sexta-feira, 19 de junho de 2015

OPERAÇÕES UNITÁRIAS:SEDIMENTAÇÃO GRAVITACIONAL

Texto enviado pela representante Beta EQ, Karine Costa

A disciplina de Operações Unitárias é aquela que classifica e estuda, separadamente, os principais processos físico-químicos utilizados na indústria química. Os processos mais comuns encontrados nas indústrias químicas são a Destilação Atmosféricae a Vácuo, os processos de Absorçãoe Adsorção, a Extração Líquido-Líquidoe Líquido-Gás, o processo de Filtração, TransportedeSólidos, Trituração, Separação, Evaporação, Resfriamento, Secagem, Cristalização, etc. 
De uma forma geral, uma operação unitária é aquela etapa física de um processo industrial e que, portanto, não envolve a ocorrência de transformações químicas.

Tipos de Operações Unitárias
- Mecânicas             
- Transferência de Massa
- Transferência de Calor

OPERAÇÕES UNITÁRIAS MECÂNICAS
São as operações de transporte, separação e transporte de fluidos.
ð Definição de Fluidos:
            A matéria se apresenta basicamente em três fases de agregação: sólida, líquida e gasosa. As fases líquida e gasosa são chamadas de fluidas, pois apresentam a propriedade de se deformarem continuamente quando é aplicada sobre elas uma força tangencial, denominada “tensão de cisalhamento”. Em outras palavras, um material fluido é aquele que apresenta a propriedade de escoar.

ð Conceito Básico de Mecânica dos Fluidos:
Para o estudo das Operações Unitárias de transporte e de separação de fluidos, é importante o estudo da Mecânica dos Fluidos, ou seja, o estudo do comportamento desses fluidos quando submetidos à ação de uma força. As características mais importantes para o dimensionamento de equipamentos de processos são a viscosidade e a pressão do fluido.

ð Transporte e Armazenamento de Fluidos:
São realizados por:
- Bombas: centrífugas (rotor) e de deslocamento positivo ( pistão )
- Válvulas (controle e bloqueio)
- Linha de tubulações
- Medidores de vazão
- Vasos pressurizados.

ð Separação de Fluidos:
            Realizada por:        

- Centrifugação
- Filtração

OPERAÇÕES UNITÁRIAS DE TRANSFERÊNCIA DE MASSA
São as operações que envolvem a separação de líquidos miscíveis.
- Propriedades das soluções ® principalmente as diferenças entre os Pontos de Ebulição.
. Principais Operações de Transferência de Massa:
- Destilação
- Absorção – soluções líquido-gás
 OPERAÇÕES UNITÁRIAS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR
São as operações de troca térmica entre fluidos:
. Mecanismos de Troca de calor:
- Condução: contato entre dois corpos fluidos
- Convecção: mistura de fluidos
- Radiação: ondas de calor
 . Principais Equipamentos para a realização da Transferência de Calor:
- Trocadores de Calor
- Evaporadores
 OPERAÇÕES DE SEPARAÇÃO ENTRE SÓLIDO E LÍQUIDO (Decantação, sedimentação e Centrifugação).
 Decantação
 A etapa de separação entre sólido líquido está entre as operações unitárias mais importantes que hoje são empregadas em indústrias químicas, têxteis, farmacêuticas, no beneficiamento de minério, bem como no processamento de alimentos, tratamento de água e resíduos, entre outras, pois muitos dos produtos industriais são suspensões de sólidos em líquidos. Existem dois critérios de classificação dos métodos de separação:

a)    Quanto ao movimento relativo das fases.
1 – Decantação é onde o sólido se move através do líquido em repouso. Esta pode ser subdividida de acordo com a concentração da suspensão. A clarificação de líquidos envolve suspensões diluídas e tem como objetivo obter a fase líquida com um mínimo de sólidos. O espessamento de suspensões visa obter os sólidos com um mínimo de líquido, partindo de suspensões concentradas.
2 – Filtração: operação na qual o líquido se move através da fase sólida estacionária.

b) Quanto à força propulsora. As operações são gravitacionais, centrífugas, por diferença de pressão ou eletromagnéticas. Então, com a combinação destes critérios, tem-se a seguinte divisão:

Ø Separação por decantação:
– Clarificação de líquidos            
– Espessamento de suspensões           
– Lavagem de sólidos

Ø  Decantação invertida (Flotação),
Ø  Separação centrífuga,                      
Ø  Filtração.
 Separação por Decantação (Sedimentação Gravitacional)
Definida como o movimento de partículas no seio de uma fase fluida, provocado pela ação da gravidade. Geralmente as partículas sólidas são mais densas que o fluido. O caso em particular que será estudado é o de partículas sólidas que decantam através de uma fase líquida, apesar de haver decantação de sólidos ou líquidos em gases. A decantação pode ter como objetivo a clarificação do líquido, o espessamento da suspensão ou ainda a lavagem dos sólidos.
ÆClarificação do líquido: tem-se inicialmente uma suspensão com baixa concentração de sólidos para obter um líquido com um mínimo de sólidos.
ÆEspessamento da suspensão: inicialmente se tem uma suspensão concentrada para obter os sólidos com uma quantidade mínima possível de líquido. Geralmente tem a finalidade de reduzir o tamanho de filtros ou de centrífugas. Um decantador pode funcionar como clarificador ou espessador.
ÆLavagem dos sólidos: é a passagem da fase sólida de um líquido para outro, para lavá-la sem filtrar (operação mais dispendiosa). Esse processo pode ser realizado em colunas onde a suspensão alimentada pelo topo é tratada com um líquido de lavagem introduzido pela base. A decantação das partículas sólidas realiza-se em suspensão de concentração praticamente constante. Porém são operações instáveis, pois existem escoamentos preferenciais intensos causados pelas diferenças locais de concentração. Uma alternativa é utilizar decantadores em série operando em contracorrente.

Tipos de Decantação
A decantação pode ser livre ou retardada. No primeiro tipo as partículas encontram-se bem afastadas das paredes do recipiente e a distância entre cada partícula é suficiente para garantir que uma não interfira na outra. Para que a sedimentação seja “livre” o número de colisões entre as partículas não pode ser exagerado, portanto pode-se ter sedimentação livre em suspensões concentradas. A decantação retardada ou ainda decantação com interferência ocorre quando as partículas estão muito próximas umas das outras, sendo muito frequente o número de colisões. De um modo geral os fatores que controlam a velocidade de decantação do sólido através do meio resistente são:
Ø  As densidades do sólido e do líquido;
Ø  O diâmetro e a forma das partículas;
Ø  A viscosidade do fluido.

A viscosidade do fluido é influenciada pela temperatura, logo, dentro de certos limites, é possível aumentar a velocidade de decantação através do aumento da temperatura. Porém, o diâmetro e as densidades são fatores mais importantes. É possível, antes da decantação, realizar uma etapa visando o aumento das partículas.
A digestão e a floculação são dois métodos utilizados com o objetivo de aumentar o tamanho das partículas sólidas antes da decantação, etapa essencial no caso de sistemas coloidais (dispersão onde as partículas do disperso apresentam tamanho médio entre 1 e 100nm, exemplo: gelatina ou amido em água), pois neste estado a decantação é impossível, uma vez que o movimento browniano (movimento aleatório de partículas macroscópicas num líquido como consequência dos choques das moléculas do líquido nas partículas) e a repulsão elétrica entre as partículas anulam a ação da gravidade. A digestão consiste em deixar a suspensão em repouso até que as partículas finas sejam dissolvidas enquanto as grandes crescem à custa das pequenas, na qual é utilizada no caso de precipitados. Isto ocorre devido a maior solubilidade das partículas menores com relação às maiores.
A floculação consiste em aglomerar as partículas à custa de forças de Van Der Waals (força de atração entre as moléculas), dando origem a flocos de maior tamanho que o das partículas isoladas. Dois fatores estão relacionados com o grau de floculação de uma suspensão:

a)    A probabilidade de haver o choque entre as várias partículas que vão formar o floco, que depende da energia disponível das partículas em suspensão. Portanto, uma agitação branda favorece os choques, aumentando o grau de floculação. Entretanto, a agitação não pode ser intensa devido a possível desagregação dos aglomerados formados;

b)    A probabilidade de que, depois da colisão, elas permaneçam aglomeradas. O uso de agentes floculantes aumenta a probabilidade dos aglomerados recém-formados não se desagregarem espontaneamente, são eles:

1 – Eletrólitos: neutralizam a dupla camada elétrica existente nas partículas sólidas em suspensão, eliminando dessa forma as forças de repulsão que favorecem a dispersão. Assim as partículas podem aglomerar-se, formando flocos de dimensões convenientes. O poder aglomerante do eletrólito é diretamente proporcional a valência dos íons (regra de Hardy-Shulze).
2 – Coagulantes: provocam a formação de precipitados gelatinosos capazes de arrastar consigo, durante a decantação, as partículas finas existentes em suspensão, como por exemplo na clarificação de águas, na qual é muito utilizado sais de alumínio (sulfato de alumínio) e de ferro.
3 – Agentes Tensoativos: decantam arrastando consigo os finos de difícil decantação.

4 – Polieletrólitos: são polímeros de cadeias longas com um grande número de pontos ativos nos quais as partículas sólidas se fixam, formando flocos.

A escolha do melhor floculante deve ser feita experimentalmente para cada caso específico. A separação entre sólido e líquido através do método de sedimentação gravitacional é aplicada há bastante tempo. Antigamente utilizavam-se recipientes ou poços (processo em batelada) principalmente para a clarificação de líquidos extraídos tais como vinho ou azeite.
O processo em batelada é ainda praticado em indústrias que apresentam um baixo fluxo, porém plantas industriais maiores requerem a implantação de uma operação contínua. A tendência de implantar os processos contínuos começou no final do século XIX quando alguns processos de beneficiamento cresceram rapidamente, como por exemplo, o beneficiamento de minério de ferro e de carvão.
Em tratamento de água, a finalidade da decantação (clarificação) é transformar as impurezas que se encontram em suspensão fina, em estado coloidal ou em solução; bactérias, protozoários e o plâncton, em partículas maiores (flocos) que possam ser removidas por decantação e filtração. A clarificação representa uma parte bastante delicada e importante do tratamento de água e, se ela for falha, podem-se ter problemas bastante sérios nas operações seguintes. Dentre as partículas que se encontram na água provocando turbidez e cor, as que causam maiores dificuldades de remoção são as partículas coloidais.
Atualmente conhecemos como unidades clássicas de tratamento:

a) Misturadores: unidade onde a água bruta recebe o coagulante. Tem por finalidade proporcionar um movimento turbilhonar, a fim de que ocorra a dispersão da substância química empregada.
b) Acondicionadores (floculadores): são unidades onde a velocidade da água é diminuída para favorecer a formação do floco, promovendo o contato e a atração do material em suspensão.
c) Decantadores: após as operações de coagulação e floculação a etapa seguinte é a separação dos sólidos do meio no qual encontram-se suspensos. Isto é conseguido através da decantação e/ou filtração. Estas etapas do processo de clarificação não se constituem como processos independentes, mas sim complementares. A decantação objetiva a separação do material mais denso do que a água, enquanto que a filtração preocupa-se com partículas de densidade próxima a da água.

d) Filtros: seu objetivo básico é separar as partículas e microrganismos que não tenham ficado retidos no processo de decantação. Por esta razão a eficiência dos filtros depende diretamente do desempenho dos processos anteriores. As indústrias de alimentos utilizam largamente operações unitárias fundamentadas nas operações físicas entre sólidos particulados e fluidos, como por exemplo:
Ø  Processos de cristalização (separação dos cristais);
Ø  Produção de cerveja: etapa de fabricação do mosto (separação do precipitado proteico e dos componentes do lúpulo não solubilizados do mosto quente);
Ø  Produção de vinho: após a prensagem, o mosto deve ser clarificado por sedimentação, filtração ou centrifugação com o objetivo de remover os sólidos. Na sedimentação o mosto é resfriado a 15ºC e deve repousar entre 12 a 48 horas;
Ø  Processo de obtenção de açúcar de cana: A cana é inicialmente lavada, para remover a terra e os detritos, após é picada e esmagada em moendas, na preparação para a remoção do caldo e então, o caldo é extraído pela passagem da cana esmagada através de uma série de moendas. Para macerar a cana e auxiliar a extração, é possível adicionar água ou caldo diluído às moendas. O caldo é coado para remover impurezas grossas e tratado com cal para coagular parte da matéria coloidal, precipitar certas impurezas e modificar o pH. Além do agente alcalinizante, utilizam-se polieletrólitos, pois em pequenas quantidades (1 ou 2 ppm) melhoram a floculação. Adiciona-se um pouco de ácido fosfórico, pois os caldos que não contêm um pouco de fosfato não são bem clarificados. A mistura é aquecida com vapor de água à alta pressão e decantada em grandes tanques (espessadores contínuos). Para recuperar o açúcar dos lodos decantados, usam-se filtros a vácuo, a tambor rotatório ou filtro prensa de quadro. O filtrado (caldo clarificado) é evaporado tornando-se um xarope grosso. O xarope resultante é lançado no primeiro estágio de um evaporador a vácuo, onde atinge um determinado grau de supersaturação. Adicionam-se núcleos de açúcar cristal (semeadura) e pela adição de xarope grosso e evaporação controlada, os cristais crescem até o tamanho desejado nesses cristalizadores. A mistura de xarope e cristais (massa cozida) é lançada num cristalizador onde há uma deposição adicional de sacarose sobre os cristais já formados, e a cristalização está completa.
Após a massa cozida é centrifugada para a remoção do xarope, esse xarope é reciclado para dar uma ou mais cristalizações. O líquido residual, depois da reciclagem, é conhecido como melaço. A sedimentação também é uma das principais operações envolvidas no tratamento primário de efluentes, e considerando o volume representativo de água residuária produzido por indústrias, inclusive de alimentos, e a atual preocupação com o ambiente, este tratamento primário deve ser observado com grande importância.
           Decantadores para Sólidos Grosseiros
 A separação de sólidos grosseiros de uma suspensão é uma operação mais simples de conduzir do que a de partículas finas. Esta separação pode ser realizada em tanques de decantação operando em batelada ou em processo contínuo. As partículas podem ser retiradas pelo fundo do decantador e o fluido um pouco acima, ou ambos pelo fundo, através de manobras adequadas. Porém, esses equipamentos não permitem a classificação dos sólidos pelo tamanho.  
1 – Decantador de rastelos: a suspensão é alimentada num ponto intermediário de uma calha inclinada. Um conjunto de rastelos arrasta os grossos (decantados facilmente), para a parte superior da calha. Devido à agitação moderada promovida pelos rastelos, os finos permanecem na suspensão que é retirada através de um vertedor que existe na borda inferior da calha.

2 – Decantador helicoidal: semelhante ao anterior, onde a suspensão é alimentada num ponto intermediário de uma calha semicircular inclinada. A helicoide arrasta continuamente os grossos para a extremidade superior da calha. O movimento lento promovido pelo mecanismo transportador evita a decantação dos finos, que permanecem na suspensão sendo retirada através de um vertedor.
3 – Ciclone separador: a alimentação é feita tangencialmente na secção superior cilíndrica do ciclone por meio de uma bomba. Os finos saem pela abertura existente na parte superior e os grossos saem pelo fundo da parte cônica inferior, através de uma válvula de controle.
4 – Hidroseparador: o mais conhecido é um tanque cilíndrico com fundo cônico e equipado com rastelos que giram lentamente. Esses equipamentos funcionam como classificadores ou separadores de primeiro estágio, pois os finos devem ser retirados do líquido em decantadores de segundo estágio.

Decantadores para Sólidos Finos
A decantação de sólidos finos pode ser feita sem interferência mútua das partículas (decantação livre) ou com interferência (decantação retardada). O tipo de decantação, de modo geral, depende da concentração de sólidos na suspensão. A velocidade de decantação pode ser calculada através de correlações empíricas para a decantação retardada e pelas leis de Stokes e Newton.
O projeto de decantadores é baseado em ensaios de decantação realizados em laboratório devido ao desconhecimento das verdadeiras características das partículas. O tamanho dos flocos formados não é predito, sendo difícil até mesmo reproduzir com segurança as condições que conduzem a um determinado tipo de floculação. Nem a densidade das partículas é conhecida com certeza, uma vez que a forma dos flocos é indefinida e a quantidade de água retida é variável. Os ensaios de laboratório são conduzidos de maneira diferente quando se trata de solução diluída ou concentrada, estes permitem a obtenção das curvas de decantação da suspensão.
A sedimentação industrial pode ser operada descontinuamente ou ainda continuamente em equipamentos denominados tanques de decantação ou decantadores (clarificadores ou espessadores). O decantador em batelada é um tanque cilíndrico com aberturas para alimentação da suspensão e retirada do produto. O tanque é cheio pela suspensão e fica em repouso, sedimentando. Depois de um período pré-estabelecido, o líquido puro é decantado até que a lama apareça no fluido efluente. A lama é removida através de aberturas no fundo do tanque.
Os decantadores contínuos são tanques rasos, de grande diâmetro, onde operam grades que giram lentamente e removem a lama. A suspensão é injetada pela parte central do equipamento. Em torno da borda do tanque existem vertedores para a retirada do líquido límpido. As grades (ou rastelos) servem para raspar a lama, conduzindo-a para o centro, por onde é descarregada. O movimento das grades promove uma agitação na camada de lama, favorecendo a floculação e a remoção da água retida na lama. Os rastelos giram à razão de 1 rotação a cada 5 a 30 minutos.
A capacidade de um decantador depende da área de decantação. Quando áreas muito grandes são necessárias utilizam-se bacias de decantação que ficam diretamente no terreno ou decantadores de bandejas múltiplas. Cada bandeja é ligeiramente inclinada e munida de rastelos presos ao eixo central.

Referências bibliográficas

Brilhante, A. Apostila de Operações Unitárias.Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Mato Grosso. 2012.


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