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ESTUDO EXPERIMENTAL E NUMRICO DA INFLUNCIA DE CILINDROS POROSOS
SOBRE O DESEMPENHO DE HIDROCICLONES
Diogo Csar de Oliveira1, Yanne Novais Kyriakidis1, Luiz Gustavo
Martins Vieira2 Universidade Federal de Uberlndia, Faculdade de
Engenharia Qumica, Avenida Joo Naves de vila, 2121, 1K, Campus
Santa Mnica, CEP: 38400-902, Uberlndia, MG, Brasil. e-mails:
[email protected], [email protected],
[email protected]
Resumo: Hidrociclones so separadores centrfugos amplamente
utilizados nas indstrias qumicas para a separao de partculas slidas
ou lquidas de um meio lquido de acordo com a densidade e distribuio
granulomtrica da fase dispersa. No intuito de maximizar a eficincia
de separao nestes equipamentos, este trabalho teve como objetivo
estudar a influncia da filtrao simultaneamente operao unitria de
hidrociclonagem. Ento, simulaes fluidodinmicas em CFD foram
realizadas para prever o desempenho de um hidrociclone dotado de um
cilindro filtrante nas mesmas condies operacionais de um
hidrociclone convencional (cilindro impermevel). Os estudos
numricos e experimentais mostraram que o hidrociclone filtrante
requereu um maior consumo de energia para tratar uma vazo
volumtrica de suspenso idntica ao hidrociclone convencional. Por
outro lado, a presena do cilindro filtrante durante a
hidrociclonagem colaborou para que uma parcela de partculas, antes
perdida para a corrente de overflow, fosse a partir de ento,
coletada pela corrente de underflow, aumentando assim, a eficincia
de separao.
Palavras-Chave: hidrociclone, filtrao, separao slido-lquido,
cilindro filtrante, CFD.
1. INTRODUO
Os hidrociclones pertencem a um importante grupo de equipamentos
destinados separao slido-lquido ou lquido-lquido em campo
centrfugo. Dependendo das razes entre as principais dimenses
geomtricas de um hidrociclone (famlias), possvel adapt-lo s
necessidades de distintas atividades industriais. Significa dizer
que uma determinada famlia de hidrociclone pode ser concebida de
acordo com a demanda do usurio, ou seja, altas eficincias de
classificao (baseada no tamanho da partcula coletada na corrente de
underflow) ou alto poder de concentrao (baseado na quantidade de
lquido que descarregada pela corrente underflow).
Diante das consideraes anteriores, Vieira (2006) props
inicialmente a incorporao de cones porosos em hidrociclones dotados
de diferentes geometrias. Os equipamentos que receberam um tronco
de cone poroso foram denominados de Hidrociclones Filtrantes. A
operao de um hidrociclone filtrante anloga ao separador
convencional (cilindro impermevel). Alm das correntes de alimentao,
diludo (overflow) e concentrado (underflow), h ainda uma corrente
adicional de filtrado advinda do lquido que atravessa a parede
porosa do equipamento.
Alm da comparao de desempenho existente entre as configuraes
convencionais e filtrantes, Vieira (2006) estudou, numrica e
experimentalmente, a influncia do tamanho do dimetro de alimentao,
orifcio de overflow, comprimento da parte cilndrica e ngulo do
tronco no desempenho dos hidrociclones filtrantes (cone permevel).
Os estudos acerca das variveis geomtricas revelaram que havia um
hidrociclone filtrante de geometria otimizada na qual era possvel
conjugar simultaneamente altas eficincias de separao com baixos
custos energticos, cuja denominao dada a este separador foi HF11
(Hidrociclone Filtrante 11 correspondente linha 11 da matriz de um
Planejamento Composto Central, PCC).
Em face dos promissores resultados alcanados por Vieira (2006) e
partir da geometria por ele otimizada (HF11), este trabalho teve
como objetivo o estudo numrico e experimental da influncia da
filtrao naquelas hipteses em que, ao invs de ser realizada na parte
cnica do separador, fosse ento aplicada regio cilndrica do
equipamento. Um desenho esquemtico entre
______________________________________
1 Acadmicos do Curso de Engenharia Qumica
2 Orientador
PIBIC-UFU, CNPq & FAPEMIG Universidade Federal de Uberlndia
Pr-Reitoria de Pesquisa e Ps-Graduao DIRETORIA DE PESQUISA
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o hidrociclone filtrante dotado de cilindro poroso e seu similar
convencional, ambos estudados neste trabalho, pode ser visualizado
na Figura 1.
Figura 1: Esquema Simplificado entre um Hidrociclone
Convencional e Filtrante
2. METODOLOGIA
A fim de esclarecimento, o Hidrociclone Filtrante e o
Hidrociclone Convencional sero denominados ao longo do texto de FH
(Filtering Hydrocyclone) e CH (Conventional Hydrocyclone),
respectivamente. Vale ressaltar que tanto o hidrociclone CH quanto
o hidrociclone FH foram estudos segundo as dimenses geomtricas
otimizadas do separador HF11 (Vieira, 2006), cujas principais
dimenses podem ser observadas na Figura 2.
Figura 2: Dimenses Geomtricas dos Hidrociclones CH e FH.
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Salvo o cilindro poroso, todas as demais estruturas e acessrios
dos hidrociclones CH e FH foram feitos de lato. Por sua vez, o
cilindro poroso foi confeccionado a partir de partculas
sinterizadas de bronze, cujas permeabilidade, porosidade e
espessura foram de 6,63x10-16 m2, 10% e 2,5 mm, respectivamente.
Nos ensaios experimentais, o material particulado empregado foi a
rocha fosftica (s = 2650 kg.m-3) proveniente de Patos de Minas
(MG). A difrao a laser foi a tcnica empregada para a determinao da
distribuio granulomtrica das partculas de rocha fosftica, cuja
curva de distribuio granulomtrica da rocha fosftica, segundo o
modelo de Rosin-Rammler-Bennet (RRB), est disposta na Figura 3.
Durante os ensaios experimentais, suspenses aquosas (20 C) e
diludas de rocha fosftica foram utilizadas (1,0 a 1,5% em volume de
slidos).
Figura 3: Distribuio granulomtrica das partculas de rocha
fosftica pelo modelo RRB
As simulaes em Fluidodinmica Computacional (CFD) foram
realizadas no software comercial FLUENT 12.0.3. Por sua vez, as
malhas computacionais utilizadas foram bidimensionais com
aproximadamente 120000 clulas retangulares a partir do software
comercial GAMBIT. Como modelo de turbulncia, foi utilizado o
Reynolds Stress Model (RSM). O algoritmo SIMPLE foi aquele
empregado para a discretizao das principais variveis do sistema, ao
passo que, o esquema PRESTO! foi utilizado para o acoplamento da
presso com a velocidade do fluido. J a interpolao das variveis do
sistema foi feita a partir de Esquemas UPWIND de 2 Ordem. As
simulaes em CFD foram consideradas em estado estacionrio, com sadas
(underflow, overflow e filtrado) submetidas presso local da cidade
de Uberlndia (MG) e entrada equivalente ao valor da vazo volumtrica
medida experimentalmente.
3. RESULTADOS E DISCUSSES
As simulaes numricas mostram que a aplicao da filtrao no
cilindro de um hidrociclone, durante a separao slido-lquido, foi
capaz de modificar o escoamento interno do fluido e,
consequentemente, o desempenho deste separador. A Figura 4
apresenta os perfis simulados para a presso relativa no interior
dos hidrociclones CH e FH.
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Figura 4: Perfis de Presso (P) Simulados para os Hidrociclones
CH e FH.
De acordo com os perfis mostrados anteriormente, constatou-se
que para uma mesma vazo volumtrica de alimentao, o hidrociclone
filtrante (FH) foi o equipamento que apresentou a maior queda de
presso. Acredita-se que uma explicao plausvel para este
comportamento no sentido de que a retirada de pequenas parcelas de
fluido pela parede cilndrica porosa foi suficiente para que uma
poro significativa da energia de presso fosse consumida
instantaneamente naquela regio. Logo, para que o restante do fluido
no interior do equipamento filtrante pudesse continuar sua
trajetria original e ser descarregado presso atmosfrica pelos
orifcios de underflow e overflow, houve tambm um maior consumo de
energia de presso retirada do escoamento de modo a ter incrementado
o Nmero de Euler (Eu) do hidrociclone FH em relao ao separador CH.
Neste mesmo sentido, dados experimentais validam as consideraes
anteriores, conforme mostra apresenta a Figura 5, haja vista que,
nas mesmas condies operacionais do hidrociclone CH, o separador FH
apresentou acrscimos nos Nmeros de Euler (Eu).
Figura 5: Nmeros de Euler (Eu) experimentais obtidos para os
hidrociclones CH e FH.
CH FH P (Pa)
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Se durante a separao slido-lquido em hidrociclones houver
variaes locais em uma das componentes da velocidade do fluido
(tangencial, axial e radial), certamente este fenmeno tambm
modificar o desempenho de classificao ou concentrao destes
equipamentos. Neste sentido, as simulaes fluidodinmicas do presente
trabalho confirmaram que a filtrao na parte cilndrica do
hidrociclone pode alterar os perfis de velocidade durante o
escoamento do fluido. Vejamos ento, a situao para os perfis de
velocidade axial (descendente e ascendente) dos hidrociclones CH e
FH na Figura 6.
Figura 6: Perfis simulados de velocidade axial (w) descendente e
ascendente para CH e FH.
De acordo com os perfis fluidodinmicos contidos na Figura 6, foi
constatado que a presena da filtrao durante a hidrociclonagem no
alterou a Razo de Lquido (RL) nos hidrociclones simulados. Assim,
os hidrociclones CH e FH apresentaram praticamente a mesma descarga
de lquido pelo underflow (comportamento tpico nas hipteses de
perfis praticamente idnticos de velocidade axial). Em outras
palavras, pelo menos em relao componente axial de velocidade do
fluido (w), a filtrao no beneficiou nem prejudicou o desempenho do
equipamento filtrante (FH) em relao ao separador convencional (CH).
Medidas experimentais nos hidrociclones CH e FH foram tambm
realizadas, mostrando que realmente a Razo de Lquido (RL) permanece
praticamente constante, independentemente da presena ou ausncia do
meio filtrante cilndrico, conforme relata a Figura 7.
Figura 7: Razes de Lquido (RL) experimentais para os
hidrociclones CH e FH
CH CH FH FH
w (m/s) w (m/s)
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Aps os comentrios pertinentes componente axial (w), vejamos,
agora, a influncia da parede porosa cilndrica sobre os perfis de
velocidade tangencial (v) para os hidrociclones CH e FH,
apresentados na Fig. 8.
Figura 8: Perfis Simulados de velocidade tangencial (v) para os
hidrociclones CH e FH.
De acordo com a Figura 8, foi verificado que a presena da parede
cilndrica porosa (FH) fez com que o fluido do vrtice forado girasse
com velocidades tangenciais inferiores quelas do hidrociclone CH. O
resultado observado na regio cilndrica j era esperado porque
certamente foi a componente da velocidade tangencial que cedeu
energia para que o escoamento no hidrociclone FH pudesse vencer a
maior perda de carga/queda de presso (Figura 4). Por outro lado,
pelo menos em tese, esta diminuio de rotao do fluido no cilindro
poderia ter prejudicado a separao slido-lquido, haja vista que o
campo centrfugo diretamente proporcional velocidade tangencial e
esta, diretamente proporcional eficincia de separao. Entretanto,
esta anlise isolada para a velocidade tangencial pode conduzir a
resultados equivocados porque devem ainda ser considerados os
efeitos da filtrao sobre os valores de velocidade radial do fluido
(u). A fim de dar continuidade a esta anlise, so apresentados na
Figura 9 os perfis de velocidade radial (u) do fluido na regio
cilndrica para uma posio axial fixa (4 cm do topo de cada
equipamento).
Os perfis simulados contidos na Figura 9 indicaram que a
retirada de fluido pelos poros do cilindro alterou substancialmente
o comportamento da velocidade radial do fluido (u). Antes da
filtrao (CH), verificou-se que o escoamento radial do fluido era
feito no sentido da parede para o eixo do equipamento (do vrtice
externo para o vrtice interno). J com a filtrao (FH), especialmente
prximo parede cilndrica permevel, houve uma inverso do sentido da
componente da velocidade radial. Apesar da diminuio da velocidade
tangencial (v) no interior dos hidrociclones filtrantes (Figura 8),
a inverso do sentido da velocidade radial (u) pde ser fisicamente
entendida, pois medida que o fluido adentrava pelos poros da parede
cilndrica, era como se surgisse uma componente atuando em sentido
contrrio quelas anteriormente verificadas para o hidrociclone CH.
Certamente, este comportamento beneficiou a separao de partculas e
compensou a deficincia verificada em face da reduo dos gradientes
de velocidade tangencial. Assim, por causa do maior arraste radial
de lquido em direo parede do cilindro do equipamento, espera-se que
uma partcula de determinado tamanho tenha uma maior probabilidade
de permanecer no vrtice externo (forado) at ser separada no
underflow. Logo, apesar do maior
CH FH
v (m/s)
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consumo energtico requerido pelo hidrociclone FH, acredita-se
que este equipamento apresentar uma maior eficincia de separao (ou
menor dimetro de corte), haja vista as mudanas ocorridas nos perfis
de velocidade, especialmente na componente radial do lquido.
Figura 9: Perfis Simulados de velocidade radial (u) para CH e FH
numa posio axial fixa de 4 cm abaixo do topo de cada separador.
A fim de validar as consideraes feitas anteriormente, medidas
experimentais de Dimetro de Corte (d50) e Eficincia Total () foram
realizadas experimentalmente, cujos resultados so apresentados nas
Figuras 10 e 11.
Assim, as Figuras 10 e 11 ratificaram as suposies alcanadas a
partir das simulaes em CFD no sentido de que, nas mesmas condies
geomtricas e operacionais do hidrociclone CH, o hidrociclone FH
apresentou os menores dimetros (d50), significando dizer,
incremento na Eficincia Total (razo entre a taxa mssica de slidos
coletada na corrente de underflow pela que foi alimentada em cada
um dos separadores).
Figura 10: Dimetros de Corte Experimentais (d50) para os
hidrociclones CH e FH.
Figura 11: Eficincia Total () para os hidrociclones CH e FH.
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Por fim, este trabalho mostrou que as tcnicas de CFD podem ser
uma preciosa ferramenta numrica e computacional a fim de colaborar
na predio de alguns fenmenos de interesse para a engenharia, dentre
eles os de hidrociclonagem. Mostrou ainda, que o hidrociclone
filtrante (parede cilndrica permevel) capaz de proporcionar maiores
eficincias de separao quando submetido s mesmas condies geomtricas
e operacionais de um separador convencional (ausente de parte
filtrantes).
4. CONCLUSES
As simulaes fluidodinmicas a partir das tcnicas de CFD mostraram
que a incorporao de um cilindro poroso a um hidrociclone foi capaz
de modificar o seu desempenho nas mesmas condies geomtricas e
operacionais de um hidrociclone convencional (cilindro totalmente
macio). Os estudos numricos e experimentais realizados neste
trabalho mostraram que a filtrao na regio cilndrica de um
hidrociclone proporciona uma maior queda de presso (aumento do
Nmero de Euler) durante o escoamento do fluido, incrementando os
custos com energia de bombeamento. Por outro lado, verificou-se que
a separao de partculas foi beneficiada por esta nova modalidade de
separador porque a velocidade do fluido no interior do equipamento
foi substancialmente modificada pela filtrao. Neste passo, as
simulaes fluidodinmicas mostraram que a velocidade do fluido,
responsvel pelo arraste de partculas, foi alterada em face de
modificaes ocorridas especialmente em suas respectivas componentes
radial (u) e tangencial (v). Apesar da diminuio das velocidades
tangenciais, acredita-se que o maior impacto exercido pela filtrao
tenha sido efetuado na velocidade radial do fluido. Constatou-se
que a presena de uma parede filtrante fez com que a velocidade
radial do fluido comeasse a arrastar um maior nmero de partculas em
direo parede do equipamento de modo a aumentar o tempo de residncia
delas no vrtice externo at a separao pela corrente do concentrado
(underflow).
5. SIMBOLOGIA
CH Conventional Hydrocyclone (cilindro macio); dstk dimetro de
Stokes (m); d50 dimetro de corte (m); Eu nmero de Euler ( 2 4cEu 8
P D= pi ); FH Filtering Hydrocyclone (cilindro poroso); RL razo de
lquido (-); u velocidade radial do fluido (m/s); v velocidade
tangencial do fluido (m/s); w velocidade axial do fluido (m/s); -P
queda de presso entre a alimentao e overflow do hidrociclone (Pa);
eficincia total; densidade do fluido (kg/m3); s densidade do slido
(kg/m3).
6. AGRADECIMENTOS
Os autores de trabalho agradecem a FEQUI/UFU, PROPP/UFU, FAPEMIG
e CNPq pelo apoio institucional e financeiro que garantiu a execuo
e concluso da Iniciao Cientfica.
7. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS
Oliveira, D.C.; Almeida, C.A.K.; Vieira, L.G.M.; Damasceno,
J.J.R. and Barrozo, M.A.S., 2009, Influence of geometric dimensions
on the performance of a filtering hydrocyclone: an experimental and
CFD study, Brazilian Journal of Chemical Engineering, v. 26, p.
575-583.
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Vieira, L.G.M.; Damasceno, J.J.R. and Barrozo, M.A.S., 2008,
Filtration on Hydrocyclone of Optimized Geometric Relationships.
Materials Science Forum, v. 591, p. 341-346. Barrozo, M.A.S.;
Damasceno, J.J.R.; Silva, C.A.J. and Vieira, L.G.M., 2007, A Study
of the Fluid Dynamics Behavior of Filtering Hydrocyclone,
Filtration & Separation, v. 28, p. 282-287. Vieira, L.G.M.;
Barbosa, E.A.; Damasceno, J.J.R. and Barrozo, M.A.S., 2006,
Computational Fluid Dynamics Applied to Bradley Hydrocyclone,
Materials Science Forum, v. 530, p. 376-281. Vieira, L.G.M.,
Damasceno, J.J.R., Damasceno and M.A.S. Barrozo, 2005, Performance
Analysis and Design on Filtering Hydrocyclones, Brazilian Journal
of Chemical Engineering, v. 22, n.1, p.143-152. Vieira, L.G.M.;
Barrozo, M.A.S.; Damasceno, J.J.R., 2005, Computational Fluid
Dynamics Techniques for Flows in Lapple Cyclone Separator.
Materials Science Forum, v. 498, p. 179-184. Vieira, L.G.M.;
Damasceno, J.J.R.; and Barrozo, M.A.S., 2003, Differences of
Behavior Between Filtering Hydrocyclone with Bradley and Rietema
Geometry, Materials Science Forum, v. 416, p. 317-322. Souza,
F.J.S.; Vieira, L.G.M.; Damasceno, J.J.R. and Barrozo, M.A.S.,
2000, Analysis of the Influence of the Filtering Medium on the
Behaviour of the Filtering Hydrocyclone, Powder Technology, Vol.
107, p. 259-267, 2000.
EXPERIMENTAL AND NUMERICAL STUDY OF THE INFLUENCE OF POROUS
CYLINDER ON THE HYDROCYCLONE
Diogo Csar de Oliveira, Yanne Novais Kyriakidis, Luiz Gustavo
Martins Vieira Federal University of Uberlndia, Chemical
Engineering School, Av. Joo Naves de vila, 2121, 1K, Campus Santa
Mnica, ZIP-CODE: 38400-902, Uberlndia, MG, Brazil. e-mails:
[email protected], [email protected],
[email protected]
Abstract: Hydrocyclones are centrifugal devices widely used in
chemical industries and they are used to the solid or liquid
particles separation of a fluid according to the density and size
distribution of the dispersed phase. In order to maximize the
separation in these devices, this work had as objective to study
the influence of the filtration during the process of separation in
hydrocyclones. Thus, numerical and experimental data were used to
predict the behavior of a hydrocyclone having a porous cylinder in
the same operating conditions of a conventional hydrocyclone
(impermeable cylinder). The CFD simulations and experimental
studies showed that the filtration interferes directly in the
performance of the separator, so the filtering hydrocyclone
required a higher pumping power. Moreover, the numerical and
experimental data also indicated that the presence of the porous
cylinder in the hydrocyclone was able to increase the number of
dragged particles in the underflow, increasing therefore the
efficiency of separation.
Keywords: hydrocyclone, filtration, solid-liquid separation,
filtering cylinder, CFD.
