relatorio ciclone
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FACULDADE PITÁGORAS - JUNDIAÍ
ENGENHARIA QUÍMICA
OPERAÇÕES UNITÁRIAS III
Profª. Francine Fábrega
RELATÓRIO DE LABORATÓRIO:
CICLONE
CRISTIANE SOUZA
MOISÉS SUHET
PATRÍCIA DE FREITAS
REGINALDO DOS SANTOS
Jundiaí, abril 2013
ÍNDICE DE ABREVIAÇÕES E SÍMBOLOS
D´= diâmetro de corte do tamanho da partícula cuja eficiência de coleta é de
50% no ciclone considerado.
B = largura do duto de entrada do ciclone.
N = número de voltas feitas pelo gás no interior do ciclone (igual a 5).
V = velocidade de entrada do gás no ciclone baseada na área B.H. (usado
15m/s).
µ = viscosidade do gás (N/m2s)
= densidade do gás (kg/m2)
s = densidade do sólido
”= densidade do gás com o pó, que é calculada em função da fração em
volume das partículas sólidas.
Ae = área de entrada
As = área de saída
Q = vazão (m3/s)
SUMÁRIO
1 RESUMO.............................................................................................5
2 OBJETIVO..........................................................................................5
3 INTRODUÇÃO....................................................................................5
3.1 TRANSPORTE PNEUMÁTICO........................................................5
a) Transportadores pneumáticos por aspiração e compressão..............6
3.2 PROCESSO ANALISADO...............................................................7
a) Caracterização dos Fluidos................................................................8
b) Características do fluido.....................................................................8
4. PARTE EXPERIMENTAL..................................................................9
4.1 Materiais e equipamentos.................................................................9
4.2 Procedimentos..................................................................................9
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES......................................................11
6 CONCLUSÕES.................................................................................15
REFERÊNCIAS....................................................................................16
1 RESUMO
Ciclone é um equipamento usado para coleta de poeira e também
utilizado como secador, seus objetivos de uso são: secagem de sólidos,
remover sólidos e/ou líquidos de gases; geralmente usados para remover
partículas maiores que 5 mm. O princípio de operação de um ciclone se dá
pela trajetória do gás: espiral dupla. O gás entra espiralando para baixo pela
periferia e volta para cima pela parte central. Neste estudo, avaliamos um fluido
que representa uma corrente de petróleo rica em gás natural, dispersos nesse
gás encontram-se uma mistura de óleo e água e partículas sólidas
provenientes do reservatório ou de erosão nos equipamentos. O ciclone aqui
projetado é para a separação do sólido (areia) do gás. Após os cálculos pode-
se desenhar um projeto de ciclone para estas condições.
2 OBJETIVO
Verificar a operação de transporte pneumático e o funcionamento do
ciclone.
3 INTRODUÇÃO
3.1 TRANSPORTE PNEUMÁTICO
O transporte pneumático pode ser definido como a arte de transportar
materiais em pó, grãos ou granulados através de um fluxo de ar, a uma velocidade
adequada, com pressão positiva ou negativa de um local para outro. Podendo ser
considerado uma ciência experimental, pois, mesmo aplicando-se os fundamentos
teóricos básicos no seu projeto, o desempenho do equipamento pode diferir muito
do projetado (DICKOW, 2013).
a) Transportadores pneumáticos por aspiração e compressão
Este tipo de sistema de transporte pneumático utiliza o princípio de
funcionamento conhecido como sistema misto. É um sistema muito versátil e
utiliza um único ventilador ou compressor, que atua tanto criando um vácuo
para a sucção do material, como gerando pressão para o recalque do material.
Como o sistema do transportador pneumático é um sistema misto, o coletor
ciclone é um separador de partículas do ar. O princípio de funcionamento do
coletor ciclone está baseado na separação de sólidos de um fluxo de ar por
meio de efeito centrífugo conforme ilustrado na Figura 1.
Figura 1: Coletor de Ciclone Delta Ducon
Fonte: DICKOW, 2013
Os ciclones são de grande uso em controle de poluição do ar,
principalmente como pré-coletores. Devido a sua eficiência baixa para
partículas pequenas, o seu uso nesses casos apresenta restrições face à
impossibilidade de atender normas de emissão mais exigentes. Em geral são
utilizados para a coleta de material particulado com diâmetro maior que 5 μm.
No interior do ciclone o fluido apresenta duas trajetórias espirais, designadas
por:
• Espiral descendente, localizada junto à parede externa, e;
• Espiral interna ascendente.
A eficiência de ciclones é muitas vezes caracterizada pelo seu
"diâmetro crítico" ou pelo seu "diâmetro de corte". O diâmetro crítico refere-se
ao diâmetro da partícula que o ciclone coleta com 100% de eficiência.
Similarmente, o diâmetro de corte refere-se ao diâmetro da partícula coletado
com 50% de eficiência O fator fundamental para o bom funcionamento de um
ciclone é o seu diâmetro. Para uma determinada perda de carga, a eficiência
do ciclone cresce em função do raio de giro. Como a perda de carga cresce
com o quadrado da velocidade, existe um compromisso com entre ambos
fatores, que impede de diminuir o valor do raio por debaixo de valores que
levam às perdas de cargas proibitivas.
A perda de carga nos ciclones é importante para determinar a potência
necessária do ventilador utilizado para a movimentação da mistura gás-sólidos
particulados. Normalmente esta perda varia de 05 a 10 cargas de velocidade
referente à área de entrada do equipamento.
3.2 PROCESSO ANALISADO
A produção de sólidos associada à produção de óleo e gás,
principalmente nos poços de petróleo offshore pode causar inúmeros
problemas aos equipamentos utilizados para produção e separação do petróleo
produzido. Esses sólidos podem ter origem tanto no conteúdo do reservatório
(areia, silte e etc) quanto na erosão dos equipamentos existentes no poço.
Segundo Rawlins (2002 apud CARVALHO, 2008), eles têm normalmente até
250 micrômetros e podem ser encontrados em diferentes concentrações, que
variam de 5-250 ppm.
O uso de ciclones para separação gás-sólido é uma alternativa
interessante para o tratamento dessas correntes oriundas dos poços, quando
comparados com outros equipamentos de separação tradicionalmente
utilizados nesse processo.
Alguns poços atualmente apresentam uma produção volumétrica de
gás muito maior do que de líquido. Nesse caso, os ciclones poderiam ser
instalados a montante do primeiro separador de produção e utilizados com o
objetivo de separar os sólidos, bem como a mistura de óleo e água dispersa no
gás produzido. Considerando que a relação de densidades entre gás e líquido
é da ordem de 1000 (dependendo da pressão de trabalho) enquanto entre o
líquido e o sólido é da ordem de 2, supõe-se que esses equipamentos estariam
inicialmente separando o gás dos outros elementos produzidos.
a) Caracterização dos Fluidos
O fluido estudado representa uma corrente de petróleo rica em gás
natural proveniente de um conjunto de poços cuja produção de gás é maior do
que a de óleo. Dispersos nesse gás encontram-se, também, uma mistura de
óleo e água e partículas sólidas provenientes do reservatório ou de erosão nos
equipamentos.
As partículas dispersas estão representadas pelo componente areia. A
mistura óleo/água não foi considerada, pois estima-se que esse componente
deve sair junto com a areia devido a sua densidade ser muito mais próxima a
da areia que a do gás. Caso este processo venha a ser empregado, na prática,
uma posterior separação entre a corrente líquida e a areia deverá ser prevista.
b) Características do fluido
Propriedades:
Massa específica do gás 9,7x10-3 g/cm3 à 700ºC e 13,2 bar
Viscosidade dinâmica 1,2x10-4 P à 700ºC e 13,2 bar
Massa específica da areia 2,65 g/cm3
Concentração volumétrica da areia 0,0056 %
4 PARTE EXPERIMENTAL
4.1 Materiais e equipamentos
Esferas
Aparato para ciclone com compressor.
Funil
Bolinha de borracha
4.2 Procedimentos
Depois de verificado a funcionalidade do compressor de pequeno porte
localizado na bancada do laboratório. Ligou-se o mesmo e esperou até que
alcançasse uma pressão relevante ao trabalho que seria realizado.
Em um béquer de vidro de 600 mL, segregou as esferas que seriam
transportadas pneumaticamente através do equipamento. Com essa visão,
colocou-se outro béquer, este vazio, na outra ponta do equipamento (Saída
inferior do ciclone), a fim de coletar as partículas esféricas que seriam
transportadas, como é mostrado na figura 2:
Figura 2: Transporte pneumático e ciclone
Após a preparação do equipamento e certificado que tudo estava em
seu devido lugar, ligou-se a vazão de ar comprimido e colocou a mangueira de
vazão do mesmo dentro da entrada do transportador pneumático.
Para que o transporte pudesse ser executado, foi preciso reconhecer o
ponto de melhor localização da mangueira, em altura e profundidade que a
mesma adentrava pelo tubo. Várias tentativas focam feitas até encontrar esse
ponto de melhor trabalho pneumático.
Depois de encontrado o ponto, pode-se observar o transporte eficiente
das partículas esféricas do béquer de descanso para o béquer vazio no final do
Ciclone, como é mostrado na figura 3:
Figura 3: movimento em espiral das partículas sólidas no ciclone
Após a execução desse processo, pode ser observado as partículas
sendo depositadas no fundo do béquer e o ar enviado pelo compressor saindo
pela parte de cima do Ciclone.
Alguns testes foram feitos a fim de se obter um melhor entendimento
do processo, sendo assim, um tubo de vidro com bocal afunilado foi colocado
na saída da mangueira de ar vinda do compressor.
Colocou-se o mesmo novamente o mesmo dentro do transportador
pneumático e observou a diferença que o bico afunilado causou no transporte
das partículas.
Outro teste foi realizado após essa observação. Retirou-se o tubo com
bico de vidro afunilado e colocou-se um funil de vidro na saída da mangueira
do compressor. Dentro do funil colocou-se uma bola de plástico e ligou o ar do
compressor.
Após o ar do compressor ligado virou-se o funil com a bola de plástico
de ponta cabeça e observou-se o comportamento que a mesma manifestou,
conforme mostra a figura 4:
Figura 4: Diferenças de pressão no ar comprimido
Este fenômeno foi provocado pela diferença de pressão entre o ar na
parte afunilada e o ar na parte maior. O ar com na parte afunilada provoca um
vácuo que suga a bolinha, conforme a pressão do compressor diminui, a
bolinha vai se soltando. A pressão menor na parte afunilada provoca aumento
na velocidade e diminuição da temperatura.
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Com os dados acerca do gás e do sólido (areia) e utilizando-se a rotina de
cálculos, pode-se projetar o ciclone conforme cálculos abaixo:
Considerando :
B=0,7m
ρ s=2650 g/m3
v=15m /s
ρ=9700 ∙10−3g /m3
μ=0,12Pa
D '=√ 9∙ μ ∙B2 ∙ π ∙N ∙ v ∙(ρs−ρ)
D '=√ 9 ∙0,12∙0,72 ∙ π ∙5 ∙15∙(2650−9700 ∙10−3)
=0,0078
Dc=13,96 ∙v ∙ (ρs− ρ) ∙D '
2
μ
Dc=13,96 ∙15 ∙(2650−9700 ∙10−3)∙(2,95 ∙10−4)2
0,12=2,8m
Lc=2 ∙D c
Lc=2 ∙2,8=5,6m
Ds=D c
2
Ds=2,82
=1,4m
J=Dc4
J=2,84
=0,7m
B=Dc4
B=2,84
=0,7m
H= QB∙ v
H= 14,70,7 ∙15
=1,4m
H=Dc2
∴1,4=1,4
ρ ' '=ρ+c ∙(ρs−ρ)
ρ ' '=9700 ∙10−3+0,4 ∙(2650−9700 10−3)=1065,82 g/m3
ξ=21,16 ∙( AeA s )1,21
ξ=21,16 ∙( 0,7 ∙1,4
π ∙1,42
4 )1,21
=12,25
∆ P=ξ ∙ ρ' ' ∙ v2
2∙ g ∙c
∆ P=12,25 ∙(1065,82 ∙152
2∙9,81 ∙0,4 )=374320,38gm2
¿374,3Kg /m2
∆ P(mmH 2O)=1078∙ ( AeA s )1,21
∙ ρ' ' ∙ v2
∆ P(mmH 2O)=1,078 ∙( 0,7∙1,4
π ∙1,42
4 )1,21
∙1065,82∙152=149777,49 g /m ∙s=149,7Kg /m∙s
Após os cálculos, o ciclone projetado ficou assim dimensionado:
Figura 5: Ciclone dimensionado após rotina de cálculos
6 CONCLUSÕES
Com este estudo, foi possível observarmos experimentalmente os
conceitos que envolvem o ciclone, desde a variação de pressão, onde se
observou que a pressão menor provoca um aumento na velocidade, o
movimento em espiral provoca pelo ciclone e a separação (sólido saindo por
baixo e o gás saindo por cima do aparato), e o transporte pneumático.
Após o experimento, pode-se aperfeiçoar os cálculos projetando um
ciclone com base nos dados do processo analisado.
REFERÊNCIAS
CARVALHO, Aline Teixeira de. Otimização de ciclone para a pré-separação de areia na produção de petróleo. Dissertação de Mestrado. (Or.)Prof. Ricardo de Andrade Medronho, Ph.D. Programa em Tecnologia de Processos Químicos e Bioquímicos. Escola de Química da Universidade Federal do Rio de Janeiro. RJ. Mar 2008. Disponível em: < http://tpqb.eq.ufrj.br/download/pre-separacao-de-areia-na-producao-de-petroleo.pdf>. Acesso em 11/04/2013.
DICKOW. Stefan Roberto. Dimensionamento de Transportador Pneumático para Resíduos de cereais. Trabalho de Conclusão de Curso. UNIJUÍ – Departamento de Ciências Exatas e Engenharias. Curso de Engenharia Mecânica – Campus Panambi. 2013. Disponível em: < http://bibliodigital.unijui.edu.br:8080/xmlui/bitstream/handle/123456789/1376/TCC_EGM_STEFAN_R_DICKOW_2012_2_vers%C3%A3o%20final.pdf?sequence=1>. Acesso em 14/04/2013.
MACHADO, Ana Paula. Otimização do processo de embalagens de polietileno. TCC. Universidade do Sul de Santa Catarina. Tubarão. Dez 2007. Disponível em: < http://busca.unisul.br/pdf/91730_Ana.pdf>. Acesso em 12/04/2013.