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OPERAES UNITRIAS Separao slido-lquido Um dos ramos das operaes
unitrias aquele que envolve equipamentos e processos de separao de
uma mistura contendo slidos e lquidos. Dentre estes processos se
destacam a sedimentao (decantao), a filtrao, a centrifugao e a
hidrociclonagem como processos de separao clssicos. Alm destes
pode-se considerar processos de separao a evaporao e a cristalizao
tendo como objetivo a se cristalizao, concentrao do slido presente
na mistura. Muitos fatores esto relacionados com estes processos de
Muitos separao, como por exemplo, densidade do slido da mistura,
grau de saturao, temperatura de ebulio do solvente, tamanho mdio
das partculas do soluto entre outros. Cada processo se utilizar de
transferncia de massa, calor e movimento, separadamente ou em
conjunto. Nas pginas seguintes sero apresentados os referidos
processos bem como os equipamentos envolvidos e suas
particularidades. SEDIMENTAO, DECANTAO OU ESPESSAMENTO O processo
de sedimentao consiste na separao de uma suspenso diluda pelo
efeito da edimentao gravidade, a fim de se obter um fluido lmpido e
uma lama com maior quantidade de slidos possvel. Esta separao
ocorre devido diferena de tamanho das partculas slidas e densidade
das mesmas em relao densidade ao lquido em que se encontram
suspensas. A fora da gravidade puxa as partculas para o fundo do
sedimentador fazendo-as acelerar at atingir a velocidade terminal,
ou seja, a mxima velocidade de as decantao. A figura 1 mostra um
ensaio de sedimentao em provetas que serve para ilustrar o
mecanismo ra provetas de sedimentao.
B Concentrao uniforme
Figura 1 Sedimentao em proveta
2 Observa-se na figura a presena de regies de sedimentao. Em (a)
a suspenso apresenta concentrao uniforme, regio B, decorrido certo
tempo, inicia-se a separao de fases, surgindo ento as regies A, C e
D (b). A regio A caracteriza-se por apresentar o fluido lmpido, ou
seja, os slidos comeam a sedimentar incorporando-se nas regies C e
D. A regio D a de sedimentao mais rpida, compreendendo as partculas
mais grosseiras, nesta regio que ocorre a formao e o espessamento
da lama. A regio C uma regio de transio apresentando concentraes
variveis e partculas de tamanhos diferentes. medida que a
sedimentao continua, a altura das regies varia, at que restem
apenas as regies A e D, surgindo uma interface visvel entre estas
duas regies. Neste ponto a sedimentao prossegue na regio D, de tal
forma que as partculas continuam a sedimentar com velocidade bem
baixa, expulsando o lquido presente dentro da lama e tornando-a
mais espessa. O processo apresentado na figura 1 mostra uma
sedimentao descontnua, ou seja, a mistura deixada em repouso dentro
do recipiente at que se faa a mxima separao entre as fases slida e
lquida. Neste tipo de sedimentao o nvel das regies varia com o
tempo, porm, se for utilizado um sedimentador contnuo e a vazo de
alimentao se igualar vazo de retirada de lodo e de lquido lmpido,
as regies de sedimentao apresentaro nvel constante como mostrado na
figura 2.
Figura 2 Regies de sedimentao em um sedimentador contnuo.
Industrialmente pode-se utilizar sedimentadores contnuos ou
descontnuos, recebendo o nome de espessadores ou clarificadores. Se
o produto de interesse for a lama (lodo) concentrada, como no
tratamento de minrio, o equipamento recebe o nome de espessador. Se
o produto de interesse for o lquido clarificado, como na produo de
acar e lcool e tratamento de gua, ento o equipamento ser designado
como clarificador ou decantador. Os decantadores descontnuos operam
como a proveta da figura 1, um tanque cilndrico com abertura para
alimentao da suspenso e retirada do produto. O tanque cheio da
suspenso e permanece em repouso at que se faa a separao das fases
lquida e slida (lama), depois de completado o tempo de sedimentao,
a lama removida no fundo do equipamento e o lquido lmpido retirado
pela parte superior do mesmo (figura 3). Os decantadores contnuos
so tanques rasos, de grande dimetro, onde operam grades que giram
lentamente e removem a lama. A suspenso alimentada, o lquido lmpido
deixa o equipamento por meio dos vertedores localizados nas bordas
do equipamento enquanto a lama raspada para o fundo do equipamento
onde removida. A agitao leve da camada de lama pelas grades tambm
auxilia na remoo de lquido e espessamento da lama.
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Figura 3 Diagrama esquemtico de um tanque de decantao
Figura 4 grades superiores de um decantador contnuo Tipos de
decantador contnuo Decantador Contnuo sem Bandejas: Este tipo de
equipamento apresenta apenas uma cmara de decantao, onde haver o
acmulo de material mais denso no fundo e o material mais lmpido
sair na parte superior do equipamento. A alimentao geralmente
ocorre no centro do equipamento e por transbordamento se retira o
lquido clarificado que pode ser utilizado em outras etapas do
processo. O lodo removido com o auxlio de raspadores localizados no
findo do decantador que giram a uma velocidade baixa (1 rpm ou
menos), apenas o suficiente para que haja a remoo do lodo com maior
facilidade. A figura 5 apresenta um esquema de um decantador
contnuo sem bandejas. Decantador Contnuo de Bandejas: Quando se
necessita de reas muito grandes de decantao adota-se um decantador
de bandejas (figura 6). Este equipamento apresenta vrias sees de
decantao, a alimentao do equipamento pode ocorrer unicamente no
centro e o lquido vai preenchendo cada uma das bandejas, ou em cada
bandeja, separadamente. Neste equipamento, as bandejas apresentam
ligeira inclinao para o centro, de tal forma que o lodo formado
seja facilmente retirado de cada seo por meio de raspadores que se
movimentam em velocidades muito baixas (10 a 12 rph), sendo
enviados para o fundo do equipamento, onde ser retirado do
equipamento.
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Figura 5 - Decantador contnuo sem bandejas, vista superior e
vista lateral
Figura 6 Decantador Contnuo de Bandejas Decantador Lamelar: Este
tipo de decantador constitudo por um tanque com placas paralelas e
inclinadas que aumenta a rea de decantao do equipamento, de tal
forma que se possa otimizar o processo de decantao. O lquido a ser
decantado alimentado no equipamento por baixo das lamelas, de tal
forma que o lquido clarificado saia por transbordamento do
decantador, e o lodo fique acumulado no fundo do equipamento e
sobre a superfcie das lamelas. A figura 7 apresenta um esquema de
um decantador lamelar.
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Figura 7 Decantador lamelar
FILTRAO O objetivo da operao separar os slidos do fluido que o
carreia atravs da passagem do mesmo por uma membrana porosa. As
partculas slidas ficam retidas nos poros da membrana e acumulam-se
formando uma camada sobre esta membrana. O fluido por sua vez
atravessa a membrana se tornando mais lmpido. Industrialmente a
filtrao deve ser uma operao eficiente, de baixo custo e com elevada
produo. Para isso deve-se diminuir a resistncia ao escoamento,
aumentando a vazo, o que conseguido com uma rea de filtrao maior.
Para selecionar e dimensionar um filtro, alguns fatores devem ser
levados em considerao, tais como: a) Viscosidade, densidade e
reatividade qumica do fluido; b) Dimenses das partculas slidas,
distribuio granulomtrica, forma e deformao da partcula; c)
Concentrao da suspenso da alimentao; d) Quantidade do material a
ser filtrado; e) Grau de separao desejado; f) Custos de mo-de-obra,
capital e energia. Tipos de Filtros: Meios filtrantes granulados:
So os filtros industriais mais simples, constitudos por uma ou mais
camadas de slidos particulados, suportados por um leito de cascalho
sobre uma grade de sustentao, por onde o material a ser filtrado
flui por gravidade ou sob presso. A figura 8 apresenta um exemplo
de filtro de meio filtrante granulado. Estes tipos de filtro so
utilizados principalmente quando se tratam grandes volumes de
suspenso muito diluda, nas quais nem o slido nem o lquido tm valor
unitrio elevado, e o produto slido no deve ser recuperado. Por isso
so muito utilizados nos sistemas de purificao de guas servidas.
Conforme se processa a filtrao o material slido (partculas ou
flocos) comea a ficar retido no material filtrante, o que ocasiona
uma reduo na vazo e aumento da perda de carga, at chegar um ponto
em que a filtrao cessa. Chega o momento de fazer a limpeza do
equipamento, o que geralmente ocorre com uma lavagem, em fluxo
contrrio ao da filtrao, com gua e at mesmo com ar.
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Figura 8 Corte de um filtro de leito vertical granulado. Filtro
Prensa: Muito utilizado na indstria qumica, apresenta como
vantagens um custo de manuteno pequeno e extrema flexibilidade de
operao, porm, apresenta excessivo uso de mo-de-obra quando de sua
desmontagem. Durante sua operao, o filtro prensa permite a
alimentao da suspenso a ser filtrada, a passagem do filtrado pela
superfcie filtrante de cada placa do equipamento e o acmulo de
material slido nas superfcies de filtrao, entre as placas. Se o
filtro for equipado com lavagem, o filtro tambm permite o
encaminhamento da gua de lavagem para os slidos filtrados e fora a
passagem da gua de lavagem at os slidos retidos no filtro. Depois
da lavagem, no final da operao de filtrao, o equipamento desmontado
e os slidos so removidos do equipamento, podendo ser feita remoo
manual ou mecnica. O modelo mais comum desse tipo de filtro o que
consiste em placas e quadros que se alternam em uma armao e que so
comprimidos fortemente por uma prensa hidrulica. A figura 9
apresenta um esquema de um filtro prensa. Para armar o filtro, as
placas e os quadros so montados alternadamente nos trilhos laterais
da prensa, o meio filtrante, que pode ser uma lona ou tecido
sinttico, ento suspenso sobre as placas, cobrindo as duas faces.
Quando as placas e os quadros esto alinhados, procede-se ao
fechamento do filtro manual ou automaticamente. Depois que o filtro
foi fechado, a suspenso de alimentao bombeada sob presso para
dentro do equipamento, de modo que a suspenso enche os quadros, o
filtrado escoa pelo meio filtrante saindo por um canal entre a face
da placa e o meio filtrante, enquanto os slidos formam uma camada
sobre a superfcie do meio filtrante nas placas. Os slidos na
superfcie do meio filtrante vo formando uma torta, diminuindo a
vazo de alimentao e aumentando a presso do sistema. Quando a torta
atinge o canal de alimentao, a vazo de suspenso praticamente cessa,
por isso, geralmente para-se o filtro antes deste ponto de operao.
Quando se deseja recuperar parte do filtrado que permaneceu na
torta, procede-se lavagem da mesma geralmente com gua. A gua de
lavagem pode entrar pelo mesmo canal de alimentao de suspenso (o
que no muito recomendado) ou por meio de um canal especfico. Embora
haja
7 automatizao na operao de filtros prensa, principalmente de
grande porte, a operao do equipamento permanece cclica e por isso,
geralmente so utilizados em processos em batelada.
Figura 9 Diagrama esquemtico de um filtro prensa. Filtro a vcuo
com tambor rotatrio: Durante a operao do equipamento, o bolo da
filtrao colhido no tanque de suspenso devido imerso de parte da
superfcie do tambor e ao do vcuo, que suga e prende o a lama da
suspenso no filtro. A lama impregnada na superfcie do filtro
constantemente lavada e enxugada pela aplicao do vcuo no interior
do tambor. Prximo regio de raspagem da torta que fica na superfcie
do equipamento, cessa-se o vcuo, permitindo que a superfcie do
filtro fique disponvel para mergulhar no tanque de suspenso e
continuar o processo de filtrao. A figura 10 apresenta um diagrama
esquemtico de um filtro rotativo a vcuo. Meios filtrantes e
auxiliares da filtrao: Os meios filtrantes podem ser constitudos
por tecidos, papel, metais porosos ou telas metlicas. A escolha do
meio filtrante depende da capacidade de remoo da fase slida,
possibilidade de elevada vazo de lquido para uma dada queda de
presso, resistncia mecnica e inrcia qumica frente suspenso a ser
filtrada e a qualquer lquido de lavagem, alm de apresentar o menor
custo de operao possvel. Os auxiliares de filtrao ou adjuvantes so
utilizados para acelerar a filtrao, ou para permitir uma maior
coleta das partculas muito finas. Os adjuvantes so slidos finamente
divididos, com estrutura rgida, que formam tortas abertas e
no-compressveis. O exemplo mais comum a terra de diatomceas, que
consiste de esqueletos de animais marinhos pr-histricos muito
pequenos, constitudo basicamente por slica pura com estrutura
complexa. Se for aplicado diretamente no meio filtrante, o
adjuvante atua como meio filtrante primrio e permite a remoo de
partculas slidas muito pequenas. Se for misturado diretamente
suspenso a ser filtrada, o adjuvante serve para manter a tora
aberta e fornecendo grande
8 superfcie para adeso de slidos muito finos, sendo uma aplicao
interessante quando se filtram slidos coloidais, que tm tendncia a
formar tortas densas e compressveis.
Figura 10 Diagrama esquemtico de um filtro a vcuo. CENTRIFUGAO O
processo de centrifugao um processo de separao entre duas fases que
apresentem densidades diferentes, porm, ao invs de se utilizar a
fora gravitacional (sedimentao) adota-se a fora centrfuga como
agente separador. De tal forma que o campo centrfugo provoque a
queda da fase mais pesada atravs da fase mais leve, na direo
radial, afastando-se do eixo de rotao. Quando em uma mistura de
lquidos e slidos, os slidos apresentam dimenso muito pequena, a
filtrao e a decantao dessa mistura no se torna vivel, mesmo que
seja feita a vcuo, pois os slidos finos demoraro a decantar e tambm
podero obstruir os poros do elemento filtrante. Neste caso,
adota-se a centrifugao como meio de separao dos slidos dessa
mistura. Tipos de centrfugas: Centrfuga de Discos: A centrfuga do
tipo com rotor de discos com vaso slido opera a velocidades de 3000
a 20 000 vezes a gravidade e proporciona um sistema de clarificao
contnuo que satisfatrio para materiais com um contedo de slidos de
1-2% ou menos. projetada para separao slido/lquido ou duas fases
lquidas em base contnua. Os slidos sedimentam na parede do vaso e
so descarregados manualmente ou automaticamente por aberturas
intermitentes do vaso. A pilha de discos aumenta grandemente a rea
efetiva
9 de sedimentao ou clarificao, e as fases lquida e slida
movem-se para cima ou para baixo na superfcie dos discos. O lquido
descarrega atravs de um ou mais discos
Figura 11 Centrfugas de discos Centrfuga Decantadora de Vaso
Horizontal: Decantadores centrfugos consistem em dois elementos
giratrios concntricos horizontais contidos em uma carcaa
estacionria (figura 12). O cesto (elemento giratrio exterior)
afila-se de fora que os slidos descarreguem em um raio menor que o
do licor. O elemento interno u transportador parafuso tipo
roscasem-fim com a extremidade de lmina ajustada prximo ao contorno
da cesta. A suspenso alimentada no interior do eixo transportador
por bombeamento ou por gravidade, sendo automaticamente acelerada
at a velocidade da mquina. A fora centrfuga impele a suspenso
atravs da camada de licor formada sobre a parede. H uma pequena
diferena de velocidade entre a rotao da cesta e do transportador,
permitindo que os slidos sejam transportados continuamente ao longo
da parede da cesta, em direo zona secante cnica, at as portas de
descarga de slidos. O licor clarificado descarrega continuamente na
direo oposta, atravs de portas de transbordamento ajustveis.
Figura 12 Centrfuga decantadora horizontal. Centrfuga de Cesta
Vertical: Uma seleo das velocidades de alimentao, lavagem, rotao e
aragem so disponveis, o que faz a moderna centrfuga filtrante de
cesta muito adaptvel ao processo de uma grande faixa de suspenso e
composio qumica. Estas mquinas de batelada produzem bolos
extremamente secos e apresentam duas
10 vantagens principais. A primeira a capacidade de uma lavagem
eficiente de bolos slidos usando um mnimo de liquido de lavagem. A
segunda a habilidade para descarregar os slidos separados a baixa
velocidade da cesta, assegurando quebra desprezvel de cristais
delicados. O licor me extrado e o licor de lavagem so segregados
facilmente em etapas separadas do ciclo descontnuo. Durante a
operao, a suspenso alimentada pela abertura do topo da cesta, que
normalmente, opera a uma velocidade reduzida. Aps o ciclo de
lavagem, a secagem comea com a mquina girando a uma velocidade
muito mais alta. Depois disso, o bolo descarregado manual ou
automaticamente.
Figura 13 Centrfuga de cesto vertical HIDROCICLONE Os
hidrociclones so equipamentos com inmeras aplicaes nos diferentes
campos tecnolgicos, como na limpeza de gases, atomizao, classificao
de partculas, dentre outras. H tambm grande utilizao desses
equipamentos nos processos de separao slido-lquido e classificao de
minrios, quando so chamados de hidrociclones. Os hidrociclones tm
grande aplicao na classificao de partculas com dimetros na faixa de
5 a 200 m, sendo utilizados em dois processos extremos que so a
clarificao e o desaguamento. Como aplicaes tpicas dos hidrociclones
pode-se ainda incluir a purificao de leos de refrigerao na
indstria, na separao de produtos minerais, na regenerao de lamas de
perfurao, entre outros. No espessamento, os hidrociclones so usados
em substituio aos espessadores gravitacionais, embora produzindo um
fluxo de sada com concentraes mais baixas. O princpio bsico de
separao nesses equipamentos a sedimentao centrfuga, onde partculas
suspensas so submetidas a uma acelerao centrfuga, que faz com que
elas se separem do lquido, a partir do prprio movimento da suspenso
no interior do equipamento. O hidrociclone formado por uma seo
cilndrica acoplada a uma seo cnica. A suspenso lquida de partculas
alimentada tangencialmente atravs de uma abertura lateral
localizada na parte superior da seo cilndrica; a alimentao
tangencial gera um forte movimento em espiral da suspenso dentro do
ciclone. Parte do lquido contendo as partculas da frao fina
descarregada atravs de um tudo cilndrico fixado no topo do
hidrociclone; este tubo apresenta um prolongamento exterior ao
equipamento e chamado
11 de coletor de overflow ou vortex finder. A frao grossa das
partculas e o lquido remanescente deixam a parte circular do
equipamento em direo seo cnica e, posteriormente, para o orifcio de
underflow. A seo cnica dos hidrociclones tem como principal
finalidade a recuperao de energia cintica para manuteno dos nveis
de velocidade dentro do equipamento.
Figura 14 Hidrociclones.
Figura 15 Caracol de alimentao do hidrociclone.
Referncias: 1) Foust, A.S., Wenzel, L.A., Clump, C.W., Maus, L.,
Andersen, L.B., Princpios das Operaes Unitrias, LTC, Rio de
Janeiro, 2008. 2) Introduo aos Fenmenos de Transporte, UFSCar 3)
Frana, S.C.A., Massarani, G., Separao Slido-Lquido, Centro de
Tecnologia Mineral (CETEM), Rio de Janeiro-RJ, 2004 4)
http://www.ufrnet.ufrn.br/~lair/Pagina-OPUNIT/equipamento.htm,
acessado em 04/05/2010 s 23h. 5)
http://labvirtual.eq.uc.pt/siteJoomla/index.php?Itemid=157&id=40&option=com_content&task=vie
w, acessado em 04/05/2010 s 23h 42min. 6)
http://www.icba.com.pe/h-hidrociclones.html, acessado em 04/05/2010
s 23h 43min. 7)
http://www.hidromaquinas.com.br/home/index.php?pg=produto_detalhe&id_produto=134,
acessado em 04/05/2010 s 23h 44min
