Ensaio de sedimentação em escala de bancada: teste de proveta

UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO

Departamento de Engenharia de Minas

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mineral

SEPARAÇÃO SÓLIDO – LÍQUIDO

Trabalho Nº 2

“Ensaio de Sedimentação em Bancada”

Mônica Suede Santos Silva

Prof.: José Aurélio M. da Luz

Disciplina: MIN 721

Novembro/2012

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO........................................................................................................................ 2

2. OBJETIVOS............................................................................................................................ 3

2.1 GERAL.............................................................................................................32.2 ESPECÍFICOS....................................................................................................3

3. REVISÃO DA LITERATURA..................................................................................................4

3.1 SEPARAÇÃO SÓLIDO - LÍQUIDO...........................................................................43.2 SEDIMENTAÇÃO................................................................................................4

3.2.1 Ensaio de sedimentação em bancada.........................................................53.2.2 Dimensionamento de espessador...............................................................7

3.2.2.1 Método de Kynch com traçado Talmage-Fitch.................................................73.2.2.2 Método de Kynch com traçado Oltmann...........................................................83.2.2.3 Determinação do ponto de compressão............................................................9

Comportamento da Cota de Interface Clarificada, TORQUATO & DA LUZ (2011)11

Formulário das Variáveis de Controle.................................................................12

4. METODOLOGIA EXPERIMENTAL......................................................................................14

4.1 MATERIAIS.....................................................................................................144.2 MÉTODOS.......................................................................................................14

5. APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS....................................................16

5.1 EFEITOS DA CONCENTRAÇÃO DE SÓLIDOS NA ALIMENTAÇÃO - CSA.......................185.2 EFEITOS DA ADIÇÃO DE FLOCULANTE SUPERFLOC A-100..................................195.3 DIMENSIONAMENTO DE UM ESPESSADOR..........................................................20

5.3.1 Determinação do Ponto de Compressão – Gráfico de Robert...................215.3.2 Determinação dos parâmetros “a” e “b” na Relação Z(t).........................25

6. CONCLUSÃO....................................................................................................................... 26

7. BIBLIOGRAFIA.................................................................................................................... 27

8. ANEXOS............................................................................................................................... 28

LISTA DE TABELAS

Tabela I – Resultados obtidos nos testes de sedimentação em bancada. Nota: DR – Dosagem de Reagente....................................................................................................................................... 16

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Esquema da separação sólido-líquido num espessador, comparativamente à evolução do fenômeno num ensaio em bancada............................................................................2Figura 2 - Esquema representativo de um espessador, destacando-se as principais zonas de sedimentação vistas num ensaio de sedimentação em bancada, (TORQUATO, 2008).................4Figura 3 - (a) Etapas no teste de sediemntação em bancada; (b) Curva de sedimentação típica, TORQUATO (2008)......................................................................................................................... 6Figura 4 – Classificação da água sobrenadante do teste de sedimentação: (a) ótima (turbidez (100 NTU); (b) boa (turbidez ≈ 600 NTU); (c) ruim (turbidez ≈ 1500 NTU) e (d) péssima (turbidez ≈ 400.000 NTU). (BRAGANÇA, 2008).............................................................................6Figura 5 – Modelo Kynch na determinação tu, em que se tem: tu1 – é o valor do tempo determinado quando hu está acima do ponto de compressão – Leitura Direta; tu2 – é o valor de tempo determinado quando hu está abaixo do ponto de compressão - traçado Talmage-Fitch......8Figura 6 – Método de Kynch com traçado de Oltmann para a determinação do fluxo crítico de sedimentação.................................................................................................................................. 9Figura 7 – Curva de sedimentação, mostrando as descontinuidades na transição do regime livre de sedimentação para o impedido, e para a compressão.............................................................10Figura 8 – Localização grosseira do ponto de compressão/crítico, por meio do gráfico de Roberts, acentuando-se a mudança na inclinação das duas descontinuidades da curva de sedimentação....................................................................................................................................................... 10Figura 9 – Fotos do ensaio de sedimentação em proveta sem adição de floculante que foi conduzido no Laboratório de Flotação do DEMIN/UFOP: (a) Início do ensaio; (b) Estágio intermediário; (c) Período de 24 horas após o início do ensaio....................................................17Figura 10 – Curvas de sedimentação ilustrando os efeitos de condições distintas de concentração de sólidos na polpa alimentação: Csa1 = 100 Kg/m3 Csa2 = 200 Kg/m3, sem adição de floculante....................................................................................................................................... 18Figura 11 – Curvas de sedimentação ilustrando os efeitos da adição de floculante SuperFloc A-100 na polpa com uma concentração de sólidos na alimentação de Csa2 = 200Kg/m3.................19Figura 12 – Gráfico de Robert para a determinação do ponto de compressão – Pc, sob condições de sedimentação: adição de floculante SuperFloc A-100 igual a 25 ppm (2,5mL) na polpa com uma concentração de sólidos na alimentação de Csa2 = 200 Kg/m3..............................................21Figura 13 – Modelo de Kynch com traçado Talmage-Fitch para a identificação do tempo necessário para o underflow atingir a concentração especificada (tu). Condições de sedimentação: adição de floculante SuperFloc A-100 igual a 25 ppm (2,5mL) na polpa com uma concentração de sólidos na alimentação de Csa2 = 200Kg/m3......................................................23Figura 14 – Modelo de Kynch com traçado Oltmann para a identificação do tempo necessário para o underflow atingir a concentração especificada (tu). Condições de sedimentação: adição de floculante SuperFloc A-100 igual a 25 ppm (2,5mL) na polpa com uma concentração de sólidos na alimentação de Csa2 = 200Kg/m3..............................................................................................24Figura 15 – Determinação dos parâmetros “a” e “b” na equação apresentada por TORQUATO & DA LUZ (2011).............................................................................................................................. 25Figura A1 – Perfis de sedimentação obtidos em ensaios de sedimentação em bacada na disciplina Separação Sólido-Líquido do PPGEM...........................................................................28

1. INTRODUÇÃO

O processamento de minérios envolve estágios de moagem e de classificação, os quais

usam grandes quantidade de água. Na indústria do ouro, por exemplo, a norma operacional é a

de consumo de uma tonelada de água por tonela de minério. Esse volume de água deve ser

separado ou reduzido no tratamento posterior para a recuperação do mineral de interesse.

A separação de sólidos, a partir de suas suspensões em líquidos, é usualmente

alcançada por sedimentação gravitacional em espessadores. No caso de partículas finas, esse

processo é muito lento, sendo que, em geral, de 75% a 80% da água pode ser separada e

removida por espessadores. A operação de espessamento nesses equipamentos pode ser

conduzida de modo contínuo ou em batelada, dispondo-se de fluxos diretos ou contracorrentes

dos produtos gerados – overflow e underflow. Para a remoção da água residual, posteriormente,

necessita-se do emprego de filtros, onde se consegue retirar 90% da água em excesso.

Os espessadores tem sido projetados usando as leis básicas de sedimentação.

Métodos empíricos, indicados por muitos fabricantes desses equipamento, são também usados

para a obtenção de resposta rápida de parâmetros-chave de projeto, como a velocidade de

sedimentação e as dimensões do tanque.

A velocidade de sedimentação para uma polpa particular pode ser obtida a partir de um

procedimento simples de laboratório que é o teste de sedimentação em bancada. Esse teste

consiste na observação e análise do movimento descendente da interface líquido

clarificado/polpa com o tempo dentro de uma proveta. Essa taxa é inicialmente constante, mas

diminui quando as partículas sólidas sedimentam-se lentamente na direção do fundo do

recipiente, elevando a concentração de sólidos nessa região – Figura 1.

No contexto acima, encontra-se inserido o presente trabalho, destacando-se que o

ensaio de sedimentação foi conduzido no Laboratório de Flotação do Departamento de

Engenharia de Minas (DEMIN) da UFOP. Dentro do procedimento de ensaio, objetivou-se a

análise dos efeitos da concentração de sólidos na alimentação, e a adição de floculante.

Figura 1 – Esquema da separação sólido-líquido num espessador, comparativamente à

evolução do fenômeno num ensaio em bancada.

PPGEM/UFOP: Separação Sólido-Líquido – Ensaio de Sedimentação em Bancada Página 2

2. OBJETIVOS

2.1 Geral

Descrever o ensaio de sedimentação em escala de bancada, considerando-se a sua

importância para processo de separação sólido-líquido.

2.2 Específicos

apresentar e discutir os resultados obtidos com o teste de sedimentação em

bancada no Laboratório de Flotação do DEMIN/UFOP;

apresentar o desenvolvimento dos cálculos para a construção de um

espessador convencional.


3. REVISÃO DA LITERATURA

3.1 Separação Sólido - Líquido

O crescimento tecnológico das operações de processamento mineral diante da

mudança no quadro de qualidade dos minérios atuais: alta percentagem de finos, baixo teor de

minerais de interesse e elevada quantidade de ganga, etc., tem realçado a importância dos

processos de separação sólido-líquido, (DA LUZ & OLIVEIRA, 2011). Nesse contexto, ressalta-

se ainda que a necessidade do cumprimento das legislações ambientais para a disposição dos

rejeitos industriais tem atuado como fator determinante na escolha do processo separação-sólido

para a reciclagem daqueles materiais.

As técnicas utilizadas para a separação sólido-líquido são: secagem, centrifugação,

filtragem e sedimentação por gravidade (espessamento e clarificação). A escolha da técnica mais

adequada para dada aplicação será uma função das características do material a ser

processado, do tipo de serviço, dentre outros fatores, (DA LUZ & OLIVEIRA, 2011).

3.2 Sedimentação

A sedimentação é um dos processos de separação sólido-líquido baseado na diferença

entre as densidades dos constituintes da suspensão. A remoção das partículas sólidas presentes

em uma corrente líquida se dá pela ação do campo gravitacional, proporcionando ao processo as

características de baixo custo e grande simplicidade operacional, (TORQUATO, 2008).

A operação de sedimentação é baseada em fenômenos de transporte, onde a partícula

sólida em suspensão está sujeita a ação das forças da gravidade, do empuxo e de resistência ao

movimento. Durante esse fenômeno, formam-se quatro zonas principais (Figura 2): zona A -

zona de clarificação; zona B - zona crítica de sedimentação; zona C - zona de transição; zona D -

zona de compressão, TORQUATO (2008).


Figura 2 - Esquema representativo de um espessador, destacando-se as principais zonas de

sedimentação vistas num ensaio de sedimentação em bancada, (TORQUATO,

2008).


3.2.1 Ensaio de sedimentação em bancada

Os mecanismos de separação sólido-líquido vigentes no espessador podem ser

entendidos pelos ensaios de sedimentação realizados em bancada. Trata-se de um teste que

consiste na observação do deslocamento da interface clarificada num sistema de partículas

sólidas suspensas em água – polpa dentro de uma proveta. Para essse sistema, definem-se,

previamente, as condições de pH, dosagem de floculante, concentração de sólidos, etc., que

atuam como variáveis de controle do processo.

Durante o ensaio, distinguem-se dois regimes de sedimentação: um livre, e outro

impedido, (DA LUZ & OLIVEIRA, 2011). Ao final, no fundo da proveta, forma-se uma camada de

lama, em que as partículas empacotam-se/adensam-se, deslocando o líquido entre elas.

Fazendo isso, o líquido clarificado ascende sobre essa lama. Essas considerações aplicam-se

tanto aos processos em batelada quanto aos contínuos, levando-se em conta que nesses últimos

um balanço entre o fluxo da corrente overflow e a taxa de remoção da lama (underflow) deve ser

mantido.

Dentre as informações obtidas no ensaio de sedimentação em bancada, destaca-se a

taxa/velocidade de sedimentação que, juntamente com o tempo de sedimentação, encarrega-se

pela determinação da área unitária de espessamento – informação primordial no projeto do

espessador.

A velocidade de sedimentação das partículas sólidas é acompanhada pela evolução

temporal da interface entre a polpa e a água clarificada sobrenadante, ao longo da extensão da

proveta. Tão logo essa interface se estabeleça, rapidamente move-se para baixo, rumo ao fundo

da proveta. Contudo, uma redução na velocidade de sedimentação é percebida, até um

momento em que ela se estaciona.

A altura da interface em função do tempo decorrido é apresentada na Figura 3, onde se

verifica-se uma situação inicial, aparentemente monótona, correspondente à formação dos

flocos. A seguir, ocorre um segmento reto que corresponde à zona onde as partículas se

sedimentam com uma velocidade elevada (t1 t2), seguido de um trecho de transição (t2 t3) e

de outra seção curva (t3 t4) que corresponde a zona de compressão do espessado. Nessa

última região, caracterizada pela concentração elevada de sólidos na polpa, a altura da interface

se estabiliza e não muda mais. Ao passar pela zona de compressão, as partículas sólidas são

comprimidas ou espessadas, devido ao carregamento mecânico (peso) da coluna acima.

A zona crítica e a zona de compressão formam a zona de espessamento, sendo que

cada uma delas, dependendo da alimentação, exigirá uma área de sedimentação com

dimensões diferentes. Nesse contexto, a área efetiva é função da maior delas, (DA LUZ &

OLIVEIRA, 2011).


(a) (b)Figura 3 - (a) Etapas no teste de sediemntação em bancada; (b) Curva de sedimentação típica,

TORQUATO (2008).

De um modo geral, o ensaio de sedimentação em bancada é realizado para atender os

seguintes objetivos, segundo (TORQUATO, 2008):

avaliar a clarificação da água em diferentes condições de ensaio (pH, tipo de

polímero, % de sólidos, etc.);

avaliar condições diversas de coagulação e floculação de uma polpa;

desenvolver e/ou comparar diferentes tipos de polímeros;

efetuar o dimensionamento de espessadores.

De acordo com BRAGANÇA (2008), no teste de sedimentação, após um período de

estabilidade da interface em torno de uma cota de altura da proveta, é possível classificar a água

sobrenadante com relação à clarificação, conforme referência ilustrada na Figura 4.

Figura 4 – Classificação da água sobrenadante do teste de sedimentação: (a) ótima

(turbidez (100 NTU1); (b) boa (turbidez ≈ 600 NTU); (c) ruim (turbidez ≈ 1500 NTU) e

(d) péssima (turbidez ≈ 400.000 NTU). (BRAGANÇA, 2008).

1 NTU – Nephelometric Turbidity Unit – Unidade Nefelométrica de Turbidez - UNT.


3.2.2 Dimensionamento de espessador

Grande parte do bom desempenho da separação sólido-líquido num espessador é

afetada pelo seu projeto inicial – dimensionamento. Isso porque o desconhecimento da

interrelação das variáveis de controle do processo, tais como: a concentração mássica de sólidos

no underflow (Cmu); a dosagem de floculante, dentre outras, pode resultar no

superdimensionamento ou no subdimensionamento desse tanque.

Segundo TORQUATO (2008), o dimensionamento é realizado, normalmente, com base

em dados obtidos nos ensaios de sedimentação em bancada – teste de proveta, mas também

pode usar informações de ensaios em escala piloto. No entanto, esses últimos são mais difíceis

de serem conduzidos, pois não se conseguir manter uma alimentação com características

constantes. E, como não se recomenda a recirculação dos fluxos (underflow e overflow) na

alimentação para evitar a quebra de flocos e alteração na dosagem do reagente, a utilização de

equipamento piloto é muito restrita.

Para o dimensionamento de espessadores, necessitam-se de informações como a

velocidade de sedimentação da fase sólida, a concentração mássica de sólidos no underflow

(Cmu) e o tempo de sedimentação. Esse último é empregado no cálculo da área unitária de

espessamento (Au), a qual determina o diâmetro do espessador. Muitos modelos são aplicados

na determinação dessa área, sendo os principais: Coe – Clevenger, Kynch, Kynch com traçado

Talmage e Fitch, Kynch com traçado Oltmann.

No presente trabalho, serão descritos apenas o método de Kynch com traçados de

Talmage – Fitch e de Oltmann, pois foram os determinados para o dimensionamento do

espessador, a partir dos dados do ensaio em bancada. Além desses, será feita referência

também ao procedimento de identificação do ponto crítico ou ponto de compressão, um dado

importante para o contexto do projeto do espessador.

3.2.2.1 Método de Kynch com traçado Talmage-Fitch

Kynch desenvolveu um método que possibilitava fazer o dimensionamento de um

espessador convencional, praticando-se apenas um ensaio de sedimentação em bancada.

Realizando-se um balanço mássico dentro da proveta tem-se:

A∗h0∗C0=A∗hu∗Cu→hu=h0∗C0

Cu

(1)

Na equação (1) são apresentados: C0 – concentração de inicial sólidos (kg/m3); Cu –

carga de sólidos final (underflow) (kg/m3); h0 – altura inicial da interface no tempo t=0 (m); hu –

altura da interface que corresponde à concentração requerida no underflow (m).


O modelo de Kynch com o traçado de Talmadge e Fitch adota o seguinte procedimento:

traça-se uma linha tangente à curva no ponto de compressão – (hcom; tcom). O tempo (tu) para

atingir a concentração mássica de sólidos requerida no underflow (Cmu) é obtido pela intersecção

da linha tangente com a reta horizontal de ordenada igual a hu (dita “linha do underflow”), (DA

LUZ & OLIVEIRA, 2011), TORQUATO (2008). Caso hu estiver acima do ponto de compressão, tu

tem leitura direta na curva de sedimentação no ponto hu - Figura 5.

Figura 5 – Modelo Kynch na determinação tu, em que se tem: tu1 – é o valor do tempo

determinado quando hu está acima do ponto de compressão – Leitura Direta; tu2 – é

o valor de tempo determinado quando hu está abaixo do ponto de compressão -

traçado Talmage-Fitch.

3.2.2.2 Método de Kynch com traçado Oltmann

O traçado de Oltmann, praticamente, trata-se de uma variante do método Talmage-

Fitch, estabelecendo um fluxo crítico de sólidos no espessador, ao invés de um mínimo.

A maneira de conduzir o ensaio e calcular a área necessária ao espessador é similar ao

método de Talmage-Fitch, diferindo o traçado para determinação do ponto "tu". Enquanto no

método Talmage-Fitch é levantada uma reta tangente à curva de sedimentação pelo ponto de

compressão, o método de Oltmann constrói uma reta partindo do início do período de

sedimentação, passando pelo ponto de compressão – Figura 6. A intersecção desta reta com a

altura da interface referente à concentração desejada no underflow (Hu) fornece o “tu",

(TORQUATO, 2008).


Figura 6 – Método de Kynch com traçado de Oltmann para a determinação do fluxo crítico de

sedimentação.

3.2.2.3 Determinação do ponto de compressão

Os métodos de dimensionamento de espessador requerem a determinação do ponto de

compressão ou ponto crítico na curva de sedimentação. Esse ponto se estabelece como

resultado da maior interação entre as partículas sólidas no decorrer da sedimentação, como

descrito abaixo.

Quando os sólidos se sedimentam, eles passam da sedimentação livre para a

impedida, e desta para condições de compressão, sendo que em cada uma dessas transições,

há uma descontinuidade na curva de sedimentação – Figura 7. Na região de sedimentação livre,

a taxa de sedimentação é representativa da concentração inicial de sólidos. Essa concentração

de sólidos aumentando leva a uma maior interação entre as partículas de modo que a taxa de

sedimentação diminui. A sedimentação é então impedida, sendo a diminuição na taxa de

sedimentação denominada primeira taxa de queda - first falling rate. Após esse ponto, o

comportamento da sedimentação torna-se não-linear, inversamente proporcional à concentração

de sólidos. À medida que essa concentração aumenta, os sólidos interagem mais, a

sedimentação cessa e os sólidos se consolidam por compressão. A queda posterior na taxa de

sedimentação é a segunda taxa de queda – second falling rate, e a segunda descontinuidade na

curva de sedimentação é vista.


Figura 7 – Curva de sedimentação, mostrando as descontinuidades na transição do regime livre

de sedimentação para o impedido, e para a compressão.

O fim da sedimentação impedida da polpa e o início da zona de compressão é referido

como ponto de compressão ou ponto crítico – Pc. Essa descontinuidade na curva de

sedimentação nem sempre é vista com facilidade, sendo que existem alguns procedimentos para

localizá-lo. De um modo geral, essas técnicas replotam os dados para acentuar a

descontinuidade da curva de sedimentação.

Dentre os métodos de identificação de Pc na curva de sedimentação, destacam-se:

Log-log plot, Robert - Figura 8, Mondal and Majumdar, Barnea, Dahlstrom and Fitch.

Figura 8 – Localização grosseira do ponto de compressão/crítico, por meio do gráfico de Roberts,

acentuando-se a mudança na inclinação das duas descontinuidades da curva de

sedimentação.


No presente estudo, adotou-se o método de Roberts, por ser de fácil condução. Nesse

procedimento para a visualização de Pc, plota-se, em função do tempo de sedimentação, a

evolução das cotas da interface (h) subtraídas da cota final de equilíbrio (h∞) num gráfico de

escala logarítmica.

Comportamento da Cota de Interface Clarificada, TORQUATO & DA LUZ (2011)

O trabalho TORQUATO & DA LUZ (2011), inserido no contexto de beneficiamento de

minérios de ferro, fez uma abordagem do dimensionamento de espessadores, visando obter

correlação entre resultados de ensaios em proveta e os de operações industriais.

Os autores afirmam que as equações definidas para a sedimentação discreta

(partículas sólidas não exibem interação entre si) perdem a sua a validade diante das condições

reinantes na operação de espessamento, como a presença de altos valores de concentração

volumétrica (Cv). Isso porque nesse ambiente, o regime de sedimentação por zona exibe

partículas mutuamente interferindo no processo.

Assim sendo, os autores justificam a adoção de uma equação descritora da evolução

da cota (z) da interface entre o líquido clarificado e a polpa turva com o tempo de sedimentação

(t) – equação (2).

Z (t )={[ (Z t=0 )− (Z t=∞ ) ]∗[1−( t a

( ta+ba ) )]}+(Z t=∞ ) (2)

Na equação (2), destacam-se: Z(t = 0) = Z0 (m) – cota da interface clarificada no instante t

= 0 minuto; Z(t = ) = Z (m) – cota de equilíbrio da interface clarificada no instante t = ; “a” –

parâmetro adimensional; “b” – (minuto) - intervalo de tempo necessário para a interface atingir a

cota correspondente à 50 % de seu percurso evolutivo.

A equação anteriormente apresentada foi validada com inúmeros ensaios com muitos

materiais, como finos de manganês, hidróxido de alumínio, lamas argilosas de hidrociclones de

usinas de beneficiamento densitário de minerais pesados e finos de minério de ferro.


Formulário das Variáveis de Controle

a) Vazão de sólidos na alimentação:

Qs=[80∗(N ' ) ] (3)

N '=ln (ddmm )=ln (2506 )=7,826 (3.1)

b) Concentração mássica de sólidos na alimentação:

Cma=[ ms

(ms+ml ) ] (4)

c) Concentração mássica de sólidos no underflow:

Cmu=Cma∗(N ' )0,65 (5)

d) Concentração de sólidos na alimentação:

C sa(t=0min .)=[ ( ρPolpa (t=0min.))∗(Cma ) ] (6)

e) Concentração de sólidos no underflow:

C su=[ ( ρPolpa¿¿ )∗(Cmu ) ] (7)

f) Volume de polpa:

V Polpa=capacidade da proveta=10−3m3 (8)

g) Volume de sólidos:

V Sólidos=C sa

ρS (9)

h) Volume de líquido :

V Lí quido=(V Polpa−V Só lidos ) (10)

i) Massa de líquido:

M L í quido=(ρLí quido )∗(V Lí quido ) (11)


j) Massa de sólidos:

M Só lidos=(ρS ó lido )∗(V Só lidos ) (12)

k) Densidade de polpa:

ρPolpa=1

[( Cmu

ρ só lido)+(1−Cmu

ρLí quido ) ] (13)

l) Densidade de polpa (t = 0 min.):

ρPolpa(t=0min.)=1

[( Cma

ρ só lido)+( 1−Cma

ρLí quido)] (14)


4. METODOLOGIA EXPERIMENTAL

4.1 Materiais

Foi utilizada amostra de protominério de ferro classificado como itabirítico dolomítico,

cuja densidade (s) era de 3000 kg/m3. E, como reagentes, empregou-se o floculante aniônico

tipo Superfloc A - 100, e água destilada. Além desses, utilizaram-se ainda 4 provetas de 1000

mL e béquers como vidrarias principais, balança analítica de precisão, cronômetro, agitador

mecânico, fitas de papel milimetrado, fita durex, peagâmetro e agitador ultrassônico.

4.2 Métodos

O ensaio de sedimentação em bacada foi iniciado com a preparação do aparato –

proveta, de modo que as leituras das interfaces pudessem ser observadas. Para tanto, fixou-se o

papel milimetrado, segundo a maior dimensão da proveta, com o auxílio de fita durex, sendo que

o zero da escala milimetrada coincindiu com a marca de 1000 ml da proveta. A fita de papel

milimetrado é utilizada para registrar as leituras da interface polpa/ar ao longo do tempo de

sedimentação.

Para a observação dos efeitos da concentração de sólidos na alimentação (Csa) na

velocidade de sedimentação, empregaram-se dois níveis de Csa: 100 g/L e 200 g/L. De acordo

com TORQUATO (2008), concentrações mais altas ocasionam dificuldades na visualização da

interface polpa/água clarificada. Contudo, essa limitação é superada com a colocação da proveta

com a polpa na posição contra a parede, algum anteparo de cor ou luminosidade, para que haja

contraste com a cor da polpa.

Com três níveis de dosagem de floculante na polpa com Csa de 200 g/L: 0 ppm, 15 ppm

e 25 ppm, avaliaram-se os efeitos desse reagente na sedimentação. A adição de floculante à

polpa é feita na forma de solução, sob valor específico de concentração. Para os ensaios em

questão, adotou-se uma concentração de 0,2% para a solução floculante.

Para a preparação da solução floculante 0,2% (2 g/L), procedeu-se da seguinte forma:

pesou-se uma massa de 2,0 g do floculante Superfloc A - 100 na balança analítica,

adicionando-a num béquer com 1000 mL de água destilada, previamente aquecida e sob

agitação lenta;

transferir a alíquota necessária de solução floculante para a proveta contendo polpa

em estudo. A determinação da alíquota adequada foi feita utilizando a equação (15), onde “A”

representa o nível de adição em “ppm”.

V (mL)=[A (ppm )∗10−6 ]∗[200¿ ]

[0,002 ] (15)


A polpa foi manipulada dentro da própria proveta, imprimindo misturamento e agitação

lentos por, aproximadamente, 10 minutos, visando colocar todos os sólidos em suspensão. No

último curso de agitação, acionou-se o cronômetro quando o agitador mecânico atingiu a

interface polpa/ar. A partir de então, registou-se o nível da interface polpa/ar no papel

milimetrado para o intervalo de tempo de 1 minuto até 15 minutos.

Após o período de 24 horas, foi observada a estabilidade da interface polpa/ar em torno

de uma cota específica de altura da proveta. Nesse ponto, cabe uma observação feita por

TORQUATO (2008) de que, caso haja superposição de marcação (estágio de compactação dos

sólidos da polpa), pode-se deixar de marcar alguns pontos. Para tanto, sugeriu-se colocar uma

fita milimetrada maior que o comprimento da proveta.

A adição de floculante nos ensaios de sedimentação foi conduzida de modo lento, e

sob agitação. Após o término da adição do reagente na proveta, agitou-se a polpa por mais três

vezes. No último curso, acionou-se o cronômetro no momento em que o agitador mecânico

atingiu a interface polpa/ar. Feito isso, anotou-se o nível da interface polpa/ar em papel

milimetrado para o intervalo de tempo de 30 segundos até 15 minutos.


5. APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS

A Tabela I apresenta os dados dos ensaios de sedimentação em bancada conduzidos no Laboratório de Flotação do DEMIM/UFOP que tiveram

duração de 1440 minutos (24 horas) cada um. Nessa tabela foram disponibilizados apenas algumas faixas de tempo do ensaio, tais como a inicial (t 5

minutos), e a de alcance da interface de equilíbrio (t 60 minutos).

Tabela I – Resultados obtidos nos testes de sedimentação em bancada. Nota: DR – Dosagem de Reagente.

Tempo

[min.]

Altura da Interface [m]

Ensaio Nº 01

Csa1: 100 g/L

DR1: 0 ppm

Ensaio Nº 02

Csa2: 200 g/L

DR1: 0 ppm

Ensaio Nº 03

Csa2: 200 g/L

DR2: 15 ppm

Ensaio Nº 04

Csa2: 200 g/L

DR3: 25 ppm

0,00 0,3600 0,3620 0,3620 0,3620

5,00 0,1910 0,2130 0,0803 0,0856

6,00 0,1750 0,1980 0,0706 0,0778

7,00 0,1590 0,1850 0,0654 0,0760

8,00 0,1460 0,1680 0,0629 0,0724

9,00 0,1280 0,1510 0,0619 0,0724

10,0 0,1090 0,1420 0,0615 0,0724

60,0 0,0240 0,0510 0,0614 0,0722


Nas Figuras 9a, 9b e 9c são mostrados os perfis de sedimentação nos ensaios de

proveta, em que se observam os aspectos de clarificação da água sobrenante a polpa, e de

formação do espessado no fundo da proveta.

(a)

(b) (c)Figura 9 – Fotos do ensaio de sedimentação em proveta sem adição de floculante que foi

conduzido no Laboratório de Flotação do DEMIN/UFOP: (a) Início do ensaio; (b)

Estágio intermediário; (c) Período de 24 horas após o início do ensaio.


5.1 Efeitos da concentração de sólidos na alimentação - Csa

A Figura 10 são apresentados os efeitos da concentração de sólidos na polpa de alimentação sem adição de floculante sobre o comportamento de

sedimentação de partículas sólidas. Observa-se que, sob uma maior concentração de sólidos na alimentação (Csa2), a taxa/velocidade de sedimentação é

aumentada, como resultado da maior interação entre as partículas.

Figura 10 – Curvas de sedimentação ilustrando os efeitos de condições distintas de concentração de sólidos na polpa alimentação: C sa1 = 100 Kg/m3 Csa2 =

200 Kg/m3, sem adição de floculante.


5.2 Efeitos da adição de floculante SuperFloc A-100

Na Figura 11 podem ser observados os efeitos da adição de floculante na polpa de alimentação sobre o comportamento de sedimentação de

partículas sólidas. Nota-se que, no início do processo, há uma distinção acentudada de comportamento entre as curvas sem e com adição de floculante.

Interessante é ainda observar os distintos pontos de início da zona de compressão para essas curvas de sedimentação, sendo que a dosagem de floculante

(Csa2_D1, Csa2_D2) promoveu a redução no tempo de compressão e maior profundidade de espessado.

Figura 11 – Curvas de sedimentação ilustrando os efeitos da adição de floculante SuperFloc A-100 na polpa com uma concentração de sólidos na

alimentação de Csa2 = 200Kg/m3.


5.3 Dimensionamento de um espessador

Os valores dos principais parâmetros de dimensionamento do espessador, identificados

ao longo da seção 3.2.2, são apresentados abaixo. Nota-se que a alimentação do espessador,

em termos de concentração mássica, está abaixo de 20%, enquanto que o produto espessado

mostrará uma elevação desse parâmetro para 67%. Segundo dados de DA LUZ & OLIVEIRA

(2011), o espessador aqui dimensionado pode ser enquadrado nas condições operacionais, por

exemplo, de um espessador de concentrado não-magnético fino no processamento de minério

de ferro.

Qsa ............................. 626,08 ton./h

Cma ........................... 17,65%

Csa ........................... 200 kg/m3

Cmu ........................... 67,20%

Csu ........................... 1.217,4 kg/m3

Vpolpa ........................ 10-3 m3

Vsólidos ....................... 6,67x10-5 m3

Vlíquido ....................... 9,33x10-4 m3

Msólidos ...................... 0,2 kg

Mlíquido ....................... 0,933 kg

polpa ........................ 1.811,59 kg/m3

polpa (t = 0 minuto) .......... 1.133,4 kg/m3

hu ....................... 0,059 m


5.3.1 Determinação do Ponto de Compressão – Gráfico de Robert

O ponto de compressão (Pc) determinado pelo Gráfico de Robert teve as seguintes coordenadas: tcomp. igual a 5,54 minutos (332,2 s) e hcomp. igual a

0,00809 m (0,809 cm), confome exibido na Figura 12.

Figura 12 – Gráfico de Robert para a determinação do ponto de compressão – Pc, sob condições de sedimentação: adição de floculante SuperFloc A-100

igual a 25 ppm (2,5mL) na polpa com uma concentração de sólidos na alimentação de Csa2 = 200 Kg/m3.


A partir do gráfico apresentado na Figura 13, é possível determinar a velocidade de

sedimentação (vs), como sendo a inclinação média entre o início do regime de sedimentação por

zona e o ponto de compressão (Pc) – equação (16), onde se tem: hai – altura da interface em t = 0

min. (tai), em que há o início de sedimentação por zona, hcomp – altura da interface em t = tcomp.,

onde há o início de compressão, (DA LUZ & OLIVEIRA, 2011):

vs=hai−hcomptcomp−tai

(16)

Naturalmente os valores de tempo “tai” devem ser próximos de zero ou iguais a zero

(não são iguais a zero quando existe uma acomodação natural do sistema, no início do ensaio,

devida à turbulência necessária para a homogeneização inicial), (DA LUZ & OLIVEIRA, 2011).

Assim sendo, determinou-se vs como sendo igual 1,14 m/h.

Ainda usando a Figura 13 como referência, o tempo necessário para que se alcance a

concentração especificada no underflow, usando o modelo de Kynch com traçado Talmage-Fitch,

é de tu = 8,74 minutos. Para esse tempo, a área unitária é calculada pela equação (17), onde ho –

altura da interface (m) em t = 0 min., Csa – concetração de sólidos na alimentação (kg/m3), Qsa –

vazão de sólidos na alimentação (ton./h). Assim sendo, determinou-se a área unitária como

sendo igual a 1.266,7 m2.

Au=[ t u(ho xC sa ) ]x Qsa (17)

Na Figura 14 é usado o método de Kynch com traçado de Oltmann para determinar

tempo para se atingir a concentração especificada no underflow. O resultado obtido foi de tu igual

a 5,95 minutos. Sabendo-se que o método em questão também faz uso da equação (17), foi

identificada uma área unitária igual a 862,3 m2.


Figura 13 – Modelo de Kynch com traçado Talmage-Fitch para a identificação do tempo necessário para o underflow atingir a concentração especificada (t u).

Condições de sedimentação: adição de floculante SuperFloc A-100 igual a 25 ppm (2,5mL) na polpa com uma concentração de sólidos na



Figura 14 – Modelo de Kynch com traçado Oltmann para a identificação do tempo necessário para o underflow atingir a concentração especificada (tu).

Condições de sedimentação: adição de floculante SuperFloc A-100 igual a 25 ppm (2,5mL) na polpa com uma concentração de sólidos na



5.3.2 Determinação dos parâmetros “a” e “b” na Relação Z(t)

Com o auxílio do software EasyPlot, foi possível identificar os parâmetros “a” e “b” na relação Z(t) de evolução da cota da interface polpa/água

clarificada, a qual foi apresentada no trabalho de TORQUATO & DA LUZ (2011). Como pode ser visto na Figura 13, os valores obtidos para “a” e “b” são,

respectivamente: 1,30 e 0,181 minuto.

Figura 15 – Determinação dos parâmetros “a” e “b” na equação apresentada por TORQUATO & DA LUZ (2011).


6. CONCLUSÃO

Os ensaios de sedimentação em bancada constituem uma técnica importante e de fácil

condução para identificar os principais parâmetros de projeto de equipamentos espessadores.

As metodologias avaliadas no presente estudo (método de Kynch com os traçados de

Talmage-Fitch e de Oltmann) permitiram identificar, sob condições específicas de formulação de

polpa de alimentação (fixadas em sala-de-aula), os seguintes dados de dimensionamento:

Método

Parâmetros

tu

[min.]hu [m] Au [m2]

Kynch com traçado Talmage-Fitch 8,74 0,059 1.266,7

Kynch com traçado Oltmann 5,95 0,059 862,3

Como pode ser visto, as duas metodologias empregadas no dimensionamento do

espessador divergiram quanto ao valor de área unitária de espessamento, sendo que o método

de Talmage-Fitch forneceu uma área maior que a determinada por Oltmann em,

aproximadamente, 32%. Essa diferença relaciona-se ao tipo de traçado, pois o de Oltmann adota

uma visão crítica para o fluxo de espessamento.

Com relação aos parâmetros “a” e”b” na relação de TORQUATO & DA LUZ (2011), a

qual trata do perfil evolutivo da cota da interface clarificada, determinaram-se os seguintes

valores, respectivamente: 1,30 e 0,181 minuto.

Na Seção Anexos foram disponibilizadas as curvas de sedimentação obtidas por outros

alunos da disciplina MIN 721 (Separação Sólido-Líquido) do Curso de Pós-Graduação do

PPGEM, comparativamente ao descrito no presente trabalho.


7. BIBLIOGRAFIA

BRAGANÇA, A. C. (2008). Avaliação de reagentes alternativos para substituição da cal em sistema de bombeamento de longa distância de polpa de minério de ferro. UFMG. Belo Horizonte: UFMG.

DA LUZ, J., & OLIVEIRA, M. (Março de 2011). Curso de Espessamento e Filtragem. Curso de Espessamento e Filtragem. Belo Horizonte , MG, Brasil: TTE - Treinamento Técnico Especializado.

ROCHA, J. M. (2008). Definição da tipologia e caracterização mineralógica e microestrutural de itabiritos anfibolíticos das Minas de Alegria da Samarco Mineração S.A.- Minas Gerais. Belo Horizonte: UFMG.

TORQUATO, N. (2008). Dimensionamento de Espessadores Convencionais Aplicados a Polpas de Minério de Ferro. UFOP, DEMIN. Ouro Preto/MG: UFOP.

TORQUATO, N., & DA LUZ, J. (January - March de 2011). Espessadores no Beneficiamento de Minério de Ferro. REM - Revista Escola de Minas, 1(64), 091-096.


8. ANEXOS

Anexo A1 – Perfis de sedimentação dos demais alunos da disciplina Separação Sólido-Líquido nos ensaios de sedimentação em bancada.

Figura A1 – Perfis de sedimentação obtidos em ensaios de sedimentação em bacada na disciplina Separação Sólido-Líquido do PPGEM.


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Ensaio de sedimentação em escala de bancada: teste de proveta