta velocidade (ciclone menor): Removendo partículas menores
Partículas são finas, mas a floculação ocorre em um equipamento precedente ou no
próprio ciclone.
Uso de um segundo ou terceiro ciclones para garantir a eficiência requerida.
3. Referências
Cremasco, M. A. (2018). Operações unitárias em sistemas particulados e fluidomecânicos e
outros trabalhos. [Minha Biblioteca]. Retirado de
https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521208563/
https://repositorio.ufu.br/bitstream/123456789/15085/1/AFLacerdaDISS1PRT.pdf
https://repositorio.ufu.br/bitstream/123456789/15085/1/AFLacerdaDISS1PRT.pdf