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

Tipos de Sedimentos

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