AULA 06 - Câmara de Poeira e Ciclones - OP1

Prévia do material em texto

CÂMARAS 
GRAVITACIONAIS 
E CICLONES 
Objetivos: 
 
- Limpeza de gases; 
- Evitar a poluição; 
- Segurança; 
- Recuperar material arrastado. 
 
1. EQUIPAMENTOS 
 
Depende: 
 
- Do tamanho das partículas; 
- Concentração, PARTÍCULA; 
- Vazão do gás; 
- Temperatura do gás e características físico-químicas. 
 
No separador gravitacional (câmara gravitacional), as partículas são 
depositadas no fundo da câmara pela ação do campo gravitacional. 
 
Na separação inercial, o fluxo da suspensão sofre vários desvios ao 
longo do escoamento no interior da câmara de separação com a presença 
de chicanas ou placas. 
Separador Gravitacional 
(Settling Chamber) 
Separador Inercial 
(Baffle Chamber) 
Alguns problemas: ressuspensão das partículas já coletadas para o seio do 
fluido devido a turbulência gerada pelo fluxo de gás  projeto adequado da 
velocidade do gás na região onde o pó é depositado. 
 
Separador Gravitacional: velocidade do gás reduzida bruscamente pelo 
aumento de área da seção transversal disponível para o escoamento 
 
Tempo de residência do gás no interior da câmara deve ser suficiente para 
que as partículas se depositem pelo efeito da gravidade. 
 
Normalmente as câmaras de deposição, conhecidas também como 
câmaras de poeira, são horizontais e retangulares, sendo uma extremidade 
a entrada e a outra a saída do fluxo de gás. 
 
As câmaras de poeira têm eficiências de coletas bem próximas de 100% 
para partículas da ordem 100·μm. Porém, para partículas menores que 
100·μm sua eficiência é usualmente bem baixa. 
Vantagens desse separador gás-partícula: 
- baixo custo de projeto, operação (baixa queda de pressão); 
- separação fornece um material coletado seco; 
- processamento de grandes volumes de gás. 
Suposições adotadas normalmente em projetos de câmaras de 
separação gravitacional: 
 
• A concentração de sólidos à entrada do separador é uniforme, 
 
• Existe um perfil de velocidade do gás à entrada do separador, 
 
• Não existe ressuspensão das partículas coletadas para a corrente 
gasosa, 
 
• A lei de Stokes é válida, 
 
• A interação entre as partículas é desprezível 
 
• As partículas são esféricas. 
Quando o gás sujo adentra na câmara de poeira, algumas partículas encontram-se 
na parte superior do duto de alimentação da câmara e as outras na parte inferior 
por onde escoa o gás, obviamente as partículas que estiverem na parte superior 
gastarão um tempo maior (distância MAIOR que H) para se separem do fluxo. 
L C 
2. CÂMARAS GRAVITACIONAIS 
A velocidade do gás na câmara deve ser pequena para evitar a 
redispersão das partículas de 0,02-0,6 m/s até 1,5-3,0 m/s. 
Cálculo da Eficiência: 
Se não houver turbulência, as partículas decantarão com vt. 
tSEDIMENTAÇÃO é o tempo necessário para partícula chegar ao fundo, no 
qual é calculado da seguinte forma: 
t
ÃOSEDIMENTAÇ
v
H
t 
Se Q é a vazão volumétrica do gás, temos: 
HL
Q
v


Q
HLC
v
C
t
PASSAGEM
..

vt 
v 
tSEDIMENTAÇÃO ≤ tPASSAGEM 
tSEDIMENTAÇÃO = tempo necessário à sedimentação 
tPASSAGEM = tempo necessário à passagem pela câmara 
Obs: para minimizar problemas de ressuspensão a velocidade média do 
gás v DEVE ser MENOR que a velocidade de sedimentação das 
partículas 
 
Como definir a eficiência de separação da partícula de diâmetro d ???? 
 
Se a partícula de diâmetro d percorrer a distância H vertical no tempo 
de residência tPASSAGEM, a eficiência de coleta será:η(d) = 1 ou 100%, 
 
Se a partícula de diâmetro d percorrer a distância h < H vertical no 
tempo de residência tPASSAGEM, eficiência de coleta será:η(d) < 1 ou < 
100%, 
 
 
Q
dvLC
HQ
vHLC
H
vt
H
h
d tttPASSAGEM
..
.
....

 


.18
..2 gd
v S
t


Q
HLC
v
C
t
PASSAGEM
..

Uma instalação de separação gravitacional do tipo câmara de poeira 
deve remover partículas de cinza (ρS= 2,31 g/cm
3) de uma de uma 
corrente de ar de 4680 ft3/m nas condições ambiente (μ= 1,8 10-5cP ou 
Pa.s e ρ= 1,3 kg/m3). A concentração de pó no na suspensão que 
alimenta o separador é de 21 grãos/ft3(1 grão = 0,0648 g) e a distribuição 
granulométrica da cinza é dada na tabela abaixo: 
As dimensões da câmara de poeira são as seguintes: 10 ft de largura (L) X 
20 ft de altura (H) X 45 ft de comprimento (C). Determinar as seguintes 
dados operacionais sobre o separador: 
a) Calcular a eficiência média de separação para cada faixa de tamanho, 
adotando as suposições usuais; 
b) Estimar a eficiência global de coleta da unidade; 
c) Calcular a taxa diária de pó coletado no separador. 
a) Cálculo da velocidade média do gás no interior da câmara 
s
m
sft
m
ft
ft
v 119,0
60
min1
.305,0.
.20.10
min
4680
2
3

 
s
s
ft
ft
Q
HLC
t
PASSAGEM
115
60
4680
45.20.10..
3
3

 
   
 
    2
#
7
2
#225
3
3
2
2
# 10.00,7
..10.8,1..18
10.31,2.81,9
.18
..
dd
sPa
m
kg
s
m
dg
v S
Stt



(Diâmetro em metros) 
L = 10 ft 
H = 20 ft 
C = 45 ft 
Então pode-se calcular a eficiência individual de coleta para cada faixa de 
tamanho: 
m
mh
H
h
ssmvtsmvmh
SttPASSAGEMStt
1,6
)(
][115]/[)(]/[)()(



b) Cálculo da eficiência global (média) de separação 
956,011,01.18,01.22,01.201.19,0825,0.06,0298,0.02,0033,0.02,0 
c) Cálculo da taxa diária de pó coletado no separador 
Concentração de cinza na gás efluente da câmara de poeira: 
Carga de cinza coletada no separador: 
Dimensionamento: 
Calcular H, L e C. 
Se não houver turbulência, as partículas decantarão com vt. 
tSEDIMENTAÇÃO é o tempo necessário para partícula chegar ao fundo, no 
qual é calculado da seguinte forma: 
t
ÃOSEDIMENTAÇ
v
H
t 
Se Q é a vazão volumétrica do gás, temos: 
HL
Q
v


Q
HLC
v
C
t
PASSAGEM
..

vt 
v 
tSEDIMENTAÇÃO ≤ tPASSAGEM 
tSEDIMENTAÇÃO = tempo necessário à sedimentação 
tPASSAGEM = tempo necessário à passagem pela câmara 
Então: 
v
v
C
H
ou
v
H
v
C
t
t

projetistapeloEscolhido
H
L

Normalmente a seção é quadrada: L = H 
Exemplo 01: Projetar uma câmara gravitacional para tratar 10000 m3/h de ar 
contendo partículas de areia de 50 m (PARTÍCULAS = 2.65 g/cm
3). 
Equação de Andersen: 
251003,3 Dut 
Onde: 
-  em g/mL 
- D em m 
- ut em m/s 
Supor v= 0,3 m/s e seção quadrada (L=H) 
Recomenda-se ut/2 
v
v
C
H t 12,93
3,0
1,0
 CHC
C
H
v
v
C
H t
m/sut 2,050)65,2(1003,3
25  
251003,3 Dut 
L = H = 3,04 m 
C = 9,12 m 
Supor v= 0,3 m/s e seção quadrada (L=2H) 
251003,3 Dut 
m/sut 2,050)65,2(1003,3
25  
Recomenda-se ut/2 
v
v
C
H t mCHC
C
H
v
v
C
H t 45,63
3,0
1,0

L = 4,30 m 
H = 2,15 m 
C = 6,45 m 
CICLONES 
Ciclone para separar partículas sólidas de gás. 
Utilizado para a separação de pequenas 
partículas sólidas ou névoa de gases. 
É formado por um cilindro vertical com um 
fundo cônico onde a mistura de partícula 
sólida de gás entra por uma entrada 
tangencial. 
Na entrada, o ar no ciclone flui para baixo em 
uma espiral adjacente à parede. Quando 
chega perto do fundo do cone, ele move-se 
em espiral para cima em uma espiral menor 
no centro do cone e do cilindro. 
Ciclone para separar partículas sólidas de gás. 
As partículas são lançadas em direção àparede e caem para baixo, deixando o fundo 
do cone. 
 A força externa sobre as 
partículas com altas velocidades 
tangenciais é muitas vezes 
superior à força da gravidade. 
 Portanto, os ciclones são muito 
mais eficazes do que as 
câmaras de decantação 
Condições de Operação: 
Até 1000ºC e 500 atm 
- Pode capturar gotículas de líquidos 
- Se dp < 10 m  ciclone muito pequeno  P 
- Velocidade de entrada: 6 a 20 m/s 
- Excepcionalmente: se 0,1 < dp < 2 m e se há 
aglomeração  a eficiência do ciclone poderá ser até 98% 
- Se dp > 200 m  CÂMARAS GRAVITACIONAIS 
 
Ciclones: são coletores inerciais. 
 
Ciclones são dispositivos de simples fabricação e operação e 
capazes remover de eficientemente partículas relativamente 
grandes (> 5 a 10 μm) de um fluxo gasoso. 
São amplamente utilizados, em vários processos e, como a 
operação não é dispendiosa, são usados na remoção primária 
(redução da carga de partículas de um fluxo gasoso). 
Podem ser aplicados: 
Engenharia ambiental: remover material particulado poluente 
de efluente gasoso; 
Engenharia química: separar/reciclar sólidos/produtos mais 
valiosos comercialmente; 
Engenharia segurança: separar e controlar pós/poeiras em 
ambientes de trabalho; 
Farmacêutica/alimentos: para separar/classificar as 
drogas/alimentos indústrias 
COMPLEXIDADE NA DESCRIÇÃO DOS ESCOAMENTOS 
ENTRADA DO GÁS SUJO NO CICLONE 
Tangencial topo (top inlet) Tangencial fundo (bottom inlet) 
Axial topo (axial inlet) 
MOVIMENTO DA PARTÍCULA NO CICLONE 
2 CICLONES EM 
PARALELO 
4 CICLONES EM 
PARALELO 
2 CICLONES EM 
SÉRIE 
CICLONES: ARRANJO PARALELO 
Tipos de entrada do gás sujoIrrigado 
Ciclone Irrigado 
Material resistente à corrosão 
Rotoclone: Ventilador associado a Ciclone 
DE UM MODO GERAL: 
CICLONES DE GRANDE DIÂMETRO (3 a 6 vezes o diâmetro 
do duto de entrada): coletam dp > 50 m 
ou 
CICLONE DE PRIMEIRO ESTÁGIO DE COLETA (menor custo 
e menor P, eficiência de 80 a 90%) 
 
CICLONE DE PEQUENO DIÂMETRO 
ou 
CICLONE DE SEGUNDO ESTÁGIO DE COLETA (maior custo e 
maior P, eficiência=f(dp, Dc)) 
PROJETOS DE CICLONES INDUSTRIAIS 
Configurações padronizadas de ciclones industriais para a 
remoção de particulados estão disponíveis como resultados 
de uma compilação de resultados experimentais. 
 
3 classes: 
 alta eficiência, 
 media eficiência 
 multi- propósito 
Alta 
eficiência 
Mêdia 
eficiência 
Multi-
propósito 
Símbolo Descrição 1 2 3 4 5 
Dc, D Diâmetro do corpo 1 1 1 1 1 
Hc, b Altura da 
admissão 
Ka=a/D 0,5 0,44 0,5 0,5 0583 
Bc,a Comprimento 
da saída 
=b/D 0,2 0,21 0,25 0,25 0,20
8 
s Diâmetro da 
saída de gás 
Ks=S/D 0,5 0,5 0,625 0,6 0,58
8 
Lc Altura do 
corpo 
cilíndrico 
KH=H/D 1,5 1,4 2 1,75 1,33 
Hc Altura Total H 4 3,9 4 3,75 3,17 
Bc Diâmetro da 
saída do pó 
Kb=B/D 0,375 0,4 0,25 0,4 0,5 
1 - Stairmand 2 - Swift 3 - Shephard & Lapple 4 - Swift 5 - Peterson & Whitby 
 
Ciclone de Shephard & Lapple 
2
4
4
2
.2
.2
C
C
C
C
S
C
C
D
H
D
B
D
J
D
D
Dz
DL






Marcha de Cálculo: 
- Estabelecer eficiência, obtém-se o valor D/D’. 
- Calcula-se D’; 
- Calcula-se DC (eq. 02); 
- Especificam-se as demais dimensões: 
 
- A altura do duto na entrada: 
Q = Vazão de projeto. 
v = Velocidade admitida no projeto (supor). 
Se H DC/2  REPROJETAR O CICLONE !!! 
 
4
4
2
.2
C
C
C
S
CCC
D
B
D
J
D
D
DzL




 
 2
'..
.96,13
2

 Dv
D S
C


vB
Q
H
.

EFICIÊNCIA DE CAPTURAÇÃO DO CICLONE 
'D
D
D’ é o diâmetro de corte definido como o tamanho de partícula cuja 
eficiência de coleta é 50% no ciclone considerado. 
Outros métodos: 
(a) Stairmand e Kelsey 
Dois modelos: 
 - alta eficiência (média capacidade) 
 
 - média eficiência (alta capacidade) 
 
 
Q = vazão normal (m3/s) 
Dc= diâmetro do ciclone (cm) 
V de entrada = 15,2 m/s 
 
QDc 268
QDc 155
(b) Silverman 
477,09,70 QDc 
Dc em cm, Q em m
3/s 
Velocidade ótima de entrada de 15,2 a 17,8 m/s 
(c) Linoya 
- Com V (15,2 a 17,8 m/s), calcula-se a área B.H do duto de 
entrada (m2). O diâmetro do ciclone em cm: 
BHDc 286
As demais relações geométricas são as seguintes: 
L = Dc , Ds  Dc/2 
= ângulo parte cônica = 20º a 30º 
 
Adotanto  = 20º , Z = 2,88 Dc 
PARÂMETROS DE PROJETO: CICLONES 
Eficiência de coleta 
Queda de Pressão 
Dimensões 
Custos 
Queda de Pressão, Dimensões e Custos 
Diferença entre a pressão estática da corrente gasosa antes e 
após o separador 
η(d) = f (condições operacionais e 
dimensões do ciclones) 
Eficiência individual de coleta: η(d) é a eficiência de 
coleta da partícula de “diâmetro” d ou η(d) versus d ou grade 
de eficiência 
Eficiência de coleta 
Eficiência global de coleta (ηo): depende na eficiência 
individual η(d) e da distribuição granulométrica da partículas 
X(d). 
Exemplo: 60% das partículas tem o 
diâmetro menor que 45 m 
Modelo de Lapple 
Assumindo que: 
- Partícula alcança instantaneamente a velocidade terminal da 
direção radial 
- Partícula é esférica 
- Fluxo radial da partícula é laminar (Stokes) 
 
- Número de Revoluções 
 
 
-Tempo da Partícula no interior do Ciclone, 





 

2
1 hH
h
a
N
e
v
ND
entradaàgásdoVelocidade
percorridaDistância
e
.. 
   
n
FLUIDO
FLUIDOPARTÍCULAP
FLUIDO
FLUIDOPARTÍCULAP
t
r
dbdg
v 



1818
22 



No interior do ciclone o gás percorre duas espirais: a externa descendente, 
junto a parede, e a interna ascendente. A aceleração radial depende do raio 
r da trajetória do gás, adotando-se a seguinte expressão empírica para seu 
cálculo: 
nc r
b
ra  .2
Onde b e n são constantes. O expoente n varia entre 2 e 2,4. As partículas 
atingem rapidamente a velocidade terminal dada pela lei de Stokes: 
Esta expressão permite concluir que, para um dado diâmetro de partícula, a 
velocidade terminal aumenta à medida que r diminui, tornando-se máxima 
na espiral interna. Assim sendo, as menores partículas que o ciclone 
consegue captar são separadas do gás na espiral interna. Partículas 
menores do que estas não têm tempo de atingir a parede e são re-
capturadas pelo gás, saindo pelo tubo de saída do ciclone. 
Em uma curva típica de eficiência para ciclones (Figura abaixo) observa-se 
que a eficiência aumenta rapidamente com o aumento do tamanho da 
partícula. O diâmetro de corte (D’= Dcorte) especificado é o diâmetro no qual a 
metade da massa das partículas alimentadas é retida. 
D/D’ 
 
RELAÇÃO EMPÍRICA DE ROSIN, RAMMLER E INTELMANN 
 vN
B
DDD
S
pcC
...2
..9
' 



B = Largura do duto de entrada do ciclone; 
N = Número de voltas feitas pelo gás no interior do ciclone (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; 
ρs = Densidade do sólido. 
Para o dimensionamento do ciclone é considerada a relação entre o diâmetro igual 
a quatro vezes a largura da entrada (B=Dc/4) e um número de voltas da partícula 
(N) igual a 5. 
 
Da equação proposta por Rosin e colaboradores, temos : 
 
 2
'..
.96,13'
2

 Dv
DD SC


Perda de Carga 
 
A quedade pressão num ciclone e também a perda de carga 
são expressas de forma mais conveniente em termos da pressão 
cinética nas vizinhanças da área de entrada do ciclone. 
 
As perdas estão associadas: 
- Atrito no duto de entrada; 
- Contração / expansão na entrada; 
- Atrito nas paredes; 
- Perdas cinéticas no ciclone; 
- Perdas na entrada do tudo de saída; 
- Perdas de pressão estática entre a entrada e a saída. 
 
 Sheferd, Lapple e Ter Linden = consideram que as perdas por 
energia cinética são as mais importantes dentro do ciclone e que 
são as únicas que se deveria levar em consideração: 
’’= Densidade do gás com o pó, que é calculada em função da 
fração em volume das partículas sólidas. 
 03
.2
'.'
.
2
C
g
v
P

 
21,1
.16,21
''








SAÍDA
ENTRADA
S
A
A
c


   04'.'.078.1
4
.
2
21,1
2
2
v
A
A
OmmHP
D
saídadaáreaA
HBentradadaáreaA
SAÍDA
ENTRADA
S
SAÍDA
ENTRADA

















5,7
1814.
..2
.
2
2
C
C
C
m
K
aK
D
ba
K
g
v
P 

Shepherd & Lapple 
Entrada tangencial (padrão) 
Entrada tangencial com placa 










 


0,1
5,0
...
.0027,0
3
1
2
2
C
C
C
k
k
D
hH
D
h
baDk
Q
P
First 
Entrada tangencial (padrão) 
Entrada tangencial com placa 
OUTRAS CORRELAÇÕES PARA O CÁLCULO DA 
PERDA DE CARGA 
Tipo Diâmetro do 
Ciclone (D) em ft 
Vazão de gás 
em ft3/min 
P em in de 
H2O 
Velocidade de 
gás (v) em ft/s 
Eficiência Global de 
Coleta (%) 
Convencional 
ou Standard 
4 – 12 1.000 a 
20.000 
0,5 a 2 20 a 70 50 a 80 
Ciclone com 
elevada 
Eficiência 
 
< 3 
 
100 a 2.000 
 
2 a 6 
 
 
50 a 70 
 
80 a 95 
Multiciclone 0,5 – 1 30.000 a 
100.000 
3 a 6 50 a 70 90 a 95 
Ciclone 
irrigado de 
elevada 
eficiência 
 
< 3 
 
100 a 2.000 
 
2 a 6 
 
50 
 
90 a 95 
Faixas recomendáveis de operação em ciclones 
Exemplo 1: Projeto de Ciclone para uma taxa de emissão 
desejada 
Dados: 
- Vazão de exaustão de gás: 22.600 m3/h 
- Concentração de pó no gás: 4,6 g/m3 = 4,6.103 mg/m3 
- Temperatura do gás: 121ºC 
- Distribuição granulométrica do pó 
-Taxa de emissão desejada: 600 mg/m3 ou 6.105 g/m3. 
Projeto: 
- Obter a dimensão característica do ciclone ou bateria de 
ciclones 
- Queda de pressão (consumo de energia na separação) 
dpi (m) Massa (%) 
> 75 6 
67,5 2 
50 6 
35 7 
25 12 
17,5 9 
12,5 14 
8,75 10 
6,25 12 
3,75 14 
1,25 8 
Solução: 
1) Cálculo da eficiência global de remoção desejada 
2) Assumir velocidade de entrada: v = 50 ft/s = 15,2 m/s 
3) Escolha do modelo de ciclone: Stairmand high efficiency 
%96,86
106,4
600106,4
3
3
3
3
3




m
mg
m
mg
g
mg
m
g
O

4) Calcular o diâmetro do Ciclone: 
DD
Q
ba
Q
Área
Q
v
2,05,0 



metros
h
s
s
m
h
m
v
Q
D 03,2
36002,151,0
22600
1,0
3





5) Cálculo do diâmetro Crítico (Lapple): 
 vN
b
d
Se
...2
..9
%50 



Necessitamos da viscosidade e da densidade do ar!!!! 
Viscosidade de gases pela correlação de Sutherland (Crane, 
1988): 
Densidade de gás IDEAL à pressão ambiente (101,32 kPa = 
1atm): 
Obs: Partículas com 10,34 micra serão separadas com 
eficiência de 50% 
dpi Fração mássica, mi  (dpi) mi×(dpi) 
> 75 0,06 1,000 0,06 
67,5 0,02 0,977 0,01954 
50 0,06 0,959 0,05754 
35 0,07 0,920 0,06440 
25 0,12 0,855 0,10260 
17,5 0,09 0,743 0,06687 
12,5 0,14 0,596 0,08344 
8,75 0,10 0,419 0,04190 
6,25 0,12 0,269 0,03228 
3,75 0,14 0,117 0,01638 
1,25 0,08 0,015 0,00120 
o = 0,5462 
  22
%50
3,10
1
1
)(
1
1




















pipi
pi
d
Lapple
d
d
d
  
pid
pii
dm 
0
Eficiência global calculada para velocidade de 50 ft/s ou 
15,2 m/s é 0 = 54,62% 
Eficiência global de remoção desejada é 0 = 86,96%, é 
menor do que a desejada. 
Portanto: deve-se aumentar a eficiência global de coleta. 
Dilema: o que fazer para AUMENTAR a EFICIÊNCIA 
GLOBAL? 
As EFICIÊNCIAS INDIVIDUAIS devem AUMENTAR 
Ou de outra forma, o DIÂMETRO DE CORTE DEVE SER 
REDUZIDO. 
Reduzindo o d50% de 10,4 para 2,4 m, a eficiência global de 
coleta aumenta de 54,6% para 87,1%. 
dpi Fração mássica, mi  (dpi) mi×(dpi) 
> 75 0,06 1,000 0,06 
67,5 0,02 0,999 0,02 
50 0,06 0,998 0,06 
35 0,07 0,995 0,07 
25 0,12 0,991 0,119 
17,5 0,09 0,982 0,088 
12,5 0,14 0,964 0,135 
8,75 0,10 0,93 0,093 
6,25 0,12 0,871 0,105 
3,75 0,14 0,709 0,099 
1,25 0,08 0,281 0,022 
o = 0,871 
  2
4,2
1
1










pi
pi
d
d
Para reduzir 0 
- Diminuir v 
- Diminuir no de ciclones 
- Aumentar D 
- Recalcular 0 e P 
Para aumentar 0 
- Aumentar v 
- Aumentar no de ciclones 
- Diminuir D 
- Recalcular 0 e P 
 vN
b
d
Se
...2
..9
%50 



   


.9
....2
2
%50
vdN
b Se


Ou rearranjando para b: 
   
m
sm
kg
s
m
m
kg
m
b 3
5
3
226
10.9,22
.
10.307,2.9
2,15.899,0150010.4,2.5,5..2







mmDentão
D
b
mmb 5,1142,09,22 
Como o objetivo é manter a mesma velocidade de entrada, 
então: 
   
neMulticicloN
N
s
h
h
m
NvbaNvAQ
i



315
2,151145,02,01145,05,0
3600
1
22600
3
FIM