Profa Dra Maria Cristina Rizk2018

crisrizk@fct.unesp.brhttp://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.