Relatório Sedimentação (1)

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21
Pontifícia Universidade Católica do Paraná
ESCOLA POLITÉCNICA
ENGENHARIA QUÍMICA
amanda durau
ana caroline Druszcz dos santos
ana flávia lessa
Nicolas silva Melo
pamela neiva de souza
sedimentação
Curitiba
2019
amanda durau
ana caroline Druszcz dos santos
ana flávia lessa
nicolas silva melo
pamela neiva de souza
SEDIMENTAÇÃO
Trabalho apresentado à disciplina de Laboratório de Engenharia Química da Pontifícia Universidade Católica do Paraná, como requisito à segunda parcial. 
Orientadora: Profª Fulvy Antonella Venturi Pereira
Curitiba
2019
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Zonas de sedimentação com o decorrer do tempo	4
Figura 2 – Sedimentador contínuo	5
Figura 3 – Clarificador Lamelado	6
Figura 4- Pesagem do carbonato de cálcio	8
Figura 5- Sequência de procedimentos	9
Figura 6- Proveta no tempo zero	10
Figura 7- Medição da altura	11
Figura 8: Altura da interface em função do tempo.	14
Figura 9: Método Gráfico de Kynch.	15
Figura 10: Relação entre a taxa de sedimentação e a concentração.	16
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Dados do ensaio.	13
Tabela 2: Determinação da velocidade de sedimentação.	16
Tabela 3: Determinação da área mínima.	18
SUMÁRIO
1	Introdução	5
2	Objetivos	8
2.1	Objetivo geral	8
2.2	OBJETIVOS ESPECIFICOs	8
3	materiais e métodos	9
3.1	materiais	9
3.2	métodoS	9
3	resultados e discussão	13
4	conclusão	20
Referências	21
Introdução
A sedimentação é um processo físico amplamente utilizado industrialmente, como em indústrias químicas, estações de tratamento de água e unidades de beneficiamento de minérios, para promover a separação sólido-líquido, sendo de baixo custo e simplicidade operacional, cujo interesse pode variar desde a concentração de materiais particulados a clarificação de uma corrente líquida (AROUCA, 2007). 
Este processo é baseado na diferença de densidade dos constituintes da suspensão, em que as partículas sólidas presentes possuem densidade superior à do líquido circundante, que juntamente com a ação do campo gravitacional, promovem a separação das fases, resultando na deposição do sólido na base do sedimentador, local onde é realizado o processo, gerando, assim, um líquido claro e um lodo com alto teor de sólidos (LUNA, 2018).
Esta separação por sedimentação pode ocorrer de forma contínua ou em batelada (descontínua). No caso do processo descontínuo, este pode ser facilmente entendido a partir do teste de proveta de bancada, conforme ilustrado na Figura 1, onde há formação de quatro zonas distintas com o decorrer do tempo, em que A representa o líquido clarificado, B a região de concentração constante, ou seja, igual a inicial, C a concentração variável, entre a inicial e a de suspensão espessada, e D a de espessamento, que aumenta com o decorrer do tempo (HANASHIRO, 2018).
Figura 1 - Zonas de sedimentação com o decorrer do tempo
Fonte: HANASHIRO, 2018.
Já com relação a contínua, representada no esquema da Figura 2, as zonas possuem altura fixa, ocorrendo desta forma quando a taxa de alimentação da suspensão é igual a taxa de remoção da lama e do líquido límpido (HANASHIRO, 2018).
Figura 2 – Sedimentador contínuo
Fonte: HANASHIRO, 2018.
Além das classificações apresentadas anteriormente, os sedimentadores podem ser, também, classificados em duas categorias, sendo elas: os clarificadores e os espessadores. Com relação aos clarificadores, são utilizados quando pretende-se obter um sobrenadante limpo, com produção de lodos com baixa concentração de sólidos. Já com relação aos espessadores, são utilizados com a finalidade de se obter lodos com alta concentração de sólidos (AROUCA, 2007; HANASHIRO, 2018). 
No caso dos clarificadores, estes podem ser utilizados no tratamento de efluentes da indústria de tintas, com o intuito de atender as legislações para posterior lançamento em corpos receptores, e, também, reduzir os impactos ambientais, pois estes efluentes podem conter metais pesados (VIEIRA, 2015). 
Neste caso de tratamento, após a etapa de coagulação e floculação pode ser utilizado mais especificamente o clarificador lameado, que é constituído de um cilindro contendo em seu interior superfícies inclinadas agrupadas de modo a formar canais, por onde as partículas se sedimentam, deslizando até o fundo do equipamento, conforme ilustrado na Figura 3. A vantagem deste equipamento, perante os sedimentadores convencionais, é sua área reduzida, visto que, a área de sedimentação é a área da lamela multiplicada pelo número total de lamelas ativas (CARVALHO, 2019; VIEIRA et al., 2015).
Figura 3 – Clarificador Lamelado
Fonte: CARVALHO, 2019.
Objetivos
Objetivo geral
O objetivo geral do trabalho é analisar o processo de sedimentação a partir do método de ensaios de proveta com os dados obtidos na prática, e, também, posteriormente realizar o dimensionamento de um decantador, para atender a condição previamente estabelecida.
OBJETIVOS ESPECIFICOs
Os objetivos específicos do trabalho são:
· Representar graficamente a variação de altura da interface com o tempo para a suspensão problema;
· Calcular a velocidade de sedimentação em relação a concentração de sólidos, representando posteriormente graficamente os resultados obtidos;
· Realizar o dimensionamento de um decantador para atender o volume de 10000 m3 da solução problema.
materiais e métodos
materiais
· Proveta de vidro de 1000ml;
· CaCO3 sólido;
· Cronômetro;
· Béquer de 250ml;
· Béquer de 1000ml;
· Régua;
· Lâmpada;
· Bastão de vidro;
· Água deionizada;
· Pincel marcador.
métodoS
Com o intuito de preparar uma solução 0,06% em massa de CaCO3, primeiramente pesou-se aproximadamente 64g do carbonato em um béquer de 250ml (Figura 4). Com o auxílio de uma régua, foram realizadas marcações da altura na proveta a cada dois centímetros (ponto zero: altura inicial da água).
Figura 4- Pesagem do carbonato de cálcio
 
 Fonte: Os autores, 2019.
Após isso, inseriu-se 600 ml de água deionizada em um béquer de 1000ml, solubilizou-se a massa de CaCO3 pesada e transferiu-se a mistura para uma proveta de 1000ml. Então, lavou-se o béquer utilizado com mais 400ml de água deionizada para garantir que toda a massa de CaCO3 pesada fosse transferida para a proveta (Figura 5). Misturou-se a solução com um bastão de vidro, e anotou-se quantos milímetros o nível da solução aumentou após a adição do carbonato (6mm). Observa-se a proveta contendo a solução na Figura 6.
Figura 5- Sequência de procedimentos
Fonte: Os autores, 2019.
 
Figura 6- Proveta no tempo zero
 
 Fonte: Os autores, 2019.
	Nesse momento, iniciou-se a cronometragem do tempo. A cada minuto decorrido, a altura da interface do líquido límpido com os sólidos em suspenção teve que ser anotada. Isso foi possível com a ajuda de uma lâmpada que permitia melhor visualização do interior da proveta. A Figura 2 mostra uma das medições sendo realizada.
Figura 7- Medição da altura
Fonte: Os autores, 2019.
A altura foi coletada até que sua variação se mantesse 0,1cm a cada minuto. Isso ocorreu no tempo de 57 minutos, no qual a altura da interface encontrou-se em 19,2cm.
1. resultados e discussão
O dimensionamento do sedimentador pode ser feito a partir de métodos que relacionam a variação da altura de interface com o tempo decorrido no processo de sedimentação, dentre esses possíveis métodos de dimensinamento da área pode-se citar o de Kynch, o de Talmadge e Fitch, método do Biscaia Junior e o método de Coe e Clevenger (IFBA, 2016; SCHULTZ; CAMPOS, 2015).
Schultz e Campos (2015) fizeram um estudo comparativo entre o método de Kynch, Talmadge e Fitch e Biscaia Junior, ressaltando os principais pontos que favorecem ou não na escolha do mais indicado, portanto para fins de discussão e levando em consideração as informações salientadas por eles no estudo em relação aos melhores resultados de capacidadeproduzidos por Kynch se comparado à Coe e Clevenger, a limitação do método do Biscaia Junior para ensaios de curto período de duração e buscando reduzir os erros no traçado da bissetriz pertinente ao método de Talmadge e Fitch, optou-se por realizar o dimensionamento da área do sedimentador pelo método de Kynch.
Kynch propôs um método gráfico, utilizando um ensaio de bancada em batelada, do qual se obtém a curva de decantação diante de considerações como: a sedimentação ocorre em um único sentido, a concentração do sedimentado aumenta com o passar do tempo no fundo do recipiente e entre outras (SANTOS, 2013).
O experimento foi realizado seguindo tais considerações e os dados coletados durante o ensaio bem como a curva obtida a partir deles podem ser visualizados na tabela 1 e na figura 6, respectivamente.
Tabela 1: Dados do ensaio.
	Tempo (min)
	Interface (cm)
	0
	36,00
	1
	35,20
	2
	35,00
	3
	34,00
	4
	33,30
	5
	31,60
	6
	31,00
	7
	30,40
	8
	30,00
	9
	29,20
	10
	28,80
	11
	28,20
	12
	27,70
	13
	27,20
	14
	26,90
	15
	26,50
	16
	26,10
	17
	25,70
	18
	25,40
	19
	24,90
	20
	24,60
	21
	24,20
	22
	24,00
	23
	23,70
	24
	23,30
	25
	23,00
	26
	22,60
	27
	22,20
	28
	22,00
	29
	21,80
	30
	21,60
	31
	21,40
	32
	21,10
	33
	20,80
	34
	20,60
	35
	20,40
	36
	20,20
	37
	20,00
	38
	19,80
	39
	19,50
	40
	19,20
	41
	19,00
	42
	18,90
	43
	18,80
	44
	18,70
	45
	18,50
	46
	18,30
	47
	18,20
	48
	18,00
	49
	17,90
	50
	17,80
	51
	17,60
	52
	17,40
	53
	17,30
	54
	17,10
	55
	17,00
	56
	16,90
	57
	16,80
 Fonte: Os autores, 2019.
Figura 8: Altura da interface em função do tempo.
Fonte: Os autores, 2019.
O método de Kynch consiste em traçar retas tangentes aos pontos da curva de sedimentação, onde cruza a tangente na cota z, eixo com as informações da altura, obtém-se os valores da altura da interface pontual (zi), utilizada no cálculo da velocidade de sedimentação, conforme a definição da velocidade expressa na equação 1, e a concentração pontual (Ci) (SILVA et. al, 2018).
 Equação 01
Para o cálculo de Ci parte-se do balanço representado na equação 2, em que CA é a concentração inicial igual a 63,87 g/L e zA é a altura inicial expressa em cm e igual à 36. Fazendo os ajustes necessários chega-se a equação 3, aplicada no cálculo de Ci.
		 			Equação 02
					Equação 03
Seguindo o exemplo da figura 7, escolheram-se somente alguns pontos da série de dados obtidos no experimento para traçar as tangentes, a fim de simplificar os cálculos, os valores correspondentes aos tempos selecionados e calculados a partir das equações 2 e 3 estão dispostos na tabela 2.
Figura 9: Método Gráfico de Kynch.
Fonte: IFBA, 2016.
Tabela 2: Determinação da velocidade de sedimentação.
	Tempo (min)
	Tempo (h)
	z (cm)
	zi (cm)
	Velocidade (cm/h)
	Concentração (g/L)
	0
	0
	36,00
	-
	-
	-
	5
	0,08
	31,60
	35,80
	50,40
	64,22
	10
	0,17
	28,80
	34,10
	31,80
	67,43
	15
	0,25
	26,50
	32,20
	22,80
	71,40
	20
	0,33
	24,60
	31,00
	19,20
	74,17
	25
	0,42
	23,00
	30,50
	18,00
	75,38
	30
	0,50
	21,60
	28,80
	14,40
	79,83
	35
	0,58
	20,40
	28,00
	13,03
	82,11
	40
	0,67
	19,20
	27,70
	12,75
	83,00
	45
	0,75
	18,50
	25,50
	9,33
	90,17
	50
	0,83
	17,80
	24,60
	8,16
	93,46
	55
	0,92
	17,00
	21,70
	5,13
	105,95
	57
	0,95
	16,80
	20,10
	3,47
	114,39
Fonte: Os autores, 2019.
Com os valores de velocidade e concentração, montou-se a curva da figura 8.
Figura 10: Relação entre a taxa de sedimentação e a concentração.
Fonte: Os autores, 2019.
Outra hipótese adotada por Kynch é que a velocidade tende a zero conforme a concentração se aproxima do seu valor máximo, na prática em questão o valor máximo de concentração do sedimentado foi o último medido quando se atingiu uma variação constante da altura mensurada, que corresponde também ao valor adotado para a concentração na saída do sedimentador, no entando, ainda assim é possível observar o comportamento descrito por Kynch analisando a tendência da curva da figura 8, validando a utilização desse método para o dimensionamento do sedimentador do presente experimento (AROUCA, 2007).
A área mínima do sedimentador pode ser obtida a partir da equação 4, que relaciona a vazão de alimentação, a velocidade pontual e as concentrações.
 			Equação 04
Em que:
AMIN - área mínima do decantador;
QF - vazão volumétrica da suspensão alimentada ao decantador;
vi - velocidade de sedimentação;
CF - concentração de sólidos na alimentação do decantador;
CL - concentração de sólidos na saída do decantador;
Ci - concentração de sólidos na interface do decantador.
Partindo de uma vazão de alimentação de 10.000 m³/d, fornecida para o estudo e considerando a concentração de sólidos na alimentação igual a concentração inicial, calculou-se a área mínima para cada um dos pontos anteriormente selecionados, os resultados estão dispostos na tabela 3.
Tabela 3: Determinação da área mínima.
	Tempo (min)
	Tempo (h)
	z (cm)
	zi (cm)
	Velocidade (cm/h)
	Concentração (g/L)
	Área min. (m²)
	0
	0
	0,36
	-
	-
	-
	-
	5
	0,08
	31,60
	35,80
	50,40
	64,22
	360,54
	10
	0,17
	28,80
	34,10
	31,80
	67,43
	509,55
	15
	0,25
	26,50
	32,20
	22,80
	71,40
	614,24
	20
	0,33
	24,60
	31,00
	19,20
	74,17
	657,07
	25
	0,42
	23,00
	30,50
	18,00
	75,38
	668,72
	30
	0,50
	21,60
	28,80
	14,40
	79,83
	699,27
	35
	0,58
	20,40
	28,00
	13,03
	82,11
	701,81
	40
	0,67
	19,20
	27,70
	12,75
	83,00
	689,91
	45
	0,75
	18,50
	25,50
	9,33
	90,17
	669,64
	50
	0,83
	17,80
	24,60
	8,16
	93,46
	638,28
	55
	0,92
	17,00
	21,70
	5,13
	105,95
	361,18
	57
	0,95
	16,80
	20,10
	3,47
	114,39
	0,00
Fonte: Os autores, 2019.
Como trata-se da área mínima dimensionada, escolhe-se a maior área obtida nos cálculos, nesse caso igual a 701,81 m², e por questões de segurança deve-se ainda trabalhar com um fator de segurança (f), que pode variar entre 1,2 e 2,0. O valor estipulado para o experimento em questão foi de 1,5, dessa maneira a área final do sedimentador, obtida pela equação 5, é igual à 1052,71 m².
 				Equação 05.
No estudo de Schultz e Campos (2015), o valor de concentração inicial é igual à 66 kg/m³ e a altura inicial é 40, semelhante aos valores utilizados pela equipe e á área por eles obtida através do método de Kynch, sem aplicação do fator de segurança foi igual à 131,19 m², coerente com o valor aqui apresentado, visto que a vazão de alimentação desse exemplo foi de 30 m³/h e a concentração do lodo saindo do sedimentador, chamada por eles de concentração ideal de lodo, foi igual à 300 kg/m³.
O mesmo pode ser observado em outros experimentos que também utilizam o método de Kynch para o dimensionamento, dentro das proporções dos dados utilizados as áreas obtidas foram coerentes como o valor final da equipe, como no estudo de Santos (2013) que obteve uma área de 84,4 m², para uma vazão de entrada igual à 30 m³/h, uma concentração na saída do decantador de 0,25 g/cm³ e a concentração inicial igual à 0,0729 g/cm³.
	
	
1. conclusão
Ao analisar os dados obtidos a partir do ensaio, comparando-os com estudos já realizados, define-se que o valor da área final do sedimentador calculado (1052,71 m²) é plausível, considerando a grande vazão de alimentação diária prevista (10.000 m³/d).
Sendo assim, o método escolhido (Kynch) para o dimensionamento do equipamento mostrou-se eficiente e simples, já que requer apenas um ensaio que forneça a curva de decantação (Z versus θ). Ao observar o caminho tomado para determinar a área do sedimentador, nota-se que foram calculados diversos valores de áreas e dentre eles foi escolhido o maior. Isso deve-se ao fato de que é necessário garantir que a velocidade do líquido não seja maior que a velocidade de sedimentação da partícula mais lenta a ser recuperada, logo, é preciso ter uma margem de segurança.
Ressalta-se que os resultados coerentes calculados a partir do método de Kynch só foram possíveis devido à realização correta do procedimento.
Considera-se que a análise para o processo de sedimentaçãoa partir do método de ensaios de proveta e o dimensionamento de um decantador de escala industrial foram realizados com êxito. Sendo assim, os objetivos previamente determinados para esse experiemento foram cumpridos.
Referências
AROUCA, F. O. Uma contribuição ao estudo da sedimentação gravitacional em batelada. 2007. Disponível em: <https://repositorio.ufu.br/bitstream/123456789/15096/1/FOAroucaTES01PRT.pdf>. Acesso em: 17 out 2019.
CARVALHO, L. C. Separações Mecânicas. 2019. Disponível em: <https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/4675804/mod_resource/content/0/Apostila_sedimenta%C3%A7%C3%A3o_rev02.pdf>. Acesso em: 17 out 2019.
HANASHIRO, R. H. R. Floculação-sedimentação de microalgas em escala piloto. 2018. Disponível em: <https://www.prppg.ufpr.br/siga/visitante/gerenciadownload?op=download&doc=52656_2018_24_14_2_(.*)&idPessoal=52656&idPrograma=40001016056P9&nivelP=Pessoal&isMatch=false>. Acesso em: 17 out 2019.
INSTITUTO FEDERAL DA BAHIA – IFBA. Roteiros Referentes Às Aulas Práticas Do Laboratório De Engenharia Química 1. 2016. Disponível em: < http://www.ifba.edu.br/professores/edler/ENG511%20-%20LAB%20I/Roteiros_LAbENGQUIM_rev2_01_09_16%20(%20sedimenta%C3%A7%C3%A3o).pdf>. Acesso em: 26 out 2019.
LUNA, F. D. T. Estudo de sedimentador contínuo usando fluidodinâmica computacional. 2018. Disponível em: <https://teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3137/tde-22052018-142847/publico/FlaviaDaylaneTavaresdeLunaCorr18.pdf>. Acesso em: 17 out 2019.
SANTOS, I. 2013. Sedimentação. Instituto Federal da Bahia, Salvador, BA, 2013.
SCHULTZ, D. C. A; CAMPOS, G. 2015. Relatório De Sedimentação. Universidade federal do Rio Grande, Rio Grande, 2015.
SILVA, V. Q. et. al. Dimensionamento De Sedimentadores Contínuos Com Base Na Modelagem Matemática Da Sedimentação Em Proveta. Revista Mundi Engenharia, Tecnologia e Gestão. Paranaguá, PR, v.3, n.2, maio de 2018.
VIEIRA, W. T; GABRIEL, R; CARVALHO, S. H. V; SOLETTI, J. I. 2015. Uso de sedimentador lamelado aplicado ao tratamento de efluente da indústria de tintas. Disponível em: <http://pdf.blucher.com.br.s3-sa-east-1.amazonaws.com/chemicalengineeringproceedings/enemp2015/PS-698.pdf>. Acesso em: 17 out 2019.
0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30	31	32	33	34	35	36	37	38	39	40	41	42	43	44	45	46	47	48	49	50	51	52	53	54	55	56	57	36	35.200000000000003	35	34	33.300000000000004	31.6	31	30.4	30	29.2	28.8	28.2	27.7	27.2	26.9	26.5	26.	1	25.7	25.4	24.9	24.6	24.2	24	23.7	23.3	23	22.6	22.2	22	21.8	21.6	21.4	21.1	20.8	20.6	20.399999999999999	20.2	20	19.8	19.5	19.2	19	18.899999999999999	18.8	18.7	18.5	18.3	18.2	18	17.899999999999999	17.8	17.600000000000001	17.399999999999999	17.3	17.100000000000001	17	16.899999999999999	16.8	Tempo (min)
Interface (cm)
64.223698324022351	67.425466275659772	71.403987577639668	74.168012903225758	75.383881967213114	79.833625000000026	82.11458571428571	83.003913357400677	90.165035294117644	93.463756097560932	105.95430414746544	114.38847761194025	50.399999999999963	31.800000000000004	22.800000000000011	19.199999999999996	18	14.400000000000002	13.02857142857142	12.75	9.3333333333333357	8.16	5.127272727272727	3.473684210526319	C (g/L)
Velocidade (cm/h)