Ciclones_apostila

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE 
CENTRO DE TECNOLOGIA 
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA 
DISCIPLINA: Operações Unitárias com Sistemas Sólido-Fluido (DEQ0515) 
DOCENTE: Katherine Carrilho de Oliveira 
 
APOSTILA CICLONES (2019.2) 
 
INTRODUÇÃO 
 Os ciclones, assim como as câmaras de poeira, são equipamentos de separação sólido-
fluido no qual um gás contendo partículas sólidas alimentado tangencialmente a uma câmara 
cilíndrica originando um movimento rotacional que favorece a separação das partículas sólidos. 
O principio de funcionamento é inercial com a queda das partículas ocorrendo na direção radial. 
É utilizado normalmente para partículas muito finas nas quais as câmaras de poeira se tornariam 
inviáveis. 
PRINCÍPIOS BÁSICOS 
 Os ciclones são os equipamentos de separação sólido-gás mais utilizados nas indústrias 
pois não possuem partes móveis, podem ser utilizados a temperaturas altas, o produto sai seco 
e promove uma boa remoção das partículas sólidas presentes na suspensão. Normalmente são 
utilizados para partículas com tamanho entre 5 e 200 μm. A velocidade de alimentação varia na 
faixa de 6 a 21 m/s. 
 Os ciclones consistem de um cilindro vertical com a base cônica, uma entrada tangencial 
para a alimentação da suspensão, uma saída no topo para o gás e uma saída na base para a coleta 
das partículas sólidas (Figura 1). 
 
 
 
 
 
 
 
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Figura 1 - Desenho esquemático de um ciclone. 
 
Fonte: Adaptado de Ortega-Rivas, E., 2012. 
 De acordo com a Figura 1 observa-se que a tubulação de saída do gás se estende para o 
interior da câmara cilíndrica que compõe o ciclone. Essa extensão é utilizada para evitar que o 
gás alimentado passe diretamente para a saída sem ser ciclonado, é conhecido como vortex 
finder. Mesmo utilizando essa extensão uma parte do gás acaba passando pouco tempo na 
câmara devido a um by-pass da corrente de alimentação. 
 Os ciclones são caracterizados por diversas dimensões geométricas que deram origem à 
família de ciclones que seguem uma proporção definida entre essas dimensões. Na Figura 2 
consta um esquema do ciclone com suas dimensões características e na Tabela 1 as proporções 
especificadas para as famílias de ciclones Lapple e Stairmand. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Figura 2. Dimensões características dos ciclones. 
 
Fonte: Cremasco, M. A., 2012. 
Tabela 2. Dimensões características das famílias de ciclone Lappe e Stairmand. 
 Dimensões Lapple Stairmand 
b/D 0,25 0,20 
De/D 0,50 0,50 
a/D 0,50 0,50 
h/D 2,00 1,5 
H/D 4,00 4,00 
S/D 0,62 0,50 
B/D 0,25 0,35 
Fonte: Cremasco, M. A., 2012. 
 
 Os ciclones são equipamentos no qual a força centrífuga, atuando radialmente, substitui 
a força gravitacional que atuava verticalmente. Por ser utilizado com partículas pequenas é 
considerado que a lei de Stokes governa o processo de separação. Escrevendo a equação para a 
velocidade terminal no regime de Stokes sob a ação do campo centrífugo tem-se que: 
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v , (r) =
( )
 (1) 
Em que r é o raio da trajetória descrita pela partícula e ω é a velocidade angular. 
 A velocidade angular pode ser escrita em função da velocidade tangencial (vtan) de 
acordo com a Equação 2. 
ω = (2) 
 Substituindo a Equação 2 na Equação 1 tem-se que: 
v , (r) =
( )
 (3) 
 Multiplicando a Equação 3 por g/g obtém-se a Equação 4. 
v , (r) =
( )
= 𝑣 , (4) 
 A velocidade terminal é máxima no interior do vortex, onde o raio é menor, dessa forma, 
as menores partículas separadas do gás são removidas no vortex interno. Essas partículas são 
deslocadas até o vortex externo e em seguida se chocam com as paredes do ciclone. As 
partículas ainda menores, que não tiveram tempo de se chocar com as paredes, são retidas pelo 
gás e arrastadas para o topo. 
 Dados experimentais obtidos para a velocidade tangencial do fluido aproximam que a 
vazão do fluido é dada pelo produto entre a velocidade tangencial e as dimensões da entrada a 
e b. Pelas dimensões características e suas relações pode-se obter que para os ciclones Lapple, 
a dimensão a é 0,5D e a dimensão b é 0,25D, resultando na Equação 5. 
v = (5) 
 O diâmetro de corte para os ciclones é definido como aquele no qual a metade das 
partículas alimentadas, em massa, são separadas enquanto a outra metade é arrastada com o 
gás. Substituindo o diâmetro da partícula pelo diâmetro da partícula de corte, na Equação 4, 
tem-se a velocidade necessária para ocorrer essa separação. O seu valor pode ser obtido a partir 
de correlações como a apresentada na Equação 6. 
= K
( )
 (6) 
Em que K é igual a 0,095 para ciclones Lapple e 0,041 para ciclones Stairmand. 
 Para os ciclones Lapple e Stairmand foi obtida uma equação empírica para o cálculo da 
eficiência individual de coleta apresentada na Equação 7. 
5 
 
η = (7) 
 Conforme visto nas câmaras de poeira a eficiência global de coleta pode ser calculada a 
partir da integração da eficiência individual de coleta para vários valores de frações acumuladas 
de passante. Utilizando a distribuição contínua de Rosin-Rammler-Bennett (RRB) tem-se que 
a eficiência global de coleta pode ser descrita pela Equação 8. 
η =
,
,
, , ,
× , (8) 
 A queda de pressão associada aos ciclones, normalmente está relacionada às 
configurações de entrada e de saída do equipamento e perdas de energia cinética. Essa queda 
de pressão é medida como a diferença entre a pressão no tubo de entrada e a pressão no tubo de 
saída. A queda de pressão (perda de carga) utilizada em sistemas de tubulações pode ser 
estendida para utilização em equipamentos como os ciclones. Da equação de Darcy-Weisbach 
tem-se uma proporcionalidade (linear) entre a razão da diferença de pressão com a densidade 
do fluido e o termo relativo a energia cinética (v²/2). Com isso tem-se que, de forma 
simplificada, que a razão entre a queda de pressão e a densidade do fluido pode ser escrita como 
na Equação 9 cuja velocidade (uc) é dada pela Equação 10. 
= k (9) 
u = (10) 
 A constante kf depende da família do ciclone sendo igual a 315 para ciclones Lapple e 
400 para ciclones Stairmand. 
 A potência do soprador pode ser calculada como a razão entre o produto da queda de 
pressão (ΔP) com a vazão (Q) pelo rendimento do motor (Equação 11). 
Ẇ = (11) 
Os ciclones podem operar em série ou em paralelo. Na operação em série a vazão dos 
ciclones é a mesma, porém a queda de pressão é a soma das quedas de pressão individuais de 
cada ciclone. Essa configuração é utilizada quando deseja-se separar os finos oriundos e um 
ciclone anterior. A potência pode ser calculada utilizando a queda de pressão como a soma das 
individuais. Na operação em paralelo a queda de pressão dos equipamentos é a mesma, porém 
a vazão é a soma das vazões individuais. Essa configuração permite a operação com elevadas 
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vazões visando o aumento da eficiência de coleta já que há um aumento na velocidade de 
alimentação. Com isso, a potência total seria a soma das potências individuais. Utilizando-se 
equipamentos com as mesmas dimensões tem-se que a vazão total seria o produto entre o 
número de ciclones em paralelo e a vazão de um único equipamento. A vazão de um único 
equipamento pode ser calculada a partir das dimensões do equipamento e da velocidade do 
fluido.PROJETO DE CICLONES 
 No projeto de ciclones tem-se como variáveis de processo a densidade do sólido, a 
esfericidade, a distribuição de tamanhos de partículas, a densidade e a viscosidade do fluido. 
Como variáveis de operação tem-se a vazão e a eficiência de coleta. 
 Um procedimento comum para o projeto é apresentado abaixo: 
1. Estabelecer a eficiência de coleta individual para um tamanho de partícula de interesse; 
2. Calcular o diâmetro da partícula de corte para a eficiência estipulada (Equação 12); 
3. A partir do diâmetro de corte calcular a dimensão D (Equações 10 ou 11); 
4. Calcular se serão utilizados ciclones em paralelo e quantos ciclones (n) a partir da 
dimensão calculada e da vazão fornecida; 
n =
Q á
Q
 
5. Calcular a nova vazão de cada ciclone a partir da necessidade de se utilizar ciclones em 
paralelo; 
6. Calcular a nova dimensão D a partir da nova vazão (Equações 10 ou 11); 
7. A partir de D e das relações calculam-se todas as outras dimensões; 
8. Calcular perda de carga e a potência. 
 
REFERÊNCIAS: 
Cremasco, M. A. Operações unitárias em sistemas particulados e fluidomecânicos. 2. ed. 
São Paulo: Blucher, 2014. 
 
Ortega-Rivas, E. Unit Operations of Particulate Solids: Theory and Practice. USA: CRC 
Press, 2012. 
 
Peçanha, R. P. Sistemas Particulados: Operações unitárias envolvendo partículas e 
fluidos. 1. ed. Rio de Janeiro: Elsevier, 2014.