Ensaio de Sedimentação em Engenharia Química

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS
CENTRO DE TECNOLOGIA
ENGENHARIA QUÍMICA
CELSO FIDELIS DE MOURA JUNIOR
KÁSSIO FERNANDO DE MORAIS SAMPAIO MELO
ENSAIO DE SEDIMENTAÇÃO
Maceió
2014
UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS
CENTRO DE TECNOLOGIA
ENGENHARIA QUÍMICA
ENSAIO DE SEDIMENTAÇÃO
Relatório de Prática Experimental apresentado ao Programa de Graduação em Engenharia Química da Universidade Federal de Alagoas, como requisito parcial para obtenção de nota na disciplina de Laboratório de Engenharia Química 1.
Orientadora: Profª. Karla Miranda Barcellos
Maceió
2014
RESUMO
A operação unitária de separação sólido-líquido está entre as etapas de separação mais importantes empregadas nas indústrias químicas, têxteis, farmacêuticas, no beneficiamento de minério, bem como no processamento de alimentos, tratamento de água e resíduos, entre outras, pois muitos dos produtos industriais contêm suspensões de sólidos em líquidos. Entre os métodos mais utilizados em separações, está a decantação ou sedimentação, processo no qual o sólido se move através do líquido em repouso. A decantação pode ser subdividida de acordo com a concentração da suspensão. A clarificação de líquidos envolve suspensões diluídas e tem como objetivo obter a fase líquida com um mínimo de sólidos. O espessamento de suspensões visa obter os sólidos com um mínimo de líquido, partindo de suspensões concentradas. O projeto dos decantadores é de grande importância para realização do processo de separação e leva em conta a vazão de alimentação, a concentração da suspensão, concentração final da lama, bem como a velocidade de sedimentação. No experimento do qual se trata este trabalho, foi realizado o ensaio de sedimentação, que é utilizado no dimensionamento de decantadores. Foram medidos, em intervalos regulares, a altura de lama de uma suspensão de carbonato de cálcio, o que possibilitou a construção da curva da altura versus o tempo. A partir da curva obtida, o método de Kynch foi utilizado no dimensionamento de um decantador. 
Palavras chave: sedimentação, decantadores, separação.
SUMÁRIO
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA....................................................................................4
OBJETIVO DO EXPERIMENTO....................................................................................7
MATERIAIS.....................................................................................................................8
MÉTODOS........................................................................................................................8
RESULTADOS E DISCUSSÕES....................................................................................9
CONCLUSÕES...............................................................................................................13
SUGESTÕES...................................................................................................................14
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...........................................................................15
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
As operações de separação estão relacionadas principalmente com a aplicação de meios físicos ou químicos. No primeiro caso, modificam-se as forças da gravidade, centrífuga ou cinética para promover a separação de materiais que apresentam características diferenciadas em relação a tamanho, forma, densidade, viscosidade, densidade, etc. Nas separações químicas, trabalha-se com as igualdades ou diferenças nas afinidades apresentadas pelos meios a separar [1]. 
A decantação é a operação unitária onde os sólidos decantam através de uma fase líquida, através da ação da gravidade. A decantação visa à clarificação do líquido, o espessamento da suspensão ou a lavagem dos sólidos. Na clarificação, parte-se de uma suspensão com baixa concentração de sólidos para obtenção de um líquido com um mínimo de sólidos. Resulta uma suspensão mais concentrada que a inicial, mas o objetivo é a clarificação do líquido. No espessamento, parte-se de uma suspensão concentrada para obter os sólidos com a quantidade mínima possível de líquido. 
Existem diversos tipos de decantadores, sendo divididos, por tipos de sólido que decantará. Para sólidos grosseiros, há o decantador de rastelos, o decantador helicoidal, o ciclone classificador e o hidroseparador; para sólidos finos, há o cone de decantação, o clarificador e o decantador de bandejas múltiplas. 
Para realizar o projeto de um decantador, são realizados os ensaios de decantação (ou de sedimentação) realizados com uma amostra da suspensão diluída a ser clarificada, traçando-se a curva de decantação, podendo-se identificar a área para o clarificador ideal [2]. 
O ensaio consiste numa amostra homogeneizada colocada numa proveta graduada de vidro de seção constante e colocada em repouso. Com o tempo verifica-se que as partículas mais grossas depositam-se como produto de fundo, e as mais finas ficam em suspensão. As partículas intermediárias distribuem-se em diversas alturas de acordo com a sua granulometria. Cada partícula é sedimentada com velocidade proporcional ao seu tamanho e a clarificação vai progredindo. São observadas cinco zonas distintas (Figura 1): 
A = líquido clarificado 
B = suspensão com a mesma concentração inicial de sólido concentrado (C0) C = zona de transição 
D = suspensão espessada na zona de compressão 
E = sólido grosseiro decantado 
Figura 1. Zonas observadas num ensaio de decantação.
Para o cálculo da área do decantador, existem diversos métodos aplicáveis, entre os quais, o método de Kynch, o de Yoshioka – Dick, o de Coe & Clevenger, o de Talmadge e Fitch, o de Roberts, entre outros. 
Método de Kynch, o de Yoshioka e Dick
	Pelo método de Kynch, deve-se realizar um ensaio de proveta, determinando, ao longo do tempo (t), a altura medida do fundo da proveta até o nível inferior (z) do liquido clarificado. Constrói-se a curva de z versus t, obtendo-se vários pares de v (velocidade) e C (concentração), a partir da curva, conforme mostrado abaixo:
Figura 1. Dimensionamento de decantador pelo método de Kynch.
	Onde C0 é a concentração de sólidos na suspensão inicial usada no ensaio de proveta e zo é a altura inicial da suspensão na proveta. De posse desses dados, a área do decantador é dada pela equação (1):
Onde S é a área superficial; QA, a vazão volumétrica da suspensão; CA a concentração de sólidos na suspensão; C, Concentração na zona limite; CE, = Concentração de sólidos na lama; v, Velocidade de decantação na zona limite. 
OBJETIVO DO EXPERIMENTO
O experimento tem o objetivo medir e interpretar dados de um ensaio de sedimentação descontínuo em laboratório (teste de proveta) e utilizar os dados obtidos para dimensionar a área de um sedimentador contínuo. 
Utilizar o método de Kynch para o dimensionamento de um decantador, sendo fornecidos os parâmetros necessários, para uma solução de carbonato de cálcio 60 g/L.
MATERIAIS
	Proveta, cronômetro, soluções de concentração conhecida (60 g/L) e régua.
MÉTODOS
A solução de CaCO3 foi completamente homogeneizada em uma proveta. A partir daí, a variação da altura (z) da interface do sólido-suspensão no instante t a partir do início da decantação foi medida, em intervalos regulares de tempo. Foram coletados vinte cinco pontos para que a curva z versus t fosse traçada.
 
RESULTADOS E DISCUSSOES
	Imediatamente após cessarmos a agitação da suspensão, foi observada a altura do líquido límpido ao longo do tempo, revelando a altura da fase concentrada. A altura da fase concentrada foi medida em intervalos variados até o término do experimento. Com os dados obtidos, construímos a Tabela 1.
Tabela 1: Dados obtidos experimentalmente.
	Tempo (min)
	Altura Z (cm)
	Tempo (min)
	Altura Z (cm)
	0
	23,4
	13
	7,6
	1
	22,0
	14
	6,5
	2
	20,8
	15
	5,6
	3
	19,5
	16
	4,9
	4
	18,3
	17
	4,4
	5
	16,9
	18
	4,1
	6
	15,8
	19
	3,9
	7
	14,6
	22
	3,0
	8
	13,5
	252,7
	9
	12,2
	30
	2,5
	10
	11,0
	35
	2,4
	11
	9,9
	40
	2,3
	12
	8,7
	45
	2,1
Fonte: Autor, 2014.
	Visando uma análise de projeto calcularemos o diâmetro e a altura de um espessador contínuo que opere com suspensão de carbonato de cálcio com concentração de alimentação, a concentração de sua suspensão e vazão de 30m3/h, sendo a concentração de lama espessada de 0,25 g/cm3. 
	Com os dados da Tabela 1, traçamos a curva da altura versus tempo, no qual são traçadas as retas tangentes em diversos pontos, a fim de determinar os valores da velocidade, v, e da concentração, C.
CÁLCULO DA ÁREA DO ESPASSADOR 
MÉTODO DE KYNCH 
	Após a construção da curva z versus t, foram obtidos vários pares de v e C a partir da curva. Foram traçadas várias tangentes na curva obtida conforme o gráfico abaixo, e encontrados os valores de z, zi e t.
Os valores de v, C e a área de decantação foram calculados conforme as equações abaixo:
Onde: 
S = Área de decantação ou seção transversal do decantador (cm2) 
u = velocidade de decantação na zona limite (cm/min) 
QA = vazão volumétrica da suspensão alimentada ao decantador (cm2/min) 
CA = C0 = Concentração de sólidos na suspensão alimentada (g/cm3) 
CE = Concentração da lama espessada (g/cm3) 
C = Concentração da suspensão na zona limite (g/cm3). 
Aplicação do método de Kynch
Sendo: 
QA = 30 m³/h = 500000 cm³/min 
Ce = 0,25 g/cm³ = 250 g/L 
Co = 60 g/L 
Zo = 23,4 cm 
Zi= 13,5 cm 
Z= 2,1 cm 
	Utilizando as fórmulas citadas anteriormente temos: 
	Reta 1
	C=
	39,1453
	kg/m³
	v=
	0,8235
	m/h
	Smin=
	31,3954
	m²
	 Dmin=
	6,3241
	m
	Reta 2
	C=
	39,1453
	kg/m³
	v=
	0,7800
	m/h
	Smin=
	33,1475
	m²
	Dmin=
	6,4982
	m
	Reta 3
	C=
	39,1453
	kg/m³
	v=
	0,7831
	m/h
	Smin=
	33,0149
	m²
	Dmin=
	6,4851
	m
CONCLUSÃO
	O método de Talmadge-Fitch mostrou-se eficaz, possibilitando a determinação da área de um sedimentador a partir de um ensaio de proveta. 
	A operação de sedimentação é baseada em fenômenos de transporte, onde a partícula sólida em suspensão está sujeita a ação das forças da gravidade, do empuxo e de resistência ao movimento. O mecanismo da sedimentação descontínua (ensaio de provetas) auxilia na descrição do processo contínuo que é baseado no deslocamento da interface superior da suspensão com o tempo. Os dados obtidos a partir desse ensaio se ajustaram de forma satisfatória ao experimento como pôde ser visualizado no método aplicado, fornecendo dessa forma confiabilidade aos resultados encontrados. 
	. 
SUGESTÕES
Colocar gravuras explicativas ou explicar mais claramente o experimento em si, de como os alunos devem fazer a prática.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Operações Unitárias. Disponível em: 
< http://www.ufrgs.br/afeira/operacoes-unitarias/separacao/separacao > Acesso em: 12 NOV. 2014; 
[2] Flotação e Decantação. Disponível em: <http://gestaoambiental2007.wikispaces.com/Flota%C3%A7%C3%A3o+e+Decanta%C3%A7%C3%A3o> Acesso em: 12 NOV. 2041.
[3] CAMPILHO, A. Instrumentação Electrónica. Métodos e técnicas de medição. FEUP Edições.
[4] FOUST, A. S.; CLUMP, C. W.; WENZEL, L. A. Princípio das operações unitárias. 2ª edição. Rio de Janeiro: Editora Guanabara Dois, 1980. 
[5] GOMIDE, R., Operações Unitárias: Separações Mecânicas (Vol. III), 1980. 
[6] CREMASCO, M.A. Operações Unitárias em Sistemas Particulados e Fluidomecânicos. São Paulo. Blucher, 2012 
[7] PERRY, R.H & GREEN, D. Chemical Engineers Handbook. 6ª edição. New York: McGraw Hill, 1984.