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Floculação, flotação e Hidrociclones

Seminário acadêmico
by

Maria Jucilene

on 15 May 2013

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Transcript of Floculação, flotação e Hidrociclones

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE – UFRN
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA – CCET Disciplina: Tópicos Especiais em Química Analítica
Docente: Profª DrªAna Catarina
Discentes: Anne Priscila
Maria Jucilene Teoria da Floculação
Flotação de Ar Dissolvido
Hiclociclones FLOCULAÇÃO - É o processo de agrupar de partículas coaguladas ou desestabilizadas para formar maiores massas ou flocos de modo a possibilitar sua flotação (sedimentação) e/ou filtração.

A floculação é efetuada por meio de processo mecânico que produz agitação na água, com o objetivo de criar gradientes de velocidade que causem turbulência para provocar choques ou colisões entre as partículas coaguladas.

É o processo mais usado para a remoção de substâncias de pequeno diâmetro, que promovem cor e turbidez na água. TEORIA DA FLOCULAÇÃO TEORIA DA FLOCULAÇÃO Os contatos formados permitem que os flocos aumentem de tamanho e densidade, tornando-os mais fáceis a sedimentação, o que contribui para que se obtenha uma melhor clarificação da água que esta sendo purificada. Teoria da Floculação AGENTES FLOCULANTES X AGENTES COALUGANTES Os agentes coagulantes são responsáveis por desestabilizar o equilíbrio químico e gerar o floco. Já os agentes floculantes são responsáveis pelo aumento do floco.


Na coagulação, há uma desestabilização das cargas líquidas superficiais das partículas coloidais.

Depois de desestabilizadas, as partículas tendem a unir-se e a formar pequenos flocos, que aumentarão de diâmetro e peso na floculação.


Assim, durante a etapa de floculação, é comum serem adicionados compostos com peso molecular maior do que os tradicionais coagulantes. TEORIA DA FLOCULAÇÃO Agentes floculantes mais utilizados: TEORIA DA FLOCULAÇÃO Agentes floculantes é o termo mais adequado para diferenciar os compostos orgânicos e inorgânicos adicionados às câmaras de floculação para aumentar o tamanho dos flocos. Polieletrólitos orgânicos, principalmente os catiônicos (poliamidas, poliDADMAC);
Polímeros orgânicos não iônicos naturais ou sintéticos (tanino, polióxido de etileno, entre outros);
Polímeros anfóteros, naturais ou derivados de compostos naturais (bentonitas, montmorilonitas, etc.);
Compostos inorgânicos - Para coagulação, os mais comuns são os sulfatos de alumínio e férrico e o cloreto férrico. Para floculação, o mais comum é o PAC (policloreto de alumínio). MISTURA COAGULAÇÃO FLOCULAÇÃO FLOTAÇÃO TEORIA DA FLOCULAÇÃO Tanques de floculação>>> pequenos microflocos aglutinam-se formando flocos >>> tamanho e densidade adequados ao processo de remoção: clarificação por flotação ou sedimentação e/ou filtração.

O grau de clarificação do efluente depende da quantidade de coagulante necessária para uma boa floculação variando de acordo com o pH e com as concentrações de sólidos na água a ser tratada.

Água com baixa concentração de partículas são mais difíceis de flocular do que as de altas concentrações. Cinética de Floculação As aglutinações de partículas são realizadas por:

1 – Floculação Pericinética: Colisões causadas pelo movimento das moléculas (movimento Browniano, ao acaso) devido à energia cinética;


2 – floculação Ortocinética: Colisões causadas pelo movimento da água. Cinética da Floculação 2 – Floculação Ortocinética: Deve ter-se em conta que a velocidade do fluído varia de ponto para ponto e também é variável ao longo do tempo.


Um gradiante médio de velocidade (G) pode dar conta da existência destas diferenças de velocidades do fluído.


A ocorrência de colisões está favorecida porque nem todas as partículas se movem à mesma velocidade. Tipos de Floculadores Hidráulicos São constituídos de barreiras, que estas adicionam energia ao fluído, assim acelerando o processo de coagulação. Chicanas (Horizontais e verticais) Alabamas Bandejas perfuradas Mecânicos Proporcionam energia ao fluído através de aparelhos mecânicos que proporcionam agitação. Paletas (Eixo vertical, horizontal e única). Tipos de Floculadores Os floculadores de chicanas verticais funcionam através do mecanismo de subida e descida do fluído, através de orifícios que se encontram na parte superior e na câmara seguinte na parte inferior e assim consecutivamente; a velocidade média utilizada é de 10cm/s; Os floculadores de chicanas horizontais utilizam mudanças direcionais horizontais para a movimentação do fluído, a velocidade média utilizada é de 0,10 m/s; somente recomendável para grandes vazões. Os floculadores alabama funcionam com mecanismo de empurrar os colóides para cima, com o auxílio de um anteparo a jusante da interligação de câmaras, e estes caiam novamente com a força da água, batendo em outros colóides e os arrastando para o fundo, funcionam com uma velocidade média de 0,10m/s Os floculadores de bandejas perfuradas possuem “camadas” de bandejas, onde a água entra por cima, e aos poucos vai caindo, esta queda proporciona agitação suficiente para a formação dos colóides; a velocidade trabalhada é de 10cm/s. Os floculadores de paletas de eixo vertical são introduzidos numa série de câmaras, onde várias características irão influenciar na velocidade das paletas, como altura, espessura, etc. Os floculadores de paletas horizontais também são introduzidos em câmaras, no entanto em relação a potência das paletas, neste a posterior deve ser mais potente em relação a anterior. O gradiente de velocidade depende da velocidade de rotação do eixo e das características da paleta: altura, espessura e espaçamento, entre outras. Os floculadores de paleta única são muitos raros, pois sua construção é similar a de paletas verticais, mas sua eficiência é menor, tendo em vista que esta somente trabalha com uma paleta rotacional. Processo de Flotação Processo no qual a fase sólida, com uma densidade menor que a do líquido de suspensão, é separada do líquido, possibilitando-a flutuar para a superfície. O processo de flotação com bolhas consiste basicamente de quatro etapas:

Geração da bolha;
Contato entre a bolha e a partícula de óleo ;
adsorção da bolha a superfície da partícula;
Ascensão do conjunto bolha / partícula. A flotação é uma técnica de separação de misturas que consiste na introdução de bolhas de ar em uma solução iônica ou em uma suspensão de partículas. Tipos de Flotação 1. Flotação Convencional ou gravitacional;
2. Flotação por Ar Induzido (FAI) ou Disperso;
3. Flotação por Ar Dissolvido (FAD);
4. Eletroflotação FLOTAÇÃO POR AR DISSOLVIDO (FAD) Tipos de FAD O processo de FAD pode ser operado de três formas diferentes: A floculação caracteriza-se pela ação de um polímero, denominado floculante, que promove a agregação de partículas finas em forma de flocos. FLOTAÇÃO POR AR DISSOLVIDO (FAD) A FAD é um método eficiente para remoção de partículas, de baixa densidade, de uma suspensão e para clarificação de águas com baixa turbidez e alta coloração onde flocos leves são produzidos.


As partículas sólidas são removidas da água produzida e flutuam (flotam), reduzindo-se sua densidade pela adesão de pequeníssimas bolhas de ar.


O ar é dissolvido a altas pressões em um saturador e pequenas bolhas são formadas quando a água chega à célula de flotação que está a pressão atmosférica. As microbolhas aderem às partículas em suspensão aumentando o seu empuxo fazendo com que ascendam até a superfície da fase líquida de onde podem ser coletadas. FLOTAÇÃO POR AR DISSOLVIDO(FAD) Sistema de Flotação por Ar Dissolvido : Método mais utilizado em campos terrestres;

Carga afluente geralmente 200 mg/L de partículas suspensas;

Eficiência: material suspenso < 29 mg/L na água tratada;

Sistema composto por bacias, bombas, compressores, vasos, misturadores, válvulas especiais, decantadores;

Alto custo inicial e operacional: energia, produtos químicos, manutenção;

Ocupa grande área superficial. A lei de Henry defende que a solubilidade de um gás em um líquido a determinada temperatura é diretamente proporcional à pressão parcial que o gás exerce sobre o líquido. A quantidade de ar dissolvido na água para uma determinada pressão pode ser facilmente calculada pela lei de Henry.

P=K.X

Onde:
P - Pressão do gás sob solução;
k- contante de proporcionalidade de um gás específico;
x - solubilidade do gás Flotação com pressurização total;

Flotação com pressurização parcial;

Flotação com recirculação (recirculação pressurizada) A recirculação é a configuração mais usada para diversas aplicações, incluindo remoção de óleo. Tipos de FAD Flotação com pressurização total; Todo o efluente é pressurizado e então liberado no tanque de flotação onde as bolhas são formadas. Geralmente é usado para partículas que não necessitam de floculação, mas requer em grande volume de bolhas de ar; Flotação com pressurização parcial; Parte do efluente é pressurizado e introduzido diretamente na coluna flotante. É empregado quando as partículas suspensas são suscetíveis aos efeitos cisalhantes na bomba de pressão e também onde as partículas suspensas têm baixa concentração e assim requerem pouco ar. Flotação com recirculação (recirculação pressurizada) Parte do efluente tratado é pressurizado e recirculado para o tanque de flotação. Geralmente empregados onde são necessárias coagulação e floculação. Tipos de FAD Tipos de FAD Fonte : Metcall & Eddy(1991) apud Chernicharo (2001b) Fonte : Metcall & Eddy(1991) apud Chernicharo (2001b) Fonte : Metcall & Eddy(1991) apud Chernicharo (2001b) Fonte : Metcall & Eddy(1991) apud Chernicharo (2001b) FLOTAÇÃO POR AR DISSOLVIDO Funcionamento : Esquema Típico de FAD O efluente é bombeado para o flotador recebendo na tubulação de entrada a dosagem de produtos químicos e misturando-se ao efluente recirculado. Em seguinte o efluente cai na caneleta de distribuição e entra no tanque de flotação propriamente dito. O lodo flotado é removido por um raspador enquanto que o efluente tratado vai para o tanque de saída através de uma tubulação. Do tanque de flotação parte do efluente é recirculado. Nesta recirculação é introduzido ar comprimido em pressurizador e depois é misturado com efluente bruto. Caracteristicas da FAD Processo: pressurização do fluxo de água com ar (1 a 5 atm) descomprimi-la em um tanque adequado.

Quando a pressão sobre o liquido é reduzida, o gás dissolvido é descomprimido em bolhas extremamente pequenas (microbolhas).

Microbolhas aderem e suspendem a matéria em suspensão para a superfície.

Podem trabalhar com ou sem recirculação. FLOTAÇÃO POR AR DISSOLVIDO Formação de Microbolhas A eficiência do ar dissolvido depende, principalmente, da quantidade e do tamanho das microbolhas geradas na zona de reação (flotador).

Geração: Válvulas especiais e bocais com orifícios que tem a finalidade de reduzir bruscamente a pressão na linha de água saturada na entrada do flotador.

O fenômeno da cavitação (súbita queda de pressão) é o responsável pela liberação das microbolhas.

A implosão de ar que forma os núcleos iniciais e as microbolhas se formam instantaneamente. FLOTAÇÃO POR AR DISSOLVIDO Diâmetro de microbolha gerada FLOTAÇÃO POR AR DISSOLVIDO Sistema de Recirculação r= q/Q A taxa de Recirculação (r) é definida como a relação entre a vazão da água clarificada e pressurizada encaminhada à câmara de saturação (q) e a vazão da unidade de flotação (Q). Permite verificar o volume de água saturada com ar a ser inserida no vaso em que se obtenha a melhor clarificação. FLOTAÇÃO POR AR DISSOLVIDO O diâmetro final das bolhas estar numa razão inversa à queda brusca de pressão.

A tentativa de aplicar dispositivos em série para a quebra da pressão não surte efeitos desejados;

O crescimento das bolhas é muito rápido (t < 1s) e se dá por colisão, difusão e coalescência dos núcleos iniciais na corrente líquida.

Os núcleos aumentam rapidamente de volume formando bolhas que
alcançam entre 30 e 100 micrômetros, com valor médio de 50 micrômetros;

Estes tamanhos são mantidos se a pressão é da ordem de 5kgf/cm2; FLOTAÇÃO POR AR DISSOLVIDO Bolhas de maior diâmetro devem ser evitadas (bolhas geradas por
baixa pressão de saturação):

I – Mesmo volume de ar dividido por maior número de bolhas de
menor diâmetro, aumenta a probabilidade de choque com os flocos;

II – As forças de adesão são mais fortes com a diminuição do diâmetro das bolhas;

III – bolhas de maior diâmetro sobem mais rapidamente, diminuindo o tempo de contato, gerando turbulência e gradientes de velocidade >>>> podem quebrar os flocos.

IV- o ar deve ser liberado o mais próximo possível da corrente de água floculada na entrada do tanque de flotação. FLOTAÇÃO POR AR DISSOLVIDO Tanques de flotação (flotador) Os tanques de flotação podem ser retangulares ou circulares;
São duas as zonas dos tanques:

I – Zona de reação ou de mistura: região em que as microbolhas geradas na descompressão e a suspensão a ser tratada são postas em contato, formando os aglomerados partículas-bolhas’;

II – Zona de flotação: região onde ocorre a flotação. FLOTAÇÃO POR AR DISSOLVIDO Vantagens: A principal vantagem da flotação sobre a sedimentação é que partículas muito pequenas ou muito leves que sedimentam muito lentamente podem ser removidas completamente e num período de tempo menor. Uma vez que as partículas tenham flotado até a superfície, podem ser coletadas com um removedor de espuma.

Lodos mais concentrados, ocupam menor área , volume e taxas maiores de aplicação superficial. Aplicações : Aplicação em tratamento de água potável, esgotos, indústria alimentar, indústria petrolífera, indústria de celulose e aterros de resíduos sólidos.

A flotação é usada, principalmente, para remover matéria suspensa e para concentrar lodos biológicos. HIDROCICLONES Os hidrociclones (deoilings) são equipamentos que utilizam a força centrífuga para realizar o tratamento da água produzida;

Nos sistemas de produção são instalados após os separadores de produção trifásicos ou após o tratamento do óleo.

A performance de um hidrociclone é influenciada pela variáveis geométricas, operacionais, capacidade e eficiência do equipamento. Hidrociclones Consiste de uma seção cônica conectada a uma porção cilíndrica, na qual é encaixada uma entrada tangencial para alimentação. Na parte superior do hidrociclone há um tubo de saída (overflow), com um alongamento axial para dentro do equipamento (vortex finder). Existe ainda um orifício de saída (underflow) na parte inferior do hidrociclone. Em separações água-óleo, a corrente mais concentrada em óleo sai pelo overflow, e a mais diluída pelo underflow. Funcionamento: Hidrociclone Funcionamento: 1º - A água produzida com óleo emulsionado é bombeada a baixa pressão para o hidrociclone;

2º - Este fluxo gera um movimento espiral descendente >> forma do equipamento e força da gravidade;

3º - Produz uma zona de baixa pressão, provocando um espaçamento no cento;

4º - Quando a área diminui, forma-se uma corrente ascendente no centro;

• Duas forças atuam fortemente: a força centrífuga e a força de arraste central;

5º - As partículas de menor densidade serão arrastadas para o centro e sairão pela parte superior;

6º - As partículas mais densas sairão pela base do hidrociclone. Hidrociclone Parâmetros de controle operacional
Definem o tamanho da partícula e a eficiencia de separação:

• Concentração do óleo na água produzida;

• Queda de pressão na alimentação (dp baixo > obstrução);

• Diâmetro da saída de óleo (vortex);

• Diâmetro da saída da água tratada (apex). Hidrociclone Vantagens: Pequeno tamanho e baixo peso, Baixos tempos de residência (segundos);

Instalado na posição horizontal ou vertical;

Não apresenta partes móveis;

Baixa manutenção e baixo acompanhamento operacional;

Adimite variações na vazão. Referências Desvantagens: Remoção de parte do óleo emulsionado (saída com altas concentrações de TOG > 20 mg/L);

Facilita a deposição de sais incrustantes nas paredes dos liners (injeção de anti-incrustantes).

Quebra de gotículas devido às tensões cisalhantes no interior do equipamento. FLOTAÇÃO POR AR DISSOLVIDO (FAD) ENGLERT, A. H. Flotação por Ar Dissolvido de micropartículas, caracterização de microbolhas e medidas de força de interação Bolha-partícula. 2008, 161f. Doutorado (Tese em Engenharia de Minas, Metalurgia e de Materiais, Universdidade Federal do Rio Grande do Sul.

FONSECA, L. P. Estudo das Variáveis Operacionais do Processo de Separação Petróleo-Água, utilizando flotação por Ar Dissolvido. 2010. 56f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química), Programa de Pós- Graduação em Engenharia Química – Centro de Tecnologia, Universidade Federal de Alagoas, Maceió.

JÚNIOR, W. E. F., Tratamento de Água Produzida de Reservatório de Petróleo. Apresentação em Power Point. Departamento de Engenharia de petróleo. Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Natal-RN.

MATIOLO, E. Flotação Avançada para o tratamento e reaproveitamento de águas poluídas. XIX Prêmio cientista - 2003 – Água Fonte e Vida. Disponível em http://www.tratamentodeagua.com.br/r10/Lib/Image/art_1034661051_FlotacaoAvancada%20.pdf. Acesso em 25/03/2013.

MESSA, E. S. Sistema de Flotação e Remoção de Flutuantes Ibirapuera .2003. 70f. Monografia (Graduação em Engenharia Civil), Departamento de Engenharia Civil. Universidade de Anhembi Morumbi, São Paulo.

RUBIM, C. Ação de Floculadores. Revista e Portal Meio Filtrante. Disponível em http://www.meiofiltrante.com.br/noticias.asp?id=14450&action=detalhe. Acesso em Acesso em 25/03/2013.

REGO, F. C. A. Estudo do hidrociclone cilíndrico de unidade de flotação centrífuga com auxilio de fluido dinâmica comportacional. 2008. 114f. Dissertação (Mestrado em Tecnologia de Processos Químicos e Bioquímicos), Departamento de Engenharia Química, Universidade Federal do Rio de Janeiro. (cc) photo by medhead on Flickr FLOCULADORES HIDRÁULICOS FLOCULADORES HIDRÁULICOS FLOCULADORES HIDRÁULICOS FLOCULADORES HIDRÁULICOS FLOCULADORES MECÂNICOS FLOCULADORES MECÂNICOS FLOCULADORES MECÂNICOS Flotadores de Ar dissolvido Na flotação e filtração: Não é desejável flocos volumosos;

O gradiente de velocidade na etapa de mistura
(lenta) de floculação é bem menor:
G>>> 50 a 100s-1

Aumento de Gradiente >>> a floculação é mais rápida, os flocos podem quebrar por cisalhamento.
Solução: aplicar gradientes decrescentes, a medida que o floco cresce.

Tempo de floculação menores>>>
T de 12 a 20 min (600 a 1200s) TEORIA DA FLOCULAÇÃO Natal/RN - Abril de 2013
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