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PROCESSOS DE SEPARAÇÃO
SÓLIDO-LÍQUIDO
Profa Dra Elenice Schons
Prof Dr André Carlos Silva
Capítulo 4.
Hidrociclones
Introdução
⚫ Ciclones: são equipamentos com inúmeras
aplicações nos diferentes campos tecnológicos.
⚫ Ex.: limpeza de gases, classificação de partículas etc.
⚫ Há também grande utilização desses
equipamentos nos processos de separação
sólido-líquido e classificação de minérios,
quando são chamados de hidrociclones.
Hidrociclones
⚫ Aplicação na classificação de partículas
(diâmetros entre 5 e 200μm), sendo utilizados
em dois processos: classificação e
desaguamento.
⚫ Aplicações típicas:
⚫ purificação de óleos de refrigeração na indústria
⚫ separação de produtos minerais
⚫ regeneração de lamas de perfuração
Hidrociclones
⚫ Utiliza o efeito de centrifugação como principal
agente de classificação de partículas minerais.
⚫ Constituído basicamente:
⚫ Parte cilíndrica
⚫ Parte cônica
⚫ Três orifícios: um para a entrada da polpa chamado
injetor (inlet), e outros dois orifícios para a saída
(apex e vortex).
Bateria de hidrociclones
Hidrociclones
⚫ Equipamento desprovido de partes móveis
onde a alimentação da polpa, no aparelho,
é realizada sob pressão criando um fluxo
descendente em espiral ao longo das
paredes internas.
⚫ Outro fluxo ascendente é criado pela
formação de uma região de baixa pressão
na parte central do aparelho.
Hidrociclones
⚫ Parte do líquido contendo as partículas da
fração fina é descarregada através de um
tudo cilíndrico fixado no topo do hidrociclone.
⚫ Este tubo apresenta um prolongamento
exterior ao equipamento e é chamado de
coletor de overflow ou vortex finder.
Hidrociclones
⚫ A fração grossa das partículas e o líquido
remanescente deixam a parte circular do
equipamento em direção à seção cônica e,
posteriormente, para o orifício de underflow ou
apex.
⚫ Seção cônica: finalidade de recuperação de
energia cinética para manutenção dos níveis de
velocidade dentro do equipamento.
Hidrociclones
⚫ Principal diferença geométrica entre ciclones
utilizados como classificadores e desaguadores:
tamanho da abertura do apex
⚫ Reduzindo-se o tamanho do apex:
favorecimento na saída de partículas sólidas
no underflow, em relação à água.
Hidrociclones
⚫ Uma boa operação de desaguamento exige
que a descarga do UF seja do tipo cordão,
diferente do tipo spray, usada na
classificação.
Hidrociclones
⚫ Para se obter o desaguamento deve-se
estrangular o apex: como a seção do
orifício é reduzida, o mesmo acontece com a
capacidade de vazão através dele.
⚫ Como as partículas só podem sair pelo UF,
parte da água já não pode passar e deve sair
pelo OF.
Hidrociclones
⚫ Em termos operacionais: trabalha-se com
pressões menores para que não seja afetada
a partição.
⚫ Produtos com até 75% de sólidos: podem
ser obtidos no underflow dos ciclones
desaguadores.
Hidrociclones
⚫ Desvantagem na aplicação no
desaguamento:
⚫ presença de grandes forças cisalhantes no
interior do equipamento o que pode contribuir
para a quebra de agregados (principalmente,
flocos) reduzindo a eficiência de operações
subsequentes ou aumentando o custo de
beneficiamento com a dosagem adicional de
reagentes floculantes.
Hidrociclones
⚫ Forças que atuam no ciclone: força
centrífuga e força de arraste (fluxo de
polpa que se dirige ao vortex).
⚫ Força centrífuga: direciona as partículas
de encontro à parede interna do ciclone.
Hidrociclones
⚫ As partículas maiores (maior massa)
tendem a seguir o fluxo descendente
dirigindo-se ao apex.
⚫ Há, para as partículas menores, o
predomínio da força de arraste sobre a
força centrífuga de tal modo que estas se
dirigem para o vortex.
Hidrociclones
Hidrociclones
⚫ A distribuição de fluxos no hidrociclone tem
simetria circular, com exceção da região
tangencial ao duto e suas imediações.
⚫ A velocidade do fluxo de líquido em qualquer
ponto interno do ciclone pode ser decomposta
em três componentes:
⚫ Velocidade tangencial (v)
⚫ Velocidade radial (u)
⚫ Velocidade axial (w)
Movimento das partículas
suspensas
⚫ Quando partículas sólidas são alimentadas no
hidrociclone próximo à parede da seção
cilíndrica, estas sofrem dispersão radial devido
à intensa turbulência causada pela alimentação.
⚫ Por esta razão, a seção cilíndrica é considerada
uma seção de separação preliminar; a
separação propriamente dita ocorre na seção
cônica do equipamento.
Movimento das partículas
suspensas
⚫ Seja uma partícula sólida situada em
qualquer ponto do fluxo em um hidrociclone,
que está sujeita a duas forças:
⚫ Aceleração (gravitacional ou centrífugo)
⚫ Arraste exercido pelo líquido sobre as partículas
Movimento das partículas
suspensas
⚫ Nos hidrociclones pode-se negligenciar o efeito do
campo gravitacional diante do campo centrífugo, tendo
influência sobre as partículas apenas as forças de
arraste e centrífuga.
⚫ O movimento das partículas ocorre nas direções
tangencial e vertical e oposto às forças de arraste e
centrífuga, o que resulta no valor das componentes de
velocidade naquelas direções ser igual à velocidade do
fluxo nas componentes v e w.
Movimento das partículas
suspensas
⚫ Uma vez que a força centrífuga atua na direção
radial, a partícula seguirá o fluxo radial de
líquido e sofrerá uma elutriação centrífuga.
⚫ Se a ação da força centrífuga sobre a partícula
excede a força de arraste, esta se moverá
radialmente para fora; se a força de arraste
excede a força centrífuga, a partícula se moverá
radialmente para a parte interna do
equipamento.
Movimento das partículas
suspensas
⚫ Como as força de arraste e centrífuga são
determinadas pelos valores de u e v,
respectivamente, seus valores relativos em
cada região de separação são decisivos na
determinação da eficiência do hidrociclone.
Estudo dos hidrociclones
⚫ Para as diferentes configurações existentes,
deve-se estabelecer as equações que
fornecem:
⚫ a relação entre as propriedades físicas do
sistema
⚫ dimensões do equipamento
⚫ diâmetro de corte
⚫ queda de pressão
⚫ eficiência global de coleta
Movimento das partículas
suspensas
⚫ Para que a mudança na relação de
diâmetros (DO/DU) não afete a partição: deve-
se trabalhar com pressões inferiores
àquelas necessárias para uma boa
classificação.
⚫ Prática operacional do desaguamento:
baixar a pressão de alimentação e reduzir o
diâmetro do apex
Redução do diâmetro do
apex
⚫ Adota-se os seguintes mecanismos:
⚫ Inserção dentro do orifício do apex, com diâmetro
adequado (ciclones da AKW)
⚫ Dispositivos de regulagem do diâmetro mediante ar
comprimido (ciclones da Krebs)
⚫ Apex de borracha (apertáveis por braçadeiras)
Variáveis operacionais
⚫ Diâmetro de corte: determinado pelas
dimensões do hidrociclone.
⚫ Classificação em granulometrias finas:
requer a utilização de hidrociclones com
pequenos diâmetros.
Variáveis operacionais
⚫ Quanto maior o diâmetro do hidrociclone:
⚫ maior será o corte granulométrico da
classificação, porque esses equipamentos
proporcionam menor aceleração às partículas
⚫ Ou seja:
a força de aceleração é inversamenteproporcional ao diâmetro do hidrociclone
Variáveis operacionais
⚫ Área do Inlet (AI): determina a velocidade
de entrada e, consequentemente, a
velocidade tangencial, que também varia
com o raio da seção cilíndrica.
𝑨𝑰 = 𝟎, 𝟎𝟓 × 𝑫𝟐
⚫ D: diâmetro do hicrodiclone
Variáveis operacionais
velocidade tangencial (Vt) é
aproximadamente igual à velocidade de
entrada (Ve) na seção cilíndrica do
equipamento
Variáveis operacionais
⚫ Comprimento da seção cilíndrica e ângulo
de cone: são os parâmetros que afetam o
tempo de residência da polpa no
hidrociclone.
⚫ Comprimento da seção cilíndrica (Lc) igual
ao seu diâmetro (D):
⚫ o aumento de Lc eleva o tempo de residência e,
em consequência, se obtém uma classificação
mais fina.
Diâmetro de hidrociclone em relação ao
diâmetro das partículas (Lopes, 1998):
Diâmetro do hidrociclone
(D) (cm)
Diâmetro das partículas
(m)
0,63 – 1,27 2 - 10
1,27 – 10,16 10 - 20
10,16 – 30,48 20 - 60
40,64 – 76,20 60 -70
Variáveis operacionais
⚫ Diâmetro do vortex finder: situa-se entre 35
e 40% do diâmetro interno do hidrociclone.
⚫ Aumento do diâmetro do apex: diminui o
diâmetro de classificação.
⚫ A relação inversa é mais limitada, pois as
partículas maiores só podem ser descarregadas
pelo apex.
Variáveis operacionais
⚫ A capacidade da alimentação do hidrociclone
é uma das variáveis mais importantes, junto
com os limites de separação. Pode ser
expressa por:
𝑸𝒗 = 𝟗, 𝟓 × 𝟏𝟎−𝟑 𝑷𝑫𝟐
⚫ Onde:
⚫ Qv: vazão da alimentação (m3/h)
⚫ P: pressão (kPa)
⚫ D: diâmetro do ciclone (cm)
Variáveis operacionais
Variáveis operacionais
⚫ Os hidrociclones são agrupados em famílias.
⚫ Uma família de hidrociclone consiste de
um conjunto de específico de equipamentos
que mantêm entre si uma proporção
constante e exclusiva de suas principais
dimensões geométricas com o diâmetro da
parte cilíndrica.
Principais relações geométricas nas
famílias de hidrociclones (Vieira, 2006):
Família Da/Dc Do/Dc I/Dc L/Dc
Rietema 0,280 0,340 0,400 5,00 15-20o
Bradley 0,133 0,200 0,330 6,85 9o
Demco I 0,217 0,500 1,000 4,70 25o
Demco II 0,244 0,313 0,833 3,90 20o
Krebs 0,267 0,159 - 5,87 12,7o
Mosley I 0,154 0,214 0,571 7,43 6o
Mosley II 0,160 0,250 0,571 7,71 6o
Dc: diâmetro da região cilíndrica; Da: diâmetro da alimentação
Do: diâmetro do OF; I: comprimento do OF no interior do equipamento
L: comprimento total do hidrociclone; : ângulo da região cônica
Eficiência do hidrociclone
⚫ Determinada pela curva de partição: % de
sólidos no UF X tamanho da partícula
Eficiência total (ET)
𝑬𝑻 =𝑾𝒔𝒖
𝑾𝒔𝒂=𝑪𝒘𝒖 ×𝑾𝒖
𝑪𝒘𝒂 ×𝑾𝒂
Onde:• ET: eficiência total (adimensional)
• Wsu: vazão mássica de sólidos no UF (kg/s)
• Wsa: vazão mássica de sólidos na alimentação (kg/s)
• Cwu: concentração mássica no UF (adimensional)
• Cwa: concentração mássica na alimentação (adimensional)
• Wu: vazão mássica no UF (kg/s)
• Wa: vazão mássica na alimentação (kg/s)
Eficiência total (ET)
⚫ No hidrociclone:
⚫ parte da massa sólida não é separada devido à ação
centrífuga, pois o equipamento também age como um
divisor do escoamento, tal como uma conexão T em
tubulações, ou seja, a corrente inicialmente
alimentada dá origem às outras correntes: do
underflow e do overflow.
⚫ A esse fenômeno dá-se a denominação de efeito T,
correlacionando-o diretamente com a razão de
líquido (RL).
Razão de líquido (RL)
𝑹𝑳 =𝑸𝒖(𝟏 − 𝑪𝒗𝒖)
𝑸𝒂(𝟏 − 𝑪𝒗𝒂)
Onde:• RL: razão de líquido (adimensional)
• Qu: vazão volumétrica no UF (l/s)
• Qa: vazão volumétrica na alimentação (L/s)
• Cvu: concentração volumétrica no UF (adimensional)
• Cva: concentração volumétrica na alimentação (adimensional)
Eficiência total reduzida
(ET’)
⚫ Enquanto a eficiência total considera todas as
partículas coletadas no underflow,
independentemente do que os levou a serem
separadas, a eficiência total reduzida admite
apenas aquelas coletadas no underflow pelo
efeito do campo centrífugo.
⚫ Desta forma, a influência da divisão de fluxo
(efeito T) deve ser desconsiderada e subtraída
da eficiência total (ET).
Eficiência total reduzida
(ET’, adimensional)
𝑬𝑻′ =𝑬𝑻 − 𝑹𝑳
𝟏 − 𝑹𝑳
