Profa Dra Maria Cristina Rizk2018
[email protected]://docs.fct.unesp.br/docentes/plan/crisrizk/
OPERAÇÕES
UNITÁRIAS
OP
ER
AÇ
ÕE
S M
EC
ÂN
ICA
S
Operações envolvendo sólidos granulares
Fragmentação de sólidos;
Transporte de sólidos;
Mistura de sólidos;
Operações com sistemas sólido-fluido
Sólidos de sólido;
Peneiramento
Separação hidráulica (arraste –elutriação)
Sólido de líquidos;
Decantação
Flotação (borbulhamento de ar)
Floculação (sulfato de alumínio –aglutinação – flocos)
Separação centrífuga
Filtração
Sólidos de gases
Centrifugação (para gases - ciclones)
Filtração (para gases - filtros manga)
Líquidos de líquidos
Decantação
Centrifugação
Operações envolvendo sistemas fluidos
Bombeamento de líquidos;
Mistura e agitação de líquidos;
Sólido particulado: um material composto de materiais sólidos de tamanhoreduzido (partículas).
O tamanho pequeno das partículas pode ser uma característica natural ou podeser devido a um processo prévio de fragmentação.
Granulometria é o termo usado para caracterizar o tamanho das
partículas de um material. Distinguem-se pelo tamanho
cinco tipos de sólidos:
Pós: partículas de 1 µm até 0,5 mm
Sólidos granulares: partículas de 0,5 a 10 mm
Blocos pequenos: 1 a 5 cm
Blocos médios: 5 a 15 cm
Blocos grandes: maiores que 15 cm
Os parâmetros de forma mais utilizados são:
Esfericidade e diâmetro equivalente
Densidade
Dureza
Fragilidade
Aspereza
Porosidade
Densidade aparente
Esfericidade: a forma de uma partícula pode ser expressa pelaesfericidade (), que mede o afastamento da forma esférica.
• Leves ( < 500 kg/m3) – serragem, turfa, coque
• Intermediários (550 < < 1000 kg/m3) – produtos agrícolas
• Médios (1000 < < 2000 kg/m3) – areia, minérios
• Muito pesados ( > 2000 kg/m3) – minérios de ferro ou chumbo
Densidade: permite classificar os sólidos nas seguintes classes:
Dureza: nos plásticos e metais corresponde a resistência ao corteenquanto que no caso dos minerais é a resistência que elesoferecem ao serem riscados por outros sólidos.
Fragilidade: mede-se pela facilidade à fratura por impacto.Muitas vezes não tem relação com a dureza. Ex: os plásticossão moles, mas não são frágeis.
Aspereza: determina a maior ou menor dificuldade deescorregamento das partículas.
Porosidade: é a fração de vazios; pode ser definida como arelação entre o volume de vazios entre as partículas e ovolume total).
Densidade aparente (a) ou densidade bruta: corresponde aovolume ocupado por uma determinada massa de sólido,incluindo a porosidade (poros intragranulares).
poros) s(partícula totalvolume
amostra da (poros) vaziosde volume
Santos et al., 2004. Aplicabilidade das técnicas de
determinação de tamanho de partículas em sistemas de
tratamento de água e esgoto sanitário. Engenharia
Sanitária e Ambiental, v. 9, n. 4, p. 291-300.
As partículas em suspensão encontradas em afluentes e efluentes de sistemas de tratamento deágua e de esgoto são estruturas tridimensionais, em sua maioria irregulares, polidispersas (de váriostamanhos) e com diferentes propriedades físico-químicas. No entanto, todos os métodos disponíveispara determinação de seus tamanhos fornecem como resposta (em princípio) um único número, como qual se pretende representar o tamanho da partícula.
A esfera é a única forma passível de ser representada por um único número em todas as direções doespaço tridimensional. Todavia, uma mesma partícula pode ser caracterizada por diferentes esferascom base em uma de suas diferentes propriedades, tais como: maior ou menor dimensão, perímetroda área projetada, área projetada, área superficial, volume, velocidade de sedimentação, dentreoutras.
A eficiência das unidades de tratamento físico-químico está mormente ligada às características domaterial particulado que se pretende remover (tamanho, forma, densidade, carga superficial,velocidade de sedimentação e porosidade) e ao processo de separação empregado.
Santos et al., 2004. Aplicabilidade das técnicas de determinação de tamanho de partículas em sistemas de tratamento de água e esgoto sanitário. Engenharia Sanitária e Ambiental, v. 9, n. 4, p. 291-300.
Santos et al., 2004. Aplicabilidade das técnicas de determinação de tamanho de partículas em sistemas de tratamento de água e esgoto sanitário. Engenharia Sanitária e Ambiental, v. 9, n. 4, p. 291-300.
Santos et al., 2004. Aplicabilidade das técnicas de determinação de tamanho de partículas em sistemas de tratamento de água e esgoto sanitário. Engenharia Sanitária e Ambiental, v. 9, n. 4, p. 291-300.
http://www.lojacontrollab.com.br/ferragens/peneiras/
http://www.sbpisos.com.br/areia-fina-fina.html
Exercício 1 – Lista 1
ALMEIDA, P. H. S. Solidificação/estabilização de lodo de lavanderias industriais para fabricação de blocos cerâmicos acústicos (ressoadores de Helmholtz), Tese de Doutorado, 2014.
Velocidade Terminal
As partículas ao cair no seio de um fluido, sob ação de uma força constante,por exemplo a força da gravidade, sofrem aceleração durante um período detempo muito curto e depois disso se movem à uma velocidade constante.
Essa máxima velocidade que as partículas podem alcançar é chamada develocidade terminal,e depende da densidade, tamanho e forma da partícula, além daspropriedades do fluido e do campo.
Que forças agem sobre a partícula em movimento?
bVF ppc
bVF pfe
Força de campo
gravitacional,
centrífugo,
elétrico-magnético
Força de empuxo
Força de arraste
(atrito)
Força resultante
2)(2/1 Rdcfa vCAF
gb
As forças de campo, de empuxo e de arraste
rwb 2
Fe
Fc
FaResistência
Movimento da
partícula
Rpf vvv )(
eacpr FFFamF resultante
Balanço de forças
para uma partícula
mpa = força resultante
Fa = força de atrito
Fc = força de campo
Fe = força de empuxo
externocampodoeintensidad
partículadavolume
partículadadensidade
partículadarelativavelocidade
arrastedeecoeficient
partículadaticacaracterísárea
fluidododensidade
campodoaceleração
b
V
v
C
A
a
partículadamassam
p
p
R
d
c
f
p
eacp FFFam resultante
)()(21)( 2
. gVvCAgVam pfRdcfppresultp
Consideremos uma partícula isolada, sob ação de força
gravitacional e em movimento uniforme (sem aceleração).
Como não há aceleração da partícula, tem-se:
gVvCA pfpRdcf )()(210 2
dcf
pfp
RCA
gVv
)(2
Rearranjando tem-se:
)()(21)( 2
. gVvCAgVam pfRdcfppresultp
Quando a partícula é esférica considera-se que a área
característica é a área projetada:
2
4ppc dAA
3)(6
pdVp
Vamos agora substituir os termos de Ap e Vp
destas expressões na equação de VR
f
fp
d
p
RC
gdv
)(
3
42
Para partículas esféricas
fd
fp
c
p
RC
g
A
Vv
)(22
fd
fp
p
p
RC
g
d
dv
)(.
4
622
3
2
fd
fpp
RC
gdv
)(.
41
312
fd
fpp
RC
gdv
3
)(4 E o valor de Cd?
O coeficiente de arraste (Cd) é função do número de
Reynolds da Partícula:
f
fRp
p
vd
Re(Re)fCd , onde
Sedimentação: operação de separação sólido-fluidobaseada na diferença entre as concentrações das fasespresentes na suspensão a ser processada, sujeitas àação do campo gravitacional.
A sedimentação ocorre normalmente em tanques cilíndricos conhecidos comosedimentadores.
Espessador: produto de interesse a fase particulada (produção de espessadoscom alta concentração de partículas).
Clarificador: produto de interesse o líquido (produção de espessados com baixaconcentração de partículas.
27
Mecanismo (fases) da sedimentação
Zona clarificada
Zona de concentração
uniforme
Sólidos sedimentados
Zona de transição
Zona de concentração
não-uniforme
Peso
EmpuxoForça de
arraste
d
pp
C
dgV
..3
.)..(4
A sedimentação tem por base a descrição fluidodinâmica do contato entre as fases particulada e líquida,sujeita ao campo gravitacional.
Análise da velocidade terminal de uma partícula isolada.
Partículas esféricas, maiores em diâmetro e massa específica apresentarão maior valor para avelocidade terminal, decantando mais rapidamente quando comparadas a partículas não esféricas e dediâmetros e massa específica menores.
.18
)..( 2
pp dgV
Lei de Stokes
Fatores que controlam a velocidade de sedimentação:
• Densidades do sólido e do líquido;
• Diâmetro e a forma das partículas;
• Viscosidade do meio.
O aumento do tamanho das partículas sólidas é essencial no caso desistemas coloidais.
Tipos de lama:
tempo
Sedimentação discreta (Tipo 1): As partículas permanecem comdimensão e velocidade constantes ao longo do processo desedimentação. Não ocorre aglomeração entre elas e desse modocada partícula mantém inalteradas as suas características físicas(forma, tamanho, densidade). Ex.: sedimentação das partículas deareia na caixa de areia.
Sedimentação floculenta (Tipo 2): As partículas se aglomeram e suadimensão e velocidade aumentam ao longo do processo desedimentação. Ex.: sedimentação das partículas de naturezaorgânica que ocorre no decantador primário do processo de lodoativado.
Sedimentação em zona (Tipo 3): As partículas sedimentam emmassa. As partículas ficam próximas e interagem. Aparece quaseque instantaneamente uma interface límpida sólido-líquido que vaibaixando na bacia de sedimentação como um todo. Ex.:sedimentação de flocos de hidróxido de alumínio resultantes doprocesso de coagulaçãofloculação (tratamento físico-químico) dedespejos oleosos (emulsões).
Sedimentação por compressão (Tipo 4): As partículas secompactam como lodo. A concentração de partículas é tão elevadaque ocorre a formação de uma estrutura e a sedimentação ocorreapenas pela compressão desta estrutura, devido ao peso daspartículas.
Forma do recipiente: Existe influência na velocidade de sedimentação se a decantação for realizada emrecipientes diferentes.
Considerando dois recipientes, com forma diferentes, de mesma seção transversal e mesma altura com asedimentação ocorrendo no mesmo tempo:
• - Sedimentação em tubo inclinado
• - Sedimentação em tubo vertical
Observando as duas figuras, podemos observar que a sedimentação em Tubo Inclinado é mais eficiente.
Sedimentação em tubo inclinado Sedimentação em tubo vertical
Tamanho das impurezas
Sólidos suspensos: partículas > 1 m
Sólidos dissolvidos: partículas < 10-3 m
Sólidos coloidais: 10-3 m < partículas < 1 m
Coagulação: Operação unitária responsável peladesestabilização das partículas coloidais em um sistemaaquoso, preparando-as para a sua remoção nas etapassubseqüentes do processo de tratamento.
Coagulação: Resultante dos fenômenos químicos e físicos.
Fenômeno químico: consiste na reação do coagulante com o meio e
na formação de espécies hidrolisadas com carga positiva.
Fenômeno físico: consiste no transporte das espécies hidrolisadas,
para que estas interajam com as impurezas presentes no meio.
A coagulação ocorre sob condições de forte agitação – misturarápida.
Através da mistura rápida tem-se a distribuição uniforme docoagulante no meio para que todas as partículas tenham contato comas espécies hidrolisadas.
• pH;
• Temperatura;
• Quantidade de impurezas no meio.
Depende de fatores como:
• turbidez do meio a ser tratado (maior turbidez, menor quantidade de coagulante, devido amaior possibilidade de choques);
• composição química do meio (os ânions interferem mais que os cátions);
• temperatura (menor temperatura, maior viscosidade, menor velocidade de sedimentação.
O processo de coagulação exerce influência na :
As impurezas coloidais consistem empartículas com carga elétrica geralmentenegativa.
A adição de coagulantes e floculantesprovoca a desestabilização dessas cargas.
As partículas coloidais podem serdesestabilizadas de através de quatromecanismos: compressão da dupla camada,adsorção e neutralização da carga,varredura e formação de pontes.
DALSASSO, 1999
COAGULANTES EFEITOS
Al2(SO4)3 – Sulfato de Alumínio
Cátions polivalentes (Al+3, Fe+3, Fe+2, etc.) neutralizam as
cargas elétricas das partículas suspensas e os hidróxidos
metálicos.
PAC – Policloreto de Alumínio
FeCl3 – Cloreto Férrico
FeSO4 – Sulfato Ferroso
Ca(OH)2 – Hidróxido de Cálcio
Usualmente utilizado como agente controlador do pH.
Porém, os íons cálcio atuam também como agentes de
neutralização das cargas elétricas superficiais, funcionando
como um coagulante inorgânico.
Polímeros Aniônicos e Não-iônicosGeração de “pontes” entre as partículas já coaguladas e a
cadeia do polímero, gerando flocos de maior diâmetro.
Polímeros Catiônicos
Neutralização das cargas elétricas superficiais que
envolvem os sólidos suspensos e incremento do tamanho
dos flocos formados (via formação de pontes).
Policátions
São polieletrólitos catiônicos de baixo peso molecular, os
quais possuem como função principal a neutralização das
cargas elétricas superficiais e aumento do tamanho dos
flocos. Ex. polímeros naturais: Qutiosana, tanino, moringa,
etc.
Parâmetro Valor
Faixa ótima de dosagem de
coagulante (mL/L)
6,0; 6,5; 7,0; 7,5 e 8,0
Faixa ótima de pH 5,0; 6,0; 7,0 e 8,0
Tempo de mistura rápida (120 rpm) 20 segundos
Tempo de mistura lenta (45 rpm) 20 minutos
Tempo de sedimentação 15 a 30 minutos
Tabela 1 – Condições de tratamento para Tanfloc® SL e SG
Floculação: É um processo físico no qual as partículascoloidais são colocadas em contato umas com as outras, demodo a permitir o aumento do seu tamanho físico, alterando,desta forma, a sua distribuição granulométrica.
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