Aula13 -Notas sobre sedimentação

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Sedimentação
Prof. Rodrigo S. Vieira
UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ
CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA
DISCIPLINA DE OPERAÇÕES UNITÁRIAS I
Sedimentação
O processo de sedimentação mais
comum consta da separação sólido-
fluido, sob ação da gravidade, em
geral efetuada em tanques de secção
cilíndrica ou retangular denominados
de sedimentadores.
A operação consiste em concentrar
suspensões de sólidos em líquidos ou
purificar o líquido. Pode ser realizada
em batelada (um simples tanque) ou
em equipamento contínuo.
alimentação
lodo ou lama (underflow) -
slurry
Filtração ou centrifugação
Extravasante
(overflow)
A depender do objetivo, essa operação é denominada: 
Finalidades
Clarificação obtenção de um extravasante limpo, 
Ex: tratamento d'água e lodo com baixas
concentrações envolvidas
Ex: indústrias químicas e as concentrações 
envolvidas são moderadas.
Espessamento obtenção de uma suspensão mais 
concentrada
http://http://www.enq.ufsc.br/disci/eqa5313/topicos.html
Imagens de um Sedimentador
Etapas de Sedimentação
Zf
DECANTAÇÃO DE SUSPENSÕES CONCENTRADAS
Z0
A  LÍQUIDO CLARIFICADO
B  SUSPENSÃO COM A MESMA CONCENTRAÇÃO INICIAL
C  REGIÃO DE TRANSIÇÃO
D  SUSPENSÃO ESPESSADA
E  SÓLIDOS GROSSEIROS
OBS: INTERFACE A - B E B - C SÃO GERALMENTE NÍTIDAS
B E C DESAPARECEM  PONTO CRÍTICO DA SEDIMENTAÇÃO
Após o ponto de sedimentação crítico: o processo é de uma compressão
lenta dos sólidos com a expulsão do líquido retido para a região límpida.
Zona D: partículas mais pesadas: sedimentação mais rápida
Zona C: distribuição variável de tamanho e concentração não uniforme
Zona B: concentração uniforme proporcional a concentração inicial 
(divisão nítida, quando as partículas são uniformes)
Zona A: Líquido límpido.
* Num equipamento contínuo, as mesmas zonas estão presentes
Z0
Zf
f 
Z
Z0

Zi
Z
PARA UM DADO INSTANTE
VELOCIDADE DE DECANTAÇÃO EM INSTANTE 
USO DE FLOCULANTE   u   A (ÁREA NECESSÁRIA)
  ESPESSAMENTO   CUSTO OPERACIONAL
u
Zo Z


Projeto de Sedimentador
OPERAÇÕES INDUSTRIAIS
 DESCONTÍNUAS
 CONTÍNUAS
PROJETO DO DECANTADOR (SEDIMENTADOR)
CONTÍNUO
CONHECIMENTO DAS CARACTERÍSTICAS DE SEDIMENTAÇÃO DO SÓLIDOS NA 
SUSPENSÃO
ENSAIO DE SEDIMENTAÇÃO EM LABORATÓRIO
ALTURA DA INTERFACE X TEMPO DE SEDIMENTAÇÃO
ÁREA NECESSÁRIA À SEDIMENTAÇÃO
Projeto do Sedimentador
Cálculo da Área (ou capacidade) e Altura do Sedimentador
Esses cálculos baseiam-se classicamente nos testes de proveta.
Se a solução for “bem comportada” (partículas de tamanho uniforme) 
aparecem na proveta 4 regiões distintas.
tempo sedimentação
Região clarificada
Região concentrada constante
Região de concentração variável 
Região de sedimento
Distância da interface à base da proveta
Região 4
Região
3
Região 1
Região 2
Pto crítico
USO DE PROVETAS COM MAIOR TAMANHO  ELIMINAR EFEITO DE PAREDE
Valores típicos das variáveis no sedimentador:
 Conc. sólidos na alimentação: 1 a 10% em peso
 Conc. sólidos no lodo: 5 a 70% em peso
 Raio do sedimentador: até 100m
Altura do sedimentador: até 10m
 Número de rotações do raspador: 2 a 30rot/h
 Dimensão partículas sólidas:  50 m
Variáveis no Sedimentador
Cálculo da Área do Sedimentador
F – vazão de alimentação, [L3/]
L – vazão de suspensão descendente, em um nível qualquer do 
sedimentador, [L3/]
V – vazão de líquido ascendente, em um nível qualquer do 
sedimentador, [L3/]
U – vazão de lama que deixa o sedimentador, [L3/]
c – concentração de sólidos, [L3 sólido/L3 suspensão]
c0 – na alimentação
ce – na lama espessa
A – área da seção transversal do sedimentador, [L2]
Métodos de Dimensionamento do Sedimentador
O dimensionamento pode ser feito por vários métodos
COE e CLEVENGER
ROBERTS
TALMADGE e FITCH
KYNCH
MÉTODO DE CLOE E CLEVENGER
MODELO PROPOSTO PARA EXPLICAR O EFEITO DO TEMPO NA
VELOCIDADE DE SEDIMENTAÇÃO
HIPÓTESES:
  u   
 u EM CADA ZONA É FUNÇÃO DA CONCENTRAÇÃO LOCAL  u = f(C)
 CARACTERÍSTICAS DOS SÓLIDOS NOS ENSAIOS NÃO SE ALTERAM
NO “SCALE-UP”.
MÉTODO DE CLOE E CLEVENGER
PROCEDIMENTO
CALCULAR A ÁREA CONSIDERANDO DIVERSAS CONCENTRAÇÕES,
ONDE u VEM DE ENSAIOS. O VALOR MÁXIMO DA ÁREA
CORRESPONDE A ÁREA NECESSÁRIA DO DECANTADOR OPERANDO
EM REGIME PERMANENTE.
 Admite-se que o overflow não contenha sólidos
 Vazão de líquido em ascensão (Qc) : Q = Qc + QE ou Qc = Q - QE,
em uma região qualquer
 Velocidade do líquido em ascensão 
 Tem-se que: u > v (para que não ocorra arraste).
No limite: u = v  (1)
S
QQ
v E


u
QQ
S E


QACA = QC = QECE (2)
Portanto:
(3)
(4)
Assim substituindo: (3) e (4) em (1), obtém-se:
(5)
C
CQ
Q AA
E
AA
E
C
CQ
Q 
u
CC
CQ
S E
AA 







11
Balanço de massa para os sólidos
ZO S CA = Zi S C
CA ZO = C Zi
i
OA
Z
ZC
C 
f 
Z

Z
ZE

Z

Zi
Z0
 Procedimento
-traçam-se diversas tangentes
-para cada tangente encontra-se pares de u e C
-para cada par u, C  encontra-se a área S pela equação (5)
-o maior valor de S obtido é Smin necessário
u
Zo Z


MÉTODO DE KYNCH
Requer somente 1 ensaio de laboratório
Calcula-se diversos valores de S a partir da curva de sedimentação
Dimensionamento da Profundidade do 
Sedimentador
A altura do sedimentador está intimamente relacionada
com a capacidade de compactação. É feita uma “estimativa”
da região de compactação do sedimentador contínuo
Vazão volumétrica (L3/T) = (QACA)/S
Tempo de residência do sólido na região de compressão =
E - C
Volume de sólido na zona de compressão Vs = )θ(θ
ρ
CQ
CE
S
AA 
Considerando:
Portanto o volume de suspensão na zona de compressão será dado por:
Este é o menor volume que a zona de compressão deverá ter para atingir
a concentração CE.
ρρ
ρρ
)θ(θ
ρ
CQ
V
m
S
CE
S
AA



Profundidade do Sedimentador
Assim a profundidade da taxa de compressão é dada por:
H = V / S
O fator (4/3) permite corrigir a imprecisão no emprego da
densidade do lodo em lugar da densidade média na região
de espessamento.
ρρ
ρρ
)θ(θ
Sρ
CQ
3
4
H
C
S
CE
S
AA



Exemplo
Uma suspensão aquosa foi submetida a uma série de
ensaios de decantação e foram obtidos os seguintes resultados
Deseja-se calcular o diâmetro de um decantador com 
capacidade de processar 8 ton/h de uma suspensão contendo 
236 Kg / m3. A lama deverá conter 550 Kg / m3 de sólidos.