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Departamento de Engenharia Química e Engenharia de Alimentos
EQA 5313 - Operações Unitárias de Transferência de Quantidade de Movimento
Prof. Regina de Fátima Peralta Muniz Moreira e  Prof. José Luciano Soares
 
Sedimentação
 

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    Sedimentação

Objetivos.

- Clarificação do líquido.
- Espessamento da suspensão.
- Lavagem dos sólidos.
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1. Fundamentos Teóricos.

- Dependência da concentração das partículas sólidas ( livre ou retardada ).

- Fatores que controlam a velocidade de decantação: rs, r , dp, forma das partículas e viscosidade do meio m (T) ® Então é possível aumentar a velocidade de decantação, aumentando a temperatura.

Tipos de Sedimentadores

    Nas indústrias químicas, os processos de separação por sedimentação são  feitos continuamente ou descontinuamente em equipamentos denominados tanques de decantação ou decantadores.

    Descontínuos: tanques cilíndricos com a solução em repouso por um certo tempo tempo.

    Contínuos: tanques rasos de grande diâmetro, em que operam grades com função de remover a lama. A alimentação é feita pelo centro do tanque.

    Os decantadores mais comuns são: de rastelos; helicoidal; ciclone e hidroseparadores.

    Quanto a finalidade podem ser classificados:

Clarificadores: fase de interesse é o líquido limpo.

Espessadores: fase de interesse é a zona de lama.

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2. Mecanismo de Decantação.
 
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A Þ Líquido limpo .
B Þ Região de concentração constante.
C Þ Região de concentração variável.
D Þ Região de compactação.

A sedimentação pode ser: natural  (livre) ou forçada (quando se utiliza floculantes- substâncias com propriedades de aglomeração de partículas).

O aumento do tamanho de partículas, aumenta a velocidade de sedimentação.
É possível aumentar o tamanho das partículas antes da decantação :

Digestão: No caso de precipitados Þ deixa-se a suspensão em repouso até que as partículas finas sejam dissolvidas, enquanto que as grandes crescem à custa das partículas menores.

Floculação : Aglomerar partículas formando flocos.
                    Uso de floculantes :  Eletrólitos;
                                                  Coagulantes- ex:
Al(OH)3, Fe(OH)3;
                                                  Tensoativos : Amido, gelatina, cola;
                                                  Polieletrólitos.

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3. Processo de Sedimentação.

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3.1. Dimensionamento de Clarificadores.

Provém dos trabalhos de Coe & Clevenger.

O projeto de decantador  consiste no cálculo da área de decantação :

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Onde :

S = Área do decantador;
QA = Vazão volumétrica da suspensão alimentada;
u = Velocidade de sedimentação.

Deve ser usado um coeficiente de segurança (f= 100%)  devido a :

- Escoamentos preferenciais,
- Diferenças locais de temperatura que causam turbulência,
- Variações bruscas nas condições de operação.

 A variável u (velocidade de sedimentação) é obtida da curva de decantação.
 

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3.2. Dimensionamento de Espessadores.

u = dz / dq
 

A. Método de Coe e Clevenger

        A área de um espessador deve ser suficiente para permitir a decantação de todas as partículas alimentadas.

    Hipóteses :

    - A velocidade de sedimentação é função da concentração local : u = f(C);
    - As características essenciais do sólido não se alteram quando se passa para o equipamento de larga escala. 

 

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        Para que não haja arraste de partículas sólidas na direção do vertedor, a velocidade ascencional do líquido nesta seção limite deverá ser menor do que a velocidade de decantação das partículas.

Q - QE = Vazão de líquido claro que sobe pelo decantador nesta seção.

    Se a área for insuficiente começará a haver acúmulo de sólidos numa dada seção do espessador e finalmente haverá partículas sólidas arrastadas no líquido clarificado.

Esta Seção Þ Zona Limite.
 
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Como  QA.CA = Q.C = QE.CE

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Onde :
S = Área de decantação (m2);
QA = Vazão volumétrica da suspensão (m3/s);
CA = Concentração de sólidos na suspensão (Kg/m3);
CE = Concentração de sólidos na lama (Kg/m3);
C = Concentração na zona limite (Kg/m3);
u = Velocidade de decantação na zona limite (m/s).

Þ C e u : São determinados experimentalmente.

Þ S : Diversos cálculos são realizados com pares de valores de C e u.

        O maior valor de S será a área mínima do decantador!!!!!!

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Exemplo 01 : Uma suspensão aquosa de CaCO3 foi submetida a uma série de ensaios de decantação e foram obtidos os seguintes resultados :

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    Deseja-se calcular o diâmetro de um decantador com capacidade de processar 8 ton/h de CaCO3 seco, alimentado ao decantador em suspensão contendo 236 Kg / m3. A lama deverá encerrar 550 Kg / m3.

Resolução :

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QA.CA = 8 ton / h
CE = 550 Kg / m3
CA = 236 Kg / m3

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Coeficiente de Segurança : 100 %
S = 342 m2
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B. Método de Kynch

        Consiste em fazer um ensaio que forneça a curva de decantação:

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- Calcula-se diversos pares (C,u) a partir da curva de decantação;

- Calcula-se

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- O máximo valor de S será a área do decantador.

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C. Método de Roberts

     Permite localizar com exatidão o ponto crítico ( entrada em compressão ).

Þ Com os dados do ensaio de decantação, traçar log(z-zf);

Þ A curva obtida mostra uma descontinuidade no ponto crítico.

 OBS: Ponto Crítico: linha de separação entre o espessado e o clarificado.
 

 
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D. Método de Talmadge e Fitch (Método Gráfico ).
 

- Traçar a tangente à curva de sedimentação na zona de clarificação;
- Traçar a tangente à curva de sedimentação na zona de espessamento;
- Traçar a bissetriz entre as 2 retas;
- Localizar o ponto crítico.
 

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- Traçar a tangente à curva de sedimentação passando pelo ponto crítico.

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- Localizar :

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- Ler qE

- Calcular a área, que por dedução através das 3 equações do método de Roberts resulta em :

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Exemplo 02 : Um ensaio de decantação foi realizado em laboratório num cilindro graduado de 1000 ml, com o fim de fornecer os dados para o projeto de um espessador para 30 ton/h de uma suspensão contendo 48 g/l de um sólido cristalino. Os resultados obtidos foram tabelados :

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A altura do cilindro graduado de 1000 ml é de 36,1 cm. A concentração de saída do decantador deverá ser a correspondente a 60 minutos de decantação.

Resolução :

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Fator de Segurança : 100 %

S = 1786 m2

D = 47,7 m

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3.3. Dimensionamento da Profundidade do Sedimentador.

        A concentração da lama espessada que se pode obter numa dada operação não é função da área do espessador, mas do tempo de residência dos sólidos na zona de compressão - Volume da zona de compressão.
 

- Cálculo do volume da zona de compressão :

Vazão mássica do sólido : QA.CA, Kg/m3

Vazão volumétrica de sólido : QA.CA / rS, m3/h

Tempo de residência do sólido na zona de compressão : tE - tC

Então, o volume de sólido na zona de compressão VS é dado por :

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Representando :

V : Volume da suspensão de densidade média (rm)

VS : Volume do sólido

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Então o volume de suspensão na zona de compressão V será :

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Este é o mínimo volume que a zona de compressão deverá ter para espessar a lama até a concentração CE :

H = V / S

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