Post on 05-Aug-2015
SEDIMENTAÇÃO
Separação de uma suspensão por sedimentação gravitacional.
Obtém-se um fluido límpido e uma lama com maior teor de
sólidos.
fluido límpido
lama
Objectivos:
-Clarificação do líquido.
- Espessamento da suspensão.
- Lavagem dos sólidos.
Sedimentação: onde o sólido se move através do líquido em
repouso.
Esta pode ser subdividida de acordo com a concentração da
suspensão:
clarificação de líquidos: envolve suspensões diluídas e tem como
objectivo obter a fase líquida com um mínimo de sólidos.
espessamento de suspensões: visa obter os sólidos com um
mínimo de líquido, partindo de suspensões concentradas. Geralmente tem a finalidade de reduzir o tamanho de filtros ou de
centrífugas.
Sedimentação: Definida como o movimento de partículas no seio de
uma fase fluida, provocado pela acção da gravidade. Geralmente
as partículas sólidas são mais densas que o fluido.
SEDIMENTAÇÃO
fluido límpido
lama
Sedimentação
Logo que o processo de sedimentação inicia, todas as partículas
começam a sedimentar e atingem as respectivas velocidades
terminais.
Estabelecem-se zonas de concentração diferentes (para suspenões
concentradas)
Zona D: Região de compactação. Partículas mais pesadas, com
sedimentação + rápida
Zona C: distribuição variável de tamanhos e concentração não-
uniforme
Zona B: concentração uniforme ~ concentração da suspensão inicial
Região A: líquido límpido.
Sedimentação
À medida que a sedimentação continua, as alturas de cada zona
variam.
A e D aumentam.
Finalmente, chega-se a um ponto em que B e C desaparecem, e
todos os sólidos estão em D.
Este ponto é chamado de ponto crítico.
Ponto crítico: o ponto em que se forma uma única interface nítida
entre o líquido límpido e os sedimentos
O processo de sedimentação, daí por diante, consiste na
compressão lenta dos sólidos, com a expulsão do líquido retido
entre os sólidos para a zona límpida.
As velocidades de sedimentação são muito pequenas nesta lama
grossa.
► Sedimentação discreta (Tipo 1): As partículas permanecem com
dimensão e velocidades constantes ao longo do processo de
sedimentação.
► Sedimentação floculenta (Tipo 2): As partículas aglomeram-se e
aumenta a sua dimensão e velocidade ao longo do processo de
sedimentação.
► Sedimentação em zona (Tipo 3): As partículas sedimentam em
massa (i.e., adição de cal). As partículas ficam próximas e
interagem.
► Sedimentação por compressão (Tipo 4): As partículas
compactam-se como lodo.
CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DE SEDIMENTAÇÃO
Sedimentação
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 => 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.
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.
Descontínua: tanques cilíndricos com a solução em repouso por um
certo tempo; as alturas das várias zonas variam com o tempo
Contínua em estado estacionário: tanques rasos de grande diâmetro,
em que operam grades com função de remover a lama. A
alimentação é feita pelo centro do tanque; as alturas de cada zona
serão constantes com o tempo.
Tipos de Sedimentadores
Descontínuos
Contínuos
Tanque cilíndrico com
aberturas para a alimentação
da suspensão e para retirar o
produto. O tanque é cheio
com a supensão diluída e
esta fica em repouso,
sedimentando.
Grades que giram para remover
continuamente as lamas
Quanto à finalidade podem ser classificados:
Clarificadores: fase de interesse é o líquido limpo.
Espessadores: fase de interesse é a zona de lama.
Tipos de Sedimentadores
Espessador
Clarificador:
Cálculos do decantador contínuo
São governados pelas características de sedimentação dos sólidos
na suspensão.
O projecto de um decantador exige a especificação da área da
secção recta e a da profundidade.
É possível, a partir das informações da sedimentação descontínua,
projectar uma unidade capaz de produzir, de maneira contínua, um
determinado produto.
As medições em laboratório (sedimentação em provetas),
constituem os ensaios mais satisfatórios para determinar as
características de sedimentação de uma dada suspensão ou de
uma lama.
Cálculos do decantador contínuo
•Os declives desta curva, em qualquer
instante, constituem as velocidades de
sedimentação e são característicos da
concentração de sólidos presente.
•A parte inicial tende a ser linear. Na
operação de espessamento este
período de tempo é desprezável em
relação ao tempo total.
•À medida que o tempo passa o
declive diminui => velocidade de
sedimentação diminui.
Tempo
Altu
ra d
a inte
rfa
ce
Resultados de um ensaio de
sedimentação em provetas
aceleração
velocidade constante
desaceleração
compactação
Dimensionamento de Clarificadores (suspensões diluídas).
Provém dos trabalhos de Coe & Clevenger.
O projecto de um decantador consiste no cálculo da área de
decantação :
onde :
S = Área do decantador;
QA = Caudal volumétrico da suspensão alimentada;
v = 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 v (velocidade de sedimentação) é obtida da curva de
decantação.
v
QS A
Dimensionamento de Clarificadores.
Curva de sedimentação. Determinação da velocidade v
f
fzzv
0
onde:
Z = altura inicial da suspensão na proveta
Zf = altura dos sólidos depositados no fundo do recipiente
após o término da decantação
θf = tempo no final da decantação
Pode-se observar que, a velocidade de decantação é constante na
zona de decantação (II) e decresce na zona de compressão.
Dimensionamento de espessadores contínuos (suspensões> 50g/l)
Numa operação descontínua de decantação, conforme foi mostrado,
as alturas das várias zonas variam com o tempo.
Num equipamento que opera continuamente, as mesmas zonas
estão presentes. No entanto, uma vez atingido o regime
estacionário (quando a suspensão da alimentação é alimentada a
uma taxa igual á taxa de remoção da lama e do líquido límpido do
decantador), as alturas de cada zona serão constantes.
Dimensionamento de espessadores contínuos (suspensões> 50g/l)
Disposição das zonas num decantador contínuo
Dimensionamento de espessadores contínuos (suspensões> 50g/l)
O dimensionamento de espessadores pode ser feito por diversos
métodos:
Coe e Clevenger;
Kynch;
Roberts e
Talmadge e Fitch.
Dimensionamento de espessadores contínuos (suspensões> 50g/l)
Método de Coe e Clevenger
Neste método, que é a base dos
demais, considera-se que a área de
um espessador contínuo deve ser
suficiente para permitir a decantação
de todas as partículas alimentadas,
através das diversas zonas do
espessador em funcionamento normal.
Se a área for insuficiente começa a
haver acumulação de sólidos numa
dada secção do espessador e
finalmente haverá partículas sólidas
arrastadas no líquido clarificado.
Esta secção será denominada zona
limite
Método de Coe e Clevenger
Hipóteses:
A velocidade de sedimentação é função da concentração
local: v = f(C).
As características essenciais do sólido não se alteram quando
se passa para o equipamento de larga escala.
As velocidades de decantação em suspensões de diversas
concentrações são determinadas em experiências isoladas.
Determina-se a velocidade inicial de decantação para uma dada
suspensão com uma concentração inicial de sólidos e depois dilui-se
essa suspensão com água e novamente determina-se a velocidade
de decantação. Repete-se até que se tenham dados suficientes para
ter uma relação funcional entre a velocidade e a concentração. A
partir dessa relação, calcula-se a área S do decantador para várias
concentrações. O valor máximo encontrado será a área do
decantador. Deve-se adoptar um coeficiente de segurança, que pode
exceder 100%.
Dimensionamento de espessadores contínuos (suspensões> 50g/l)
Método de Coe e Clevenger
Para que não haja arraste de partículas sólidas na direcção do
vertedor de líquido clarificado:
vascenção líquido< vdecantação partículas
Não havendo arraste de partículas para cima, todo o sólido que
chega à zona limite sairá necessariamente pelo fundo do decantador
quando este opera em regime estacionário. Assim, a diferença entre
os caudais Q e QE será o caudal volumétrico de líquido que sobe
pelo decantador nessa secção:
Dimensionamento de espessadores contínuos (suspensões> 50g/l)
Método de Coe e Clevenger
Esta diferença dividida pela área do decantador S será a velocidade
ascensional do líquido na secção. Esta velocidade deverá ser menor
que a velocidade v de decantação dos sólidos nessa zona. A
condição limite pode ser expressa:
Logo:
Dimensionamento de espessadores contínuos (suspensões> 50g/l)
S
QQv E
v
QQS E
Método de Coe e Clevenger
Considerando:
- Regime estacionário;
- Não há arraste de sólidos pelo líquido ascendente.
Balanços materiais do sólido no decantador:
Então
Logo
Dimensionamento de espessadores contínuos (suspensões> 50g/l)
O maior valor de S será a área
mínima do decantador!!!!!! v
Método de Kynch
Kynch desenvolveu um método de dimensionamento de
decantadores que requer apenas um ensaio que forneça a curva de
decantação ( Z versus θ ). Tanto C como v podem ser tirados
directamente da curva. Traçam-se tangentes em diversos pontos da
curva e determinam-se os valores de θ , Z e Zi .
Dimensionamento de espessadores contínuos (suspensões> 50g/l)
Determinação gráfica de v e C pelo
método de Kynch
v
C: Concentração de sólidos na
altura z
C0: Concentração de sólidos
inicial
Z0: Altura inicial dos sólidos
suspensos.
z: Altura da interface.
v: velocidade de sedimentação
na altura z
θ: tempo necessário para para
se atingir z
Método de Kynch
Calculam-se os diversos pares de valores da concentração e da
velocidade de decantação, com os quais são calculados os valores
correspondentes da secção transversal.
O valor máximo obtido corresponde à área mínima do decantador.
Dimensionamento de espessadores contínuos (suspensões> 50g/l)
v
Método de Roberts
Este é um método gráfico que permite
localizar com exactidão o ponto crítico (início
da zona de compressão), que às vezes é
difícil de determinar pelo método anterior.
Com os dados do ensaio de decantação
traça-se um gráfico de Zf − Z versus θ em
papel semi-log
A curva obtida mostra uma descontinuidade
no ponto crítico, o que permite determinar θc
com precisão.
Conhecido este valor, calcula-se
directamente a área mínima com a seguinte
equação:
Dimensionamento de espessadores contínuos (suspensões> 50g/l)
onde
vc
vc
Método de Talmadge e Fitch
Este método gráfico permite calcular
directamente a área mínima do
espessador quando se conhece o ponto
de compressão (Pc) na curva de
decantação. Uma construção gráfica
muito simples fornece directamente θE
pelo cruzamento da tangente no ponto Pc
com a horizontal Z = ZE , onde ZE é a
altura da interface correspondente à
concentração CE especificada para a lama
espessada.
Dimensionamento de espessadores contínuos (suspensões> 50g/l)
Método de Talmadge e Fitch
A área mínima pode ser calculada a partir das equações utilizadas
anteriormente.
Substituindo as equações acima na expressão para o cálculo da
área vem:
Dimensionamento de espessadores contínuos (suspensões> 50g/l)
vc
vc
Dimensionamento de espessadores contínuos (suspensões> 50g/l)
Método de Talmadge e Fitch
Como:
A área mínima será:
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. Para determinar o
volume da zona de compressão são considerados os seguintes
parâmetros:
Caudal mássico do sólido : QA.CA, (t/h)
Caudal volumétrico de sólido : QA.CA / ρS (m3/h)
Tempo de residência do sólido na zona de compressão : θE - θC
Então, o volume de sólido na zona de compressão VS é dado por :
Dimensionamento de espessadores contínuos (suspensões> 50g/l)
)(CQ
V CE
S
AAS
Dimensionamento da Profundidade do Sedimentador
Representando
V: volume da suspensão de densidade média (ρm)
VS: Volume dos sólidos
Então o volume de suspensão na zona de compressão será:
Como H=V/S vem:
Dimensionamento de espessadores contínuos (suspensões> 50g/l)
m
sCE
S
AA )(CQ
V
m
SS
SSSm
VV
VVVV .
m
sCE
S
AA )(S
CQH