172 Lista3 Ciclones

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ESCOLA DE QUÌMICA/UFRJ 
EQE-473 - OPERAÇÕES UNITÁRIAS I 
PROF. RICARDO A. MEDRONHO 
3a LISTA DE EXERCÍCIOS 
 
CICLONES 
 
1. Problema 4, pg. 58, do livro do Massarani (2002)1: 
A companhia Chalboud do Brasil adquiriu uma bateria de ciclones com as dimensões especificadas 
na figura abaixo para coletar partículas de um fluxo de ar a 70°C e 1 atm. A densidade das 
partículas é 1,05 g/cm3. 
Verificar a validade da seguinte especificação fornecida pelo fabricante do equipamento: partículas 
com diâmetro maior que 20 μm são coletadas com eficiência superior a 95% quando a velocidade 
do ar na seção de alimentação do ciclone é 15 m/s. 
 275 
 
 
 
 275 
 360 
 1100 140 
 
 Ǿ = 550 
 
 1100 Cotas em mm 
 
 Ǿ = 137 
 
 
Resp.: Os ciclones fornecidos estão praticamente na configuração Lapple, podendo-se esperar 
uma eficiência de coleta para as partículas de 20μm de apenas 90%. 
 
2. Problema 5, pg. 59, do livro do Massarani (2002)1: 
O Ferro Velho “Dois Irmãos”, da Pavuna, dispõe de um conjunto de 3 ciclones em paralelo na 
configuração Lapple, em estado de conservação razoável. O diâmetro dos ciclones é de 20 in. 
Estimar: 
 
a) A capacidade do conjunto para u=15 m/s; 
b) O diâmetro da partícula que é coletada com eficiência de 95%; 
c) A potência do soprador a ser usado na operação. 
 
Considerar que o gás tenha as propriedades físicas do ar a 200°C e 1 atm e que as partículas sólidas 
tenham densidade de 3 g/cm3. 
 
Resp.:a) 87m3/min; b) d = 20μm; c) pot ~ 3cv (supondo uma eficiência η = 50%). 
 
3. Problema 6, pg. 59, do livro do Massarani (2002)1 (supor η = 50%): 
Deseja-se estudar o desempenho de uma bateria constituída por 2 ciclones Lapple em série com 
respectivamente 63,6 cm e 45 cm de diâmetro no tratamento de 27,7 m3/min de gás contendo 3% 
em volume de sólido. 
 
− Propriedades do gás: densidade 1,1x10-3 g/cm3 e viscosidade 1,7x10-2 cP; 
1 
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− Propriedades das partículas sólidas: densidade 2,5 g/cm3 e distribuição granulométrica dada 
por: 
 ⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡
−− ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛
3,17
5,1
exp1
d=y , d em μm. 
 
Pede-se: 
 
a) A eficiência global de coleta do sistema. 
b) A potência do soprador para o serviço. 
 
a) Eficiência global do sistema: 85,2%; b) potência do soprador: ~3cv (eficiência de 50%). 
 
4. Problema 7, pg. 60, do livro do Massarani (2002)1: 
Uma usina em Campos, RJ, pretende secar bagaço de cana com o gás de chaminé proveniente da 
caldeira (propriedades do ar a 210°C e 1atm). 
Especificar a bateria de ciclones Lapple para a recuperação de finos secos sabendo-se que a vazão 
de gás é 140 m3/min e que as partículas maiores que 40 μm devem ser coletadas com eficiência 
superior a 95%. A densidade do bagaço seco é 1,55 g/cm3. 
 
Resp.: Bateria constituída por 2 ciclones em paralelo com diâmetro de 1m. 
 
5. Problema 8, pg. 60 do livro do Massarani (2002)1: 
Especificar a bateria de ciclones Lapple para operar com 100 m3/min de ar (520°C e 1atm) contendo 
cinzas de carvão. A eficiência de coleta deve ser superior a 80%. Determinar também a potência do 
soprador para a operação. A densidade das partículas sólidas é 2,3 g/cm3 e a distribuição 
granulométrica é dada por: 
 
d (μm) 5 10 15 20 30 40 
y (%) 12 27 48 63 80 88 
 
Resp.: Bateria de 10 ciclones Lapple em paralelo com diâmetro de 30 cm; Potencia do 
soprador: ~2cv (eficiência de 50%). 
 
6. Um ciclone Lapple (Dc = 90 cm) opera com queda de pressão de 5" de coluna de água ao tratar 
uma suspensão sólido/gás, cujos sólidos têm a seguinte distribuição granulométrica: 
 
 
d (μm) 5 10 15 20 30 40 55 
z (%) 88 73 52 37 20 12 4 
 
a) Calcule a eficiência global de coleta do ciclone; 
b) A potência (HP) consumida pelo soprador de gás (eficiência η = 85%). 
 
DADOS: 
Sólidos: ρs = 2,3g/cm3 Gás: CO2 a 150 °C e 1 atm 
 
Resp.: a) ET= 0,78; b) Potência do soprador: ~3HP. 
 
7. Uma determinada indústria química deseja recuperar no mínimo 86% do TiO2 (rutílio) contido 
em 2150 ft3/min de uma suspensão de TiO2 em ar a 350°C e 1 atm, utilizando uma bateria de 
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ciclones Stairmand HE em paralelo. Sabe-se que a distribuição de tamanhos das partículas obedece 
ao modelo Rosin-Rammler com parâmetros k = 20,8 μm e m = 0,70. Especificar a bateria de 
ciclones necessária. 
 
Resp.: Bateria de 21 ciclones com Dc= 18cm. 
 
8. Um ciclone Stairmand HE de 81 cm de diâmetro está tratando 1 m3/s de ar a 100°C e 1 atm, 
contendo finos de CaCO3 (ρs= 2,8 g/cm3 e esfericidade 0,7). Devido a variações no processo 
industrial a granulometria do pó que chega ao ciclone aumentará em demasia. Desta forma, a fim de 
proteger o ciclone, será instalado um elutriador que deverá capturar todas as partículas maiores que 
50µm, conforme o esquema abaixo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Pede-se: 
 
a) Calcular o diâmetro do elutriador. 
b) Calcular a eficiência global do processo. 
 
Dado: 
µar (100°C e 1 atm) = 0,021cP e ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛=
100
7,0d
y , com d em µm. 
 
Resp.: a) 293 cm; b) ET = 90,4%. 
 
9. Deseja-se tratar uma corrente com 1m3/s de ar a 100°C e 1 atm contendo finos de carvão 
(densidade: 1,95 g/cm3) utilizando-se o sistema a seguir (câmara de poeira e ciclone em série): 
 
 
 
 
 
 
 
 
Uma análise granulométrica deste carvão, realizada com peneiras Tyler, produziu o resultado 
mostrado na tabela a seguir: 
 
Par de peneiras m (g)
-28 +35 25 
-35 +48 55 
3 
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 -48 +65 90 
-65 +100 95 
-100 +150 80 
-150 +200 55 
-200 100 
 
 
 
 
 
 
 
 
Sabendo-se que a eficiência de separação da câmara de poeira para uma partícula de 50µm é igual a 
80% e que o ciclone Lapple possui 70 cm de diâmetro, determine a eficiência global do sistema. 
 
Dado: µar (100°C e 1 atm) = 0,021cP. 
 
Resp.: ET = 96%. 
 
10. Sabendo-se que se deseja tratar, com ciclones, uma corrente de ar a 60oC e 1 atm, contendo 
finos de café (ρS = 1,15 g/cm3), pede-se: 
a. Determinar o diâmetro dos ciclones Lapple, Stairmand H.E. e Stairmand H.R. capazes de 
recuperar, com 99% de eficiência, a partícula de café cujo tamanho é a mediana da distribuição. 
b. Calcular a eficiência total fornecida pelos ciclones, sabendo-se que o modelo de Gates-Gaudin-
Schuhmann ajusta bem a curva de distribuição de tamanhos das partículas de finos de café (Tabela 
1). 
c. Calcular, para cada tipo de ciclone, o número de ciclones, operando em paralelo, que seria 
necessário para tratar uma vazão de operação de 36 m3/s. 
d. Qual dos 3 tipos de ciclones você escolheria para efetuar este serviço? Por quê? 
Dados: μar(60oC) =0,023 cP; R = 0,082 (atm*m3)/(kmol*K) 
Tabela 1 - Análise granulométrica da amostra 
 
d- a d+ (μm) X 
210 a 149 0,22 
149 a 105 0,18 
105 a 74 0,25 
74 a 55 0,12 
55 a 40 0,15 
40 a 30 0,08 
30 a 0 0 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Resp.: DC LAPPLE = 397 cm, DC ST.H.E. = 1688 cm , DC ST.H.R. = 93 cm. ETOTAL = 70.5 %. 
 
11. Em um processo de Craqueamento Catalítico Fluido (FCC) (figura 1), utilizado para produzir 
GLP e nafta a partir de gasóleo pesado da torre de destilação a vácuo, o catalisador é circulado 
no processo, nas etapas de reação e regeneração do mesmo, e seusfinos gerados no processo 
são separados em dois ciclones em série no topo do vaso regenerador, onde é realizado o 
descoqueamento (regeneração) do catalisador, a fim de que se restabeleça a atividade do 
mesmo para a reação. Esta corrente de saída superior da regeneradora contém gases de 
combustão, inertes e finos do catalisador, sendo a composição dos gases, em base molar, a 
seguinte: 
4 
Lista 3 de Operações Unitárias I, turmas EAA, EBA e EQA 
Componentes Composição 
(%molar) 
Peso Molar 
(g/gmol) 
N2 80 28 
CO2 10 44 
CO 10 28 
 
5 
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2-stage 
Cyclones 
 
Considerar a corrente efluente como gás ideal e as propriedades da mistura como uma ponderação 
molar dos componentes desta. 
 
A distribuição dos finos na corrente de alimentação segue uma distribuição, segundo o modelo 
G.G.S. da forma: 
25,1
150
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛= dy 
O catalisador utilizado tem densidade de 0,85 g/cm³, e a premissa adotada é que o primeiro ciclone 
separe as partículas com diâmetro de 40 μm com 98% de eficiência e o que o segundo ciclone 
separe a partícula de 20 μm com 99% de eficiência. 
 
Dimensionar os ciclones segundo a geometria Stairmand High Efficiency e calcular a eficiência de 
separação do conjunto. 
 
Dados: μgases = 0,04 cP (650 ºC) 
 T = 650ºC 
 P = 2,5 atm 
 R = 82 atm*cm³/(gmol*K) 
 
R.:. DC1 = 61,7cm, BC1 = 12,34cm, HC1 = 30,85cm ; DC2 = 7,6cm, BC2 = 1,52cm, HC2 = 3,8cm ; 
ET = 99,4%. 
__________________________________________________________________ 
1 Massarani, G. (2002), Fluidodinâmica em Sistemas Particulados, 2a ed., E-papers, Rio de Janeiro 
	CICLONES