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1 . . . . . . . . . ESCOLAS ESCOLAS ESCOLAS ESCOLAS PADRE ANCHIETA PADRE ANCHIETA PADRE ANCHIETA PADRE ANCHIETA CURSO TÉCNICO EM QUÍMICA OPERAÇÕES UNITÁRIAS APOSTILA 3º MÓDULO PROF. FÁBIO CALHEIROS CAIRES [email protected] 2ºSEMESTRE - 2009

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E S C O L A SE S C O L A SE S C O L A SE S C O L A S P A D R E A N C H I E T AP A D R E A N C H I E T AP A D R E A N C H I E T AP A D R E A N C H I E T A

C U R S O T É C N I C O E M Q U Í M I C A

OPERAÇÕES UNITÁRIAS

A P O S T I L A 3 º M Ó D U L O

PROF. FÁBIO CALHEIROS CAIRES [email protected]

2ºSEMESTRE - 2009

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ConteúdoConteúdoConteúdoConteúdo 1. INTRODUÇÃO À FILTRAÇÃO ............................................................................................................. 3

2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DA FILTRAÇÃO ............................................................................. 3

3. FASES DA FILTRAÇÃO ............................................................................................................................ 4

4. EQUIPAMENTOS DE FILTRAÇÃO .................................................................................................... 5

5. TIPOS DE FILTROS ................................................................................................................................... 6

6. TIPOS DE FILTROS DE PRESSÃO ...................................................................................................... 8

7. ELUTRIADORES ...................................................................................................................................... 15

8. CÁLCULO DA VELOCIDADE TERMINAL EM ELUTRIADORES ...................................... 16

9. INTRODUÇÃO E OBJETIVOS DE SEDIMENTADORES ........................................................ 17

10. FUNDAMENTOS DA SEDIMENTAÇÃO ......................................................................................... 17

11. CLASSIFICAÇÃO DE SEDIMENTADORES .................................................................................. 18

5. TIPOS DE CLARIFICADORES............................................................................................................ 18

12. TIPOS DE ESPESSADORES ................................................................................................................. 20

13. CICLONES – OBJETIVOS E APLICAÇÕES ................................................................................... 24

14. FUNCIONAMENTO DOS CICLONES ............................................................................................. 24

15. VANTAGENS E DESVANTAGENS ................................................................................................... 26

16. INTRODUÇÃO E OBJETIVOS DA MOAGEM ............................................................................. 27

17. PROPRIEDADES DOS SÓLIDOS ...................................................................................................... 27

18. MECANISMOS DE FRAGMENTAÇÃO ........................................................................................... 27

18.1. SELEÇÃO DE EQUIPAMENTOS ....................................................................................................... 29

20. EQUIPAMENTOS .................................................................................................................................... 31

12. DESTILAÇÃO ............................................................................................................................................ 36

13. PRODUÇÃO DE VÁCUO ...................................................................................................................... 50

14. ABSORÇÃO ................................................................................................................................................ 52

15. DESSORÇÃO ............................................................................................................................................. 53

16. Adsorsão ........................................................................................................................................................ 53

17. TROCA IÔNICA ....................................................................................................................................... 54

18. BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................................................ 58

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1.1.1.1. INTRODUÇÃOINTRODUÇÃOINTRODUÇÃOINTRODUÇÃO À FILTRAÇÃOÀ FILTRAÇÃOÀ FILTRAÇÃOÀ FILTRAÇÃO

Fazer passar um líquido contendo sólidos em suspensão através de um leito poroso, chamado tela ou meio filtrante. O líquido passa, formando o chamado filtrado, enquanto o sólido fica retido na tela, formando o bolo ou a torta. Essa operação visa obter como produto, o fluido em estado de maior "pureza", ou seja, mais livre de eventuais agentes "poluentes" (físicos, químicos e biológicos). Os objetivos principais do processo de filtração são decorrentes das seguintes situações: � A água é habitualmente filtrada para ser ingerida; � O ar é freqüentem ente filtrado para ser respirado; � Os alimentos e bebidas são filtrados para serem consumidos; � Óleos, fluidos e combustíveis são necessariamente filtrados para moverem nossas máquinas e veículos; � Tintas, vernizes, resinas, adesivos, lubrificantes, solventes e uma infinidade de produtos e subprodutos são obrigatoriamente filtrados para serem utilizados. A filtração é indispensável para separar componentes, para eliminar impurezas, para estabelecer a qualidade do produto final e garantir a nossa qualidade de vida.

2.2.2.2. FUNDAMENTOS TEÓRICOSFUNDAMENTOS TEÓRICOSFUNDAMENTOS TEÓRICOSFUNDAMENTOS TEÓRICOS DA FILTRAÇÃODA FILTRAÇÃODA FILTRAÇÃODA FILTRAÇÃO

As partículas ficam retidas na tela em duas fases bem distintas: 1º. Por um curto espaço de tempo, as partículas são atraídas pelas fibras por efeito eletrostático. Deste modo, as partículas, mesmo que menores que os interstícios, são atraídas e coladas nas fibras. O líquido que atravessa neste primeiro momento é chamado de “primeiro filtrado”, em função do seu aspecto turvo causado pelas partículas que conseguem atravessar a tela. 2º. Poucos segundos depois, as partículas coladas formam uma capa que constituem uma barreira que aumenta a chance das partículas ficarem retidas. Esta capa irá engrossar, formando o BOLO, que deverá ser retirado com o passar do tempo, devido ao aumento da perda de carga, em um processo de lavagem. A formação da primeira capa é extremamente importante para eficiência da filtração. Porém, a capa se forma em função das cargas elétricas de sinal contrário entre fibras da tela e partículas. Freqüentemente alguns problemas surgem, tais como: � As cargas elétricas da tela e das partículas possuem mesmo sinal; � As cargas não são suficientemente fortes para provocar a atração. Pode-se solucionar estes problemas mediante um ou mais dos seguintes meios: � Troca de material da tela filtrante;

� Uso de polieletrólitos; (indicado para aproveitar os sólidos). � Uso de coadjuvantes de filtração; (indicado para aproveitar o líquido).

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3.3.3.3. FASES DA FILTRAÇÃOFASES DA FILTRAÇÃOFASES DA FILTRAÇÃOFASES DA FILTRAÇÃO

A operação de filtração se realiza da seguinte forma: � Formação da préFormação da préFormação da préFormação da pré----capacapacapacapa. Prepara-se em um tanque separado uma suspensão de coadjuvante em água (eventualmente outro líquido) que é feito passar através do filtro. Nessa operação, o coadjuvante fica retido na tela, formando um bolo chamado de "pré-capa". � Filtração. Filtração. Filtração. Filtração. Uma vez formada a pré-capa, se procede à filtração da suspensão que interessa. Como a tela já tem uma pré-capa, as partículas ficarão retidas na mesma, pois não poderão passar pelos interstícios existentes entre as diminutas partículas que formam o coadjuvante (pois o mesmo tem uma elevada área específica, o que significa que as partículas são muito pequenas). O uso de coadjuvantes está indicado quando se quer aproveitar o líquido, pois o sólido ficará irremediavelmente contaminado com o coadjuvante. A filtração consiste das seguintes fases, quando não há formação de pré-capa: � PréPréPréPré----filtraçãofiltraçãofiltraçãofiltração, de alguns segundos de duração, durante a qual se forma uma pequena camada de bolo sobre a tela, suficiente para reter as partículas que virão depois.O líquido produzido durante esta primeira fase chamado de primeiro fi1trado é turvo e não pode ser utilizado. Ele deve ser recirculado para misturar-se com o líquido que ainda deve filtrar. � FiltraçãoFiltraçãoFiltraçãoFiltração, durante a qual as partículas ficam retidas no bolo previamente formado. O líquido sai límpido e pode ser aproveitado. As partículas retidas no bolo vão aumentando a sua espessura, e conseqüentemente a perda de carga. A fase dura até a perda de carga atingir um valor previamente estipulado como máximo admissível. � Lavagem do boloLavagem do boloLavagem do boloLavagem do bolo. Terminada a filtração é preciso lavar o bolo. A lavagem tem o seguinte objetivo: o Eliminar o resto de líquido mãe ainda presente no bolo, se o que se pretende aproveitar é o sólido; o Aproveitar o resto de líquido mãe ainda presente no bolo, se o que se pretende aproveitar é o líquido. � Remoção dos sólidos e lavagem da tela filtrante. Remoção dos sólidos e lavagem da tela filtrante. Remoção dos sólidos e lavagem da tela filtrante. Remoção dos sólidos e lavagem da tela filtrante. Qualquer que seja a porção que se pretende aproveitar, é preciso remover o bolo e lavar a tela filtrante para recomeçar o ciclo. A tela é lavada geralmente com água, a não ser que exista incompatibilidade com o líquido filtrado. TIPOS DE TORTATIPOS DE TORTATIPOS DE TORTATIPOS DE TORTA De um modo geral o tipo de torta depende da natureza do sólido, da granulometria e da forma das partículas, do modo como a filtração é executada e do nível de heterogeneidade do sólido. Conforme a espessura da torta existe uma variação da resistência ao escoamento do filtrado. Esta resistência varia com a alteração da pressão de passagem do filtrado gerando dois tipos de tortas: 1)Compressíveis1)Compressíveis1)Compressíveis1)Compressíveis 2)In2)In2)In2)Incompressíveiscompressíveiscompressíveiscompressíveis

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4.4.4.4. EQUIPAMENTOSEQUIPAMENTOSEQUIPAMENTOSEQUIPAMENTOS DE FILTRAÇÃODE FILTRAÇÃODE FILTRAÇÃODE FILTRAÇÃO

Podem ser classificados nos seguintes critérios: � Força propulsora: gravidade, pressão, vácuo, força centrífuga � Material que constitui o meio filtrante: areia,tecido, tela metálica, papel � Função: clarificadores e espessadores � Detalhes construtivos: de areia, prensa, lâminas, rotativos � Regime de operação: batelada ou contínuo Normalmente a classificação dos filtros industriais segue pelo menos dois dos critério acima citados. Existe uma grande variedade de filtros industriais. Poucos operam por gravidade. A grande maioria opera sob pressão ou sob vácuo. No primeiro caso, a pressão, da ordem de alguns kg/cm2 (centenas de kilo Pascal) e fornecida por uma bomba, é exercida sobre a face da tela em contato com o material a filtrar. No segundo caso, o vácuo, da ordem de 600-650 mm Hg (isto é, correspondentes a uma pressão absoluta de 100-150 mm Hg) e produzido por uma bomba de vácuo ou um ejetor, é exercido sobre a face da tela em contato com o líquido filtrado.

Neste último caso, obviamente. a força que ajuda a filtração é a pressão atmosférica existente do outro lado.

Embora exista uma grande variedade de filtros industriais nos limitaremos a falar naqueles que ainda hoje são os mais utilizados. Embora tenham sido inventados nos começos do século. A escolha do equipamento filtrante depende, em grande parte, da economia do processo, mas as vantagens econômicas serão variáveis de acordo com o seguinte:

1.Viscosidade, densidade e reatividade química do fluido; 2.Dimensões da partícula sólida, distribuição granulométrica, forma da partícula, tendência à floculação e deformabilidade; 3.Concentração da suspensão de alimentação; 4.Quantidade de material que deve ser operado; 5.Valores absolutos e relativos dos produtos líquido e sólido; 6.Grau de separação que se deseja efetuar; 7.Custos relativos da mão-de-obra, do capital e da energia.

Na escolha de um filtro para um processo específico, os fatores relacionados à finalidade do serviço devem ser comparados aos associados às características do equipamento e do meio filtrante. Fatores Importantes Relacionados com a Finalidade do Serviço � Tipo de suspensão a manusear; � Volume a ser produzido; � Condições do processo; � Exigências de desempenho; � Materiais aceitáveis para a construção do filtro. Fatores Importantes Relacionados com o Equipamento: � Tipo do ciclo (em batelada / contínuo) � Força motriz; � Taxa de produção das maiores e das menores unidades

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� Precisão da separação; � Possibilidade de lavagem da torta; � Confiabilidade; � Materiais de construção; � Custos.

As estimativas de custos devem incluir Depreciação (custo do equipamento instalado mais tempo de vida),Manutenção; Custos de operação (mão de obra, utilidades e meio filtrante);Prejuízos por perda do produto (se houver);

Entre estas duas séries de fatores estão as considerações sobre o pré-condicionamento da suspensão e o uso de auxiliares de filtração.

As características da suspensão indicam se para o seu tratamento é mais recomendável um c1arificador ou um filtro com formação de torta. Se a melhor opção é o filtro de torta, as características da suspensão irão determinar a velocidade de formação e a natureza da torta, e também influenciará a escolha da força motriz, o tipo de ciclo e o modelo específico da máquina.

As exigências de lavagem da torta também afetam de modo significativo a escolha do equipamento, porque a eficiência de lavagem varia muito com o tipo de filtro.

5.5.5.5. TIPOS DE FILTROS TIPOS DE FILTROS TIPOS DE FILTROS TIPOS DE FILTROS

5.15.15.15.1 Meios filtrantes granuladosMeios filtrantes granuladosMeios filtrantes granuladosMeios filtrantes granulados

Filtro de operação descontínua; � Filtros industriais mais simples; � Uma ou mais camadas de sólidos particulados; � Meios filtrantes duplos - operação mais prolongada no ciclo de operação; � Lavagem reversa - água ou ar; � Gravidade ou pressão; � Os sólidos podem ser menores que os interstícios entre as partículas do leito - agregação em flocos ou adsorção na superfície do leito; Principais aplicações: � Grandes volumes de suspensão muito diluída; � Nem o sólido, nem o líquido, têm valor unitário elevado; � O sólido não precisa ser recuperado; � Purificação de águas servidas.

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5.25.25.25.2 Filtros dFiltros dFiltros dFiltros de Pressão e Pressão e Pressão e Pressão Filtros de pressão, com a exceção do Filtro de Pressão de Tambor Rotativo, são máquinas do tipo semi-contínuas que incluem uma lavagem e um modo de descarga do bolo ao término do ciclo de filtração. O ciclo de filtração pode se estender de 5-10 minutos em aplicações de filtração de bolo e até 8 horas ou mais horas para polimento de líquidos. Considerando que a operação é em bateladas, e que estes filtros normalmente são alimentados de (e descarregam para) um processo contínuo, um tanque de estocagem é requerido a montante do filtro, e a jusante para a coleta parcial do bolo. A coleta de filtrado depende do modo operacional do filtro que pode ser a vazão constante, a pressão constante, ou ambas, com pressão aumentando e a taxa de fluxo diminuindo como quando se utiliza uma bomba centrífuga. São disponíveis Filtros de Pressão que operam continuamente, mas, devido a dificuldade para a remoção do bolo, eles são mecanicamente complexos e caros; assim, se aplicam principalmente em processos de química fina, onde o valor agregado ao produto é alto. Há dois fatores restringentes que determinam a duração do ciclo de filtração: � Para filtração de bolo é o volume disponível para formação de bolo e uma vez que o volume está cheio o ciclo tem que terminar até mesmo se a pressão permissível ainda não foi alcançada; � Para polimento, ou quando os sólidos saturam o meio rapidamente, o ciclo tem que terminar quando a pressão permissível for alcançada independentemente da espessura do bolo. A taxa de filtração é influenciada, em condições amplas, pelas propriedades da suspensão. A tendência, é que a taxa cresça com: � O aumento da pressão; � Partículas mais grossas; � Distribuição de partícula com alta uniformidade; � Sólidos não-enlodados ou não-gelatinosos; � Bolos incompressíveis; � Mais baixa viscosidade do líquido e; � Temperaturas mais altas. Auxiliar de Filtração e PréAuxiliar de Filtração e PréAuxiliar de Filtração e PréAuxiliar de Filtração e Pré----Capa Capa Capa Capa Auxiliar de filtração e pré-cobertura são mencionados freqüentemente com relação à filtração sob pressão e a diferença na sua aplicação é: � O auxiliar de filtração é usado quando a suspensão tem baixo conteúdo de sólidos com partículas finas e enlodadas que são de filtração difícil. Para aumentar a filtração, sólidos grossos com grande área de superfície são adicionados à suspensão e servem como um corpo-auxiliar que captura e prende em seus interstícios as partículas de filtração lenta e produz uma matriz de torta porosa. A quantia adicionada depende da natureza dos sólidos e varia de Y, para sólidos não-compressíveis e até 5 vezes para sólidos gelatinosos . � A pré-cobertura do meio filtrante é obtido pela deposição de sólidos sobre o tecido, formando um meio poroso de 2-3mm de espessura e permeabilidade conhecida; sua aplicação requer habilidade, pois eleva o volume efetivo do bolo, prolonga o tempo do ciclo, e um consumo elevado pode ser bastante caro. A pré-capa, antecedendo a filtração, serve para dois propósitos principais: � Quando os contaminantes são gelatinosos e pegajosos eles formam uma barreira que evita entupimento do pano. Igualmente a interface entre a pré-capa e o pano separa-se facilmente e assim o bolo descarrega deixando um pano limpo. � Quando um filtrado claro é requerido imediatamente depois de iniciado o ciclo de filtração; caso contrário a recirculação deve ser empregada até que um filtrado claro seja obtido. Os seguintes materiais servem como auxiliares-de-filtração ou para formar a pré-capa: � Terra diatomácea (também chamada Diatomita) que consiste de silicatos formados por restos de esqueletos de minúsculas plantas unicelulares aquáticas (diátomos).

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� Perlita que consiste de triturado vítreo e termo-expandido de rocha de origem vulcânica. � Celulose que consiste de fibras de peso leve. � Uma madeira especial está se tornando popular nos anos recentes, já que é combustível e reduz o alto custo de obtenção. Há fabricantes atualmente que moem, lavam e classificam uma madeira especial até permeabilidades que podem ajustar-se a uma grande faixa de aplicações. Todo o material que serve como auxiliar-de-filtração ou para formar pré-capa é produzido sob especificação, em um processo controlado. Porém, para aplicações que não requerem qualidade alta, qualquer outro sólido que esteja prontamente disponível, e tenha propriedades semelhantes, pode ser usado como auxiliar.

6.6.6.6. TIPOS DE FILTROS DE TIPOS DE FILTROS DE TIPOS DE FILTROS DE TIPOS DE FILTROS DE PRESSPRESSPRESSPRESSÃOÃOÃOÃO

Os tamanhos padrões para os equipamentos estão discriminados a seguir: � Filtro-prensa até 1000 m2 e 20 m3 de torta. � Filtro de Placa Horizontal até 60 m2 e 4 m3 de capacidade de bolo. � Filtro Folha Vertícal até 100 m2 e 7 m3 capacidade de bolo em vasos de pressão verticais e até 300 m2 e 20 m3 de capacidade de bolo em vasos horizontais. � Filtro Nutsche até 16 m2 e 8 m3 de capacidade de bolo. � Filtro Automático até 120 m2 . � Filtro de Velas até 120 m2. As vantagens e desvantagens dos filtros de pressão, comparadas com outros métodos de separação são: VantagensVantagensVantagensVantagens � São obtidos bolos com conteúdo de umidade muito baixo . � Os bolos podem ser colocados e aplainados em capas, contanto que eles não sejam tixotrópicos e suficientemente estáveis para suportar um trator. � Podem ser alcançadas: recuperação intensiva de solúveis ou remoção de contaminantes do bolo. � Filtrados limpos podem ser produzidos através de recirculação do filtrado durante 1-2 minutos, ou através de pré-capa, se um filtrado claro é requerido logo desde o começo. � Soluções podem ser polidas a um alto grau de claridade. � Com exceção do Filtro-prensa, é possível uma construção ajustada para uso de gás. � Com exceção do Filtro-prensa, é possível revestir os tanques com uma camisa de vapor, se a preservação de calor é requerida. Isto é de importância particular para salmouras saturadas. � Os corpos e interiores do filtro podem ser construídos de uma variedade larga de ligas que incluem materiais sintéticos para filtros-prensa. � Os Filtros de Pressão estão disponíveis com um grande nível de automatização, para trabalho intensivo controlado por operador e até máquinas completamente automáticas. DesvantagensDesvantagensDesvantagensDesvantagens � A lavagem do pano é difícil e, se os sólidos são pegajosos, uma pré-capa de uns 3mm de diatomita ou perlita é necessária. Isto soma outra etapa antes da filtração e se não for feita cuidadosamente, uma pré-cobertura muito fina é formada, podendo deixar áreas com o pano exposto que irão saturar rapidamente. Reciprocamente, se uma pré-capa muito espessa é formada, pois o operador sempre procura ter a sua "margem de segurança", irá consumir o volume efetivo disponível para o bolo. � O operador quase não pode ver o bolo se formando, e fica impossibilitado de fazer inspeção enquanto o filtro está em operação. � Os interiores são difíceis limpar e este pode ser um problema nas aplicações envolvendo alimentos ou matérias-primas para indústria farmacêutica.

6.16.16.16.1 Filtro PrensaFiltro PrensaFiltro PrensaFiltro Prensa

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Dentre os principais segmentos e aplicações, destacam-se:

� INDÚSTRIA QUÍMICA: beneficiamento de soluções a base de hidróxidos, silicatos, cáusticos, etc. � EFLUENTES: indústrias cerâmicas, metalúrgicas, siderúrgicas, de vidros, mármores e granitos. Processos de galvanização, fosfatização, decapagem, lavagem de gases, E.T.E., etc � LODOS SANITÁRIOS: estações de tratamento de esgoto primário ou secundário, etc. � POLPAS INDUSTRIAIS: extratos, pigmentos, corantes, etc.

O Filtro Prensa consiste em uma cabeça e seguidor que contêm entre si um pacote de placas retangulares verticais que são apoiadas pelo lado ou sobre vigas. A cabeça serve como um extremo fixo no qual os tubos de alimentação e filtrado é conectado e o seguidor move-se ao longo das vigas e comprime as placas juntas durante o ciclo de filtração por um mecanismo hidráulico ou mecânico. Cada placa é revestida com um pano filtrante em ambos os lados e, uma vez apertadas lado a lado, elas formam uma série de câmaras que dependem do número de placas. As placas geralmente têm

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uma porta de alimentação central que atravessa toda a extensão do filtro prensa, de forma que todas as câmaras do conjunto de placas estão interconectadas. Do mesmo modo, quatro aberturas de canto conectam todas as placas e coletam os filtrados-mãe e de lavagem em uma "descarga fechada" para saídas que são localizadas no mesmo lado que a entrada de alimentação. Alguns filtros prensa têm placas que dispõem de torneiras no seu lado mais inferior, de forma que o filtrado flui em uma "descarga aberta" para uma calha e serve como "mostrador" da condição do pano filtrante, pela claridade do filtrado que atravessa cada câmara. A desvantagem deste arranjo é que não pode ser usado com filtrados que são tóxicos, inflamáveis ou voláteis. Atualmente, a maioria dos filtros-prensa é equipada com características que habilitam operação completamente automática controladas por CLP. Para as aplicações onde o bolo é o produto, não podem ser usados précobertura nem auxiliares de filtração pois eles se misturam e descarregam junto com o bolo

Critérios de Seleção Critérios de Seleção Critérios de Seleção Critérios de Seleção Os Filtros-prensa se aplicam melhor nas seguintes circunstâncias: � Quando é requerido um conteúdo muito baixo de umidade, para a secagem térmica da torta ou incineração. � Quando é requerida alta claridade do filtrado, para aplicações de polimento. � Quando é requerida a liberação da torta auxiliada por compressão. � Quando o bolo é disposto como enchimento de terra, para esparramar com um trator, desde que ela seja dura o bastante para agüentar seu peso. � Quando grandes áreas de filtração são requeridas, num espaço limitado. Eles devem ser selecionados com cuidado: � Na filtração de salmouras saturadas, porque as placas esfriam durante a descarga da torta, requerendo aquecimento prévio para alimentar a polpa do processo. Para tais salmouras, filtros autoclavados como os de Placas Horizontais, Folha Vertical ou Filtros de Velas se adaptam melhor, à medida que eles podem ser cobertos com uma camisa de vapor. � Quando há um risco de contaminação ambiental por bolos tóxicos, inflamáveis ou voláteis, quando as placas são abertas para descarga, ao término de cada ciclo. Novamente, os filtros autoclavados são melhor adaptados .

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� Quando uma lavagem eficiente é requerida, pois com a câmara cheia de torta, a água de lavagem pode não alcançar toda sua superficie, causando um deslocamento desigual. Porém, isto não apresenta nenhum problema quando permanece um espaçamento entre os bolos formados dentro de uma câmara, de forma que a água de lavagem é distribuída uniformemente em cima do bolo e alcança toda a sua superficie. As tortas podem ser descarregadas em caixas, que são transportadas em caminhão ou por um transportador de correias.

6.26.26.26.2 Filtro de Pressão de Placa HorizontalFiltro de Pressão de Placa HorizontalFiltro de Pressão de Placa HorizontalFiltro de Pressão de Placa Horizontal Os Filtros de Placas Horizontais, a pressão, se aplicam comumente às indústrias de processos de química fina como antibióticos, pesticidas, ou pigmentos, quando a carga de impurezas insolúveis é baixa e o polimento é exigido para obter uma alta claridade do produto. Porém, nos anos recentes, eles podem ser vistos cada vez mais em indústrias mais pesadas, corno as de fertilizantes ou de metais preciosos, quando o produto é o bolo e são requeridas uma lavagem eficiente e baixa umidade. Os filtros de placas horizontais também são muito bem aceitos para manusear materiais inflamáveis, tóxicos e corrosivos, desde que eles sejam autoclavados e projeta dos para ambientes perigosos, quando se requer pressão alta e operação segura. Além disso, eles podem ser facilmente recobertos para aplicações onde temperaturas quentes ou frias precisam ser preservadas. Estas características não são possíveis nos filtros-prensa, que requerem a abertura das placas à atmosfera e um mecanismo intermitente externo para descarga do bolo ao término de cada ciclo. A estrutura do filtro consiste em uma pilha de placas, presas a um eixo oco montado dentro de um vaso de pressão, com cada prato recoberto com um meio filtrante adequado.

A polpa é alimentada sob pressão no vaso e o bolo, retido pelo meio filtrante, formase no topo de cada prato, enquanto o filtrado passa através do eixo oco e segue para o processo. Os tamanhos do filtro podem variar, mas geralmente a área máxima de filtração é 60m2 e são projetados para uma pressão de operação de 6bar.

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Há várias aplicações, principalmente nas indústrias farmacêutica e de pintura, onde um filtro de papel especial é usado para cobrir os pratos em ambos os lados, e assim a área de filtração é dobrada. Os Filtros de Placas Horizontais são mais adequados às seguintes circunstâncias: � Quando se requer uma área física mínima para uma grande área de filtração. � Quando os líquidos são voláteís e não podem ser submetidos a vácuo. � Quando há um risco de perigo ambiental especialmente com bolos tóxicos, inflamáveis ou voláteis, mecanismos seguros de descarga podem ser incorporados . � Quando é requerida alta claridade do filtrado, por polimento da suspensão . � No tratamento de salmouras saturadas, que exigem temperaturas elevadas, o tanque pode ser recoberto com vapor . � Quando uma lavagem eficiente é requerida. � Quando o bolo é pesado e deve ser apoiado . � Quando o bolo tanto pode ser descarregado seco, ou como uma lama espessada. Eles devem ser selecionados com cuidado quando: � Quando o bolo não descarrega facilmente, o acesso ao meio filtrante, entre as placas para lavagem, é difícil. � Quando são usadas telas de malhas grossas, a etapa de filtração deve ser precedida por um prérevestimento para reter partículas finas. A pré-capa, com uma capa fina de diatomita ou perlita, não é uma operação simples e deveria ser evitada, sempre que possível. VantaqensVantaqensVantaqensVantaqens � A remoção da pilha de pratos, em filtros com acionamento pela base, é mais simples que nas máquinas dirigidas pelo topo, pois, nestas últimas, todo o mecanismo motriz tem que ser removido para permitir acesso à pilha. � Placas com as telas montadas no lado superior, ao invés de apoiadas nos dois lados, dão bom apoio para o bolo formado e então sempre são usadas em aplicações com bolos espessos e pesados. Desvantaqens Desvantaqens Desvantaqens Desvantaqens � Necessidade de um pé-direito alto, na edificação, para desmontar toda a pilha de placas. � Os mancais dos filtros acionados pelo topo e pelo fundo, suportam a pilha de placas giratórias e seu lacre é complexo, pois tem que resistir a pressão interna e as forças laterais impostas pela transmissão mecânica. Porém, as cargas laterais, em algumas máquinas, são eliminadas pelo uso de motores hidráulicos. � O esvaziamento do vaso entre a filtração do bolo, lavagem e escorrimento, requer monitoramento preciso da pressão dentro do vaso, para assegurar que o bolo esteja preso sobre as telas.

6.36.36.36.3 Filtro de Tambor Rotativo Filtro de Tambor Rotativo Filtro de Tambor Rotativo Filtro de Tambor Rotativo O filtro a vácuo de Tambor Rotativo pertence ao grupo de alimentação inferior e é um dos filtros mais antigos em uso na indústria de processos químicos.

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Critérios De SeleçãoCritérios De SeleçãoCritérios De SeleçãoCritérios De Seleção

� Polpas com sólidos que não tendem a sedimentar rapidamente e permanecerão em suspensão uniforme sob agitação delicada. � Tortas que não requerem períodos de secagem longos. � Quando um único estágio de lavagem for suficiente para remover os contaminantes residuais do bolo ou produzir a recuperação máxima de filtrado, � Filtrado que geralmente não requer uma separação afiada entre o filtrado matriz e filtrado da lavagem, � Filtrados nos quais é aceitável com uma quantidade baixa de finos que passam pela malha do pano filtrante nos primeiros segundos da formação do bolo. Geralmente, e dependendo do tamanho da partícula e da permeabilidade do pano, o filtrado pode conter 1000 a 5000 ppm de insolúveis.

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6.46.46.46.4 Filtro de Mesa Filtro de Mesa Filtro de Mesa Filtro de Mesa Os Filtros de Mesa pertencem ao grupo de alimentação pelo topo e apresentam um cinto de borracha na borda, que gira junto com as celas, mas é removido da mesa logo após deixar a zona de lavagem final e secagem, e antes de alcançar a calha de descarga de bolo.

O beiral fica então afastado da mesa e retoma logo que ela pasSa pela calha de água de lavagem e entra na zona de secagem do pano. Cilindros especiais desviam o beiral e uma tensão levantando o rolo assegura que o cinto fica apertado contra a mesa e sela a circunferência contra vazamentos. A área de filtração de Filtros de Mesa grandes é mais que 200m2 e tendo poucas partes móveis pode girar em um tempo de ciclo de 2 minutos. Estes filtros podem manipular bolos espessos e podem ser operados a altos níveis de vácuo. Critérios de Seleção Critérios de Seleção Critérios de Seleção Critérios de Seleção Os critérios para escolha de um Filtro de Mesa são: � Quando a etapa seqüencial do processo requer um bolo desaglomerado uma vez que o parafuso desintegra os torrões de sólido enquanto os transporta à periferia. � Quando os sólidos sedimentam rapidamente e não podem ser mantidos como uma mistura homogênea em filtros de alimentação pelo fundo ou lateral como os filtros de Tambor ou Discos. � Quando são requeridos tempos de ciclo muito pequenos para bolos de enxugamento rápido como polpas de fosfato. � Quando um filtrado claro é requerido desde o começo uma boa prática é formar um resíduo fino que serve como meio filtrante sobre o pano exposto. Isto é obtido ou por "saída de líquido turvo" que é reciclado ou, se sólidos sedimentam rapidamente, alocando uma porção da mesa depois do compartimento de secagem do pano e antes da entrada na zona de vácuo para agir como uma "piscina" de sedimentação. � Quando uma lavagem intensiva do bolo é requerida. � Quando uma grande área de filtração é requerida, mas um Filtro de Correia Horizontal não se ajusta no layout.

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. . . . . . . . .

� Quando o bolo tende a rachar sob vácuo, acessórios tais como uma aba (f1apper) ou rolo de pressão podem ajudar a lacrar as rachaduras, evitando assim a perda de vácuo.

7.7.7.7. ELUTRIADORESELUTRIADORESELUTRIADORESELUTRIADORES

O elutriador é um equipamento destinado à separação de sólidos em diferentes faixas de tamanho. Segue abaixo um esquema do equipamento:

Onde: D= diâmetro de cada tubo Elutriador; Dp=diâmetro das partículas retidas no fundo do elutriador A=Área da seção reta do Elutriador u= velocidade do fluido ascendente vt= velocidade terminal das partículas descendente O equipamento consiste em um tubo ou um conjunto de tubos verticais em série, em ordem crescente de diâmetro do tubo.

D4>D3>D2>D1

A área da seção reta de cada tubo é equivalente a área de uma circunferência e pode ser calculada da seguinte forma:

4

. 2tuboD

Aπ=

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. . . . . . . . .

A vazão do elutriador deve ser constante(Q=constante), logo se aumentarmos o diâmetro do tubo a velocidade do fluido(u) diminui e o diâmetro das partículas retidas no fundo do elutriador (Dp) também diminuirá. Portanto:

Se D4>D3>D2>D1 e u1>u2>u3>u4 temos: v4<v3<v2<v1

Dada a vazão do fluido, obtém-se a velocidade do fluido em cada tubo:

A

Qu =

Os critérios para a separação de partículas no elutriador são que as partículas que tiverem velocidade terminal maior que a velocidade ascendente do fluido no tubo, serão recolhidas e arrastadas. Isto é:

� Quando vt > u � partículas no fundo do elutriador � Quando vt < u � partículas levadas ao tubo seguinte � Quando vt = u � partículas em suspensão, pois a ∑ F = 0

8 .8 .8 .8 . CÁLCULO DA VELOCIDADCÁLCULO DA VELOCIDADCÁLCULO DA VELOCIDADCÁLCULO DA VELOCIDAD E TERMINAL EM ELUTRIE TERMINAL EM ELUTRIE TERMINAL EM ELUTRIE TERMINAL EM ELUTRI ADORADORADORADOR ESESESES

Normalmente o regime de escoamento dos fluidos é o regime de STOKES onde Rep <1, logo considerando-se a esfericidade (φ ) igual a 1, a velocidade será obtida pela lei de Stokes

Quando φ ≠1, usa-se a correlação para converter o Dp em Dst (Sauter ou também Stokes)

µρρ

.18

).(. 2ms

t

Dpgv

−=

µρρ

.18

).(. 2ms

t

Dstgv

−=

2

1

065,0log*843,0

= φDp

Dst

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. . . . . . . . .

9.9.9.9. INTRODUÇÃO E OBJETIVINTRODUÇÃO E OBJETIVINTRODUÇÃO E OBJETIVINTRODUÇÃO E OBJETIVOSOSOSOS DE SEDIMENTADORESDE SEDIMENTADORESDE SEDIMENTADORESDE SEDIMENTADORES

A separação dos sólidos de um líquido por Decantação por ação da gravidade possui vestígios para os primeiros dias de civilização. A prática normal nesses momentos era usar frascos ou poços principalmente para a clarificação dos líquidos extraídos, como vinho e azeite de contaminantes insolúveis. Os principais objetivos estão em concentrar uma suspensão de sólidos, conhecida como espessamento, ou purificar um líquido, também chamado de clarificação.

Esquema de um sedimentador

10. FUNDAMENTOS DA 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 com adição de floculantes ou polieletrólitos. Os floculantes ou os polieletrólitos tem a função de se unir ao sólido em suspensão e formar uma partícula maior. Esta união se dá por meio das cargas elétricas de sinal contrário entre as partículas sólidas e o agente de floculação Os fatores que controlam a velocidade de decantação (vt): densidade do sólido( ), densidade do líquido( ) , diâmetro da partícula (Dp), forma das partículas e viscosidade do meio ( )

Lei de Stokes

µρρ

.18

).(. 2 −= s

t

Dpgv

sρρ

µ

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. . . . . . . . .

11.11.11.11. CLASSIFICAÇÃO DE SEDCLASSIFICAÇÃO DE SEDCLASSIFICAÇÃO DE SEDCLASSIFICAÇÃO DE SEDIMENTADORESIMENTADORESIMENTADORESIMENTADORES

As principais formas de classificação podem ser com relação ao seu funcionamento e à sua finalidade, como segue: Quanto ao seu regime de funcionamento, ele pode ser dividido em:

� Descontínuos: Descontínuos: Descontínuos: Descontínuos: tanques cilíndricos com a solução em repouso por um certo tempo.

Esses processos por bateladas necessitam de quatro passos: � Preenchendo a tanque com lama. � Deixando a pasta para uma determinada hora até que o sólido foi para a parte inferior do

tanque. � Decantação do sobrenadante clarificado desde a parte superior do tanque. � Remoção do liquido acumulado no fundo do tanque.

Este ciclo, dependendo das propriedades de sólidos e líquidos, pode exigir longa retenção e, portanto vários tanques devem estar incorporados no layout para operar em etapas seqüenciais.

� Contínuos:Contínuos:Contínuos:Contínuos: tanques rasos de grande diâmetro, em que operam grades com função de remover a

lama. A alimentação é feita pelo centro do tanque. Quanto à finalidade podem ser classificados:

� Clarificadores:Clarificadores:Clarificadores:Clarificadores: fase de interesse é o líquido limpo. � Espessadores:Espessadores:Espessadores:Espessadores: fase de interesse é a zona de lama.

5 .5 .5 .5 . TIPOS DE CLARIFICADORESTIPOS DE CLARIFICADORESTIPOS DE CLARIFICADORESTIPOS DE CLARIFICADORES

11.111.111.111.1 CLARIFICADOR CONVENCIONALCLARIFICADOR CONVENCIONALCLARIFICADOR CONVENCIONALCLARIFICADOR CONVENCIONAL

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. . . . . . . . .

11.211.211.211.2 CLARIFICADOR DE CONTATOCLARIFICADOR DE CONTATOCLARIFICADOR DE CONTATOCLARIFICADOR DE CONTATO

11.311.311.311.3 CLARIFICADOR DE SUCÇÃOCLARIFICADOR DE SUCÇÃOCLARIFICADOR DE SUCÇÃOCLARIFICADOR DE SUCÇÃO

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. . . . . . . . .

12.12 .12 .12 . TIPOS DE ESPESSADORESTIPOS DE ESPESSADORESTIPOS DE ESPESSADORESTIPOS DE ESPESSADORES

12.1.12.1.12.1.12.1. ESPESSADORES CONVENCIONAISESPESSADORES CONVENCIONAISESPESSADORES CONVENCIONAISESPESSADORES CONVENCIONAIS

Espessadores convencionais estão geralmente incorporados em aplicações industriais quando a densidade de lodo é alta e são exigidos torques significativos para carregar os sólidos resolvidos da periferia para a saída central por bombear fora. Igualmente, Espessadores são freqüentemente usados para armazenamento facilitar a alimentação contínua da jusante filtros ou centrífugas.

Basicamente há dois grupos de Espessadores que difere no tipo de seus mecanismos motrizes:

� Dirigido CentralmenteDirigido CentralmenteDirigido CentralmenteDirigido Centralmente Há dois métodos de apoiar o passeio pesado com seu cabo e braços de limpeza: a) O tipo ponte b) O tipo coluna

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. . . . . . . . .

No tipo ponte uma estrutura posta através do tanque é sujeita verticalmente ao peso do mecanismo mais qualquer sólido que acumula dentro do tanque de braços e horizontalmente às forças de reação imposto pela densidade do lodo limpo. No tipo de coluna um aço central ou coluna concreta leva verticalmente a reação para o peso do mecanismo e horizontalmente a carga de torque. Também seleção pode ser influenciada por consideração de processo como a manipulação do lodo denso por um cone de descarga central, como no tipo de ponte, ou em um cocho circular como no espessador de tipo de coluna.

� Dirigido Perifericamente.Dirigido Perifericamente.Dirigido Perifericamente.Dirigido Perifericamente. Alguns dos maiores espessadores no mundo com um diâmetro de 200 metros são do tipo de Tração ou Periféricos, como visto na figura a seguir.

Este espessadores incorporam uma coluna central que serve como um pivô a um braço girar radialmente para a periferia do tanque. O fim exterior do braço tem uma carruagem com rodas motorizadas que são com guia por um rasto de circunferencial que movem a estrutura de braço inteira em uma trajetória circular para carregar os sólidos sedimentados para o centro. A ponte não é sujeita carga operacional e somente serve como um passeio por ter acesso a coluna do exterior. Espessadores de tração ou periféricos não têm dispositivo de levantamento, portanto não podem ser usados para armazenamento.

12.1.12.1.12.1.12.1. ESPESSADORES DE ALTA VAZÃOESPESSADORES DE ALTA VAZÃOESPESSADORES DE ALTA VAZÃOESPESSADORES DE ALTA VAZÃO

O espessadores de Alta vazão ficaram populares em meados 1980 e é relativamente novidade no mundo dos equipamentos de sedimentação. Os espessadores são um componente principal em um plano de planta e ocupam espaços grandes que podem ser economizados introduzindo máquinas de alto-vazão. Além disso, eles normalmente são posicionados longe do centro da planta assim permitir alimento de gravidade e assim economizar bombeando custos a distância deles/delas são influenciados pelo gradiente hidráulico para os fluxos grandes. Este fator determina a elevação da planta inteira e, por conseguinte tem um impacto significativo em investimento de capital.

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Entre outras vantagens está o volume menor do tanque assim acelera início ou paralisações de empresas e menos volume é requerido por armazenar o produto no evento que o tanque tem que ser esvaziado. Igualmente, espessadores de alto-vazão consomem menos floculantes substancialmente com economia de até 60%. Há operações onde o processo requer para um controle de temperatura constante ou eventualmente em lugar fechado instalação assim as economias no custo de construção e cobertura de tanques de espessamento convencionais podem provar ser outra possível solução selecionando um espessador de alta vazão.

Na realidade, o conceito deste espessador inteiro depende de dois fatores principais:

� Que as partículas sólidas respondam bem a floculação. � Que o processo suporte uma quantia permissível de floculante tanto no lodo (lama) como no

clarificado para garantir o caso de superdosagem da alimentação. Também há outros fatores para considerar:

� Que a solução de floculantes estará preparada em uma relação que trará contato intimamente o volume de solução pequeno com o fluxo grande do fluxo entrante.

� Que a dosagem de floculante ou polieletrólito será controlada corretamente pelo fluxo entrante de forma que uma overdose não causará desintegração de floculante, algo que acontece em muitos exemplos.

� Que o alimento lava ou tubo correrá diretamente ou com cotovelos de ráios longos que não quebrarão o floco frágil.

� Que a densidade do lodo será tão alta quanto possível reduzir a carga nas instalações de disposição ou, se mais adiante processou, reduza o tamanho da jusante equipamento como filtros ou centrífugas.

Em a maioria dos casos, se para estas exigências são satisfeitas e próprio trabalho de teste é terminado, espessadores de alto-vazão podem substituir espessadores convencional e dependendo da aplicação eles são capazes de entregar um processamento que é 5-10 vezes mais alto que com uma máquina convencional de tamanho igual. Isto incitou uma tendência a reajustar instalações existentes a uma economia significativa em investimento de capital quando o aumento de capacidade foi requerido. Espessadores de alto-vazão que são construídos como máquinas dedicadas estão disponíveis em tamanhos até 40 metros de diâmetro, mas o reajuste de espessadores convencional é freqüentemente maior em tamanho. A altura deles é derivada de trabalho de teste calculando tempo de retenção e a área reduzida como obtido para o processamento aumentado.

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. . . . . . . . .

Outros tipos de espessadores são:

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. . . . . . . . .

13.13.13.13. CICLONES CICLONES CICLONES CICLONES –––– OBJETIVOS E APLICAÇÕESOBJETIVOS E APLICAÇÕESOBJETIVOS E APLICAÇÕESOBJETIVOS E APLICAÇÕES

É um processo destinado à separação gás-sólido empregando forças centrífugas. Usados, principalmente para separar poeiras de gases. O material particulado emitido nos processos industriais pode ser coletado previamente por meio de coletores centrífugos conhecidos como ciclones. Esses equipamentos coletam o particulado mais grosseiro e, portanto, funcionam como pré-coletores. As partículas menores são captadas por um equipamento principal que pode ser lavador, filtro de tecido ou precipitador eletrostático; São equipamentos do tipo centrífugo utilizam força centrífuga para realizar a separação. Ciclone é o nome genérico do coletor centrífugo onde as partículas são removidas do fluxo gasoso, pela ação da força centrífuga. Esses equipamentos, utilizados na separação de sólidos de maior tamanhos e elevados peso especificam de uma corrente gasosa, apresenta, na sua forma clássica, uma construção conecilíndrica; Nos ciclones, as forças externas (centrífugas) que atuam sobre as partículas com elevada velocidade tangencial, são várias vezes maiores que a força da gravidade. Por isso, são muitas vezes, mais eficientes que as câmaras de poeira, cuja força externa é a gravidade; O ciclone também é conhecido pelo seu uso na limpeza de gases a altas temperaturas, e tem sido considerado como um dos mais simples e econômicos separadores de material particulado, funcionando como pré-coletor, de modo a reduzir a carga de coleta no coletor principal.

14.14.14.14. FUNCIONAMENTO DOS CICLONESFUNCIONAMENTO DOS CICLONESFUNCIONAMENTO DOS CICLONESFUNCIONAMENTO DOS CICLONES

O Ciclone (Figuras 1 e 2), estabelece um movimento rotatório para o gás, de modo que a força centrífuga aplicada às partículas seja maior que as forças de coesão molecular e da gravidade, fazendo com que as mesmas sejam lançadas de encontro às paredes, retirando as da massa gasosa em escoamento. Ele é basicamente constituído por uma câmara cilíndrica com base cônica. A corrente gasosa entra tangencialmente a alta velocidade na câmara formando uma espiral descendente externa e uma espiral ascendente interna. O gás é descarregado axialmente pela saída, localizada no topo do ciclone. A aceleração centrífuga impulsiona as partículas contidas no gás contra a parede. A componente vertical da força e a gravidade forçam-nas para a parte inferior do ciclone, de onde elas vão para um local de armazenamento. A eficiência de coleta dos ciclones é afetada por fatores dimensionais, característicos do gás, e pelas propriedades do pó.

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. . . . . . . . .

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. . . . . . . . .

Aplicáveis para remover partículas com diâmetro: 5μm< Dp < 200 μm ; Para partículas acima de 200 μm, recomenda-se usar a câmara de poeira, p. ex.; Principais usos:Principais usos:Principais usos:Principais usos:

� Empregado em Spray dryers para separar as partículas secas dos gases (ar); � Limpeza de ar; � Remover partículas de tamanhos variados de gases;

15.15.15.15. VANTAGENS E DESVANTAGENSVANTAGENS E DESVANTAGENSVANTAGENS E DESVANTAGENSVANTAGENS E DESVANTAGENS

Vantagens:Vantagens:Vantagens:Vantagens: � São equipamentos compactos, de confecção simples e barata, fáceis de operar e de manter; � Não contém partes móveis que requerem manutenção; � O produto é seco e não requer processo de remoção posterior; � Podem ser montados no topo ou nos lados de estruturas, diminuindo o problema de necessidade

de altura; � Altas eficiências na sua faixa de diâmetro de separação; � Independem da variação da temperatura; � Baixa potência consumida.

Desvantagens:Desvantagens:Desvantagens:Desvantagens:

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. . . . . . . . .

� Baixas eficiências de coleta em partículas menores que 5μm; Sensíveis a variações na taxa de fluxo de poeira a ser tratada;

� Sensíveis a carga de pó (concentração de pó), possibilidade de entupimento pela presença de altas concentrações de pó, principalmente os de menor diâmetro, mais higroscópicos e mais pegajosos;

� Pode apresentar problema de abrasão.

16.16.16.16. INTRODUÇÃO E OBJETIVINTRODUÇÃO E OBJETIVINTRODUÇÃO E OBJETIVINTRODUÇÃO E OBJETIVOSOSOSOS DA MOAGEMDA MOAGEMDA MOAGEMDA MOAGEM

Consiste, de uma forma simples, na quebra de partículas sólidas em partículas menores. Pode Consiste, de uma forma simples, na quebra de partículas sólidas em partículas menores. Pode Consiste, de uma forma simples, na quebra de partículas sólidas em partículas menores. Pode Consiste, de uma forma simples, na quebra de partículas sólidas em partículas menores. Pode também ser chatambém ser chatambém ser chatambém ser chamado de Cominuição.mado de Cominuição.mado de Cominuição.mado de Cominuição.

O objetivo mais comum é aumentar a área externa de contato de forma que o processamento do material aconteça mais rapidamente.

Pode também ser utilizadas para a produção de partículas dentro de especificações de tamanho das partículas bem definidas.

Com freqüência, a moagem é utilizada para homogeneização de sólidos, pois com a diminuição do tamanho das partículas a mistura deve ser mais íntima e eficiente.

17.17.17.17. PROPRIEDADES DOS SÓLIDOSPROPRIEDADES DOS SÓLIDOSPROPRIEDADES DOS SÓLIDOSPROPRIEDADES DOS SÓLIDOS

Dentre as propriedades dos sólidos relacionados ao processo de cominuição, destacamos os seguintes

aspectos:

� Dimensão Linear: diâmetro, aresta, etc.; � Área Superficial: área exterior das partículas, mais os poros internos abertos; � Distribuição dos Tamanhos das Partículas: quantidade proporcional de cada tamanho

individual na totalidade do material pulvurulento; � Tamanho Limite: maior ou menor dimensão ou área escolhida como parâmetro de controle; � Moabilidade: medida da taxa de moagem do material num determinado moinho (ton/h que

passam na peneira nº ‘x’ ); � Objetivo da investigação da moabilidade: avaliar o tamanho e o tipo do moinho necessário

para produzir a tonelagem desejada no processo e a potência necessária à operação; � Dureza de um material: é um critério de sua resistência ao esmagamento. É uma indicação

bastante conveniente do caráter abrasivo do material, é o fator que determina o desgaste do equipamento de moagem. Escala Moh varia de 1 a 10;

� Materiais moles: (1) Talco, tortas secas de filtros-prensa, pedras sabão, ceras, agregados de sais cristalinos; (2) Gesso, sal de rocha, sais cristalinos em geral, carvão mole; (3) Calcita, mármore, calcário friável, baritas, giz, enxofre;

� Materiais de dureza média: (4) Fluorita, fosfato mole, magnesita, calcário (5) Apatita, fosfato duro, calcário duro, cromita, bauxita; (6) Feldspato, ilmenita, ortoclásio, hornblendas;

� Materiais duros: (7) Quartzo, granito; (8) Topázio; (9) Corindo, safira, esmeril; (10) Diamante;

18.18.18.18. MECANISMOS DE FRAGMEMECANISMOS DE FRAGMEMECANISMOS DE FRAGMEMECANISMOS DE FRAGMENTAÇÃONTAÇÃONTAÇÃONTAÇÃO

Fatores que afetam as características de moagem de um material:

� Combinação com a água; � Higroscopicidade; � Sensibilidade às variações de temperatura; � Exemplos:

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. . . . . . . . .

� Sal de Glauber perde água de cristalização a uma temperatura relativamente baixa e entope o equipamento;

� Resinas e gomas ficam moles e plásticas acima de uma temperatura crítica; � Certos materiais podem queimar-se ou chamuscar-se; � Outras substâncias químicas são instáveis e podem explodir; � Alguns pigmentos mudam de cor em temperaturas elevadas ou sob ação de forças

mecânicas;

Os sólidos podem ser reduzidos de tamanho através de vários tipos de solicitações mecânicas, industrialmente são utilizados apenas quatro:

1. COMPRESSÃO

2. IMPACTO

3. ATRITO

4. CORTE

A FRATURA DOS SÓLIDOS CRISTALINA OCORRE SEGUINDO AS SUPERFÍCIES DE A FRATURA DOS SÓLIDOS CRISTALINA OCORRE SEGUINDO AS SUPERFÍCIES DE A FRATURA DOS SÓLIDOS CRISTALINA OCORRE SEGUINDO AS SUPERFÍCIES DE A FRATURA DOS SÓLIDOS CRISTALINA OCORRE SEGUINDO AS SUPERFÍCIES DE

CLIVAGEM, QUANDO SUBMETIDOS A UM ESFORÇO QUE ROMPA AS LIGAÇÕES ECLIVAGEM, QUANDO SUBMETIDOS A UM ESFORÇO QUE ROMPA AS LIGAÇÕES ECLIVAGEM, QUANDO SUBMETIDOS A UM ESFORÇO QUE ROMPA AS LIGAÇÕES ECLIVAGEM, QUANDO SUBMETIDOS A UM ESFORÇO QUE ROMPA AS LIGAÇÕES ENTRE NTRE NTRE NTRE

OS NÓS DA REDE CRISTALINA.OS NÓS DA REDE CRISTALINA.OS NÓS DA REDE CRISTALINA.OS NÓS DA REDE CRISTALINA.

Caso não ocorra, o limite de elasticidade do material não será ultrapassado.

Entende-se que o mecanismo de fragmentação das partículas sólido aconteça com a aplicação de

esforços que causam inicialmente o aparecimento de fissuras no material. A concentração dos esforços

além de um valor crítico acarreta em um crescimento rápido e ramificação das fissuras, ocorrendo a

ruptura.

Experimentalmente é comprovado que fatores como a distribuição granulométrica das partículas e o

modo de aplicação de carga são fundamentais e extremamente importantes na moagem.

A observação destes fatores leva a conclusão que o consumo de energia para produzir partículas

pequenas deve ser muito maior que para fragmentar sólidos grosseiros

Uma grande variedade de equipamentos é oferecida pelo mercado, inclusive com uma diversidade

muito grande de modelos construtivos e conceitos funcionais. Este fato leva a uma liberdade muito

grande na escolha do equipamento adequado para o processo, ficando por conta da experiência do

projetista responsável.

Esta liberdade traz alguns conceitos incorretos, principalmente em nomenclatura. Moagem tornou-se

um termo universal para a fragmentação de sólidos, mesmo quando se trata de casos típicos de

britamento.

As máquinas que efetuam fragmentação grosseira são chamadas de britadoresbritadoresbritadoresbritadores, e as que dão produtos

mais finos são chamadas de moinhosmoinhosmoinhosmoinhos.

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. . . . . . . . .

A seguir está uma das várias delimitações de sub-divisões em que são diferenciados os equipamentos e processos.

18.1.18.1.18.1.18.1. SELEÇÃO DE EQUIPAMSELEÇÃO DE EQUIPAMSELEÇÃO DE EQUIPAMSELEÇÃO DE EQUIPAMENTOSENTOSENTOSENTOS

A operação de Fragmentação exige a análise de alguns aspectos para a seleção do seu equipamento, tais como:

� Razão de Redução dos trituradores:Razão de Redução dos trituradores:Razão de Redução dos trituradores:Razão de Redução dos trituradores: razão entre as malhas na entrada e na saída; � Desgaste na MoagemDesgaste na MoagemDesgaste na MoagemDesgaste na Moagem provocado por materiais duros, partículas grosseiras, movimentos

rápidos nos moinhos; como prevenção procura-se a utilização de materiais mais duros e substituíveis(postiços) na construção dos moinhos;

� Segurança:Segurança:Segurança:Segurança: o Risco de explosão em materiais não metálicos (enxofre, amido, pó de madeira, poeira

de cereais, dextrina, carvão, piche, borracha dura e plásticos); o Incêndios podem ser iniciados por:

� Descargas de eletricidade estática; � Fagulhas de chamas; � Combustão espontânea; � Pós metálicos são inflamáveis; � Combustão favorecida pela moagem em moinho de bola, de martelo ou de

disco, pois favorecem o aumento da temperatura; As precauções tomadas são:

o Isolamento do moinho; o Emprego de material não centelhante nas construções; o A tendência ao faiscamento do aço inoxidável é menor do que do aço ordinário ou

forjado; o Uso de separadores magnéticos para separação de partículas magnéticas do material

de moagem; o Reduzir o teor de oxigênio do ar, presente nos moinhos: uso de gás inerte ou gás de

combustão; o Respiros de segurança nos moinhos e; o Construções com ventilação apropriada;

� Trabalho necessário à moagemTrabalho necessário à moagemTrabalho necessário à moagemTrabalho necessário à moagem: o trabalho necessário para moer uma dada quantidade de

material é constante para a mesma razão de redução, independente do tamanho original; � Eficiência da moagemEficiência da moagemEficiência da moagemEficiência da moagem: a eficiência energética de uma operação de moagem é definida por

comparação entre a energia consumida e uma quantidade ideal de energia;

Até 0,01µ80 mesh*Coloidais

200 mesh0,2cm a 0,5cmFinos

Moinhos

0,1 a 0,5cm0,5 cm a 5 cmSecundários

0,5cm a 5 cm10cm a 1,5mPrimários

Britadores

Produto Alimentação

Até 0,01µ80 mesh*Coloidais

200 mesh0,2cm a 0,5cmFinos

Moinhos

0,1 a 0,5cm0,5 cm a 5 cmSecundários

0,5cm a 5 cm10cm a 1,5mPrimários

Britadores

Produto Alimentação

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. . . . . . . . .

o Taxa de produção diminui com o aumento da umidade; o Às vezes, pequena quantidade de água pode ser melhor que a secura total; o A granulometria (Finura) que se deseja do material interfere diretamente na taxa de

produção; � Taxa de produção diminui como aumento da finura;

Moagem seca X Moagem úmida:

� Moinho de bolas tem grande aplicação na moagem úmida; � Quando a presença de líquidos não é prejudicial, a moagem em fase líquida é preferível a

moagem seca; � Na moagem seca as forças superficiais provocam o recobrimento e amortecimento das bolas,

com a utilização menos eficiente da energia; � Fator que interfere na opção por moagem úmida; � Custo ou viabilidade da posterior secagem; � Viabilidade da utilização do produto úmido; � Tamanho limite que se pode atingir na moagem úmida é em geral menor que na moagem

seca, graças às ações físico-químicas do líquido que impede a aglomeração das partículas finas. � Agentes dispersantes: aumentam a taxa de moagem pelo enfraquecimento das partículas ou

pelo impedimento da sua aglomeração ou por evitar o recobrimento das bolas, nos moinhos a bolas;

� Moagem úmida: o próprio fluido pode atuar como auxiliar de moagem; � A água é excelente auxiliar porque tem elevada polaridade;

Moagem combinada com outras operações

� Mistura a seco � Condicionar o ar � Transferência de calor � Etapas do processamento � Separar componentes da mistura (depuração, concentração ou beneficiamento);

Moagem combinada com classificação:

� Quando o processo de moagem é contínuo, se requer o uso de classificadores para avaliar qual será a porção de produto que segue para outros processos e qual parte retorna novamente para a alimentação do moinho (carga circulante);

� O principal objetivo deste tipo de processo é a economia gerada; � Outra vantagem é a obtenção de um produto com distribuição mais uniforme de tamanho,

comparada com a obtida em processos descontínuos;

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. . . . . . . . .

Moinho de martelos em circuito fechado, com classificador pneumático.

20.20.20.20. EQUIPAMENTOSEQUIPAMENTOSEQUIPAMENTOSEQUIPAMENTOS

Britadores de mandíbulas:

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. . . . . . . . .

A alimentação passa entre duas mandíbulas pesadas, uma fixa e outra móvel. O material vai passando lentamente por um espaço cada vez menor, triturando-se ao deslocar-se.

Desempenho: são usados para o esmagamento primário de materiais duros e usualmente são secundados por outros tipos de moinhos. Os modelos menores são empregados como máquinas de estágio único.

Britador de

mandíbulas

Blake

O maior tamanho das partículas do produto é aproximadamente igual a distância entre a parte inferior das mandíbulas.

Britadores giratórios:

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. . . . . . . . .

Britador giratório primário, com suspensão de cruzeta.

Efetua a maior parte das triturações de minérios duros e de minerais em grande escala. Alto custo de revestimento interno contra desgaste; Operação intermitente, por isso a demanda de potência é elevada; Desempenho: consiste em um pilão cônico que oscila no interior de uma cuba cônica maior, o almofariz. Os ângulos dos cones fazem com que a largura do espaço entre as duas peças diminua para o fundo das faces de trabalho. Os britadores primários têm um ângulo de cone agudo e pequena razão de redução; Os secundários têm ângulo mais aberto, com isso o produto mais fino pode espalhar-se ao longo de uma área de passagem mais extensa, e o desgaste também diminui; Desempenho: a taxa de trituração depende da dureza do material e da fração da alimentação que tem as dimensões do produto final. Britadores primários aceitam material diretamente de caminhões ou vagões; Moinhos de rolos:

Possuem muito desgaste por isso estão caindo em desuso; Pode operar com material molhado ou peguento, inclusive com pedras misturadas com lama ou argila; Neste aspecto supera o triturador de mandíbulas e o giratório; Mais convenientes para este moinho são os materiais moles, como calcários, rocha fosfática, etc.

Moinhos a impacto:

o Compreendem as britadeiras a martelos e as giratórias a impacto;

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o BRITADOR A MARTELOS: a ação de trituração ocorre pelo impacto entre eles e batentes

fixos (bigornas);

Britador a martelos

o ROTORES BRITADORES: o rotor é um cilindro a que está fixa uma barra rígida de aço.

� A ação de moagem pode ocorrer no impacto com esta barra ou na colisão com as

paredes da máquina;

� Sofre desgaste menor e requer menos potência;

Britador a impacto com dois rotores.

Moinhos com tambor rotativo:

São os moinhos de bolas, de seixos, de barras, tubulares e com seções; Elementos de moagem: bolas de aço, pedra ou porcelana, ou barras de aço; Moinho de bolas: usam bolas grandes para produzir um material relativamente grosso. Versátil e fácil de operar;

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Moinho tubular: usa esferas menores e leva a um produto mais fino; Moinho tubular em seções: é uma combinação dos 2 anteriores; Moinhos de barras: fornecem material mais uniforme e granulado comparado com os demais moinhos rotativos, tornando mínima a fração de finos, que às vezes, pode ser inconveniente. Moinho de seixos: moinho tubular com seixos de pedra ou de cerâmica como elemento de moagem e é revestido por cerâmica, normalmente. Versátil e fácil de operar; Moinho de pedras: moinho autógeno em que o elemento de moagem são fragmentos grandes, provenientes de uma etapa precedente no processo total de moagem;

Moinhos de bolas:

Na sua forma mais simples consiste em um tambor cilíndrico rotativo com dimensões regulares, que, em funcionamento é preenchido parcialmente com bolas. O material a moer é alimentado no tambor, junto com as bolas, e à medida que ele gira, as bolas caem sobre o material, promovendo a fragmentação

Moinho de bolas.

Mesmo sendo especialmente projetadas, em poucas semanas as bolas deve estar com alto desgaste, diminuindo de tamanho e prejudicando a capacidade e funcionamento do moinho.

Chama-se velocidade crítica a rotação de um moinho, na qual a força centrífuga desenvolvida mantém as bolas encostadas na parede do moinho sem cair, impossibilitando a moagem.

A moagem pode ser feita em circuitos abertos ou fechados. Na moagem em circuito aberto, o material passa uma só vez pelo moinho, pois já atinge a especificação

de granulometria desejada. A moagem em circuito fechado existe um classificador que separa as partículas mais finas das mais

grossas que o tamanho final desejado. As mais grossas retornam ao moinho para sofrer nova moagem, enquanto as mais finas são separadas através de sistema pneumático acoplado a um ciclone.

A moagem em circuito fechado consegue tamanhos mais finos que o aberto, em virtude do controle de granulometria ser mais rígido.

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o Fatores para determinar o tamanho das bolas:

� Granulação do material que está sendo moído;

� Custo da manutenção da carga de bolas;

� Alimentação mais grossa exige bolas maiores que uma alimentação fina;

Descarga contínua num moinho de bolas

12.12.12.12. DESTILAÇÃODESTILAÇÃODESTILAÇÃODESTILAÇÃO

A Evaporação consiste na concentração de uma solução pela vaporização do solvente na

ebulição, mas suspende-se o processo antes de o soluto principiar a precipitar-se da solução;

É uma separação de componentes por efeito térmico, na qual se obtém dois produtos de diferentes

composições físico-químicas.

Um processo no qual uma mistura de duas ou mais substâncias, no estado líquido ou vapor, é separada

em seus componentes, com uma determinada pureza, através de um processo térmico (aplicação ou

remoção de calor).

O processo da Destilação está baseado no fato de que o vapor de uma mistura em ebulição será mais rico

nos componentes que têm pontos de ebulição mais baixos.

A Destilação é, assim, um processo clássico da Engenharia Química sendo um dos métodos mais

indicados para separar misturas líquidas nos seus componentes. O termo destilação origina-se na palavra

latina "destillare" que significa pingar ou gotejar vagarosamente no sentido descendente. Essa

denominação ocorre devido ao visível gotejamento do produto originado em qualquer processo de

destilação, no qual o líquido original tenha sido vaporizado e, então, re-condensado.

A separação por destilação pode ser realizada de diversos modos, uns mais simples, outros mais

complexos, dependendo do tipo de mistura que se deseja separar e do grau de separação adequado. Desse

modo a destilação pode ser classificada de diversas maneiras. Em escala industrial existem diferentes

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equipamentos, chamados de "colunas de destilação", indicados para cada caso. O projeto dessas colunas

baseia-se em:

a)Princípios Termodinâmicos

b)Análise dos fatores que influenciam a operação dos equipamentos e visam, sempre, alcançar a

separação desejada de modo eficaz.

O desempenho de uma coluna de destilação é determinada por muitos fatores, tais como:

� As condições da alimentação:

� Estado (líquido, vapor, vapor-líquido, etc);

� Composição;

� Existência de traços de componentes que podem alterar significantemente os característicos do

equilíbrio líquido-vapor da mistura, etc..

� As condições de fluxo dentro da coluna;

� Características das partes internas (pratos ou recheios).

Embora exista um senso comum do que a destilação signifique, alguns aspectos importantes, do ponto

de vista industrial, devem ser evidenciados. São eles, como observados por Ming T. Tham :

� Destilação é a técnica de separação mais comum, em termos industriais;

� Ela consome quantidades enormes de energia, tanto nas necessidades de aquecimento quanto nas

de resfriamento;

� Destilação pode contribuir com mais de 50% dos custos de operação.

� O melhor modo para reduzir custos operacionais de unidades existentes, é melhorar sua eficiência e

operação através de otimização e controle do processo.

Para atingir esta melhoria, é essencial uma compreensão completa dos princípios da destilação e de

como são projetados os sistemas de destilação.

Uma aplicação importante de destilação é a produção de álcool e bebidas alcoólicas, aplicação conhecida há

muito tempo. Aplicações mais recentes incluem a obtenção de frações de petróleo nas refinarias e as

separações necessárias das misturas oriundas de inúmeras reações que ocorrem na indústria química.

A destilação pode ser classificada sob diversos aspectos. A seguir serão apresentadas algumas

possibilidades.

1) Classificação pelo número de componentes da mistura:

a. Binária - quando a mistura é composta somente por dois componentes. Exemplo: mistura

de água e álcool.

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b. Multicomponente - quando existem, na mistura, três ou mais componentes. Um exemplo

clássico de mistura multicomponente é o petróleo

2) Classificação pelo número de estágios:

a. Ou e em único estágio

b. Múltiplos estágios

3) Classificação pelo modo de operação:

a. Operação em batelada

b. Operação contínua

Neste ponto pode-se combinar as duas últimas classificações anteriores e:

A operação em batelada ou contínua pode ser:

� Em um único estágio;

� Em múltiplos estágios.

A operação em único estágio ou em múltiplos estágios pode estar funcionando:

� Em bateladas;

� Continuamente.

4) Classificação pelo tipo de mistura: (comportamento do equilíbrio líquido-vapor).

a. Destilação simples aquela baseada nas diferenças de volatilidade relativa dos componentes.

Alguns autores designam "simples" a destilação que se baseia apenas em

fornecimento/retirada de energia [uso de agente energético de separação]

b. Destilação complexa a que utiliza recursos adicionais, além dos citados na "simples", tais

como: adição de agentes mássicos de separação (solventes, por exemplo), alteração de

pressão de operação em regiões da coluna, uso de reagentes e catalisadores para provocar

reação (destilação reativa).

5) Outras possibilidades de classificação:

a. A destilação em balão munida de condensador pode ser chamada destilação diferencial.

b. " Flash" é a destilação em único estágio, em batelada ou contínua é de (condensação ou

vaporização parciais).

� Termos importantes para serem conhecidos:

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a. Fracionamento: ato de separar uma alimentação (chamada de carga) em destilado (que é o

produto de topo) e produto de fundo, ou em mais frações (retiradas laterais, caso de refino

de petróleo).

b. Coluna fracionadora: é a denominação de uma coluna básica, contínua, com uma

alimentação, com produtos de topo e fundo. Ou seja, aquela que efetua fracionamento.

Nela, a seção da coluna acima da alimentação. É chamada de retificação (analogia com

absorção), a parte abaixo é conhecida como de esgotamento ("stripping").

Coluna de Destilação ContínuaColuna de Destilação ContínuaColuna de Destilação ContínuaColuna de Destilação Contínua

As colunas que têm operação contínua processam uma corrente de alimentação contínua. Interrupções

no processo ocorrem somente para o equipamento sofrer manutenção ou quando se verifica algum

problema, seja no processo de destilação em si ou em algum processo vizinho. Esse tipo de coluna pode

processar altas quantidades de material e são, em termos industriais, mais comuns do que as que operam

em batelada.

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ColunColunColunColuna de Destilação em Bateladaa de Destilação em Bateladaa de Destilação em Bateladaa de Destilação em Batelada

São as colunas que operam em batelada, ou seja, a coluna é carregada com uma certa quantidade de

material (mistura líquida), chamada de batelada e o processo de destilação é realizado. Quando a tarefa

desejada chegou ao fim, uma nova batelada de alimentação é introduzida.

Classificações das Colunas de DestilaçãoClassificações das Colunas de DestilaçãoClassificações das Colunas de DestilaçãoClassificações das Colunas de Destilação As colunas contínuas podem ser classificadas de acordo com:

1) A natureza da alimentação que estão processando,

a. coluna binária - a alimentação contém somente dois componentes

b. coluna multi-componente -a alimentação contém mais do que dois componentes.

2) O número de correntes de produto que dela são extraídas,

a. coluna multi-produto - aquela que possui mais retiradas do que os produto de topo e de

fundo.

3) A existência de uma alimentação extra (com um ou mais componentes diferentes dos da

alimentação principal) adicionada para auxiliar a separação,

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a. destilação extrativa - onde a alimentação extra aparece na corrente de produtos de fundo

b. destilação azeotropica - onde a alimentação extra aparece na corrente de produtos de topo.

4) O tipo de partes internas:

a. colunas de bandejas - onde as bandejas, de vários tipos possíveis, são usadas para represar o

líquido descendente e, assim, promover um melhor contato entre este e o vapor que

ascende ao topo, ocasionando maior eficiência na separação

b. colunas de recheio - onde, em vez de bandejas, as colunas são cheias (recheadas) com peças

sólidas (recheio) de várias formas. Esse recheio providencia um melhor contato entre o

líquido e o gás.

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Escoamentos do vapor e do líquido em colunas de pratosEscoamentos do vapor e do líquido em colunas de pratosEscoamentos do vapor e do líquido em colunas de pratosEscoamentos do vapor e do líquido em colunas de pratos

A Figura abaixo (a,b e c) mostram três esquemas, com visões diferentes, para o escoamento e direção de

fluxo dos fluídos que circulam nos pratos e em colunas de destilação.

Cada coluna tem dois condutores, um de cada lado, chamado de canal de descida ("downcomer"). O

líquido cai pelo downcomer por gravidade, de um prato para o outro, localizado imediatamente abaixo

dele. O fluxo contracorrente em cada prato é mostrado nas Figuras (b,c).Um dique localizado na

extremidade superior do downcomer é projetado de modo que seja assegurada, no prato, uma altura

adequada de líquido para permitir que o vapor que passa pelos borbulhadores (ou válvulas ou malhas) entre

em contato íntimo com o líquido.

A área disponível para a passagem do vapor em cada prato é chamada de área ativa do prato.O vapor

(mais quente) transfere calor ao líquido (mais frio) e, com isso, parte do vapor condensa - justamente os

componentes com pontos de ebulição maiores e é incorporado ao líquido - e parte do líquido evapora -

aquela formada dos componentes com pontos de ebulição menores a qual passa para a fase vapor que

sobe. Este contato contínuo líquido-vapor ocorre em cada prato e promove a separação entre os

componentes menos voláteis dos mais voláteis que é, em suma, o objetivo da destilação.

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Uma coluna de destilação é um complexo sistema de escoamento. Na base da coluna, vapor com uma

pressão suficientemente elevada, tem que ser gerado para poder vencer o peso da coluna de líquido em

cada prato, da base até o topo da coluna. Por outro lado, o líquido escoa do topo para o fundo, na mesma

direção do gradiente positivo de pressão, devido a diferença de densidade. O escoamento de interno de

vapor e de líquido numa coluna de destilação deve ser tal que favoreça o contato entre as fases, daí a

necessidade de colocar anteparos na coluna. Nas Figuras a seguir observamos como um prato perfurado e

um com borbulhador, respectivamente, promovem a mistura entre as fases líquida de vapor

Escoamento de líquido e vapor através de um prato perfurado.

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Escoamento de líquido/vapor através de um prato com borbulhador

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Bandejas ou PratosBandejas ou PratosBandejas ou PratosBandejas ou Pratos

Os termos "bandejas" ou "pratos" são equivalentes em se tratando da denominação das partes internas

de uma coluna de destilação. Existem muitos tipos de pratos, mas os mais comuns são os apresentados a

seguir:

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Pratos com borbulhadoresPratos com borbulhadoresPratos com borbulhadoresPratos com borbulhadores

Um prato com borbulhadores está esquematizado na Figura abaixo.

Esse prato tem orifícios onde se erguem pequenas "chaminés" cobertas, cada uma, com um "capacete".

A vista lateral de um borbulhador expandido em suas duas partes está esquematizado na Figura a seguir:

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Enquanto que no esquema da Figura na sequência, vê-se a aparência do mesmo coberto. O capacete é

montado de tal modo que existe um espaço entre a chaminé e o capacete de modo a permitir a passagem

do vapor. O vapor ascende na chaminé e é dirigido para baixo, escapando pelos orifícios verticais do

capacete. esse movimento faz com que o vapor entre em contato com o líquido que está represado no

prato.

Pratos com VálvulasPratos com VálvulasPratos com VálvulasPratos com Válvulas Nos pratos com válvulas, os orifícios são cobertos com válvulas que são capacetes presos ao pratos por uma presilha dando-lhes, assim, mobilidade. O o fluxo de vapor levanta o capacete fazendo com que exista o contato vapor-líquido.

Pratos com malhas (ou peneiras)Pratos com malhas (ou peneiras)Pratos com malhas (ou peneiras)Pratos com malhas (ou peneiras) Pratos com malhas são simplesmente placas metálicas com orifícios (veja a Figura ). O vapor passa por esses orifícios e borbulhas no líquido que inunda o prato. O arranjo dos orifícios, seu número e tamanho são parâmetros de projeto. Por causa da alta eficiência, grande aplicabilidade, facilidade de manutenção e fatores econômicos, os pratos com válvulas e com malhas vêm sendo muito usadas, em substituição aos pratos com borbulhadores em muitas aplicações.

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Projeto dos Pratos Projeto dos Pratos Projeto dos Pratos Projeto dos Pratos

Cada prato atua, essencialmente, como uma pequena coluna, cada um deles realiza uma parcela da tarefa total que é a separação dos componentes da mistura líquida inicial (alimentação). Desse modo pode-se deduzir que quanto mais pratos existirem em uma coluna, melhor será a separação a qual dependerá significantemente do projeto dos pratos. Esse projeto visa maximizar o contato líquido-vapor e esse contato é influenciado pelas distribuições do líquido e do vapor em cada prato (tipo de escoamento e caminhos que o líquido e o vapor percorrem nos pratos).

Resumindo: melhor contato em cada prato significa melhor separação neles e, em termos globais, melhor desempenho da coluna e, assim, menor número de pratos. Menor número de pratos significa coluna menor e, principalmente, menores custos de energia e material (carcaça, pratos, componentes internos, etc.). RecheiosRecheiosRecheiosRecheios

Os recheios são peças sólidas projetadas para aumentar a área de contato líquido-vapor. Na Figura

abaixo (a,b,c) estão desenhos de 3 tipos de recheios.

(a) (b) (c)

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As colunas de recheio são carcaças contendo um número muito grande dessas peças. O recheio ocasiona um bom contato líquido-vapor mas, por outro lado, a seção da coluna preenchida com as peças experimenta perda de carga considerável pois dificulta a passagem dos fluidos No projeto desse tipo de coluna é desejável que esse fator seja minimizado pois grandes perdas de cargas significam altos custos de energia para fazer com que o vapor flua ascendentemente na coluna. Tipos de recheiosTipos de recheiosTipos de recheiosTipos de recheios O recheio mais comum é o anel racshig. Este é um anel que tem seu diâmetro igual a seu comprimento. O material usado no anel pode ser qualquer um desde que não reage quimicamente com os produtos da destilação e que suporta a temperatura.

O anel Pall é um dos anéis mais eficientes pois tem uma superfície e área aberta maior que o anel racshig. Este anel funciona muito bem para a produção de álcool. Pode ser de material plástico ou metálico. Usando material plástico [polipropileno] em colunas para produzir bebidas deve ser evitado devido a possível alteração de sabor e odor.

Recheio X PratosRecheio X PratosRecheio X PratosRecheio X Pratos Colunas de pratos são chamadas de "colunas com contatos em estágios" e as de recheio "colunas com contato contínuo" devido ao tipo de contato líquido-vapor que acontece nessas duas diferentes colunas. Algumas vantagens entre colunas de recheio frente as de pratos são as seguintes:

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� o recheio provê contato líquido-vapor mais eficiente do que os pratos;

� a eficiência da separação é maior para mesma altura de coluna;

� colunas de recheio são mais baixas do que as de pratos.

� Em compensação as perdas de carga nas colunas de recheio são maiores do que as observadas em colunas de pratos.

13.13.13.13. PPPPRODUÇRODUÇRODUÇRODUÇÃO DE VÃO DE VÃO DE VÃO DE VÁCUOÁCUOÁCUOÁCUO

O conceito físico para vácuo é a ausência de matéria em um volume de espaço, no entanto o que se atinge industrialmente é o chamado vácuo parcial, expresso em unidades de pressão como Pascal (Pa) e escala barométrica (bar). Por mais eficiente que seja o sistema de geração de vácuo, sempre sobram moléculas do gás originalmente existente no recipiente. A quantidade de moléculas que restam, por unidade de volume, pode ser utilizada para caracterizar o vácuo. À medida que o vácuo se torna mais perfeito, isto é, quanto menor a pressão, há um número cada vez menor de moléculas por unidade de volume. A pressão do gás está relacionada com os choques por unidade de tempo que essas moléculas têm com as paredes do recipiente.

� Quanto melhor o vácuo essas colisões se tornam menos freqüentes e, da

mesma forma, as colisões entre as próprias moléculas acontecem menos. Industrialmente, o vácuo é produzido por algumas formas, dentre as quais duas se destacam:

� Bombas de vácuo � Ejetores.

ENCHIMENTO

COLUNA

BANDEJA

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Bombas de vácuo Dos vários tipos de bombas, aquela que mais é utilizada é a bomba de anel líquido, que consiste de um rotor com palhetas que giram excêntricas dentro de uma carcaça circular. Dentro desta carcaça existe um líquido selante que, com a rotação excêntrica, enche e esvazia cada uma das câmaras formadas entre as palhetas, gerando a aspiração e a descarga dos gases. Quanto maior a viscosidade do líquido selante utilizado, maior o nível do vácuo obtido. Desta forma utiliza-se desde a água, para os baixo vácuo, até o mercúrio para os casos de alto-vácuo. Na maioria das utilizações necessárias tem-se o óleo de baixa viscosidade como líquido selante

Ejetores O principio de funcionamento do ejetor é da “tobeira” e não é aplicado para produção de alto-

vácuo . Normalmente os ejetores industriais funcionam com o vapor sendo usado como fluido motor. Um ejetor tem duas entradas, uma para admitir o fluido motriz – vapor – e outra conectada com a

tubulação de onde o gás será evacuado. Quando o fluido passa pelo bico de entrada, sua velocidade excede à do som, e na passagem pela

câmara arrasta consigo os gases provenientes do sistema. Eles se misturam enquanto atravessam o cone convergente e a velocidade do fluido motriz diminui enquanto aumenta a dos gases.

Para a produção do baixo vácuo não há diferença entre ejetor e bomba, sendo escolhido por motivos econômicos resultantes da análise de:

a) Fluido motriz em abundância b) Gases corrosivos em contato c) Liquido selante em abundância

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14.14.14.14. ABSORÇÃOABSORÇÃOABSORÇÃOABSORÇÃO

Absorção na química é a fixação de um gás por um sólido ou um líquido, ou a fixação de um líquido por um sólido. A substância absorvida se infiltra na substância que absorve. É a transferência de um componente solúvel de uma fase gasosa para um absorvente líquido

relativamente não-volátil; Considere um soluto na forma de vapor por exemplo, amônia, misturado com um gás, a ser chamado

de "inerte" por exemplo, ar. Esse nome de inerte deve-se a que ele permanecerá sempre na fase gasosa, não será transportado. Deseja-se remover o soluto da mistura gasosa ou para reaproveitamento ou para evitar que essa mistura Ar+Amônia seja lançada na atmosfera. A remoção completa é impossível, mas pode-se chegar a 99,99% de recuperação (nunca 100.%).

A retirada do soluto (amônia) será feita através de um solvente por exemplo, água ou um "reagente químico" (por exemplo, uma solução ácida). No primeiro caso, a remoção dá-se através da solubilidade da amônia na água; no outro caso, a amônia reage com o ácido (processo químico).

Dependendo do caso, um ou outro método pode ser mais interessante e econômico. Para o exemplo em questão, a absorção física é a mais recomendada, pois a água é um ótimo solvente para a amônia, é barata, não é tóxica, não é tão volátil, não é corrosiva, não é viscosa, nem inflamável e é quimicamente estável.

Uma outra simplificação, muitas vezes adotada, é considerar que a água também seja inerte, isto é, ela permanece na forma de líquido e praticamente não evapora. Essa simplificação, em geral, é aceitável porque a quantidade de água evaporada, quando ocorre, normalmente é desprezível em relação á quantidade de soluto que é absorvido. Assim, temos um inerte no gás (ar) e um inerte no líquido (água), e o único componente que passa de uma fase á outra é a amônia.

Em termos de aplicações industriais, pode-se citar diversos exemplos de absorção, tais como na purificação de gases de combustão, remoção de CO2 na fabricação de amônia, recuperação de solutos (S02, acetona, HCl, etc.) em processos diversos.

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15.15.15.15. DESSORÇÃODESSORÇÃODESSORÇÃODESSORÇÃO

Remoção de um componente de um líquido pelo contato com uma fase gasosa (processo inverso da absorção)

Gás solúvel é transferido para a fase gasosa em virtude de a concentração no liquido ser maior que a concentração de equilíbrio com o gás; Exemplo: extração da amônia de uma solução aquosa mediante borbulhamento de ar através da solução; Absorção e Extração: amplamente empregadas na indústria química;

Aplicações industriais:

� Ácido clorídrico é produzido pela absorção do cloreto de hidrogênio gasoso em água; � Separação de hidrocarbonetos na indústria do petróleo; � A fermentação aeróbia dos lodos de esgoto exige a absorção de ar; � A carbonatação das bebidas refrigerantes envolve absorção de dióxido de carbono; � Ocorre uma certa dessorção quando se abre a garrafa e a pressão é reduzida; � Equipamentos a vários estágios, algumas vezes contínuos.

16.16.16.16. ADSORSÃOADSORSÃOADSORSÃOADSORSÃO

Adsorção, também conhecida como processo de sorção, é a adesão de moléculas de um fluido (o adsorvido, gás ou líquido) a uma superfície sólida (o adsorvente);

O grau de adsorção depende da temperatura, da pressão e da área da superfície - os sólidos porosos como o carvão são ótimos adsorventes. As forças que atraem o adsorvato podem ser químicas ou fisicas.

A adsorção química, também chamada de quimissorção, é específica e é empregada na separação de misturas. Nela as moléculas (ou átomos) unem-se à superfície do adsorvente através da formação de ligações químicas (geralmente covalentes) e tendem a se acomodarem em sítios que propiciem o maior número de coordenação posslvel com o substrato.

Uma molécula quimicamente adsorvida pode ser decomposta em virtude de forças de valência dos átomos da superfície e é a existência de fragmentos moleculares adsorvidos que responde, em parte, pelo efeito catalítico das superfícies sólidas.

A adsorção física, também chamada de físissorção, é empregada em máscaras contra gases e na purificação e descoloração de líquidos. Nela as moléculas do adsorvente e do adsorvato interagem por interações de van der Waals, que apesar de serem interações de longo alcance, são fracas e não formam ligações químicas.

Uma molécula fisicamente adsorvida retém sua identidade, embora possa ser deformada pela presença dos campos de força da superfície. Exemplo: adsorção de vapores orgânicos pelo carvão.

A adsorção sobre sólídos é um fenômeno de grande importância na área da química, mais especificamente em físico-química.

Quando se expõe um sólido finamente dividido a uma pressão moderada de um gás, geralmente a pressão do gás decresce, indicando que parte das moléculas do gás foram adsorvidas na superfície do sólido.

Pelo mesmo motivo observa-se que expondo uma solução de um corante (ou de uma tinta) ao sólido, a intensidade da coloração da solução decresce acentuadamente. Aplicações industriais:

� Separação da fração mais leve do gás natural mediante um leito móvel de adsorvente; � Demais processos industriais usam leitos fixos e processos descontínuos ou cíclicos em

lugar de equipamento com vários estágios pois é difícil movimentar o sólido;

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17.17.17.17. TROCA IÔNICATROCA IÔNICATROCA IÔNICATROCA IÔNICA O soluto fica retido no adsorvente por uma reação química com uma resina sólida trocadora de íons. Aplicações industriais: •A desmineralização é um processo em que se remove os sais minerais da água mediante troca iônica, •Os íons em solução podem ser removidos por este processo que é amplamente adotado para produzir água ultrapura; •Somente as substâncias que se ionizam na água podem ser removidas através de resinas trocadoras de íons. •Recuperação de antibióticos de mostos fermentativos; •Separação de terras raras;

A troca iônica é uma operação unitária feita com as "resinas de troca iônica", que tem a

propriedade de reter íons que estão em solução, entregando em troca íons que fazem parte da

molécula original de resina. Na grande maioria das vezes a operação tem lugar com íons em

solução aquosa, mas pode ocorrer também com outros líquidos, como por exemplo glicerina. É

necessário, entretanto, que os sais a serem trocados estejam dissociados, na forma iônica.

Classificação das resinas de troca

Resinas catiônicas: trocam cátións.

Resinas aniônicas: trocam ânions.

As catiônicas se dividem em:

Catiônicas fortes: trocam todos os cátions em solução.

Catiônicas fracas: trocam só os cátions ligados a bicarbonatos (ou carbonatos, se houver), isto é, os cátions ligados a ânions fracos. Não trocam os cátions ligados a ânions fortes (cloreto, sulfato, nitrato).

As aniônicas se dividem em:

Aniônicas fracas: trocam os ânions fortes (cloreto, 'sulfato, nitrato). Não trocam os ânions fracos (dióxido de carbono e sílica).

Aniônicas fortes: trocam todos os ânions em solução, inclusive dióxido de carbono e sílica.

Constituição química das resinas

As resinas modernas são todas de base polestirênica, e se apresentam na forma de pequenas esferas ocas, de aproximadamente 1 mm de diâmetro. O grupo ativo varia de acordo com o tipo de resina.

As resinas catiônicas fortes têm como grupo ativo um grupo sulfônico (R-SO3 H) sendo R a molécula de resina.

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As catiônicas fracas têm um grupo carboxílico (R - COOH).

As aniônicas têm um grupo de amônio quaternário (R - NH30H).

Operações de troca iônica

Embora, como dito acima, a troca iônica possa ser (e de fato é) usada para a purificação de outros líquidos (glicerina p.ex.) é com a água que a utilização é mais freqüente.

Com a troca iônica se realizam dois tipos de operações:

- o abrandamento de água

- a desmineralização de água

Abrandamento

O abrandamento tem por objetivo eliminar a dureza da água. Isto é os cátions Ca ++ e Mg ++, que causam incrustações nas caldeiras, trocadores de calor, circuitos de resfriamento, etc.

A eliminação se dá por troca iônica, durante a qual a resina catiônica forte, trabalhando em ciclo sódico, troca o Ca ++, e Mg++ pelo Na, de acordo com a seguinte reação:

A mesma reação tem lugar com o Mg. Como vemos, a água dura que entra no abrandador contendo Ca e Mg, deixa esses elementos na resina, que os troca por Na, e sai branda, isto é, sem presença de Ca e Mg.

Depois de algumas horas de funcionamento a resina se esgota, isto é, perde a capacidade de troca porque trocou todo o seu sódio pelo Ca e Mg da água dura. Em outras palavras. todo o sódio presente originariamente na resina foi substituído por Ca e Mg.

Quando se chega a este ponto, é preciso regenerar a resina, ou seja. devolver à resina a sua capacidade de troca. Isto se faz passando pela resina uma solução de cloreto de sódio. Esta operação chama-se regeneração e a reação química é a seguinte:

Dessa forma, a resina toma ao estado original (sódico) e está apta para começar um novo ciclo.

As fases da regeneração são as seguintes:

1. Contralavagem

Depois de várias horas de funcionamento com a água exercendo pressão sobre o leito, a resina encontra-se compactada e é preciso descompactá-la.

Isto se faz por meio de contralavagem, durante a qual a água é admitida por baixo e evacuada por cima do leito, o que ocasiona expansão e a descompactação.

A contralavagem pode durar de 10 a 15 minutos.

A vazão de contralavagem é a necessária para dar uma expansão de leito de aproximadamente 50%.

2. Injeção de Cloreto de Sódio

O cloreto de sódio, preparado em solução saturada em um tanque separado, é injetado no leito de

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resina no sentido normal, isto é, de cima para baixo.

A injeção se faz por meio de um injetor cujo fluido motriz é água, que ocasiona também a diluição do cloreto de sódio (salmoura). Com efeito, embora a salmoura seja preparada saturada (- 30%), deve ser injetada na resina com uma concentração em tomo de 5%. Assim, a diluição havida no injetor é de 1 :6.

A injeção de salmoura pode demorar aproximadamente 20 a 30 minutos.

3. Enxágüe

O excesso de salmoura que fica dentro do abrandador após a injeção deve ser eliminado por meio de um enxágüe que se faz com água bruta no sentido normal, isto é, de cima para baixo.

A duração do enxágüe é chega a aproximadamente 10 a 15 minutos.

Após o enxágüe, o abrandador está pronto para começar uma nova campanha. Chama-se campanha o tempo transcorrido entre duas regenerações sucessivas.

Detalhes construtivos de um abrandador

O abrandador é um vaso de pressão cilíndrico vertical provido de um fundo falso onde apóia o leito de resina. No fundo falso existem as crepinas, que permitem a passagem de água de fora para dentro, mas não permitem a passagem das bolinhas de resina.

A água bruta entra por cima, passando por um distribuidor de forma simples, geralmente na forma de calota esférica ou cone, que distribui a água para uma passagem aceitavelmente uniforme através do leito. O distribuidor serve para evacuar a água de contralavagem durante esta operação.

A salmoura com uma concentração de ~5%, entra no vaso através de um distribuidor tubular, pois o distribuidor de água bruta não é suficientemente eficiente para esta operação. O distribuidor tubular consiste de um tubo central provido de ramais, também tubulares, que na parte inferior tem pequenos furos a intervalos regulares, por onde sai a salmoura. O interno do vaso abrandador costuma estar pintado com uma tinta anticorrosiva para evitar corrosão. Desmineralização

A água desmineralizada é a que tem um conteúdo de sólidos dissolvidos máximo de 1 ppm, sendo 1 ppm (parte por milhão) igual a 1 mg/1 ou 1 g/m3.

Para chegar a este resultado, costuma-se seguir os passos descritos abaixo:

1. Troca catiônica, por meio de resinas catiônicas fortes trabalhando em ciclo ácido (ou hidrogênio).

A água que sai do trocador catiônico forte deixou todos os cátions metálicos. tendo-os trocado por H. Dessa forma, tem uma reação francamente ácida, com pH de 2 a 3. Na realidade, como nenhum processo químico tem uma eficiência de 100%, existe uma pequena "fuga" de cátions metálicos (principalmente sódio, que tem menos afinidade pela resina que o Ca e Mg) de 3-5 ppm.

Quando a resina esgota, isto é, trocou todo o H existente na molécula pelos íons metálicos existentes na água bruta, a regeneração se faz com HCl ou H2S04.

O uso de HCl ou H2S04 na regeneração é decidido pela conveniência econômica de um ou outro, visto que tecnicamente eles têm uma eficiência similar.

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As fases da regeneração são as mesmas vistas para o abrandamento. Isto é:

a. Contralavagem, para descompactar as resinas

b. Injeção de ácido, para regenerar

c. Enxágüe final, para eliminar o excesso de ácido presente. Construtivamente, o trocador catiônico é semelhante a um abrandador, com a diferença que,

trabalhando em meio ácido, é preciso evitar a corrosão. Desta forma, o interior do vaso trocador é revestido de borracha. Quanto às crepinas e distribuidor de ácido, sendo de polipropileno, eles resistem à corrosão.

Enquanto ao tanque de preparação de ácido para regeneração, costuma ser de aço revestido de borracha, sem pedregulho, porém com um agitador para dissolver o ácido.

2. Troca aniônica, por meio de resinas aniônicas fracas.

O segundo passo da desmineralização é a eliminação de ânions fortes por meio de resinas aniônicas fracas.

O CO2 que entra na reação é o proveniente do desdobramento da a1calinidade, segundo as reações vistas no funcionamento da coluna catiônica.

Como vemos, a água que sai de uma coluna aniônica fraca contém toda a Si02 e CO2 presentes na água bruta, mais o CO2 proveniente da decomposição da alcalinidade na coluna aniônica, mais 3-5 ppm de bicarbonato de sódio, proveniente do sódio que não foi absorvido (fugiu) da coluna catiônica.

A grande quantidade de CO2 livre presente faz com que o pH dessa água seja ácido. entre 5-6. O CO2 produzido não tem influência na resina aniônica fraca. O regenerante poderia ser também NaOH, porém o carbonato é mais barato.

As fases da regeneração são as mesmas vistas com o abrandador e o trocador catiônico. Entretanto, algumas marcas de resina necessitam, para funcionar com maior eficiência, ficar de molho com Na2CO3 durante aproximadamente 30m para completar a regeneração. O molho tem lugar antes do enxágüe final da resina.

Construtivamente, o trocador aniônico é semelhante ao trocador catiônico. isto é, está revestido de borracha para evitar a corrosão. Também o tanque de preparação de carbonato de sódio é semelhante ao de preparação de ácido.

3. Eliminação da maior parte do CO2 por meio de torre de descarbonatação. Um meio muito eficaz e relativamente barato de eliminar o CO2 presente na água que sai do

trocador aniônico é fazê-la passar por uma torre de descarbonatação, consistente de um cilindro revestido de borracha recheio de anéis Raschig, por onde a água cai em contra-corrente com ar que sobe, impulsionado por um ventilador.

O ar agita (chacoalha) fortemente a água, ocasionando o desprendimento do CO2 dissolvido. O fenômeno é semelhante o que acontece quando se agita fortemente uma garrafa de refrigerante. O CO2 sai junto com o ar pela chaminé da torre, e a água sem CO2 (descarbonatada) é recolhida em uma cisterna.

Na realidade, fica sempre um resto de CO2 na água descarbonatada, da ordem de 3-5 ppm, que depende da eficiência da torre e da temperatura da água: quanto mais fria, maior o resto de CO2 , pois a solubilidade dos gases em água é inversamente proporcional à temperatura .

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4. Polimento final em leito misto

A água que saiu da torre de descarbonatação tem a seguinte composição aproximada:

• 3-5 ppm de bicarbonato de sódio • 1-2 ppm de c1oreto e sulfato de sódio, proveniente das fugas da coluna aniônica • 3-5 ppm de CO2, que não foram eliminados pela torre • Toda a sílica presente na água bruta.

Para chegar à desmineralização total, essa água sofre um polimento em um leito misto. O leito misto é uma coluna que está carregada com três resinas diferentes:

- resina catiônica forte, para absorver todos os cátions presentes - resina aniônica forte, para absorver todos os ânions presentes. inclusive CO2 e Si02 - resina inerte. cuja função veremos depois. As três resinas estão dentro do trocador de leito misto intimamente misturado. Quando a água passa pelas resinas, deixa todos os cátions e ânions presentes. de acordo com as seguintes reações:

a. Resina catiônica forte.

b. Resina aniônica forte

c. Resina inerte. Sendo inerte, não reage quimicamente

A água que sai do leito misto é água completamente desmineralizada, isto é, satisfaz às seguintes condições:

STD < 1 ppm (STD == sólidos totais dissolvidos)

condutividade < 1 micro Siemens

pH == 7

18. BIBLIOGRAFIA

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