Desenvolvimento e construção de um ciclone para separação de partículas a partir de materiais de baixo custo

ARTIGO ORIGINAL

MORAES, Rafael Alessandro de ^[1], FRAZÃO, Leonardo Lorena Palitó ^[2], PURGANO, Bruna Vieira ^[3], SILVA, Mariane Vieira da ^[4], FERREIRA, Poliana Matos ^[5], D’AMELIO, Monica Tais Siqueira ^[6]

MORAES, Rafael Alessandro de. Et al. Desenvolvimento e construção de um ciclone para separação de partículas a partir de materiais de baixo custo. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano 04, Ed. 11, Vol. 06, pp. 16-28. Novembro de 2019. ISSN: 2448-0959, Link de acesso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/engenharia-quimica/construcao-de-um-ciclone

RESUMO

O propósito deste artigo foi apresentar o estudo de ciclones através de um protótipo. Os ciclones são equipamentos cônicos cilíndricos utilizados para a separação de partículas sólidas em um meio fluido. Seu funcionamento será explicado detalhadamente no decorrer deste artigo, além de ressaltar a importância de seu estudo para a indústria. Além disso, este artigo explica, de maneira simples, os passos realizados para construir o protótipo do ciclone. A partir de materiais de fácil obtenção como um cano de PVC e cola, com o auxílio de solda para PVC e tinta spray para dar o acabamento superficial, foi possível realizar a construção do protótipo do ciclone. Posteriormente, como será apresentado, foi possível realizar o teste de funcionamento do ciclone, acoplando-se um aspirador de pó e, assim, foi calculada a eficiência de coleta do protótipo, que foi de 97,5%.

Palavras-Chave: ciclone, separação, materiais, partículas, rendimento.

1. INTRODUÇÃO

Os ciclones e hidrociclones são equipamentos geralmente utilizados na separação de partículas sólidas em uma corrente fluida. Segundo Cremasco (2012), os ciclones e hidrociclones surgiram por volta de 1891, e desde seu advento sua utilização vem crescendo em indústrias químicas, petroquímicas, têxtil, metalúrgica, nuclear, entre outras. Sua aplicação é viável financeiramente, uma vez que possuem baixo custo de construção e manutenção, sem contar a alta eficiência de coleta que apresentam para partículas com diâmetros superiores a 5 micrômetros.

O estudo de ciclones é de grande importância para a indústria, visto que seu baixo custo e alta eficiência de coleta são muito favoráveis. Assim, no projeto do ciclone é importante realizar os cálculos de parâmetros geométricos e operacionais dos ciclones (eficiência de coleta, queda de pressão e vazão volumétrica) por meio de equações empíricas que objetivam a otimização operacional de ciclones e hidrociclones (Souza, 2000).

O objetivo específico deste artigo é a descrição da construção de um protótipo de ciclone, onde a partir de testes realizados com uma mistura de cal e terra se viabilizou a realização do cálculo de rendimento do ciclone.

1.1 CICLONES E HIDROCICLONES

Os ciclones e hidrociclones são equipamentos geralmente utilizados na separação de partículas sólidas em uma corrente fluida. Entretanto podem ser utilizados como classificadores de partículas sólidas, secadores, reatores etc. Sua configuração consiste em um formato cônico-cilíndrico, possuindo uma entrada lateral e duas saídas: uma inferior, que recebe o nome de underflow e outra superior, a qual chamamos overflow, ambas orientadas no eixo central, como mostra a Fig. (1), (Souza, 2000).

Além disso, os ciclones e hidrociclones possuem um segmento cilíndrico na parte superior, de comprimento Ls, denominado de vortex finder (Souza, 2000).

Figura 1. Esquema básico da configuração de ciclones e hidrociclones.

A separação das partículas no ciclone ocorre pela ação das forças centrífugas decorrentes do escoamento espiral da suspensão no interior do ciclone. Assim, é gerado um campo centrífugo dentro do equipamento e a força centrífuga resultante promove o deslocamento das partículas em direção à parede do ciclone, realizando um movimento circular. Em seu percurso as partículas descrevem uma trajetória helicoidal sob a ação do arraste, da gravidade e do atrito pelas paredes do equipamento e então escoam próximo à parede, com saída para o coletor. Este escoamento ocorre em espiral e apresenta componentes de velocidade nas direções axial, radial e tangencial, onde se observa a formação de vórtices, regiões de recirculação, forte turbulência, contato fluido-sólido, entre outros fenômenos que geram certa complexidade no comportamento fluidodinâmico de ciclones e hidrociclones (Souza, 2000).

Para otimizar o funcionamento dos ciclones é possível calcular parâmetros geométricos e operacionais, visando aumentar sua eficiência de coleta. Desse modo, os quatro parâmetros básicos que podem ser calculados são: o tamanho das partículas que saem em proporções iguais pelo underflow e overflow (d50), a queda de pressão, a razão entre a vazão do underflow e do overflow e a eficiência de coleta (Souza, 2000). Todos estes parâmetros são influenciados pela vazão da suspensão na entrada do ciclone, tipo de fluido, tipo de partícula e tipo de ciclone. Isto é, o cálculo desses parâmetros depende das condições de operação a que o ciclone será submetido, resultando em diferentes equações de projeto. Assim, além dos modelos matemáticos que se baseiam nas leis de conservação da massa e da quantidade de movimento usadas no estudo da fluidodinâmica, é necessário realizar estudos avançados para otimizar o rendimento de ciclones e hidrociclones (Souza, 2000).

1.2 FAMÍLIAS DE CICLONES

Os ciclones são classificados em famílias, isto é, um conjunto específico de ciclones que possuem como características principais as relações fixas constantes entre seus parâmetros geométricos e o diâmetro da parte cilíndrica. Tais relações são na verdade proporções existentes entre as dimensões geométricas do ciclone e são de grande importância no processo de separação, uma vez que estão diretamente relacionadas com a capacidade e o poder de classificação dos ciclones (Lacerda, 2007). A Tab. (1) apresenta tais proporções para cada família de ciclones: Lapple, Stairmand e Niigas-11. A Fig. (2) ilustra as dimensões geométricas de um ciclone.

Tabela 1. Principais proporções geométricas para os ciclones das famílias Lapple, Stairman e Niigas-11.

FONTE: Lacerda, 2007.

Figura 2. Dimensões geométricas de um ciclone

1.3 DIÂMETRO DE CORTE

Variável relacionada à eficiência de coleta. É o tamanho da partícula que é coletada com 50% de eficiência. Assim, as partículas que saem pelo underflow são coletadas com eficiência maior que 50% (Lacerda, 2007).

1.4 EFICIÊNCIA DE COLETA

A eficiência de coleta ou rendimento do ciclone é calculada através da Eq. 1:

Onde n é o rendimento, m_underflow a massa que sai por baixo do ciclone e m_entrada, a massa de entrada no ciclone. Quanto maior a eficiência de coleta, melhor a separação.

2. METODOLOGIA

A montagem e o teste do ciclone estão apresentados no fluxograma, como mostra a Fig. 3.

Figura 3. Fluxograma do Processo de montagem e teste do ciclone

Primeiramente foi realizado o esboço do projeto (1), Fig.3, junto com suas dimensões, apresentados na Tab. (2) e Fig. 4). O modelo de família de ciclone utilizado para o dimensionamento do projeto foi a família Stairmand – AE, utilizado como base a entrada do ciclone (De) sendo 5 cm.

 Figura 4. Esboço do projeto

 Tabela 2. Dimensões do projeto.

FONTE: próprio autor.

Por meio do esboço realizou-se a montagem da estrutura do cone do ciclone (2), Fig.3, para isso utilizou-se o cano de PVC (AMANCO), com a tesoura de corte de chapa (CORNETA) e realizou-se a redução concêntrica do PVC. Para a vedação do cone do ciclone realizou-se a solda do PVC (3), Fig.3, utilizando o ferro de solda (FOXLUZ) e a mangueira de alta pressão (NORGREN).

Em seguida, na parte superior do cano do ciclone foi realizado um corte de 5 cm de largura e 5cm de altura com o auxílio da tesoura de corte (CORNETA). O estilete (FORD) foi aquecido mediante o fogão (DAKO) e utilizado para retirar as rebarbas, fazendo assim o corte de entrada do ciclone (4), Fig.3.

Posteriormente realizou-se o furo de 5 cm de diâmetro na parte superior, com o auxílio da furadeira (MAKITA) e o corte de 5 cm de diâmetro e altura e largura no cap (TIGRE), por meio da tesoura de corte de chapa (CORNETA). Após esta etapa, colocou-se o tubo de 5cm de diâmetro (AMANCO) no furo, vedando com o adesivo epóxi (DUREPOXI), realizou-se então o fechamento do ciclone com a cola de PVC (AMANCO), montando assim a tampa do ciclone (5), Fig.3.

Sequencialmente montou-se o tubo de entrada do ciclone (6), Fig.3, utilizou-se para isso um tubo de 5cm de diâmetro e de altura (AMANCO); foi necessário moldar a entrada aquecendo o tubo, por intermédio do fogão (DAKO). Colou-se o tubo de entrada na entrada do ciclone. Assim foi possível finalizar a estrutura do projeto (Fig. 5)).

Figura 5. Estrutura do protótipo.

Em seguida realizou-se o acabamento do projeto (7), Fig.3, com cola branca (CASCOLA) e tiras de jornal reciclado e colou-se no ciclone para deixar a superfície mais uniforme. Após esta etapa realizou-se a pintura do ciclone (8), Fig.3, com a tinta spray (TEK BOND).

Para a realização do teste do ciclone (9), Fig.3, em uma balança semi-analítica (MARTE) pesaram-se 200 g de terra com cal e por meio de um agitador magnético (SOLOTEST) com peneiras (AVTTEST e SOLOTEST) de aberturas de 4, 8, 10, 16, 30, 50 e 74 mesh, encontrou-se o diâmetro das partículas. Então ligou-se o aspirador (ELETROLUX) com o tubo na parte superior do ciclone, colocou-se uma mangueira de silicone (ELETROLUX) no tubo de entrada do projeto para sugar a amostra de terra peneirada. Após esta etapa pesou-se a amostra que ficou retida na parte de baixo, no pote de conserva (EMBAVALE).

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

O projeto final pode ser observado na Fig. 6. É possível visualizar três principais componentes: o ciclone (composto por corpo, entrada, overflow e underflow), suporte para sustentação e coletor de saída, mantendo todas as dimensões demostradas no esboço (Fig. (4)).

Figura 6. Projeto Final, ciclone de bancada, 40 cm de altura de material PVC e suporte.

Os dados obtidos para a granulometria foram distribuídos conforme Tab. 3, juntamente com os dados estatísticos correspondentes.

Tabela 3. Resultados experimentais para o estudo de granulometria.

FONTE: próprio autor.

Os dados estatísticos anteriores são mais bem representados quando vistos em porcentagem de massa, conforme a Tab. (3). Pode-se afirmar que a maior parte das partículas apresenta diâmetro médio de 245 µm, enquanto apenas 0,7% possuem diâmetro maior do que 5875 µm.

Figura 7. Distribuição Granulométrica: fração de massa por diâmetro médio das partículas.

O rendimento do ciclone foi calculado levando em consideração a massa do coleto: underflow (195,7 g) e a massa das partículas de entrada (200 g). Através de uma simples relação entre elas é possível determinar o rendimento de 97,85%. O valor do rendimento e a perda da eficiência estão relacionados com o diâmetro do tubo do ciclone, se não for grande o suficiente, e o tamanho das partículas, esses dois fatores podem ter influenciado a perda de eficiência de 2,15%, principalmente o tamanho das partículas, afinal considerando a distribuição granulométrica anterior é possível afirmar que a maior parte das partículas possuem um tamanho relativamente pequeno que pode ter gerado perda de eficiência.

Utilizaram-se três modelos de análise estatística: Gates-Gaudin-Schummann (GGS), Rosin-Ramler-Bennet (RRB) e Log Normal (LOG), visível nas Fig. 8, Fig. 9 e Fig. 10, respectivamente. Para todos os modelos a série em azul representa os dados experimentais obtidos, enquanto a série em vermelho representa a proximidade entre os valores experimentais e os modelos. Os valores de M e K resultaram em 0,443 e 4,254 respectivamente, para o modelo GGS, n e d’ resultaram em 1,280 e 1,014 para o modelo RRB, e por fim, 0,701 e 2,353 para o modelo LOG.

Figura 8. Modelo de Gates-Gaudin-Schumman.

Figura 9. Modelo de Rosin-Ramler-Bennet.

Figura 10. Modelo de Log Normal

O modelo GGB não apresentou proximidade com os valores experimentais quando comparado com os outros dois modelos (RRS e LOG), porém vale à pena ressaltar que a amostra não apresentou uniformidade (M = 0,443), afinal o valor de M para tal modelo representa distribuição uniforme quando igual a 1. Ambos os modelos RRS e LOG possuem maior proximidade com os valores experimentais, uma vez que apresentaram sobreposição e valores mínimos de erros.

O modelo RRS obteve 4% de erro, enquanto LOG Normal obteve apenas 2%, sendo assim o modelo mais indicado com menor erro entre os três.

4. CONCLUSÃO

O projeto final, confeccionado à base de materiais de baixo custo é capaz de promover a separação de forma eficiente, obtendo um rendimento de 97,85%, tal valor está completamente relacionado com o tamanho das partículas utilizadas na separação, portanto a análise granulométrica foi de total importância, revelando que a maior parte das partículas possui um diâmetro médio de 245 µm, ou seja, consideravelmente pequeno, o que pode explicar a perda de eficiência devido à possível perda de carga.

Para fins de análise estatística o modelo de Log normal apresentou menor erro, aproximadamente 2%, quando comparado com os outros dois modelos (GGS e RRB) e falta de homogeneidade no tamanho das partículas o que também pode influenciar no desempenho do projeto.

5. REFERÊNCIAS

CREMASCO, M. A., 2012, Operações unitárias em sistemas particulados e fluidodinâmicos. Ed. Edgar Blucher, São Paulo, Brasil.

LACERDA, A. F., Estudo dos efeitos das variáveis geométricas no desempenho de ciclones convencionais e filtrantes, disponível em: <http://repositorio.ufu.br/bitstream/123456789/15085/1/ AFLacerdaDISS1PRT.pdf>, acesso em 09 abr. 2019.

SOUZA, D. P., Aplicação das Equações Fundamentais para a Solução do Escoamento em Ciclones e Hidrociclones, disponível em: <http:// https://repositorio.ufsc.br/xmlui/handle/123456789/78273>, acesso em 08 abr. 2019.

^[1] Estudante de Engenharia Química pela Universidade São Francisco, Técnico Químico.

^[2] Estudante de Engenharia Química pela Universidade São Francisco.

^[3] Estudante de Engenharia Química pela Universidade São Francisco, Técnico em Química.

^[4] Estudante de Engenharia Química pela Universidade São Francisco.

^[5] Estudante de Engenharia Química pela Universidade São Francisco.

^[6] Grupo de Pesquisas em Meio Ambiente e Sustentabilidade/ Universidade São Francisco (GPMAS/USF), Doutora em Materiais pelo IPEN/USP, Mestre em Materiais pelo IPEN/USP, Engenheira Química pela UFSCAR.

Enviado: Julho, 2019.

Aprovado: Novembro, 2019.