Aula 4 Coagulação e Mistura Rápida

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS 
CENTRO DE TECNOLOGIA 
DISCIPLINA: TRATAMENTO DE ÁGUAS DE ABASTECIMENTO 
ENGENHARIA AMBIENTAL E SANITÁRIA - EAMB 045 
ENGENHARIA QUÍMICA - EQUI 120 
ENGENHARIA CIVIL - ECIV 123 
PROFESSORA: IVETE VASCONCELOS LOPES FERREIRA 
 
AULA 4 - COAGULAÇÃO E MISTURA RÁPIDA 
 
O processo de coagulação usado nas ETAs envolve a aplicação de produtos químicos para a 
precipitação de compostos em solução e desestabilização de suspensões coloidais de 
partículas sólidas, que, de outra maneira, não poderiam ser removidas por 
sedimentação/flotação e filtração. 
A mistura rápida é a operação destinada a dispersar o coagulante de forma homogênea e o 
mais rapidamente possível na água a ser tratada, porque as reações de coagulação são rápidas 
e irreversíveis. 
O sucesso das outras etapas do tratamento da água (sedimentação ou flotação, filtração, etc) 
depende de uma coagulação bem sucedida. 
A coagulação envolve inicialmente a mistura rápida do coagulante com a água e, em seguida a 
agitação lenta do material coagulado para a formação dos flocos. 
A mistura rápida é um fenômeno de transporte de fluido, que envolve tempo e intensidade da 
mistura, esta definida pelo gradiente de velocidade. 
GRADIENTE DE VELOCIDADE- Conceitualmente, o gradiente de velocidade é o limite da relação 
entre a diferença de velocidade ΔV com que se movem duas camadas de fluido muito 
próximas, e a distância ΔY entre si. 
 
 Análise dimensional 
MISTURA RÁPIDA - ABNT – NBR 12216 
As condições ideais em termos de gradiente de velocidade, tempo de mistura e concentração 
da solução de coagulante devem ser determinadas, preferencialmente, através de ensaios de 
laboratório. Quando estes ensaios não podem ser realizados, deve ser observada a seguinte 
orientação: 
a) a dispersão de coagulantes metálicos hidrolisáveis deve ser feita a gradientes de velocidade 
compreendidos entre 700 s-1 e 1100 s-1, em um tempo de mistura não superior a 5 s; 
b) a dispersão de polieletrólitos, como coagulantes primários ou auxiliares de coagulação, 
deve ser feita obedecendo às recomendações do fabricante 
 
DISPOSITIVOSDE MISTURA RÁPIDA DIMENSIONAMENTO (PIVELI e FERREIRA FILHO) 
• Gradiente de velocidade1.000 s-1 
 Mecanismo de coagulação por adsorção-neutralização 
• Gradiente de velocidade 300 s-1 
 Mecanismo de coagulação por varredura 
• Tempo de detenção hidráulico ≤ 30 s 
 
DISPOSITIVOS DE MISTURA RÁPIDA 
DISPOSITIVOS HIDRÁULICOS 
 Calhas Parshall 
 Vertedores retangulares 
 Malhas difusoras 
 Injetores 
 
 
 










dy
dv
Y
V
G lim
1
1. 







 T
L
TL
dy
dv
G
VERTEDORES RETANGULARES 
 
DIFUSOR EM CANAL 
 
DIFUSOR EM TUBULAÇÃO 
 
 
MISTURA RÁPIDA EM TUBULAÇÃO POR MEIO DE INJETOR E MALHA DE FIOS 
 
CALHAS PARSHALL E PONTOS DE ADIÇÃO DE COAGULANTE 
 
 
CALHAS PARSHALL - DIMENSIONAMENTO 
Tmr = ? G = ? 
 
 
 
 
 
Coagulante 
Tabela 1 – Dimensões do Medidor Parshall (cm) e Vazão com escoamento livre (L/s) 
 
Parâmetros de dimensionamento 
G=Gradiente de velocidade (s-1) 
 
 
Pot = Potência introduzida na água (N.m/s) 
 
∆H = Perda de carga (m) 
 
μ = viscosidade absoluta da água (N.s/m2) 
 
Vol = Volume de água (m3) 
 
Q = Vazão de água (m3/s) 
 
V = Velocidade da água (m/s) 
 
ɣ = Peso específico da água (N/m3) 
 
Tr = Tempo de detenção hidráulica (s) 
 
1) Cálculo da profundidade da água (de descarga livre) na seção de medição (Ha) 
 
1
1. 







 T
L
TL
dy
dv
G
rolol
ot
T
H
V
HQ
V
P
G
.
.
.
..
. 








2) Cálculo da largura na secção de medição 
 
 
3) Cálculo da velocidade na secção de medição 
 
 
4) Cálculo da energia total disponível (Ea) 
 
 
5) Cálculo da velocidade da água no início do ressalto 
 
Para calcular V1, é necessário: 
5.1) Cálculo do ângulo fictício φ 
O Σ das forças externas que atuam no volume de 
controle = variação da quantidade de movimento 
da massa líquida 
 
6) Cálculo da altura de água no início do ressalto (Y1) 
 
 
 
7) Cálculo do número de Froude 
 
 
 
8) Altura de água no final do ressalto (y3) 
Para que ocorra o ressalto, é necessário que a profundidade da água imediatamente antes e 
depois do ressalto, y1 e y3, satisfaçam a relação: 
 
21
1
3
..2
.
3
cos.2 











 a
Eg
V

  WWDD  .
3
2
'
a
a
HD
Q
A
Q
V
'.

N
g
V
HE aaa 
.2
2
5,1)..67,0.(
.
)cos(
aEgW
Qg

g
V
yEEE aa
.2
2
1
11 
g
V
Ey a
.2
2
1
1 
1
1
1
.yg
V
Fr 
)181(
2
1 2
1
1
3  rF
y
y
 
 
9) Cálculo da profundidade no final do trecho divergente 
 
10) Cálculo da velocidade no final do trecho divergente (seção C) 
 
 
11) Cálculo da perda de carga no ressalto hidráulico 
 
 
12) Cálculo do tempo de residência médio no trecho divergente 
 G (em metros – Tabela 1) 
13) Cálculo do gradiente de velocidade 
 
 
 
EXERCÍCIO: 
Dimensionar uma Calha Parshall que funcionará como dispositivo de medição de vazão e de 
mistura rápida (local de adição do coagulante) numa ETA que trata 1,2 m3/s de água bruta. 
Considerar água a 20ºC. 
  3
3
yNHH
HyNH
a
a


  sVV
G
V
G
T
parshall
média
parshall
mr 5
2
21



 1.81.
2
2
1
1
3  rF
y
y
 KNyy  32
Cy
Q
A
Q
V
.2
2 
Tmr
H
G
.
.

 

DISPOSITIVOS MECÂNICOS 
• Agitadores mecânicos 
• Turbinas 
• Hélice propulsora 
 
SISTEMAS DE AGITAÇÃO - ESCOAMENTO AXIAL E RADIAL 
 
 
 
MISTURA RÁPIDA UNIDADE MECANIZADA - AGITADOR MECÂNICO TIPO TURBINA COM 
ESCOAMENTO RADIAL 
 
Fonte: DI BERNARDO e 
SABOGAL PAZ (2008). 
 
DIMENSIONAMENTO DE UNIDADES DE MISTURA RÁPIDA MECANIZADA 
 
RELAÇÕES ENTRE AS DIMENSÕES DA CÂMARA E DO ROTOR 
 
 
 
 
Lc = lado da câmara 
Dtb = Diâmetro externo da turbina 
btb = largura da paleta 
Btb = comprimento da paleta 
Le = largura dos anteparos fixados nas paredes verticais 
Hu = profundidade útil da câmara 
hf = distância entre a turbina e a base da câmara 
Le = largura dos anteparos fixados nas paredes verticais 
3,37,2 
tb
c
D
L
4
tb
tb
D
B 
4
tb
tb
D
B 
5
tb
tb
D
b 
tbe DL .1,0
9,37,2 
tb
u
D
H
3,175,0 
tb
f
D
h
 
DIMENSIONAMENTO DE UNIDADES DE MISTURA RÁPIDA MECANIZADA 
 Cálculo da potência  
 
Pu = potência introduzida na água (N.m/s = W) 
Ktb = coeficiente que depende do tipo de rotor e das características da câmara onde o agitador 
está instalado (adimensional) 
ρa = massa específica da água (kg/m
3) = 998,2 a 20 ºC 
Nr = número de rotações por segundos (rps) 
Dtb = Diâmetro externo da turbina (m) 
 Verificação do Gradiente de Velocidade (s-1) 
 
 
 
 Valores de Ktb 
 
Le 
ol
u
V
P
G
.

53
... tbratbu DNKP 
SISTEMAS DE AGITAÇÃO - ESCOAMENTO RADIAL (PIVELI e FERREIRA FILHO) 
 
 
 
SISTEMAS DE AGITAÇÃO - ESCOAMENTO AXIAL (PIVELI e FERREIRA FILHO) 
 
 
 
 
 
5,55 aKtb 
0,25,1 aKtb 
8,05,0 aKtb 
3,12,1 aKtb 
 
 
EXERCÍCIO 
Dimensionar uma unidade mecanizadade mistura rápida com agitador tendo rotor tipo 
turbina de 6 paletas planas com escoamento radial para uma vazão de 500 L/s. Considerar a 
temperatura da água 20 ºC, gradiente de velocidade previsto de 1.000 s-1 e tempo de detenção 
médio de 5 s na câmara. 
SOLUÇÃO 
1) Determinação do volume útil da câmara de mistura: 
 
2) Escolha do rotor – consultar catálogo do fabricante. Para o exemplo didático, usar tabela 2. 
Tab. 2 – Turbinas de fluxo radial com seis paletas 
TIPO Volume do Tanque 
de mistura rápida 
Turbina 
(mm) 
Potência do 
motor 
(m3) Φ externo do 
rotor (Dtb) 
Altura da 
paleta (btb) 
Largura da 
paleta (Btb) 
HP* 
I 1 a 2 370 74 92,5 0,5 a 2 
II 1,5 a 3,5 430 86 107,5 1 a 4 
III 2,5 a 5,5 500 100 120 1,5 a 7,5 
IV 4 a 9 600 120 150 2 a 15 
V 6,5 a 15 700 140 175 3 a 20 
*1 HP = 745,7 W = 1,0139 cv; 1 cv = 735,5 W. Fonte: Adaptada de RICHTER (2009). 
 
Adotando rotor com Dtb = 430 mm = 0,43 m 
3) Largura da câmara (Lc) – quadrada  
 
4) Altura útil da câmara (Hu)  
 
Verificar se obedece à relação  
 
5) Determinação da altura da paleta (btb)  
 
6) Determinação da comprimento da paleta (Btb)  
 
7) Distância entre a turbina e a base da câmara (hf)  
4,03,0 aKtb 
mrc TQV .
mDp
D
L
tb
tb
c 430,0/3,37,2 
Area
V
H uu 
9,37,2 
tb
u
D
H
5
tb
tb
D
b 
4
tb
tb
D
B 
3,175,0 
tb
f
D
h
 
8) Determinação da largura dos 4 anteparos fixados nas paredes verticais  
 
9) Determinação da potência útil (Pu) e velocidade de rotação necessária (Nr) para gerar um 
gradiente G desejado 
 
 
 
Resultados: 
Vc = 2,5 m
3; Lc = 1,30m; Hu = 1,50 m; Dtb = 0,430 m; btb = 0,086 m; Btb = 0,1075 m; hf = 0,45 m; Le 
= 0,043 m; Pu = 2512,5 W; rotação do rotor = 195 rpm
 
 
BIBLIOGRAFIA CONSULTADA 
ABNT – NBR 12216. Projeto de Estações de Tratamento de água de abastecimento público. 
Disponível no laboratório de informática da unidade acadêmica Centro de Tecnologia 
DI BERNARDO, L.; DANTAS, A. B. Métodos e técnicas de tratamento de água. 2. ed. São Carlos: 
RiMa, 2005. RiMa 2v. v.1. 
LIBÂNIO, M. Fundamentos da qualidade e tratamento de água. 3.ed. Campinas, SP: Átomo, 
2010. 494 p. ISBN 9788576701651. 
RICHTER, C. A; AZEVEDO NETTO, J. M. Tratamento de água: tecnologia atualizada. São Paulo: 
Edgard Blucher, 2001. 332 p. ISBN 8521200536. 
RICHTER, C. A. Água: métodos e tecnologias de tratamento. São Paulo: Edgard Blucher, 2009. 
340 p. ISBN 9788521204985. 
tbe DL .1,0
c
u
V
P
G
.
 53... tbratbu DNKP 