Hidrociclones_apostila

Prévia do material em texto

1 
 
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 HIDROCICLONES (2019.2) 
 
INTRODUÇÃO 
 Os hidrociclones, assim como as centrífugas, são equipamentos de separação sólido-
líquido ou líquido-líquido no qual a alimentação ocorre tangencialmente a uma câmara 
cilíndrica originando um movimento rotacional que favorece a separação das fases devido a 
diferença de densidade. 
PRINCÍPIOS BÁSICOS 
 De forma semelhante aos ciclones, os hidrociclones consistem de um cilindro vertical 
com a base cônica, uma entrada tangencial para a alimentação da suspensão, uma saída no topo 
para o líquido com baixa concentração de sólidos e uma saída na base para a coleta de uma 
solução com alta concentração de sólidos. 
Os hidrociclones também são caracterizados por dimensões geométricas que dão origem 
à uma família de hidrociclones com base em proporções definidas entre as dimensões 
principais. Na Figura 1 tem-se um desenho esquemático de um hidrociclone com a 
especificação das dimensões principais e na Tabela 1 tem-se as proporções especificadas para 
as famílias de hidrociclones Rietema e Bradley. 
 
 
 
 
 
 
 
2 
 
Figura 1. Desenho esquemático de um hidrociclone. 
 
Fonte: Cremasco, M. A., 2012. 
Tabela 1. Dimensões características das famílias de hidrociclones Rietema e Bradley. 
 Dimensões Rietema Bradley 
Do/D 0,28 1/7 
De/D 0,34 1/5 
h/D - 1/2 
H/D 5,00 - 
S/D 0,40 1/3 
B/D 0,10 – 0,30 0,07 – 0,15 
θ 10° - 20° 9° 
Fonte: Cremasco, M. A., 2012. 
 
Nos hidrociclones, diferentemente dos ciclones, o underflow é composto pelas 
partículas sólidas e por uma parte do líquido da corrente de alimentação. Com isso tem-se que 
nas três correntes dos hidrociclones (alimentação, underflow e overflow) tem-se partículas 
sólidas e líquido. 
 A coleta das partículas se dá por dois mecanismos, o primeiro é a sedimentação no 
campo centrífugo e o segundo é o arraste das partículas pela corrente líquida apenas devido a 
3 
 
separação do fluxo da corrente de alimentação. Esse segundo mecanismo tem eficiência de 
coleta de sólidos igual a eficiência de coleta de líquido. 
 A eficiência de coleta de líquido é quantificada através de um adimensional chamado 
de razão de líquido que é definido como sendo a razão entre a vazão volumétrica de líquido no 
underflow e a vazão volumétrica de líquido na alimentação (Equação 1). 
R = (1) 
 Normalmente os hidrociclones operam com valores de RL próximos a 0,1. 
 Na avaliação da eficiência dos hidrociclones pode-se utilizar o termo eficiência global 
de coleta reduzida para especificar que esse valor se refere a eficiência devido a ação do campo 
centrífugo (descontando a parcela que é removida apenas pelo arraste). De forma simplificada 
pode-se calcular a partir da Equação 2. 
η = (2) 
No qual o subscrito “ ′ ” identifica a eficiência reduzida. 
 No projeto e avaliação de hidrociclones utilizam-se inúmeras metodologias baseadas na 
correlação de dados e observações experimentais. A seguir serão apresentadas duas 
metodologias, uma apresentada por Massarani (1997) e a outra apresentada por Medronho e 
Svarovsky (1984). 
 A primeira metodologia que foi proposta por Massarani (1997) e apresentada por 
Cremasco (2012) é bem semelhante a metodologia para avaliação de ciclones acrescentando 
dois termos de correção, um relativo ao arraste das partículas sem a ação do campo centrífugo 
e outro ao efeito da concentração volumétrica de sólidos na corrente de alimentação. Com isso 
tem-se que: 
= K
( )
α(R ). β(C ) (3) 
α(R ) = 1 + φR (4) 
R = ξ (5) 
β(C ) =
[ , ( ) , ( )]
 (6) 
C = (7) 
 As constantes K, φ, ξ e ψ dependem da família do hidrociclone cujos valores encontram-
se apresentados na Tabela 2. 
4 
 
Tabela 2. Constantes K, φ, ξ e ψ para as famílias de hidrociclones Rietema e Bradley. 
Família K φ ξ ψ 
Rietema 0,039 1,73 145 4,75 
Bradley 0,016 1,73 55,3 2,63 
Fonte: Cremasco, M. A., 2012. 
 
 A segunda metodologia proposta por Medronho e Svarovsky (1987) e apresentada por 
Peçanha (2014) parte da obtenção de números adimensionais a partir das variáveis de processo, 
projeto e operação e sua correlação com dados experimentais. Foram definidas como variáveis 
de processo a densidade do líquido (ρ), a viscosidade do líquido (μ) e a diferença de densidade 
entre o sólido e o líquido (ρS – ρ). A variável de projeto foi definida como sendo o diâmetro da 
parte cilíndrica (D) e como variáveis de operação tem-se a vazão de alimentação (QA), a queda 
de pressão (ΔP) e o diâmetro de corte reduzido (dpc’). Com essas sete variáveis e tendo-se três 
dimensões base (MLT) resultam quatro adimensionais. Para o presente estudo apenas três 
adimensionais apresentaram interesse prático sendo eles: 
Π = = = = Re (8) 
Π =
∆
=
∆
=
∆
= Eu (9) 
Π =
( )
=
( )
=
( )
= Stk ′ (10) 
Stk ′Eu =
( )∆ 
 (11) 
v = (12) 
Em que Re é o número de Reynolds, Eu é o número de Euler e Stkc’ é o número de Stokes para 
a partícula de corte reduzido. 
 A partir de dados experimentais obtidos para o hidrociclone Rietema, foram obtidas as 
seguintes correlações: 
Stk ′Eu = 0,0474 ln
,
exp (8,96C ) (13) 
Eu = 371,5Re , exp(−2,12C ) , C < 0,1 (14) 
R = 1218
,
Eu , (15) 
5 
 
d = 0,737 ln
,
( )
,
exp(4,48C ) (16) 
D = 4,03
, ,
, ,
exp (−0,515C ) (17) 
B = 0,227 D , R
, ,
 (18) 
 Com as Equações 16, 17 e 18 torna-se possível a avaliação e o projeto de hidrociclones 
Rietema. 
 A queda de pressão associada aos hidrociclones, se apresenta de forma semelhante aos 
ciclones, porém com efeito mais acentuado. Utiliza-se também, de forma simplificada, a 
linearidade entre a razão entre a queda de pressão e a densidade do fluido e a velocidade 
característica ao quadrado dividido por 2. A velocidade característica é calculada pela Equação 
12 e a queda de pressão é avaliada pela Equação 19. 
= k (19) 
 A constante kf que depende da família do hidrociclone é igual a 1200 para hidrociclones 
Rietema e 7500 para hidrociclones Bradley. 
 A potência da bomba pode ser calculada como a razão entre o produto da queda de 
pressão (ΔP) com a vazão (Q) pelo rendimento do motor (Equação 20). 
Ẇ = (20) 
Os hidrociclones também podem operar em série ou em paralelo apresentando as 
mesmas características, na operação em série a vazão dos equipamentos individuais é a mesma, 
porém a queda de pressão é a soma das quedas de pressão individuais e para a operação em 
paralelo a queda de pressão é a mesma, porém a vazão total é a soma das vazões individuais. 
 
REFERÊNCIAS: 
Cremasco, M. A. Operações unitárias em sistemas particulados e fluidomecânicos. 2. ed. 
São Paulo: Blucher, 2014. 
 
Peçanha, R. P. Sistemas Particulados: Operações unitárias envolvendo partículas e 
fluidos. 1. ed. Rio de Janeiro: Elsevier, 2014.