CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA Operações Unitárias I Separadores centrífugos_ ciclones e hidrociclones Prof _ Robson Valle

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<p>CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA</p><p>Operações Unitárias I</p><p>Separadores centrífugos: ciclones e hidrociclones</p><p>Prof.: Robson Valle</p><p>Ciclone e hidrociclone são equipamentos normalmente destinados a separação de particulados</p><p>presentes em uma corrente gasosa, no caso de ciclones ou contidos em uma corrente líquida</p><p>ou suspensões (hidrociclones).</p><p>Tais equipamentos apresentam-se na sua forma clássica como uma construção cone-cilíndrico.</p><p>Esses dispositivos , sem peças móveis, constituem-se de uma entrada lateral e duas saídas</p><p>orientadas no eixo central do equipamento. Uma saída de partículas, então separadas da</p><p>corrente fluida, situa-se a base do aparato e que dá acesso a um coletor de sólidos. Outra saída</p><p>situa-se na base do aparato e dá acesso a um coletor de sólidos. Outra saída, para partículas e</p><p>fluido,disposta no topo do equipamento, permite a descarga da corrente fluida com</p><p>concentração de particulados finos para um filtro.</p><p>A figura abaixo ilustra as características geométricas básicas de um ciclone com diversos tipos</p><p>de entrada.</p><p>Face a sua característica construtiva e a maneira como a corrente fluida com partículas entra</p><p>no ciclone (ou hidrociclone), ele é classificado como um separador tipo centrífugo. Alem da</p><p>forma da entrada, essa denominação advém da também da fluidodinâmica de seu interior. Na</p><p>entrada do (hidro)ciclone a mistura fluido-partículas adquire movimento em espiral, que se</p><p>estende até a base do equipamento (underflow). As partículas, em virtude da ação da força</p><p>centrífuga, oriunda do escoamento da fase fluida, deslocam-se na direção da parede do</p><p>(hidro)ciclone. Esta, por sua vez, age na direção radial, impondo movimento circular às</p><p>partículas. A fase particulada escoa encostada na parede em direção ao coletor de sólidos. No</p><p>seu percurso, as partículas descrevem trajetória helicoidal sob a ação do arraste, da gravidade</p><p>e do atrito com as paredes do equipamento. A fase fluida ascende em movimento espiral,</p><p>circundando o eixo central até o duto de saída do fluido (overflow). A figura abaixo ilustra o</p><p>comportamento descrito há pouco para um ciclone característico.</p><p>O escoamento em espiral apresenta componentes de velocidade nas direções tangencial (Ɵ),</p><p>axial (z) e radial (r). Uma forma comum de identificar as regiões de escoamento no interior do</p><p>(hidro)ciclone é por meio da análise da componente tangencial da velocidade. Nesse caso,</p><p>divide-se o escoamento em duas regiões conforme a figura abaixo.</p><p>Existe uma região central situada, aproximadamente entre 0 < r < 0,4.D, onde a distribuição</p><p>radial da componente tangencial de velocidade é análoga àquela advinda da descrição da</p><p>rotação de um corpo rígido (Cremasco e Nebra, 1992): uƟ = kr.</p><p>Existe uma região anular situada entre a região central e a periferia ciclônica. Nesta, a</p><p>descrição do escoamento, para a componente tangencial de velocidade, segue o tipo vorticial</p><p>na forma uƟ = k / rn , sendo k um parâmetro cinemático que depende das dimensões do bocal</p><p>de entrada, bem como da velocidade de entrada do fluido no (hidro)ciclone.</p><p>O valor aproximado de k é Q/ab , em que Q é a vazão volumétrica do fluido na entrada do</p><p>equipamento, e ab, a área da seção de entrada no caso do ciclone; e ab = πD0</p><p>2/4 para o</p><p>hidrociclone.</p><p>O índice de vórtice ( n ), indica o distanciamento de vórtice livre, que corresponderia a n=1 na</p><p>equação uƟ = k / rn.</p><p>Shepperd e Lapple (1939) observaram uma faixa de valor para o índice de vórtice de 0,5 < n <</p><p>0,8.</p><p>Separação de particulados em ciclones e hidrociclones</p><p>A separação de partículas mo interior do ciclone ou hidrociclone é efetuado por ação do</p><p>campo centrífugo resultante da configuração do equipamento e do modo como a suspensão o</p><p>alimenta.</p><p>Tais configurações para os ciclones dos tipos Lapple e Stairmand estão ilustradas na figura</p><p>abaixo</p><p>As configurações dos tipos Rietema e Bradley:</p><p>Ressalte-se que a configuração do ciclone ou hidrociclone caracteriza-se por uma relação</p><p>especifica entre suas dimensões, expressa usualmente em termos da parte cilíndrica do</p><p>equipamento, D.</p><p>O projeto e análise do desempenho do equipamento de separação fluido partículas, incluindo</p><p>a elutriação, câmara de poeira, podem ser realizados embasados nas seguintes informações</p><p>(Massarani, 1997):</p><p>a) equação que relaciona o diâmetro de corte ( dc ) às propriedades físicas do sistema</p><p>particulado, às dimensões do equipamento e às condições operacionais. O diâmetro de corte</p><p>é um diâmetro crítico de separação.</p><p>Partículas com diâmetros superiores ao de corte (dp > dc) são coletadas no underflow,</p><p>enquanto as partículas com diâmetros inferiores ao de corte (dp < dc) são arrastadas para o</p><p>overflow;</p><p>b) função eficiência individual de coleta relativa à partícula com diâmetro di:</p><p>Eficiência individual ( ƞ ) = ƞ(di/dc) , que depende da configuração do equipamento, do</p><p>regime de escoamento do fluido e da dinâmica da partícula.</p><p>c) função eficiência global de coleta que depende da distribuição granulométrica do conjunto</p><p>de partículas , y = y(di),</p><p>1</p><p>Eficiência global ( ƞG ) = ∫ ƞ(di/dc) dy</p><p>0</p><p>d) equação para a potência na qual se estabelece a relação entre a queda de pressão e a vazão</p><p>do fluido no equipamento de separação.</p><p>O diâmetro de corte, dc, pode ser especificado de diferentes formas como, por exemplo, o</p><p>diâmetro das partículas que são coletadas com eficiência de 50% no equipamento de</p><p>separação. Além disso, é possível obter o seu valor por meio do emprego da seguinte</p><p>correlação:</p><p>Em que D é o diâmetro da parte cilíndrica do equipamento, K é um parâmetro que depende da</p><p>família do (hidro)ciclone; μ e Q são a viscosidade dinâmica e a vazão volumétrica do fluido que</p><p>alimenta o equipamento.</p><p>Importante:</p><p>(I) α(RL) é um fator de correção que considera o fato de uma fração das partículas ser coletada</p><p>no underflow sem a ação do campo centrifugo,</p><p>e que está relacionado ao quociente entre as vazões de fluido no underflow (saída B) e na</p><p>alimentação, RL.</p><p>(II) O fator β(Cv) considera a concentração volumétrica de sólidos na alimentação.</p><p>Para partículas arredondadas, este fator pode ser expresso por meio da seguinte correlação:</p><p>Sendo Cv a concentração volumétrica adimensional de sólidos (visto anteriormente), ou em</p><p>termos de vazão volumétrica, a partir de:</p><p>em que Qp é a vazão volumétrica de sólidos que alimenta o equipamento.</p><p>Os parâmetros ϕ, ξ e ψ estão associados à configuração do equipamento.</p><p>B e D são respectivamente, os diâmetros do underflow e da parte cilíndrica do equipamento.</p><p>Os ciclones operam com suspensões mais diluídas do que os hidrociclones e frequentemente</p><p>a descarga do sólido é feita de modo intermitente a partir do tanque acoplado ao underflow</p><p>do equipamento. Por tais razões, considera-se, nos ciclones, que tanto Cv quanto RL não</p><p>influenciam de modo significativo o valor do diâmetro de corte, ou seja, α(RL) = β(Cv) = 1.</p><p>Os valores dos parâmetros de configuração ϕ, ξ, ψ e K estão reunidos na tabela abaixo, cuja</p><p>validade está destacada na própria tabela.</p><p>Configuração K ϕ ξ ψ kf u ou Re</p><p>Lapple 0,095 - - - 315 5 < u < 20 m/s</p><p>Stairmand 0,041 - - - 400 10 < u < 30 m/s</p><p>Rietema 0,039 1,73 1,45 4,75 1200 5.103<Re< 5.104</p><p>Bradley 0,016 1,73 55,3 2,63 7500 3.103<Re< 2.104</p><p>Nesta tabela, u é a velocidade média do fluido na seção de entrada do ciclone, u = Q/(a.b).</p><p>Re = uc.D/ν, em que uc é a velocidade média do fluido na seção cilíndrica do ciclone,</p><p>uc = 4.Qf /(π.D2), sendo Qf a vazão volumétrica do fluido.</p><p>Eficiência individual de coleta no campo centrifugo</p><p>A eficiência individual de coleta relativa à partícula com diâmetro di pode ser expressa por</p><p>correlações empíricas:</p><p>Ciclones Lapple e Stairmand : ƞ(di/dc) = (di/dc)</p><p>2 / [1+ (di/dc)</p><p>2]</p><p>Hidrociclones Rietema e Bradley : ƞ(di/dc) = (exp(5.di/dc)</p><p>2 -1) / (exp(5.di/dc)</p><p>2 + 146)</p><p>Conhecida a distribuição granulométrica das partículas , y = yi(di), pode se estabelecer o valor</p><p>da eficiência (I) de coleta no campo centrífugo:</p><p>1</p><p>I = ∫ ƞ dy (A)</p><p>0</p><p>Assim como a eficiência global alcançada no hidrociclone: ȠG = (1 – RL).I + RL</p><p>Lembre que RL é o quociente entre as vazões de fluido no underflow e na alimentação.</p><p>A integração da equação (A) para uma distribuição granulométrica representada pelo modelo</p><p>Rosin-Rammlet-Bennet (modelo RRB, y = 1 – exp (- (d/k)m ) , toma a seguinte forma:</p><p>Ciclones Lapple e Stairmand</p><p>Hidrociclones Rietema e Bradley</p><p>Lembrando:</p><p>Na equação RRB, y = 1 – exp (- (d/k)m, onde y é a fração acumulada, em massa, das partículas</p><p>com diâmetro menor que d.</p><p>k e m são parâmetros do modelo RRB em que k é o diâmetro da partícula que corresponde a</p><p>y=0,632.</p><p>Queda de pressão em modelos ciclônicos</p><p>Quando se trabalha com equipamentos ciclônicos, as perdas de energia estão, normalmente,</p><p>associadas a:</p><p>a) configurações de entrada e saída do equipamento;</p><p>b) existência ou não de volutas no interior do equipamento;</p><p>c) perdas de energia cinética, principalmente aquelas resultantes de componente tangencial</p><p>da velocidade;</p><p>d) efeito da concentração de sólidos.</p><p>Assim como em outros sistemas fluidodinâmicos, haverá tanto para ciclones quanto para</p><p>hidrociclones, a proporcionalidade entre ΔP/ρ e u2/2, como sendo linear, possibilitando a</p><p>equação ΔP/ρ = kf. u2</p><p>c/2 , em que uc = Q/(π.D2), sendo o subscrito c referente à seção</p><p>cilíndrica do equipamento.</p><p>A diferença de pressão apresentada anteriormente é obtida, experimentalmente, entre o</p><p>overflow e a alimentação.</p><p>O valor de kf depende da configuração do equipamento, conforme a tabela dos valores dos</p><p>parâmetros de configuração ϕ, ξ, ψ e K, vista anteriormente.</p><p>Cálculo da potencia empregada em um ciclone ou hidrociclone</p><p>Pot. = Q. ΔP/ƞ onde ƞ é o rendimento global da instalação do soprador.</p><p>Influencia da concentração de partículas na queda de pressão em ciclones</p><p>A presença de particulados reduz a diferença de pressão. Esse efeito está diretamente</p><p>associado à diminuição do valor da componente tangencial de velocidade do gás, conforme:</p><p>A redução no valor da componente tangencial da velocidade do gás pode ser, basicamente,</p><p>devido a:</p><p>a) inércia das partículas. As partículas, durante a sua trajetória no seio da corrente gasosa, tem</p><p>ação equalizadora do momento de camadas adjacentes de gás, diminuindo assim o valor da</p><p>componente tangencial de velocidade da fase fluida;</p><p>b) aumento do atrito entre a corrente da mistura gás-partículas com a parede do ciclone, em</p><p>virtude de nela depositarem-se os sólidos. O efeito viscoso resultante estende-se às camadas</p><p>adjacentes da mistura, acarretando a diminuição do valor da componente tangencial de</p><p>velocidade da fase fluida;</p><p>c) composição entre os dois efeitos anteriores, pois na dependência da distribuição</p><p>granulométrica, haverá partículas tanto no seio da corrente gasosa quanto junto à parede e</p><p>essas, já separadas, escorregam pela parede do ciclone em movimento espiral.</p><p>A redução do valor da componente tangencial de velocidade do fluido pode ser acompanhada</p><p>mediante a análise da equação uƟ = k / rn , a qual se dá, neste caso por diminuição do</p><p>parâmetro n.</p><p>Esta redução, por sua vez, acarreta imediatamente a redução da diferença de pressão no</p><p>equipamento.</p><p>Para explicitar esta diferença, pode-se aventar as seguintes hipóteses (Bradley, 1965;</p><p>Cremasco e Nebra, 1992): os valores das componentes axial e radial de velocidade são</p><p>desprezíveis frente à componente tangencial; ação do campo centrífugo maior do que o</p><p>gravitacional; o efeito da força resistiva na direção radial não é significativo.</p><p>Desta forma, a variação de pressão, na componente radial, é descrita por:</p><p>dP/dr = ρ uƟ</p><p>2</p><p>Integrando ao longo do raio, obtemos:</p><p>Sendo k ≈ Q/(a.b) e n = n(CM), sendo CM a concentração mássica adimensional das partículas:</p><p>Em que mp e mf referem-se à massa de partícula e fluido, respectivamente.</p><p>A concentração mássica adimensional também pode ser obtida a partir do conhecimento das</p><p>vazões mássicas das fases fluida e particulada na forma:</p><p>em que ṁp e ṁf referem-se às vazões mássicas de partículas e de fluido, respectivamente.</p><p>A redução na diferença de pressão, dessa maneira, pode ser expressa segundo a correlação</p><p>proposta por Briggs (1946), na forma:</p><p>Em que ΔP é obtido da equação ΔP/ρ = kf. u</p><p>2</p><p>c/2.</p><p>A tabela abaixo mostra alguns valores de p e q propostos por diversos autores:</p><p>Sistemas em série e em paralelo de equipamentos ciclonicos</p><p>Sistemas em Série</p><p>Os equipamentos ciclônicos (ciclone e hidrociclone) podem ser operados em série, ou seja,</p><p>conectados sucessivamente em linha, com a finalidade de separar os finos oriundos do</p><p>primeiro estágio de separação.</p><p>Os estágios operam à mesma vazão, sendo a perda de energia (de pressão) igual à soma das</p><p>perdas desenvolvidas pelos estágios.</p><p>Para uma determinada capacidade de operação Q, tem-se:</p><p>ΔPSÉRIE = ΔP1 + ΔP2</p><p>Dessa maneira, a potência associada ao sistema em série, será Pot. = Q. ΔPSÉRIE/ƞ .</p><p>Sistemas em Paralelo</p><p>A adição de dois ou mais equipamentos em paralelo é útil em sistemas que se opera com</p><p>capacidades elevadas de particulados, objetivando o aumento da eficiência de coleta,</p><p>decorrente do aumento de velocidade de alimentação em cada equipamento, os quais devem</p><p>fornecer perdas de energia iguais, desde que tenham a mesma configuração e tamanho.</p><p>A característica do sistema representado é QPARALELO = Q1 + Q2, ou para n equipamentos:</p><p>Se os equipamentos apresentarem as mesmas dimensões, QPARALELO = n.Q1, desta forma</p><p>W : potencia</p><p>Teremos</p><p>ou</p><p>]</p><p>Resumo</p><p>A separação de partículas sólidas de um gás pode ser efetuada através de diversas maneiras,</p><p>por exemplo, filtração, precipitação eletrostática, aspersão com líquidos, ciclones e outros</p><p>processos. O mais utilizado em refinarias, geralmente, é o ciclone, especialmente empregado</p><p>em processos de craqueamento catalítico, onde são retidas as partículas finas do processo de</p><p>craqueamento.</p><p>No processo de craqueamento catalítico, o gás que entra nos ciclones pela abertura lateral</p><p>encontra-se carregado de partículas de catalisador, saindo pela parte superior, o gás purificado</p><p>e, por baixo, as partículas de catalisador, que voltam ao leito.</p><p>Dentro do ciclone, as partículas de sólidos chocam-se contra as paredes, perdem velocidade e,</p><p>em consequência se precipitam.</p><p>O ciclone é um separador por decantação, em que a força da gravidade é substituída pela força</p><p>centrífuga. A força centrífuga que age sobre às partículas pode variar de 5 a 2.500 vezes a mais</p><p>do que a força da gravidade sobre a mesma partícula, dependendo das condições do gás e do</p><p>projeto do ciclone. O ciclone é um equipamento muito eficiente e por isso muito utilizado nos</p><p>processos de separação sólido-gás.</p><p>Fatores que influenciam o funcionamento de um Ciclone</p><p>a) Diâmetro das partículas: o ciclone não é muito eficiente para partículas menores do que</p><p>0,005 mm.</p><p>b) Velocidade do gás na entrada do ciclone: é muito importante notar que quanto maior a</p><p>velocidade do gás que entra no ciclone, mais partículas finas serão retirada do gás. A</p><p>velocidade do gás que vai para o ciclone não pode ser aumentada de forma indiscriminada,</p><p>pois a perda de pressão (perda de carga) que ocorre no interior do ciclone poderá ser muito</p><p>grande.</p><p>c) Viscosidade: O aumento da viscosidade do gás dificulta a remoção das partículas.</p><p>Uso de ciclones no processo de craqueamento catalítico</p><p>No processo de craqueamento catalítico, a carga (gasóleo) entra em contato com o catalisador</p><p>no riser, onde são iniciadas as reações, que ocorrem em fase gasosa. O riser é um tubo de</p><p>grande dimensão, que fica a montante do reator. O reator, por sua vez, funciona como um</p><p>vaso separador entre os produtos formados e o catalisador.</p><p>O catalisador em forma de pó, ou seja, partículas muito finas, quando retirado do reator, está</p><p>impregnado com coque; por isso necessita de retificação para retornar ao reator.</p><p>No regenerador, o coque do catalisador é queimado na presença de ar, que vem do blower</p><p>(soprador). Os gases gerados na combustão do catalisador (CO2, CO, H2O, H2, N2, O2 em</p><p>excesso, e outros gases), antes de serem enviados para a atmosfera, passam em uma caldeira</p><p>recuperadora de calor (caldeira de CO), para que o calor latente dos gases, bem como a</p><p>queima do CO na caldeira possam ser aproveitadas na geração de vapor.</p><p>Os ciclones, que estão localizados no topo do reator, evitam que o catalisador contamine os</p><p>produtos que saem do reator.</p><p>Os produtos gerados no reator seguem para uma torre de fracionamento, onde são separados</p><p>em frações, como GLP, nafta craqueada, diesel de FCC (LCO) e óleo combustível de FCC. Na</p><p>torre de fracionamento, ainda é produzido uma fração denominada borra, que por conter</p><p>algum catalisador arrastado do processo de craqueamento, retorna para o início do processo,</p><p>junto com a carga.</p><p>Observação: As unidades de craqueamento catalítico contínuo são mais conhecidas como</p><p>UFCC, ou unidade de craqueamento catalítico fluidizado, e são as maiores responsáveis pela</p><p>formação de gasolina e GLP a partir de gasóleos nas petroquímicas. O FCC (“Fluid Catalytic</p><p>Cracking”) surgiu na década de 40 e baseia-se no conceito de fluidização de sólidos.</p><p>LCO: óleo diesel de craqueamento.</p><p>Glossário:</p><p>Corpo rígido: aquele que executa os movimentos de rotação, translação ou os dois de forma</p><p>combinada.</p><p>Força centrífuga: consiste numa força aparente (de inércia) que se manifesta nos corpos em</p><p>rotação e cujo efeito é o afastamento dos corpos do centro de rotação. É devida a uma rotação</p><p>que faz variar continuamente a direção do movimento do corpo, dando origem a uma</p><p>aceleração que pode ser interpretada como uma força de inércia que o empurra para fora. O</p><p>seu valor é dado por Fc = mw2r, onde m é a massa do corpo, w a velocidade angular e r o raio</p><p>do movimento.</p><p>Voluta: forma em espiral muito comum no reino animal, que lembra um caramujo. Há séculos</p><p>vem sendo utilizada em exemplos aplicados na geometria, além de servir como objeto de</p><p>adorno.</p><p>Vórtice: um escoamento giratório onde as linhas de corrente apresentam um padrão circular</p><p>ou espiral. São movimentos espirais ao redor de um centro de rotação.</p><p>Exemplo:</p><p>Deseja-se avaliar o desempenho de dois ciclones em paralelo, ambos do tipo Lapple, de</p><p>diâmetro igual a 0,14 m para operar com vazão total de 90 m3/h com ar (ρ = 1,026.10-3 g/cm3 e</p><p>ν = 0,196 cm2/s), carregado com partículas de massa específica igual a 2,43 g/cm3 e vazão</p><p>mássica igual a 40 g/s.</p><p>Obtenha os valores da eficiência global de coleta e da potência do soprador envolvido (que</p><p>apresenta rendimento de 50 %), considerando a correção de Comas (1991) para a influência da</p><p>concentração de particulados, na perda de carga no ciclone.</p><p>Sabe-se que a distribuição granulométrica do particulado que alimenta o sistema, segue o</p><p>modelo RRB, conforme y = 1 – exp (- (d/70)2,5, com d expresso em μm.</p><p>https://pt.wikipedia.org/wiki/Espiral</p><p>https://pt.wikipedia.org/wiki/Animal</p><p>https://pt.wikipedia.org/wiki/Caramujo</p><p>https://pt.wikipedia.org/wiki/Geometria</p>