A04 Caracterização de Partículas Câmaras Gravitacionais Ciclones

5/20/2018 A04 Caracteriza o de Part culas C maras Gravitacionais Ciclones

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CARACTERIZAO DE PARTCULAS_____________________________________

ENGENHARIA AMBIENTAL

OPERAES UNITRIAS

MONTES CLAROS, 2013


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Propriedades fsicas e morfolgicas da partcula

porosidade, tamanho e distribuio dos poros, reasuperficial e massa especfica

Caractersticas fsicas de uma partcula isolada

IMPORTNCIAcompreenso de fenmenos que regem uma determinadaoperao unitria.aprimoramento de tecnologias envolvendo sistemasparticulados.


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POROSIDADE DA PARTCULA

POROSIDADE: a frao de espaos vazios de uma partcula ou de umaglomerado de partculas.

TIPOS DE POROS:os poros podem ser fechados, fechados em apenas

uma extremidade (dead end pore) e aberto ou vazios.

Figura 1 - Classificao dos porosFonte: WEBB e ORR, 1997 apud CREMASCO, 2012.


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Poros fechados no contribuem para o transporte dematria atravs do material poroso, apenas os poros abertospodem contribuir.

Os poros com passagens que comeam em um lado dapartcula e nunca emergem so chamados de poros

obscuros, ainda que possam ser penetrados por fluidos,contribuem muito pouco para o transporte de matria.


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A porosidade, portanto, corresponde relao entre ovolume ocupado pelos poros e/ou vazios e o volume total daamostra.


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Dependendo do tipo do meio poroso, o valor da porosidadepode variar de prximo de zero at perto da unidade.

Como exemplo pode-se citar que alguns metais e tipos depedras vulcnicas possuem porosidade muito baixas. J osfiltros fibrosos isolantes trmicos so materiais bastanteporosos.


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CLASSIFICAO DOS POROS

Tipos de poros Tamanho de poros

Macroporos Maior que 50nmMesoporos Entre 2 e 50nm

Microporos Entre 0,6 e 2nm

Ultramicroporos Menor que 0,6nm

Tabela 1Classificao de poros de acordo com o tamanho

Fonte: ALLEN, 1997 apud CREMASCO, 2012


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MTODOS EXPERIMENTAIS PARA POROSIDADE:

Mto d o d e im b eb io

Imergir a amostra em um fluido molhante, sob vcuo, causar aimbebio de todos os espaos;

Amostra pesada antes e depois da imbebio; Com a diferena das massas e densidade do lquido, obtm-se ovolume de poros.

Mtodo de intruso de mercrioO volume da amostra determinado pela imerso da amostra nomercrio lquido, sob presso de at 400MPa, forando o mercrio apenetrar nos poros do material.


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DENSIDADE DA PARTCULA

DENSIDADE: definida como a massa desse materialdividida pelo volume ocupado por ele.


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Densidade real maior que a densidade aparente.

Densidade de slidos normalmente obtida pordeslocamento de lquido em equipamento chamado depicnmetro (recipiente com volume calibrado paradeterminado fluido, normalmente gua, determinadatemperatura).


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REA ESPECFICA SUPERFICIAL

REA ESPECFICA OU SUPERFCIE ESPECFICA: definida como area superficial da partcula na unidade de massa, am,ou na unidade devolume, av.

Figura 2 - Classificao dos porosFonte: WEBB e ORR, 1997 apud CREMASCO, 2012.

Fundamental nos estudos defenmenos e operaes detransferncia de calor, de massa ecombinados, pois est associada

rea disponvel para a troca deenergia e/ou matria.


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MTODO EXPERIMENTAL PARA REA SUPERFICIAL:

Adsoro gasosa ou lquida

baseada na quantidade em que um determinado soluto adsorvidofisicamente sobre a superfcie da amostra, de modo a formar umamonocamada desse soluto, que proporcional rea superficial.


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ESFERICIDADE

ESFERICIDADE: tendncia em considerar esfrica a forma daspartculas para simplificar os clculos.


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GRAU DE ESFERICIDADE: ndice que traduz o quo o formato dapartcula se aproxima ao formato de uma esfera.

Figura 3Padro de imagens de arredondamento.

Fonte:
http://www.apfac.pt/congresso2012/comunicacoes/Paper%20108_2012.pdfhttp://www.apfac.pt/congresso2012/comunicacoes/Paper%20108_2012.pdf


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Existem diversas maneiras para representar o tamanho daspartculas

Peneiras com base vibratria

Microscopia eletrnica de varredura (MEV)

Difrao de raio laser

Tamanho de Partculas


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PENEIRAMENTO

Figura 4Representao de um peneiramento em escala de laboratrio.

Fonte: BERTEL, 2006 apud CREMASCO, 2012.

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Figura 5Representao de um peneiramento em escala de laboratrio.

Fonte:

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http://www.unicamp.br/fea/ortega/aulas/aula15_sistemasParticulados.pdfhttp://www.unicamp.br/fea/ortega/aulas/aula15_sistemasParticulados.pdf


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As massas retidas nas peneiras e napanela so determinadas.

A frao de cada tamanho se calculadividindo a massa obtida em cada

peneira pela massa total da amostra.

Figura 6Esquema da disposio das peneiras

Fonte:

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Esta frao poder ser caracterizada de dois modos:

1) Como a frao que passou pela peneira i-1 e ficou retida napeneira i. Se estas forem as peneiras 14 e 20, respectivamente,ser a frao14/20 ou14+20.

2) A frao ser representada pelas partculas de dimetro igual amdia aritmtica das aberturas das malhas das peneiras i e i-1.No caso que estamos exemplificando, ser a frao compartculas de tamanho:

Fonte:

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MICROSCOPIA DIGITAL

Figura 7Imagem de um microscpio digital e processamentoFonte:

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http://www.ocw.unicamp.br/fileadmin/user_upload/cursos/EQ651/Capitulo_II.pdfhttp://www.ocw.unicamp.br/fileadmin/user_upload/cursos/EQ651/Capitulo_II.pdf


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Figura 8Exemplos de microscopia digital

Fonte:
http://www.ocw.unicamp.br/fileadmin/user_upload/cursos/EQ651/Capitulo_II.pdfhttp://www.ocw.unicamp.br/fileadmin/user_upload/cursos/EQ651/Capitulo_II.pdf


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SEPARAO DE PARTICULADOS NO CAMPOGRAVITACIONAL E CENTRFUGO

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ENGENHARIA AMBIENTALOPERAES UNITRIAS

MONTES CLAROS, 2013

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As cmaras gravitacionais (Figura 1) so sedimentadores

cujo objetivo retirar poeiras de correntes gasosas. Suautilizao ocorre principalmente em indstrias quepossuem gases muitos sujos em termos de materialparticulado.

Cmaras Gravitacionais

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A cmara de sedimentao um mtodo baseado nasedimentao livre, considerando o prprio peso e avelocidade terminal das partculas.

Estas cmaras apresentam rea transversalsuficientemente grande atravs da qual, gases passamcom baixa velocidade, dando tempo suficiente para que

partculas possam sedimentar no fundo ou na base dacmara.


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O funcionamento da cmara pode ser melhorado incluindo-se chicanas ou telas. O slido recolhido em funis dofundo da cmara.

A velocidade do gs na cmara deve ser pequena paraevitar a redisperso das partculas, estando na faixa de

0,02-0,6 m/s at 1,5-3,0 m/s.


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Figura 2Esquema de cmaras gravitacionais com chicanas e anteparos


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Vgs

Vterminal

Figura 3Esquema de funcionamento da cmara gravitacional

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A etapa de velocidade constante chamada de velocidade

terminal vt. Para determinar a velocidade terminal (LeiStokes) temos:

Velocidade terminal


Onde: Vt = velocidade terminal; g = aceleraogravitacional; Dp= dimetro da partcula; p = densidade dapartcula; = densidade do fluido; = viscosidade dofluido.

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Vantagens:baixo custo de capital, baixo custo energtico,coleta o resduo seco (facilita sua disposio), ajuda noresfriamento do gs, no apresenta problemas de abraso

(opera a baixas velocidades).

Desvantagens: incapaz de operar com ps adesivos,grande espao fsico requerido. Sistema empregado como

etapa prvia de outro sistema de separao ou bem parapartculas de grande tamanho (50m).


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Dimensionamento

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Se no houver turbulncia, as partculas decantaro com

velocidade vt.

O tempo de queda das partculas (t) em funo davelocidade terminal (vt) dado por:


Dimensionamento

onde:t= tempo de queda (s); H = altura (m); vt =velocidadeterminal (m/s)

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Dimensionamento

O tempo que uma poro de gs-partcula ir gastar paraatravessar a cmara na direo do escoamento o

tempo necessrio para partcula chegar ao fundo, o qual calculado da seguinte forma:

onde: tres= tempo de residncia (s); C = comprimento (m);v =velocidade horizontal (m/s)

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Se Q a vazo volumtrica do gs, tem-se que avelocidade mdia na horizontal ( v ) pode ser descrita por:


Dimensionamento

onde: v =velocidade horizontal (m/s); Q = vazo (m/s);L=largura (m); H = altura (m).

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Dimensionamento

A dimenso C da cmara determinada igualando-se otempo de queda da partcula com o tempo de residncia,

obtendo-se:

onde: C = comprimento (m); H = altura (m); v =velocidadehorizontal (m/s); vt =velocidade terminal (m/s).

Obs.: relao L/H =1 (usualmente), definida pelo projetista.

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Dimensionamento

Considerando que todas as partculas tm mesmotamanho (e densidade) e esto uniformemente distribudas

na seo transversal de entrada da cmara e nointeragem umas com as outras, poderemos dizer que aeficincia de coleta fracional () ser:

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Exemplo 01

Projetar uma cmara gravitacional para tratar 10.000m/h de ar contendopartculas com dimetro de 50 m ( p = 2,65 g/cm). Considere uma

velocidade do ar na cmara de 0,4 m/s e a relao L = H. (Dados: g= 1,2kg/m e g= 1,810-5 kg/(m.s).

Q = 10000m/h3600 = 2,8m/sDp = 50 m= 5 x 10-5mp= 2,65 g / cm = 2650Kg/mv= 0,4m/sg= 1,810-5 kg/(m.s)g= 1,2 kg/mL = H

/8,2/4,0

. L

smsm

HL

Qv

mLL 65,277

mHL 65,2

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Exemplo 01

.18

).(.

pDpgvt

msm

smm

vt

vHC 3,5

/2,0

/4,0.65,2.

smsmkgx

mkgmkgmxsmvt /2,0

./108,1.18

)/2,1/2650.()105.(/81,95

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Exerccio de Fixao

1- Projetar uma cmara gravitacional para tratar 12500m/h de ar

contendo partculas com dimetro de 50 m( p=2,65 g/cm). Considereuma velocidade do ar na cmara de 0,5 m/s e a relao L = H.(Dados: g= 1,2 kg/m e g= 1,810-5 kg/(m.s).

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Entre os equipamentos de separaocentrfugo, o mais amplamente usado o ciclone separador, para separar

poeira e nvoa de um gs.

Separadores Ciclnicos

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So coletores que utilizam primariamente a foracentrfuga para a coleta de partculas.

So compostos por um corpo cnico cilndrico, aoqual entram tangencialmente os gases a depurar,por uma abertura na parte superior doequipamento.

As partculas, submetidas fora centrfuga, nofinal de certo nmero de voltas chocam-se com aparede e terminam depositando-se na parte inferiordo cone.

Ciclones

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O movimento espiralado do fludo tende a provocar

uma certa acelerao radial nas partculas e aomesmo tempo a fora gravitacional lhes atribuiuma acelerao para baixo.

O resultado o de as partculas efetuarem umatrajetria helicoidal, descendente, at atingir asparedes da cmaras.

Ciclones

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Da por diante, as partculas continuam a espiralardescendentemente, contra a parede, e o gs, livre

de slidos, ascende pelo ncleo central.Nas velocidades tangenciais elevadas, a foracentrfuga vrias vezes maior que a degravidade; por isto, os ciclones efetuam umaseparao mais rpida e mais eficiente do que ascmaras gravitacionais.

Ciclones

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O ciclones so de grande uso em controle depoluio do ar.

Devido a sua eficincia baixa para partculaspequenas, o seu uso nesses casos apresentarestries face impossibilidade de atendernormas de emisso mais exigentes.

Em geral so utilizados para a coleta de material

particulado com dimetro maior que 5 m.

Ciclones

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-em geral como pr-coletor de partculas mdias a grandes;

- coletor final em alguns casos (ex: trabalhos com madeira).

No campo de aplicao normal de separadores centrfugos,emprega-se em instalaes funcionando em regimecontnuo, destacando-se:Fornos de cimento Siderurgias e fundiesIndstrias Qumicas.


Usos

Ciclones

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Vantagens: baixo custo de construo e manuteno; projetorelativamente simples e fcil de operar; exige espao relativamente

pequeno para instalao; no tem limitao de temperatura e presso,exceto pelo material de construo.

Desvantagens: baixa eficincia para partculas pequenas; possibilidadede entupimento no caso de partculas adesivas ou higroscpicas;

possibilidade de abraso para determinadas partculas e determinadasvelocidades; no deve ser utilizado para partculas adesivas; emgeral,necessitam de segundo coletor para atender emisso exigida.


Vantagens e Desvantagens

Ciclones

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Cmaras gravitacionais x Ciclones

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Geralmente, as dimenses geomtricas dos ciclones so colocadas emformas de razes entre uma das dimenses (B, Z, L, H, Ds e J) e o

dimetro da parte cilndrica do ciclone Dc (D=Dcorte) .


Dimensionamento

Ciclones

Relao de dimenses de um cicloneconvencional:

L = 2Dc ; z = 2Dc;

Ds = Dc / 2 ; J = Dc/4 ;

B = Dc/ 4 ; H = Dc / 2

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O dimetro de corte (D= Dcorte) especificado o dimetro no qual ametade da massa das partculas alimentadas retida. Para dimensionaro ciclone podemos utilizar a relao emprica de Rosin, Rammler eIntelmann, na qual o dimetro de corte calculado pela relao:


Dimensionamento

Ciclones

B = Largura do duto de entrada do ciclone;

N = Nmero de voltas feitas pelo gs no interior do

ciclone (igual a 5);

v = Velocidade de entrada do gs no ciclone(recomenda-se usar 15 m/s);

g= Viscosidade do gs;

g= Densidade do gs;

p= Densidade do slido.

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Para o dimensionamento do ciclone considerada a relao entre odimetro igual a quatro vezes a largura da entrada (B=Dc/4) e umnmero de voltas da partcula (N) igual a 5. Da equao proposta porRosin e colaboradores, temos:


Dimensionamento

Ciclones

, para ciclones de Lapple, N = 5

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Ciclones

Curva de eficincia de um ciclone de Lapple

Fonte: FOUST, 1982

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Dimensionamento

Ciclones

Na curva de eficincia, para as partculas de dimetro D, obtm-se

a relao Dp/Dcorte(Dp/D).

A partir deste valor determina-se D calculado o dimetro do

ciclone (Dc).

Sabendo-se Dc as demais dimenses podem ser especificadas

pelas relaes: L = 2Dc ; z = 2Dc; Ds = Dc /2 ; J = Dc/4 ; B = Dc/4 e

H = Dc/2.

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Dimensionamento

Ciclones

A altura do duto na entrada pode ser calculada pela frmula:

onde Q= vazo de projeto e v = velocidade admitida

no projeto.

Para que o dimensionamento esteja correto considerada a

relao entre as dimenses H e Dc.

Caso H for diferente de Dc/2 ser necessrio reprojetar o

ciclone.

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Exemplo 01

Uma corrente de ar a 50C e 1 atm arrasta partculas slidas de p= 1,2g/cm vazo de 180m/min. Deseja-se projetar um ciclone para coletar87% das partculas de 50m em suspenso. (Dados: v = 10m/s; g= 1,2

kg/m; g = 1,810-5 kg/m.s)

Ciclones

Q = 180m/min60 = 3m/sDp = 50 m= 5 x 10-5mp= 1,2 g / cm = 1200Kg/mv= 10m/s

g= 1,810-5

kg/(m.s)g= 1,2 kg/m

mxx

D

D

Dp 55

1066,1

3

105'3

'

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Exemplo 01

Ciclones

m

smkgx

mxmkgmkgsmDc 54,2

./108,1

)1066,1).(/2,1/1200.(/10.96,135

25

08,554,2.2.2 mDcZcLc mmDc

BJ 635,04

54,2

4

mmDc

HDs 27,12

54,2

2 m

smm

sm

vB

QH 47,0

/10.635,0

/3

.

.)(47,027,1 redm

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Exerccio de Fixao

Uma corrente de ar a 50C e 1 atm arrasta partculas slidas de p= 1,2g/cm vazo de 180m/min. Deseja-se projetar um ciclone para coletar87% das partculas de 50m em suspenso. (Dados: v = 7,5m/s; g= 1,2kg/m; g= 1,810-5 kg/m.s)

Ciclones

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REFERNCIAS

FOUST, A. et al. Princpios das Operaes Unitrias. 2. ed. LTC: Rio deJaneiro,1982.

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA. Separao deSlidos e Lquidos. Disponvel em:. Acesso em: 22 out 2012.

A04 Caracterização de Partículas Câmaras Gravitacionais Ciclones

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