ensaio de sedimentação em escala de bancada: teste de proveta
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO
Departamento de Engenharia de Minas
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mineral
SEPARAÇÃO SÓLIDO – LÍQUIDO
Trabalho Nº 2
“Ensaio de Sedimentação em Bancada”
Mônica Suede Santos Silva
Prof.: José Aurélio M. da Luz
Disciplina: MIN 721
Novembro/2012
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO........................................................................................................................ 2
2. OBJETIVOS............................................................................................................................ 3
2.1 GERAL.............................................................................................................32.2 ESPECÍFICOS....................................................................................................3
3. REVISÃO DA LITERATURA..................................................................................................4
3.1 SEPARAÇÃO SÓLIDO - LÍQUIDO...........................................................................43.2 SEDIMENTAÇÃO................................................................................................4
3.2.1 Ensaio de sedimentação em bancada.........................................................53.2.2 Dimensionamento de espessador...............................................................7
3.2.2.1 Método de Kynch com traçado Talmage-Fitch.................................................73.2.2.2 Método de Kynch com traçado Oltmann...........................................................83.2.2.3 Determinação do ponto de compressão............................................................9
Comportamento da Cota de Interface Clarificada, TORQUATO & DA LUZ (2011)11
Formulário das Variáveis de Controle.................................................................12
4. METODOLOGIA EXPERIMENTAL......................................................................................14
4.1 MATERIAIS.....................................................................................................144.2 MÉTODOS.......................................................................................................14
5. APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS....................................................16
5.1 EFEITOS DA CONCENTRAÇÃO DE SÓLIDOS NA ALIMENTAÇÃO - CSA.......................185.2 EFEITOS DA ADIÇÃO DE FLOCULANTE SUPERFLOC A-100..................................195.3 DIMENSIONAMENTO DE UM ESPESSADOR..........................................................20
5.3.1 Determinação do Ponto de Compressão – Gráfico de Robert...................215.3.2 Determinação dos parâmetros “a” e “b” na Relação Z(t).........................25
6. CONCLUSÃO....................................................................................................................... 26
7. BIBLIOGRAFIA.................................................................................................................... 27
8. ANEXOS............................................................................................................................... 28
LISTA DE TABELAS
Tabela I – Resultados obtidos nos testes de sedimentação em bancada. Nota: DR – Dosagem de Reagente....................................................................................................................................... 16
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Esquema da separação sólido-líquido num espessador, comparativamente à evolução do fenômeno num ensaio em bancada............................................................................2Figura 2 - Esquema representativo de um espessador, destacando-se as principais zonas de sedimentação vistas num ensaio de sedimentação em bancada, (TORQUATO, 2008).................4Figura 3 - (a) Etapas no teste de sediemntação em bancada; (b) Curva de sedimentação típica, TORQUATO (2008)......................................................................................................................... 6Figura 4 – Classificação da água sobrenadante do teste de sedimentação: (a) ótima (turbidez (100 NTU); (b) boa (turbidez ≈ 600 NTU); (c) ruim (turbidez ≈ 1500 NTU) e (d) péssima (turbidez ≈ 400.000 NTU). (BRAGANÇA, 2008).............................................................................6Figura 5 – Modelo Kynch na determinação tu, em que se tem: tu1 – é o valor do tempo determinado quando hu está acima do ponto de compressão – Leitura Direta; tu2 – é o valor de tempo determinado quando hu está abaixo do ponto de compressão - traçado Talmage-Fitch......8Figura 6 – Método de Kynch com traçado de Oltmann para a determinação do fluxo crítico de sedimentação.................................................................................................................................. 9Figura 7 – Curva de sedimentação, mostrando as descontinuidades na transição do regime livre de sedimentação para o impedido, e para a compressão.............................................................10Figura 8 – Localização grosseira do ponto de compressão/crítico, por meio do gráfico de Roberts, acentuando-se a mudança na inclinação das duas descontinuidades da curva de sedimentação....................................................................................................................................................... 10Figura 9 – Fotos do ensaio de sedimentação em proveta sem adição de floculante que foi conduzido no Laboratório de Flotação do DEMIN/UFOP: (a) Início do ensaio; (b) Estágio intermediário; (c) Período de 24 horas após o início do ensaio....................................................17Figura 10 – Curvas de sedimentação ilustrando os efeitos de condições distintas de concentração de sólidos na polpa alimentação: Csa1 = 100 Kg/m3 Csa2 = 200 Kg/m3, sem adição de floculante....................................................................................................................................... 18Figura 11 – Curvas de sedimentação ilustrando os efeitos da adição de floculante SuperFloc A-100 na polpa com uma concentração de sólidos na alimentação de Csa2 = 200Kg/m3.................19Figura 12 – Gráfico de Robert para a determinação do ponto de compressão – Pc, sob condições de sedimentação: adição de floculante SuperFloc A-100 igual a 25 ppm (2,5mL) na polpa com uma concentração de sólidos na alimentação de Csa2 = 200 Kg/m3..............................................21Figura 13 – Modelo de Kynch com traçado Talmage-Fitch para a identificação do tempo necessário para o underflow atingir a concentração especificada (tu). Condições de sedimentação: adição de floculante SuperFloc A-100 igual a 25 ppm (2,5mL) na polpa com uma concentração de sólidos na alimentação de Csa2 = 200Kg/m3......................................................23Figura 14 – Modelo de Kynch com traçado Oltmann para a identificação do tempo necessário para o underflow atingir a concentração especificada (tu). Condições de sedimentação: adição de floculante SuperFloc A-100 igual a 25 ppm (2,5mL) na polpa com uma concentração de sólidos na alimentação de Csa2 = 200Kg/m3..............................................................................................24Figura 15 – Determinação dos parâmetros “a” e “b” na equação apresentada por TORQUATO & DA LUZ (2011).............................................................................................................................. 25Figura A1 – Perfis de sedimentação obtidos em ensaios de sedimentação em bacada na disciplina Separação Sólido-Líquido do PPGEM...........................................................................28
1. INTRODUÇÃO
O processamento de minérios envolve estágios de moagem e de classificação, os quais
usam grandes quantidade de água. Na indústria do ouro, por exemplo, a norma operacional é a
de consumo de uma tonelada de água por tonela de minério. Esse volume de água deve ser
separado ou reduzido no tratamento posterior para a recuperação do mineral de interesse.
A separação de sólidos, a partir de suas suspensões em líquidos, é usualmente
alcançada por sedimentação gravitacional em espessadores. No caso de partículas finas, esse
processo é muito lento, sendo que, em geral, de 75% a 80% da água pode ser separada e
removida por espessadores. A operação de espessamento nesses equipamentos pode ser
conduzida de modo contínuo ou em batelada, dispondo-se de fluxos diretos ou contracorrentes
dos produtos gerados – overflow e underflow. Para a remoção da água residual, posteriormente,
necessita-se do emprego de filtros, onde se consegue retirar 90% da água em excesso.
Os espessadores tem sido projetados usando as leis básicas de sedimentação.
Métodos empíricos, indicados por muitos fabricantes desses equipamento, são também usados
para a obtenção de resposta rápida de parâmetros-chave de projeto, como a velocidade de
sedimentação e as dimensões do tanque.
A velocidade de sedimentação para uma polpa particular pode ser obtida a partir de um
procedimento simples de laboratório que é o teste de sedimentação em bancada. Esse teste
consiste na observação e análise do movimento descendente da interface líquido
clarificado/polpa com o tempo dentro de uma proveta. Essa taxa é inicialmente constante, mas
diminui quando as partículas sólidas sedimentam-se lentamente na direção do fundo do
recipiente, elevando a concentração de sólidos nessa região – Figura 1.
No contexto acima, encontra-se inserido o presente trabalho, destacando-se que o
ensaio de sedimentação foi conduzido no Laboratório de Flotação do Departamento de
Engenharia de Minas (DEMIN) da UFOP. Dentro do procedimento de ensaio, objetivou-se a
análise dos efeitos da concentração de sólidos na alimentação, e a adição de floculante.
Figura 1 – Esquema da separação sólido-líquido num espessador, comparativamente à
evolução do fenômeno num ensaio em bancada.
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2. OBJETIVOS
2.1 Geral
Descrever o ensaio de sedimentação em escala de bancada, considerando-se a sua
importância para processo de separação sólido-líquido.
2.2 Específicos
apresentar e discutir os resultados obtidos com o teste de sedimentação em
bancada no Laboratório de Flotação do DEMIN/UFOP;
apresentar o desenvolvimento dos cálculos para a construção de um
espessador convencional.
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3. REVISÃO DA LITERATURA
3.1 Separação Sólido - Líquido
O crescimento tecnológico das operações de processamento mineral diante da
mudança no quadro de qualidade dos minérios atuais: alta percentagem de finos, baixo teor de
minerais de interesse e elevada quantidade de ganga, etc., tem realçado a importância dos
processos de separação sólido-líquido, (DA LUZ & OLIVEIRA, 2011). Nesse contexto, ressalta-
se ainda que a necessidade do cumprimento das legislações ambientais para a disposição dos
rejeitos industriais tem atuado como fator determinante na escolha do processo separação-sólido
para a reciclagem daqueles materiais.
As técnicas utilizadas para a separação sólido-líquido são: secagem, centrifugação,
filtragem e sedimentação por gravidade (espessamento e clarificação). A escolha da técnica mais
adequada para dada aplicação será uma função das características do material a ser
processado, do tipo de serviço, dentre outros fatores, (DA LUZ & OLIVEIRA, 2011).
3.2 Sedimentação
A sedimentação é um dos processos de separação sólido-líquido baseado na diferença
entre as densidades dos constituintes da suspensão. A remoção das partículas sólidas presentes
em uma corrente líquida se dá pela ação do campo gravitacional, proporcionando ao processo as
características de baixo custo e grande simplicidade operacional, (TORQUATO, 2008).
A operação de sedimentação é baseada em fenômenos de transporte, onde a partícula
sólida em suspensão está sujeita a ação das forças da gravidade, do empuxo e de resistência ao
movimento. Durante esse fenômeno, formam-se quatro zonas principais (Figura 2): zona A -
zona de clarificação; zona B - zona crítica de sedimentação; zona C - zona de transição; zona D -
zona de compressão, TORQUATO (2008).
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Figura 2 - Esquema representativo de um espessador, destacando-se as principais zonas de
sedimentação vistas num ensaio de sedimentação em bancada, (TORQUATO,
2008).
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3.2.1 Ensaio de sedimentação em bancada
Os mecanismos de separação sólido-líquido vigentes no espessador podem ser
entendidos pelos ensaios de sedimentação realizados em bancada. Trata-se de um teste que
consiste na observação do deslocamento da interface clarificada num sistema de partículas
sólidas suspensas em água – polpa dentro de uma proveta. Para essse sistema, definem-se,
previamente, as condições de pH, dosagem de floculante, concentração de sólidos, etc., que
atuam como variáveis de controle do processo.
Durante o ensaio, distinguem-se dois regimes de sedimentação: um livre, e outro
impedido, (DA LUZ & OLIVEIRA, 2011). Ao final, no fundo da proveta, forma-se uma camada de
lama, em que as partículas empacotam-se/adensam-se, deslocando o líquido entre elas.
Fazendo isso, o líquido clarificado ascende sobre essa lama. Essas considerações aplicam-se
tanto aos processos em batelada quanto aos contínuos, levando-se em conta que nesses últimos
um balanço entre o fluxo da corrente overflow e a taxa de remoção da lama (underflow) deve ser
mantido.
Dentre as informações obtidas no ensaio de sedimentação em bancada, destaca-se a
taxa/velocidade de sedimentação que, juntamente com o tempo de sedimentação, encarrega-se
pela determinação da área unitária de espessamento – informação primordial no projeto do
espessador.
A velocidade de sedimentação das partículas sólidas é acompanhada pela evolução
temporal da interface entre a polpa e a água clarificada sobrenadante, ao longo da extensão da
proveta. Tão logo essa interface se estabeleça, rapidamente move-se para baixo, rumo ao fundo
da proveta. Contudo, uma redução na velocidade de sedimentação é percebida, até um
momento em que ela se estaciona.
A altura da interface em função do tempo decorrido é apresentada na Figura 3, onde se
verifica-se uma situação inicial, aparentemente monótona, correspondente à formação dos
flocos. A seguir, ocorre um segmento reto que corresponde à zona onde as partículas se
sedimentam com uma velocidade elevada (t1 t2), seguido de um trecho de transição (t2 t3) e
de outra seção curva (t3 t4) que corresponde a zona de compressão do espessado. Nessa
última região, caracterizada pela concentração elevada de sólidos na polpa, a altura da interface
se estabiliza e não muda mais. Ao passar pela zona de compressão, as partículas sólidas são
comprimidas ou espessadas, devido ao carregamento mecânico (peso) da coluna acima.
A zona crítica e a zona de compressão formam a zona de espessamento, sendo que
cada uma delas, dependendo da alimentação, exigirá uma área de sedimentação com
dimensões diferentes. Nesse contexto, a área efetiva é função da maior delas, (DA LUZ &
OLIVEIRA, 2011).
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(a) (b)Figura 3 - (a) Etapas no teste de sediemntação em bancada; (b) Curva de sedimentação típica,
TORQUATO (2008).
De um modo geral, o ensaio de sedimentação em bancada é realizado para atender os
seguintes objetivos, segundo (TORQUATO, 2008):
avaliar a clarificação da água em diferentes condições de ensaio (pH, tipo de
polímero, % de sólidos, etc.);
avaliar condições diversas de coagulação e floculação de uma polpa;
desenvolver e/ou comparar diferentes tipos de polímeros;
efetuar o dimensionamento de espessadores.
De acordo com BRAGANÇA (2008), no teste de sedimentação, após um período de
estabilidade da interface em torno de uma cota de altura da proveta, é possível classificar a água
sobrenadante com relação à clarificação, conforme referência ilustrada na Figura 4.
Figura 4 – Classificação da água sobrenadante do teste de sedimentação: (a) ótima
(turbidez (100 NTU1); (b) boa (turbidez ≈ 600 NTU); (c) ruim (turbidez ≈ 1500 NTU) e
(d) péssima (turbidez ≈ 400.000 NTU). (BRAGANÇA, 2008).
1 NTU – Nephelometric Turbidity Unit – Unidade Nefelométrica de Turbidez - UNT.
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3.2.2 Dimensionamento de espessador
Grande parte do bom desempenho da separação sólido-líquido num espessador é
afetada pelo seu projeto inicial – dimensionamento. Isso porque o desconhecimento da
interrelação das variáveis de controle do processo, tais como: a concentração mássica de sólidos
no underflow (Cmu); a dosagem de floculante, dentre outras, pode resultar no
superdimensionamento ou no subdimensionamento desse tanque.
Segundo TORQUATO (2008), o dimensionamento é realizado, normalmente, com base
em dados obtidos nos ensaios de sedimentação em bancada – teste de proveta, mas também
pode usar informações de ensaios em escala piloto. No entanto, esses últimos são mais difíceis
de serem conduzidos, pois não se conseguir manter uma alimentação com características
constantes. E, como não se recomenda a recirculação dos fluxos (underflow e overflow) na
alimentação para evitar a quebra de flocos e alteração na dosagem do reagente, a utilização de
equipamento piloto é muito restrita.
Para o dimensionamento de espessadores, necessitam-se de informações como a
velocidade de sedimentação da fase sólida, a concentração mássica de sólidos no underflow
(Cmu) e o tempo de sedimentação. Esse último é empregado no cálculo da área unitária de
espessamento (Au), a qual determina o diâmetro do espessador. Muitos modelos são aplicados
na determinação dessa área, sendo os principais: Coe – Clevenger, Kynch, Kynch com traçado
Talmage e Fitch, Kynch com traçado Oltmann.
No presente trabalho, serão descritos apenas o método de Kynch com traçados de
Talmage – Fitch e de Oltmann, pois foram os determinados para o dimensionamento do
espessador, a partir dos dados do ensaio em bancada. Além desses, será feita referência
também ao procedimento de identificação do ponto crítico ou ponto de compressão, um dado
importante para o contexto do projeto do espessador.
3.2.2.1 Método de Kynch com traçado Talmage-Fitch
Kynch desenvolveu um método que possibilitava fazer o dimensionamento de um
espessador convencional, praticando-se apenas um ensaio de sedimentação em bancada.
Realizando-se um balanço mássico dentro da proveta tem-se:
A∗h0∗C0=A∗hu∗Cu→hu=h0∗C0
Cu
(1)
Na equação (1) são apresentados: C0 – concentração de inicial sólidos (kg/m3); Cu –
carga de sólidos final (underflow) (kg/m3); h0 – altura inicial da interface no tempo t=0 (m); hu –
altura da interface que corresponde à concentração requerida no underflow (m).
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O modelo de Kynch com o traçado de Talmadge e Fitch adota o seguinte procedimento:
traça-se uma linha tangente à curva no ponto de compressão – (hcom; tcom). O tempo (tu) para
atingir a concentração mássica de sólidos requerida no underflow (Cmu) é obtido pela intersecção
da linha tangente com a reta horizontal de ordenada igual a hu (dita “linha do underflow”), (DA
LUZ & OLIVEIRA, 2011), TORQUATO (2008). Caso hu estiver acima do ponto de compressão, tu
tem leitura direta na curva de sedimentação no ponto hu - Figura 5.
Figura 5 – Modelo Kynch na determinação tu, em que se tem: tu1 – é o valor do tempo
determinado quando hu está acima do ponto de compressão – Leitura Direta; tu2 – é
o valor de tempo determinado quando hu está abaixo do ponto de compressão -
traçado Talmage-Fitch.
3.2.2.2 Método de Kynch com traçado Oltmann
O traçado de Oltmann, praticamente, trata-se de uma variante do método Talmage-
Fitch, estabelecendo um fluxo crítico de sólidos no espessador, ao invés de um mínimo.
A maneira de conduzir o ensaio e calcular a área necessária ao espessador é similar ao
método de Talmage-Fitch, diferindo o traçado para determinação do ponto "tu". Enquanto no
método Talmage-Fitch é levantada uma reta tangente à curva de sedimentação pelo ponto de
compressão, o método de Oltmann constrói uma reta partindo do início do período de
sedimentação, passando pelo ponto de compressão – Figura 6. A intersecção desta reta com a
altura da interface referente à concentração desejada no underflow (Hu) fornece o “tu",
(TORQUATO, 2008).
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Figura 6 – Método de Kynch com traçado de Oltmann para a determinação do fluxo crítico de
sedimentação.
3.2.2.3 Determinação do ponto de compressão
Os métodos de dimensionamento de espessador requerem a determinação do ponto de
compressão ou ponto crítico na curva de sedimentação. Esse ponto se estabelece como
resultado da maior interação entre as partículas sólidas no decorrer da sedimentação, como
descrito abaixo.
Quando os sólidos se sedimentam, eles passam da sedimentação livre para a
impedida, e desta para condições de compressão, sendo que em cada uma dessas transições,
há uma descontinuidade na curva de sedimentação – Figura 7. Na região de sedimentação livre,
a taxa de sedimentação é representativa da concentração inicial de sólidos. Essa concentração
de sólidos aumentando leva a uma maior interação entre as partículas de modo que a taxa de
sedimentação diminui. A sedimentação é então impedida, sendo a diminuição na taxa de
sedimentação denominada primeira taxa de queda - first falling rate. Após esse ponto, o
comportamento da sedimentação torna-se não-linear, inversamente proporcional à concentração
de sólidos. À medida que essa concentração aumenta, os sólidos interagem mais, a
sedimentação cessa e os sólidos se consolidam por compressão. A queda posterior na taxa de
sedimentação é a segunda taxa de queda – second falling rate, e a segunda descontinuidade na
curva de sedimentação é vista.
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Figura 7 – Curva de sedimentação, mostrando as descontinuidades na transição do regime livre
de sedimentação para o impedido, e para a compressão.
O fim da sedimentação impedida da polpa e o início da zona de compressão é referido
como ponto de compressão ou ponto crítico – Pc. Essa descontinuidade na curva de
sedimentação nem sempre é vista com facilidade, sendo que existem alguns procedimentos para
localizá-lo. De um modo geral, essas técnicas replotam os dados para acentuar a
descontinuidade da curva de sedimentação.
Dentre os métodos de identificação de Pc na curva de sedimentação, destacam-se:
Log-log plot, Robert - Figura 8, Mondal and Majumdar, Barnea, Dahlstrom and Fitch.
Figura 8 – Localização grosseira do ponto de compressão/crítico, por meio do gráfico de Roberts,
acentuando-se a mudança na inclinação das duas descontinuidades da curva de
sedimentação.
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No presente estudo, adotou-se o método de Roberts, por ser de fácil condução. Nesse
procedimento para a visualização de Pc, plota-se, em função do tempo de sedimentação, a
evolução das cotas da interface (h) subtraídas da cota final de equilíbrio (h∞) num gráfico de
escala logarítmica.
Comportamento da Cota de Interface Clarificada, TORQUATO & DA LUZ (2011)
O trabalho TORQUATO & DA LUZ (2011), inserido no contexto de beneficiamento de
minérios de ferro, fez uma abordagem do dimensionamento de espessadores, visando obter
correlação entre resultados de ensaios em proveta e os de operações industriais.
Os autores afirmam que as equações definidas para a sedimentação discreta
(partículas sólidas não exibem interação entre si) perdem a sua a validade diante das condições
reinantes na operação de espessamento, como a presença de altos valores de concentração
volumétrica (Cv). Isso porque nesse ambiente, o regime de sedimentação por zona exibe
partículas mutuamente interferindo no processo.
Assim sendo, os autores justificam a adoção de uma equação descritora da evolução
da cota (z) da interface entre o líquido clarificado e a polpa turva com o tempo de sedimentação
(t) – equação (2).
Z (t )={[ (Z t=0 )− (Z t=∞ ) ]∗[1−( t a
( ta+ba ) )]}+(Z t=∞ ) (2)
Na equação (2), destacam-se: Z(t = 0) = Z0 (m) – cota da interface clarificada no instante t
= 0 minuto; Z(t = ) = Z (m) – cota de equilíbrio da interface clarificada no instante t = ; “a” –
parâmetro adimensional; “b” – (minuto) - intervalo de tempo necessário para a interface atingir a
cota correspondente à 50 % de seu percurso evolutivo.
A equação anteriormente apresentada foi validada com inúmeros ensaios com muitos
materiais, como finos de manganês, hidróxido de alumínio, lamas argilosas de hidrociclones de
usinas de beneficiamento densitário de minerais pesados e finos de minério de ferro.
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Formulário das Variáveis de Controle
a) Vazão de sólidos na alimentação:
Qs=[80∗(N ' ) ] (3)
N '=ln (ddmm )=ln (2506 )=7,826 (3.1)
b) Concentração mássica de sólidos na alimentação:
Cma=[ ms
(ms+ml ) ] (4)
c) Concentração mássica de sólidos no underflow:
Cmu=Cma∗(N ' )0,65 (5)
d) Concentração de sólidos na alimentação:
C sa(t=0min .)=[ ( ρPolpa (t=0min.))∗(Cma ) ] (6)
e) Concentração de sólidos no underflow:
C su=[ ( ρPolpa¿¿ )∗(Cmu ) ] (7)
f) Volume de polpa:
V Polpa=capacidade da proveta=10−3m3 (8)
g) Volume de sólidos:
V Sólidos=C sa
ρS (9)
h) Volume de líquido :
V Lí quido=(V Polpa−V Só lidos ) (10)
i) Massa de líquido:
M L í quido=(ρLí quido )∗(V Lí quido ) (11)
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j) Massa de sólidos:
M Só lidos=(ρS ó lido )∗(V Só lidos ) (12)
k) Densidade de polpa:
ρPolpa=1
[( Cmu
ρ só lido)+(1−Cmu
ρLí quido ) ] (13)
l) Densidade de polpa (t = 0 min.):
ρPolpa(t=0min.)=1
[( Cma
ρ só lido)+( 1−Cma
ρLí quido)] (14)
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4. METODOLOGIA EXPERIMENTAL
4.1 Materiais
Foi utilizada amostra de protominério de ferro classificado como itabirítico dolomítico,
cuja densidade (s) era de 3000 kg/m3. E, como reagentes, empregou-se o floculante aniônico
tipo Superfloc A - 100, e água destilada. Além desses, utilizaram-se ainda 4 provetas de 1000
mL e béquers como vidrarias principais, balança analítica de precisão, cronômetro, agitador
mecânico, fitas de papel milimetrado, fita durex, peagâmetro e agitador ultrassônico.
4.2 Métodos
O ensaio de sedimentação em bacada foi iniciado com a preparação do aparato –
proveta, de modo que as leituras das interfaces pudessem ser observadas. Para tanto, fixou-se o
papel milimetrado, segundo a maior dimensão da proveta, com o auxílio de fita durex, sendo que
o zero da escala milimetrada coincindiu com a marca de 1000 ml da proveta. A fita de papel
milimetrado é utilizada para registrar as leituras da interface polpa/ar ao longo do tempo de
sedimentação.
Para a observação dos efeitos da concentração de sólidos na alimentação (Csa) na
velocidade de sedimentação, empregaram-se dois níveis de Csa: 100 g/L e 200 g/L. De acordo
com TORQUATO (2008), concentrações mais altas ocasionam dificuldades na visualização da
interface polpa/água clarificada. Contudo, essa limitação é superada com a colocação da proveta
com a polpa na posição contra a parede, algum anteparo de cor ou luminosidade, para que haja
contraste com a cor da polpa.
Com três níveis de dosagem de floculante na polpa com Csa de 200 g/L: 0 ppm, 15 ppm
e 25 ppm, avaliaram-se os efeitos desse reagente na sedimentação. A adição de floculante à
polpa é feita na forma de solução, sob valor específico de concentração. Para os ensaios em
questão, adotou-se uma concentração de 0,2% para a solução floculante.
Para a preparação da solução floculante 0,2% (2 g/L), procedeu-se da seguinte forma:
pesou-se uma massa de 2,0 g do floculante Superfloc A - 100 na balança analítica,
adicionando-a num béquer com 1000 mL de água destilada, previamente aquecida e sob
agitação lenta;
transferir a alíquota necessária de solução floculante para a proveta contendo polpa
em estudo. A determinação da alíquota adequada foi feita utilizando a equação (15), onde “A”
representa o nível de adição em “ppm”.
V (mL)=[A (ppm )∗10−6 ]∗[200¿ ]
[0,002 ] (15)
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A polpa foi manipulada dentro da própria proveta, imprimindo misturamento e agitação
lentos por, aproximadamente, 10 minutos, visando colocar todos os sólidos em suspensão. No
último curso de agitação, acionou-se o cronômetro quando o agitador mecânico atingiu a
interface polpa/ar. A partir de então, registou-se o nível da interface polpa/ar no papel
milimetrado para o intervalo de tempo de 1 minuto até 15 minutos.
Após o período de 24 horas, foi observada a estabilidade da interface polpa/ar em torno
de uma cota específica de altura da proveta. Nesse ponto, cabe uma observação feita por
TORQUATO (2008) de que, caso haja superposição de marcação (estágio de compactação dos
sólidos da polpa), pode-se deixar de marcar alguns pontos. Para tanto, sugeriu-se colocar uma
fita milimetrada maior que o comprimento da proveta.
A adição de floculante nos ensaios de sedimentação foi conduzida de modo lento, e
sob agitação. Após o término da adição do reagente na proveta, agitou-se a polpa por mais três
vezes. No último curso, acionou-se o cronômetro no momento em que o agitador mecânico
atingiu a interface polpa/ar. Feito isso, anotou-se o nível da interface polpa/ar em papel
milimetrado para o intervalo de tempo de 30 segundos até 15 minutos.
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5. APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS
A Tabela I apresenta os dados dos ensaios de sedimentação em bancada conduzidos no Laboratório de Flotação do DEMIM/UFOP que tiveram
duração de 1440 minutos (24 horas) cada um. Nessa tabela foram disponibilizados apenas algumas faixas de tempo do ensaio, tais como a inicial (t 5
minutos), e a de alcance da interface de equilíbrio (t 60 minutos).
Tabela I – Resultados obtidos nos testes de sedimentação em bancada. Nota: DR – Dosagem de Reagente.
Tempo
[min.]
Altura da Interface [m]
Ensaio Nº 01
Csa1: 100 g/L
DR1: 0 ppm
Ensaio Nº 02
Csa2: 200 g/L
DR1: 0 ppm
Ensaio Nº 03
Csa2: 200 g/L
DR2: 15 ppm
Ensaio Nº 04
Csa2: 200 g/L
DR3: 25 ppm
0,00 0,3600 0,3620 0,3620 0,3620
5,00 0,1910 0,2130 0,0803 0,0856
6,00 0,1750 0,1980 0,0706 0,0778
7,00 0,1590 0,1850 0,0654 0,0760
8,00 0,1460 0,1680 0,0629 0,0724
9,00 0,1280 0,1510 0,0619 0,0724
10,0 0,1090 0,1420 0,0615 0,0724
60,0 0,0240 0,0510 0,0614 0,0722
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Nas Figuras 9a, 9b e 9c são mostrados os perfis de sedimentação nos ensaios de
proveta, em que se observam os aspectos de clarificação da água sobrenante a polpa, e de
formação do espessado no fundo da proveta.
(a)
(b) (c)Figura 9 – Fotos do ensaio de sedimentação em proveta sem adição de floculante que foi
conduzido no Laboratório de Flotação do DEMIN/UFOP: (a) Início do ensaio; (b)
Estágio intermediário; (c) Período de 24 horas após o início do ensaio.
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5.1 Efeitos da concentração de sólidos na alimentação - Csa
A Figura 10 são apresentados os efeitos da concentração de sólidos na polpa de alimentação sem adição de floculante sobre o comportamento de
sedimentação de partículas sólidas. Observa-se que, sob uma maior concentração de sólidos na alimentação (Csa2), a taxa/velocidade de sedimentação é
aumentada, como resultado da maior interação entre as partículas.
Figura 10 – Curvas de sedimentação ilustrando os efeitos de condições distintas de concentração de sólidos na polpa alimentação: C sa1 = 100 Kg/m3 Csa2 =
200 Kg/m3, sem adição de floculante.
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5.2 Efeitos da adição de floculante SuperFloc A-100
Na Figura 11 podem ser observados os efeitos da adição de floculante na polpa de alimentação sobre o comportamento de sedimentação de
partículas sólidas. Nota-se que, no início do processo, há uma distinção acentudada de comportamento entre as curvas sem e com adição de floculante.
Interessante é ainda observar os distintos pontos de início da zona de compressão para essas curvas de sedimentação, sendo que a dosagem de floculante
(Csa2_D1, Csa2_D2) promoveu a redução no tempo de compressão e maior profundidade de espessado.
Figura 11 – Curvas de sedimentação ilustrando os efeitos da adição de floculante SuperFloc A-100 na polpa com uma concentração de sólidos na
alimentação de Csa2 = 200Kg/m3.
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5.3 Dimensionamento de um espessador
Os valores dos principais parâmetros de dimensionamento do espessador, identificados
ao longo da seção 3.2.2, são apresentados abaixo. Nota-se que a alimentação do espessador,
em termos de concentração mássica, está abaixo de 20%, enquanto que o produto espessado
mostrará uma elevação desse parâmetro para 67%. Segundo dados de DA LUZ & OLIVEIRA
(2011), o espessador aqui dimensionado pode ser enquadrado nas condições operacionais, por
exemplo, de um espessador de concentrado não-magnético fino no processamento de minério
de ferro.
Qsa ............................. 626,08 ton./h
Cma ........................... 17,65%
Csa ........................... 200 kg/m3
Cmu ........................... 67,20%
Csu ........................... 1.217,4 kg/m3
Vpolpa ........................ 10-3 m3
Vsólidos ....................... 6,67x10-5 m3
Vlíquido ....................... 9,33x10-4 m3
Msólidos ...................... 0,2 kg
Mlíquido ....................... 0,933 kg
polpa ........................ 1.811,59 kg/m3
polpa (t = 0 minuto) .......... 1.133,4 kg/m3
hu ....................... 0,059 m
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5.3.1 Determinação do Ponto de Compressão – Gráfico de Robert
O ponto de compressão (Pc) determinado pelo Gráfico de Robert teve as seguintes coordenadas: tcomp. igual a 5,54 minutos (332,2 s) e hcomp. igual a
0,00809 m (0,809 cm), confome exibido na Figura 12.
Figura 12 – Gráfico de Robert para a determinação do ponto de compressão – Pc, sob condições de sedimentação: adição de floculante SuperFloc A-100
igual a 25 ppm (2,5mL) na polpa com uma concentração de sólidos na alimentação de Csa2 = 200 Kg/m3.
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A partir do gráfico apresentado na Figura 13, é possível determinar a velocidade de
sedimentação (vs), como sendo a inclinação média entre o início do regime de sedimentação por
zona e o ponto de compressão (Pc) – equação (16), onde se tem: hai – altura da interface em t = 0
min. (tai), em que há o início de sedimentação por zona, hcomp – altura da interface em t = tcomp.,
onde há o início de compressão, (DA LUZ & OLIVEIRA, 2011):
vs=hai−hcomptcomp−tai
(16)
Naturalmente os valores de tempo “tai” devem ser próximos de zero ou iguais a zero
(não são iguais a zero quando existe uma acomodação natural do sistema, no início do ensaio,
devida à turbulência necessária para a homogeneização inicial), (DA LUZ & OLIVEIRA, 2011).
Assim sendo, determinou-se vs como sendo igual 1,14 m/h.
Ainda usando a Figura 13 como referência, o tempo necessário para que se alcance a
concentração especificada no underflow, usando o modelo de Kynch com traçado Talmage-Fitch,
é de tu = 8,74 minutos. Para esse tempo, a área unitária é calculada pela equação (17), onde ho –
altura da interface (m) em t = 0 min., Csa – concetração de sólidos na alimentação (kg/m3), Qsa –
vazão de sólidos na alimentação (ton./h). Assim sendo, determinou-se a área unitária como
sendo igual a 1.266,7 m2.
Au=[ t u(ho xC sa ) ]x Qsa (17)
Na Figura 14 é usado o método de Kynch com traçado de Oltmann para determinar
tempo para se atingir a concentração especificada no underflow. O resultado obtido foi de tu igual
a 5,95 minutos. Sabendo-se que o método em questão também faz uso da equação (17), foi
identificada uma área unitária igual a 862,3 m2.
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Figura 13 – Modelo de Kynch com traçado Talmage-Fitch para a identificação do tempo necessário para o underflow atingir a concentração especificada (t u).
Condições de sedimentação: adição de floculante SuperFloc A-100 igual a 25 ppm (2,5mL) na polpa com uma concentração de sólidos na
alimentação de Csa2 = 200Kg/m3.
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Figura 14 – Modelo de Kynch com traçado Oltmann para a identificação do tempo necessário para o underflow atingir a concentração especificada (tu).
Condições de sedimentação: adição de floculante SuperFloc A-100 igual a 25 ppm (2,5mL) na polpa com uma concentração de sólidos na
alimentação de Csa2 = 200Kg/m3.
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5.3.2 Determinação dos parâmetros “a” e “b” na Relação Z(t)
Com o auxílio do software EasyPlot, foi possível identificar os parâmetros “a” e “b” na relação Z(t) de evolução da cota da interface polpa/água
clarificada, a qual foi apresentada no trabalho de TORQUATO & DA LUZ (2011). Como pode ser visto na Figura 13, os valores obtidos para “a” e “b” são,
respectivamente: 1,30 e 0,181 minuto.
Figura 15 – Determinação dos parâmetros “a” e “b” na equação apresentada por TORQUATO & DA LUZ (2011).
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6. CONCLUSÃO
Os ensaios de sedimentação em bancada constituem uma técnica importante e de fácil
condução para identificar os principais parâmetros de projeto de equipamentos espessadores.
As metodologias avaliadas no presente estudo (método de Kynch com os traçados de
Talmage-Fitch e de Oltmann) permitiram identificar, sob condições específicas de formulação de
polpa de alimentação (fixadas em sala-de-aula), os seguintes dados de dimensionamento:
Método
Parâmetros
tu
[min.]hu [m] Au [m2]
Kynch com traçado Talmage-Fitch 8,74 0,059 1.266,7
Kynch com traçado Oltmann 5,95 0,059 862,3
Como pode ser visto, as duas metodologias empregadas no dimensionamento do
espessador divergiram quanto ao valor de área unitária de espessamento, sendo que o método
de Talmage-Fitch forneceu uma área maior que a determinada por Oltmann em,
aproximadamente, 32%. Essa diferença relaciona-se ao tipo de traçado, pois o de Oltmann adota
uma visão crítica para o fluxo de espessamento.
Com relação aos parâmetros “a” e”b” na relação de TORQUATO & DA LUZ (2011), a
qual trata do perfil evolutivo da cota da interface clarificada, determinaram-se os seguintes
valores, respectivamente: 1,30 e 0,181 minuto.
Na Seção Anexos foram disponibilizadas as curvas de sedimentação obtidas por outros
alunos da disciplina MIN 721 (Separação Sólido-Líquido) do Curso de Pós-Graduação do
PPGEM, comparativamente ao descrito no presente trabalho.
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7. BIBLIOGRAFIA
BRAGANÇA, A. C. (2008). Avaliação de reagentes alternativos para substituição da cal em sistema de bombeamento de longa distância de polpa de minério de ferro. UFMG. Belo Horizonte: UFMG.
DA LUZ, J., & OLIVEIRA, M. (Março de 2011). Curso de Espessamento e Filtragem. Curso de Espessamento e Filtragem. Belo Horizonte , MG, Brasil: TTE - Treinamento Técnico Especializado.
ROCHA, J. M. (2008). Definição da tipologia e caracterização mineralógica e microestrutural de itabiritos anfibolíticos das Minas de Alegria da Samarco Mineração S.A.- Minas Gerais. Belo Horizonte: UFMG.
TORQUATO, N. (2008). Dimensionamento de Espessadores Convencionais Aplicados a Polpas de Minério de Ferro. UFOP, DEMIN. Ouro Preto/MG: UFOP.
TORQUATO, N., & DA LUZ, J. (January - March de 2011). Espessadores no Beneficiamento de Minério de Ferro. REM - Revista Escola de Minas, 1(64), 091-096.
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8. ANEXOS
Anexo A1 – Perfis de sedimentação dos demais alunos da disciplina Separação Sólido-Líquido nos ensaios de sedimentação em bancada.
Figura A1 – Perfis de sedimentação obtidos em ensaios de sedimentação em bacada na disciplina Separação Sólido-Líquido do PPGEM.
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