Ciclones e Hidrociclones: Equipamentos de Separação

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1. INTRODUÇÃO
Como um aprofundando dos fenômenos de transporte, temos as operações unitárias, onde tratamos das separações por processos físicos. Estes processos são realizados por equipamentos, que são determinados de acordo com o objetivo e princípios de funcionalidade. Atualmente, utilizadas em diversos setores da indústria química. Sendo a união das duas disciplinas, fenômenos de transporte e operações unitárias, dimensiona-se equipamentos do tipo bombas e sistemas de bombeamento; sedimentadores; filtros; agitadores; ciclones, entre outros (CREMASCO, 2012).
Neste caso, o enfoque é em separação de sólidos por separadores centrífugos, de operação mecânica, ou seja, os ciclones e hidrociclones. Eles permitem uma aceleração na separação por meio da imposição do movimento de rotação. Os ciclones são destinados a separação partícula-gás, enquanto os hidrociclones são partícula-líquido, ambas ocorrem pelo mesmo processo, ou seja, força centrifuga e de arraste, além da estrutura do equipamento que segue a forma de um cone-cilindro.
 Ciclones são um tipo de centrifuga, qual realiza separação sólido-fluido; com foco em coleta de partículas, que financeiramente e operacionalmente é o mais viável. 
2. EQUIPAMENTO
 Ciclones e hidrociclones são equipamentos relativamente simples e construídos com material de baixo custo; não possuem partes móveis; podem ser acoplados a outro semelhante, sendo em sistema paralelo ou em série (Figura 1). 
Figura 1. Ciclones
Fonte: COELHO, 2012.
O equipamento tem a capacidade de separação graças a um vórtex formado no interno do (hidro)ciclone, qual direciona as partículas sólidas radialmente ao fundo, onde poderão ser recolhidas, e o fluído é direcionado a uma saída superior (LOUREIRO, 2013). Neste processo o gás, com o particulado, entra tangencialmente e em alta velocidade na câmara cilíndrica (Figura 2) e sofre força centrifuga e de arraste. Essas forças têm influência do raio de rotação e do tamanho das partículas (DEPARTAMENTO DE ENG. QUÍMICA E DE ENG. DE ALIMENTOS, 2010).
Figura 2. Processo interno de um ciclone
Fonte: DEPARTAMENTO DE ENG. QUÍMICA E DE ENG. DE ALIMENTOS, 2010.
2.1. Configurações 
Se houver necessidade podemos atribuir um conjunto de (hidro)ciclones em configurações em série ou em paralelo. Em série quando temos distribuição ampla de partículas, ou seja, uma mesma velocidade não seria eficiente o bastante para obter todo o particulado, então uniríamos um ciclone de baixa velocidade, para maiores fragmentos e um de alta velocidade, para menores velocidade. Agora, ao tratarmos um gás, que precise de alta vazão; queda de pressão e eficiência alta, utilizamos sistemas em paralelo (Figura 3) (LOUREIRO, 2013). 
Figura 3. Configuração do (hidro)ciclone
Fonte: ROITMAN, 2012. 
2.3. Funcionamento
Nos separadores centrífugos como os ciclones, as partículas sólidas são separadas da corrente gasosa sob a ação de uma força centrífuga
	Quanto maior a vazão de gás maior a eficiência de coleta e maior a perda de carga. Os ciclones causam perdas de carga relativamente grandes e que aumentam à medida que o diâmetro diminui. As causas para ocorrer a perda de carga comumente são constituídas por atrito no duto de entrada, contração e expansão na entrada, atrito nas paredes, perdas cinéticas no ciclone e perda de pressão entre a entrada e a saída. O compromisso do custo operacional da potência para insuflar o gás e a eficiência adequada é importante na definição do tamanho do ciclone. 
Quando em operação, a força centrifuga de separação pode ser de 5, diâmetros grandes e pequena resistência, a 2500 vezes, diâmetros pequenos e alta resistência. (ROITMAN, 2012DEPARTAMENTO DE ENG. QUÍMICA E DE ENG. DE ALIMENTOS, 2010). 
As condições operacionais variam, podendo ser secos ou úmidos; em temperaturas baixas ou altas, capazes de chegar até 1000ºC; pressões que podem chegar a 500 atm; velocidades altas ou baixas (LOUREIRO, 2013).
	Nas velocidades tangenciais elevadas, a força centrífuga é maior que a força gravitacional e os ciclones realizam uma separação rápida e mais eficiente que as câmaras de poeira. Velocidades de entrada no ciclone superiores a 20 m/s, são consideradas impraticáveis devido à abrasão provocada e a alta perda de carga.
2.3. Eficiência 
Para dimensionamento, os metodos experimentais são os que geram maior confiabilidade, pois demonstram a variação da eficiência de coleta, variante conforme propriedades da partícula; do fluido; do equipamento e das condições operacionais. Normalmente, o diâmetro de corte, DPC, corresponde a um diâmetro de partícula de uma coleta com 50% eficiência. 
A eficiência de coleta de um fragmento de diâmetro DP em um ciclone industrial poder ser estimada em função do diâmetro de corte pela equação 4 e expressa no gráfico (Figura 4).
 (4)
Figura 5. Grafico de eficiência de coleta
Fonte: LOUREIRO, 2013. 
2.4. Dimensionamento
O dimensionamento começa com a lei de Stokes (equação 1), fórmula usada para determinar velocidade terminal da partícula que escoará por um meio “livre” ou “infinito”, em outras palavras, sem interferências (DEPARTAMENTO DE ENG. QUÍMICA E DE ENG. DE ALIMENTOS, 2010). 
 (1)
Onde temos:
Dp = diâmetro da partícula;
ρ = Densidade do gás;
 ρp = Densidade do sólido
 Em seguida temos uma relação empírica de Rosin e Rammler que determina um diâmetro de corte equação 2. A altura do duto na entrada pode ser calculada pela equação 3:
 (2)
 (3)
Na equação 2 temos: 
B = Largura do duto de entrada do ciclone; 
N = Número de voltas feitas pelo gás no interior do ciclone (geralmente igual a 5); 
v = Velocidade de entrada do gás no ciclone baseada na área B.H (recomenda-se usar 15 m / s);
 µ = Viscosidade do gás; 
ρ = Densidade do gás;
 ρp = Densidade do sólido. 
Enquanto na equação 3, temos: 
Q = Vazão de projeto 
v = Velocidade admitida no projeto. (DEPARTAMENTO DE ENG. QUÍMICA E DE ENG. DE ALIMENTOS, 2010).
Outro ponto que devemos calcular é a diferença e pressão que ocorre no interior do (hidro)ciclone, uma medida calculada pela equação 4. Ao analisarmos a mesma, veremos um valor de Vf qual pode ser obtido pela equação 5. 
 (4)
 (5)
As medidas que obtemos ao longo do projeto devem ser analisadas e respeitar as relações tabeladas para cada tipo de (hidro)ciclone (Figura 3). Um ponto especial é que caso a altura no duto seja diferente de DC/2 será necessário refazer o projeto do ciclone (DEPARTAMENTO DE ENG. QUÍMICA E DE ENG. DE ALIMENTOS, 2010).
Figura 4. Relação dimensional de (hidro)ciclones. 
Fonte: CREMASCO, 2012. 
2.4.1. Fatores que influenciam o funcionamento de um ciclone
Entre os fatores que influenciam o funcionamento de um ciclone podemos citar o diâmetro das partículas, a velocidade do gás na entrada do ciclone e a viscosidade. Se as partículas forem menores que 0,005 mm, o ciclone é considerado pouco eficiente. É importante notar que quanto maior a velocidade do gás que entra no ciclone, mais partículas finas serão retiradas do gás. E em relação a viscosidade, o aumento da mesma do gás, dificulta a remoção das partículas presentes no sistema (ROITMAN, 2012).
 
 3. APLICAÇÃO INDUSTRIAL 
A aplicação principal do (hidro)ciclone é a separação de particulado-fluido, onde o particulado é de importância ao logo do processo. Seguindo essa função, sua aplicação se dá largamente entre as indústrias, como por exemplo:
- Industrias petroquímicas (CHIBANTE, 2010)
- Processamento e transmissão de gás natural (MOKHATAB; POE, 2014). 
- Fabricação de concreto asfáltico – (ECO TECH SYSTEM, s.d.)
- Filtragem de material particulado derivado de calcinação; secagem em usinas de cimento; minérios e outros (. 
- Sistemas de Despoeiramento 
- Classificaçãode tamanhos de partículas 
- Coleta de particulado grande
- Controle de poluição
- Limpeza prévia em linhas operacionais 
- Coleta de produtos, após secadores de leito fluidizado, pneumáticos ou “spray dryer
 
4. VANTAGENS E DESVANTAGENS 
Suas principais vantagens são baixo custo material, ausência de partes móveis e possibilidade de uso a pressões e temperaturas elevadas, sendo as condições de operação determinadas pelo material utilizado em sua construção. Entre as desvantagens estão a baixa eficiência para partículas menores que 5 μm e a alta queda de pressão.
Para obter maior eficiência de remoção de partículas nos ciclones, podem ser utilizados configurações em série ou em paralelo. As configurações em série são recomendadas quando a distribuição de partículas é muito ampla, com partículas de tamanhos menores que 10 ou 15 μm até com partículas muito grandes e abrasivas e quando as partículas são finas, ocorrendo floculação em um equipamento precedente ou no próprio ciclone. As configurações em paralelo são indicadas se a vazão de gás a tratar for muito grande, respeitando a queda de pressão.
5. EXEMPLO DE PROJETO
 
6. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 
ALMEIDA, P. A. CICLONE: MANUAL DE MONTAGEM, OPERAÇÃO E MANUTENÇÃO. Disponível em: < http://www.ebah.com.br/content/ABAAAfyT4AB/ciclone>. Acesso em: 22 de maio de 2018.
CHIBANTE. Vânia Maria Alves Gomes. Aplicação de Ciclones de Recirculação à Lavagem de Gases Ácidos. Porto: Universidade do Porto, 2010. Disponivel em < https://repositorio-aberto.up.pt/bitstream/10216/13851/2/Texto%20integral.pdf>. Acesso em 22 de maio de 2018. 
COOPER, C. D.; ALLEY, F. C. Air pollution control - A design approach. United States of America: Waveland Press,1994. pp.127-150. 
CREMASCO, M.A. Operações Unitárias em Sistemas Particulados e Fluidomecânicos. São Paulo: Editora Blücher, 2012.
DEPARTAMENTO DE ENG. QUÍMICA E DE ENG. DE ALIMENTOS (Santa Catarina). SEPARAÇÃO DE SÓLIDOS E LÍQUIDOS. Florianópolis: Ufsc – Universidade Federal de Santa Catarina, 2010. 12 p. Disponível em: <https://moodle.ufsc.br/pluginfile.php/1476960/mod_resource/content/0/Separacao_de_solidos_e_liquidos.pdf>. Acesso em: 22 de maio de 2018.
ECO TECH SYSTEM. “Ciclones e multiciclones”. São Bernado do Campo- SP. Disponivel em < http://ecotechsystem.com.br/site/equipamentos/ciclones-e-multiciclones/>. Acesso em 23 de maio de 2018. 
LOUREIRO, Luiz Valcov. Sistemas Particulados. São Paulo: Escola Politécnica da Usp, 2013. 14 p. Disponível em: <http://www.lscp.pqi.ep.usp.br/disciplinas/pqi2303/arquivos/Apostila Particulados 2013.pdf>. Acesso em: 22 de maio de 2018.
MASSARANI, G. “Projeto e análise do desempenho de ciclones e hidrociclones” RBE, Vol 8, n.2, p. 83 -93, Caderno de Engenharia Química”, 1991. 
MOKHATAB, S.; POE, W. “Processo e transmissão de gás natural”. Rio de Janeiro: Elsevier, 2014. 
OGAWA, A. Mechanical separation process and flow patterns of cyclone dust collectors. American Society of Mechanical Engineers, v. 50, pp. 97, 1997.
ROITMAN, V. Curso de Formação de Operadores de Refinaria. Operações Unitárias. Disponível em: <https://pt.slideshare.net/tabVlae/apostila-deformaooperaesunitrias>. Acesso em 23 de maio de 2018.