FACULDADE PITÁGORAS - JUNDIAÍ

ENGENHARIA QUÍMICA

OPERAÇÕES UNITÁRIAS III

Profª. Francine Fábrega

RELATÓRIO DE LABORATÓRIO:

CICLONE

CRISTIANE SOUZA

MOISÉS SUHET

PATRÍCIA DE FREITAS

REGINALDO DOS SANTOS

Jundiaí, abril 2013

ÍNDICE DE ABREVIAÇÕES E SÍMBOLOS

D´= diâmetro de corte do tamanho da partícula cuja eficiência de coleta é de

50% no ciclone considerado.

B = largura do duto de entrada do ciclone.

N = número de voltas feitas pelo gás no interior do ciclone (igual a 5).

V = velocidade de entrada do gás no ciclone baseada na área B.H. (usado

15m/s).

µ = viscosidade do gás (N/m2s)

= densidade do gás (kg/m2)

s = densidade do sólido

”= densidade do gás com o pó, que é calculada em função da fração em

volume das partículas sólidas.

Ae = área de entrada

As = área de saída

Q = vazão (m3/s)

SUMÁRIO

1 RESUMO.............................................................................................5

2 OBJETIVO..........................................................................................5

3 INTRODUÇÃO....................................................................................5

3.1 TRANSPORTE PNEUMÁTICO........................................................5

a) Transportadores pneumáticos por aspiração e compressão..............6

3.2 PROCESSO ANALISADO...............................................................7

a) Caracterização dos Fluidos................................................................8

b) Características do fluido.....................................................................8

4. PARTE EXPERIMENTAL..................................................................9

4.1 Materiais e equipamentos.................................................................9

4.2 Procedimentos..................................................................................9

5 RESULTADOS E DISCUSSÕES......................................................11

6 CONCLUSÕES.................................................................................15

REFERÊNCIAS....................................................................................16

1 RESUMO

Ciclone é um equipamento usado para coleta de poeira e também

utilizado como secador, seus objetivos de uso são: secagem de sólidos,

remover sólidos e/ou líquidos de gases; geralmente usados para remover

partículas maiores que 5 mm. O princípio de operação de um ciclone se dá

pela trajetória do gás: espiral dupla. O gás entra espiralando para baixo pela

periferia e volta para cima pela parte central. Neste estudo, avaliamos um fluido

que representa uma corrente de petróleo rica em gás natural, dispersos nesse

gás encontram-se uma mistura de óleo e água e partículas sólidas

provenientes do reservatório ou de erosão nos equipamentos. O ciclone aqui

projetado é para a separação do sólido (areia) do gás. Após os cálculos pode-

se desenhar um projeto de ciclone para estas condições.

2 OBJETIVO

Verificar a operação de transporte pneumático e o funcionamento do

ciclone.

3 INTRODUÇÃO

3.1 TRANSPORTE PNEUMÁTICO

O transporte pneumático pode ser definido como a arte de transportar

materiais em pó, grãos ou granulados através de um fluxo de ar, a uma velocidade

adequada, com pressão positiva ou negativa de um local para outro. Podendo ser

considerado uma ciência experimental, pois, mesmo aplicando-se os fundamentos

teóricos básicos no seu projeto, o desempenho do equipamento pode diferir muito

do projetado (DICKOW, 2013).

a) Transportadores pneumáticos por aspiração e compressão

Este tipo de sistema de transporte pneumático utiliza o princípio de

funcionamento conhecido como sistema misto. É um sistema muito versátil e

utiliza um único ventilador ou compressor, que atua tanto criando um vácuo

para a sucção do material, como gerando pressão para o recalque do material.

Como o sistema do transportador pneumático é um sistema misto, o coletor

ciclone é um separador de partículas do ar. O princípio de funcionamento do

coletor ciclone está baseado na separação de sólidos de um fluxo de ar por

meio de efeito centrífugo conforme ilustrado na Figura 1.

Figura 1: Coletor de Ciclone Delta Ducon

Fonte: DICKOW, 2013

Os ciclones são de grande uso em controle de poluição do ar,

principalmente como pré-coletores. Devido a sua eficiência baixa para

partículas pequenas, o seu uso nesses casos apresenta restrições face à

impossibilidade de atender normas de emissão mais exigentes. Em geral são

utilizados para a coleta de material particulado com diâmetro maior que 5 μm.

No interior do ciclone o fluido apresenta duas trajetórias espirais, designadas

por:

• Espiral descendente, localizada junto à parede externa, e;

• Espiral interna ascendente.

A eficiência de ciclones é muitas vezes caracterizada pelo seu

"diâmetro crítico" ou pelo seu "diâmetro de corte". O diâmetro crítico refere-se

ao diâmetro da partícula que o ciclone coleta com 100% de eficiência.

Similarmente, o diâmetro de corte refere-se ao diâmetro da partícula coletado

com 50% de eficiência O fator fundamental para o bom funcionamento de um

ciclone é o seu diâmetro. Para uma determinada perda de carga, a eficiência

do ciclone cresce em função do raio de giro. Como a perda de carga cresce

com o quadrado da velocidade, existe um compromisso com entre ambos

fatores, que impede de diminuir o valor do raio por debaixo de valores que

levam às perdas de cargas proibitivas.

A perda de carga nos ciclones é importante para determinar a potência

necessária do ventilador utilizado para a movimentação da mistura gás-sólidos

particulados. Normalmente esta perda varia de 05 a 10 cargas de velocidade

referente à área de entrada do equipamento.

3.2 PROCESSO ANALISADO

A produção de sólidos associada à produção de óleo e gás,

principalmente nos poços de petróleo offshore pode causar inúmeros

problemas aos equipamentos utilizados para produção e separação do petróleo

produzido. Esses sólidos podem ter origem tanto no conteúdo do reservatório

(areia, silte e etc) quanto na erosão dos equipamentos existentes no poço.

Segundo Rawlins (2002 apud CARVALHO, 2008), eles têm normalmente até

250 micrômetros e podem ser encontrados em diferentes concentrações, que

variam de 5-250 ppm.

O uso de ciclones para separação gás-sólido é uma alternativa

interessante para o tratamento dessas correntes oriundas dos poços, quando

comparados com outros equipamentos de separação tradicionalmente

utilizados nesse processo.

Alguns poços atualmente apresentam uma produção volumétrica de

gás muito maior do que de líquido. Nesse caso, os ciclones poderiam ser

instalados a montante do primeiro separador de produção e utilizados com o

objetivo de separar os sólidos, bem como a mistura de óleo e água dispersa no

gás produzido. Considerando que a relação de densidades entre gás e líquido

é da ordem de 1000 (dependendo da pressão de trabalho) enquanto entre o

líquido e o sólido é da ordem de 2, supõe-se que esses equipamentos estariam

inicialmente separando o gás dos outros elementos produzidos.

a) Caracterização dos Fluidos

O fluido estudado representa uma corrente de petróleo rica em gás

natural proveniente de um conjunto de poços cuja produção de gás é maior do

que a de óleo. Dispersos nesse gás encontram-se, também, uma mistura de

óleo e água e partículas sólidas provenientes do reservatório ou de erosão nos

equipamentos.

As partículas dispersas estão representadas pelo componente areia. A

mistura óleo/água não foi considerada, pois estima-se que esse componente

deve sair junto com a areia devido a sua densidade ser muito mais próxima a

da areia que a do gás. Caso este processo venha a ser empregado, na prática,

uma posterior separação entre a corrente líquida e a areia deverá ser prevista.

b) Características do fluido

Propriedades:

Massa específica do gás 9,7x10-3 g/cm3 à 700ºC e 13,2 bar

Viscosidade dinâmica 1,2x10-4 P à 700ºC e 13,2 bar

Massa específica da areia 2,65 g/cm3

Concentração volumétrica da areia 0,0056 %

4 PARTE EXPERIMENTAL

4.1 Materiais e equipamentos

Esferas

Aparato para ciclone com compressor.

Funil

Bolinha de borracha

4.2 Procedimentos

Depois de verificado a funcionalidade do compressor de pequeno porte

localizado na bancada do laboratório. Ligou-se o mesmo e esperou até que

alcançasse uma pressão relevante ao trabalho que seria realizado.

Em um béquer de vidro de 600 mL, segregou as esferas que seriam

transportadas pneumaticamente através do equipamento. Com essa visão,

colocou-se outro béquer, este vazio, na outra ponta do equipamento (Saída

inferior do ciclone), a fim de coletar as partículas esféricas que seriam

transportadas, como é mostrado na figura 2:

Figura 2: Transporte pneumático e ciclone

Após a preparação do equipamento e certificado que tudo estava em

seu devido lugar, ligou-se a vazão de ar comprimido e colocou a mangueira de

vazão do mesmo dentro da entrada do transportador pneumático.

Para que o transporte pudesse ser executado, foi preciso reconhecer o

ponto de melhor localização da mangueira, em altura e profundidade que a

mesma adentrava pelo tubo. Várias tentativas focam feitas até encontrar esse

ponto de melhor trabalho pneumático.

Depois de encontrado o ponto, pode-se observar o transporte eficiente

das partículas esféricas do béquer de descanso para o béquer vazio no final do

Ciclone, como é mostrado na figura 3:

Figura 3: movimento em espiral das partículas sólidas no ciclone

Após a execução desse processo, pode ser observado as partículas

sendo depositadas no fundo do béquer e o ar enviado pelo compressor saindo

pela parte de cima do Ciclone.

Alguns testes foram feitos a fim de se obter um melhor entendimento

do processo, sendo assim, um tubo de vidro com bocal afunilado foi colocado

na saída da mangueira de ar vinda do compressor.

Colocou-se o mesmo novamente o mesmo dentro do transportador

pneumático e observou a diferença que o bico afunilado causou no transporte

das partículas.

Outro teste foi realizado após essa observação. Retirou-se o tubo com

bico de vidro afunilado e colocou-se um funil de vidro na saída da mangueira

do compressor. Dentro do funil colocou-se uma bola de plástico e ligou o ar do

compressor.

Após o ar do compressor ligado virou-se o funil com a bola de plástico

de ponta cabeça e observou-se o comportamento que a mesma manifestou,

conforme mostra a figura 4:

Figura 4: Diferenças de pressão no ar comprimido

Este fenômeno foi provocado pela diferença de pressão entre o ar na

parte afunilada e o ar na parte maior. O ar com na parte afunilada provoca um

vácuo que suga a bolinha, conforme a pressão do compressor diminui, a

bolinha vai se soltando. A pressão menor na parte afunilada provoca aumento

na velocidade e diminuição da temperatura.

5 RESULTADOS E DISCUSSÕES

Com os dados acerca do gás e do sólido (areia) e utilizando-se a rotina de

cálculos, pode-se projetar o ciclone conforme cálculos abaixo:

Considerando :

B=0,7m

ρ s=2650 g/m3

v=15m /s

ρ=9700 ∙10−3g /m3

μ=0,12Pa

D '=√ 9∙ μ ∙B2 ∙ π ∙N ∙ v ∙(ρs−ρ)

D '=√ 9 ∙0,12∙0,72 ∙ π ∙5 ∙15∙(2650−9700 ∙10−3)

=0,0078

Dc=13,96 ∙v ∙ (ρs− ρ) ∙D '

2

μ

Dc=13,96 ∙15 ∙(2650−9700 ∙10−3)∙(2,95 ∙10−4)2

0,12=2,8m

Lc=2 ∙D c

Lc=2 ∙2,8=5,6m

Ds=D c

2

Ds=2,82

=1,4m

J=Dc4

J=2,84

=0,7m

B=Dc4

B=2,84

=0,7m

H= QB∙ v

H= 14,70,7 ∙15

=1,4m

H=Dc2

∴1,4=1,4

ρ ' '=ρ+c ∙(ρs−ρ)

ρ ' '=9700 ∙10−3+0,4 ∙(2650−9700 10−3)=1065,82 g/m3

ξ=21,16 ∙( AeA s )1,21

ξ=21,16 ∙( 0,7 ∙1,4

π ∙1,42

4 )1,21

=12,25

∆ P=ξ ∙ ρ' ' ∙ v2

2∙ g ∙c

∆ P=12,25 ∙(1065,82 ∙152

2∙9,81 ∙0,4 )=374320,38gm2

¿374,3Kg /m2

∆ P(mmH 2O)=1078∙ ( AeA s )1,21

∙ ρ' ' ∙ v2

∆ P(mmH 2O)=1,078 ∙( 0,7∙1,4

π ∙1,42

4 )1,21

∙1065,82∙152=149777,49 g /m ∙s=149,7Kg /m∙s

Após os cálculos, o ciclone projetado ficou assim dimensionado:

Figura 5: Ciclone dimensionado após rotina de cálculos

6 CONCLUSÕES

Com este estudo, foi possível observarmos experimentalmente os

conceitos que envolvem o ciclone, desde a variação de pressão, onde se

observou que a pressão menor provoca um aumento na velocidade, o

movimento em espiral provoca pelo ciclone e a separação (sólido saindo por

baixo e o gás saindo por cima do aparato), e o transporte pneumático.

Após o experimento, pode-se aperfeiçoar os cálculos projetando um

ciclone com base nos dados do processo analisado.

REFERÊNCIAS

CARVALHO, Aline Teixeira de. Otimização de ciclone para a pré-separação de areia na produção de petróleo. Dissertação de Mestrado. (Or.)Prof. Ricardo de Andrade Medronho, Ph.D. Programa em Tecnologia de Processos Químicos e Bioquímicos. Escola de Química da Universidade Federal do Rio de Janeiro. RJ. Mar 2008. Disponível em: < http://tpqb.eq.ufrj.br/download/pre-separacao-de-areia-na-producao-de-petroleo.pdf>. Acesso em 11/04/2013.

DICKOW. Stefan Roberto. Dimensionamento de Transportador Pneumático para Resíduos de cereais. Trabalho de Conclusão de Curso. UNIJUÍ – Departamento de Ciências Exatas e Engenharias. Curso de Engenharia Mecânica – Campus Panambi. 2013. Disponível em: < http://bibliodigital.unijui.edu.br:8080/xmlui/bitstream/handle/123456789/1376/TCC_EGM_STEFAN_R_DICKOW_2012_2_vers%C3%A3o%20final.pdf?sequence=1>. Acesso em 14/04/2013.

MACHADO, Ana Paula. Otimização do processo de embalagens de polietileno. TCC. Universidade do Sul de Santa Catarina. Tubarão. Dez 2007. Disponível em: < http://busca.unisul.br/pdf/91730_Ana.pdf>. Acesso em 12/04/2013.