Relatório 6 - sedimentação

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<p>UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MARINGÁ</p><p>CENTRO DE TECNOLOGIA</p><p>DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE ALIMENTOS</p><p>DISCIPLINA DE LABORATÓRIO DE OPERAÇÕES UNITÁRIAS</p><p>SEDIMENTAÇÃO</p><p>Any Caroliny Santo de Marcantes - 123850</p><p>Letícia Yukari Kido Lorenzian - 125213</p><p>Guilherme Lopes da Silva - 125261</p><p>1. OBJETIVO:</p><p>Os objetivos da aula prática são interpretar os gráficos de comportamento da sedimentação da altura em função do tempo e da velocidade em função da concentração de sólidos sedimentados e dimensionar sedimentadores (área, diâmetro e altura) para suspensões de carbonato de cálcio em concentrações de 7%, 10% e 13%, considerando uma vazão de alimentação da suspensão de 30 m³/h.</p><p>2. METODOLOGIA:</p><p>Para o experimento, foram feitos os ensaios de proveta para 3 suspensões, de 7%, 10% e 13%. Inicialmente, preparou-se as soluções a serem utilizadas utilizando carbonato de cálcio pesado na balança de acordo com a concentração da suspensão. Os teste para as soluções de 10% e 13% foram feitos em provetas de 1 litro e o de 7% em uma proveta de 2 litros.</p><p>Após preparadas as soluções e homogeneizadas nas provetas, posicionou-se as provetas na mesa e acionou o cronômetro, anotando o ponto inicial a partir do ponto do volume total e anotando sucessivamente o tempo a cada 50 mL para a proveta de 1 litro e 100 mL para a proveta de 2 litros de suspensão depositados.</p><p>Finalizou-se o experimento quando a camada de suspensão depositada estiver constante no fundo da proveta.</p><p>3. METODOLOGIA DE CÁLCULO</p><p>Através da equação 1, foi possível determinar empiricamente o valor depara cada concentração de sólidos.</p><p>(1)</p><p>Sendo a concentração de sólidos da suspensão, altura inicial da suspensão/solução e a concentração de lodo desejada.</p><p>Para determinar a , utiliza-se a equação 2:</p><p>(2)</p><p>Sendo a fração mássica (kg sólido/kg total), a densidade do carbonato de cálcio igual a 2710 kg/m³ e densidade da água igual a 997 kg/m³.</p><p>Para determinar a concentração de lodo , utilizou-se um gráfico da velocidade da sedimentação versus a concentração de sólido. utilizando as equações 3 e 4:</p><p>(3)</p><p>(4)</p><p>A concentração de lodo será a maior concentração de sólidos determinada pelo gráfico.</p><p>Para estimar a área do sedimentador, utilizou-se a equação 5.</p><p>(5)</p><p>Sendo 	Q a vazão volumétrica de 30 m³/h.</p><p>Em seguida, para determinar o diâmetro a partir da área estimada, utiliza-se a equação 6.</p><p>(6)</p><p>Para estimar a altura do sedimentador utilizou-se a equação 7 abaixo.</p><p>(7)</p><p>Sendo a altura clarificada que pode variar entre 0,75 e 0,45 m, enquanto que a altura do fundo do sedimentador (lodo) e altura da concentração variável de transição são estimados pelas equações 8 e 9.</p><p>(8)</p><p>(9)</p><p>Sendo a massa específica do lodo obtida pela equação 10 e t o tempo total a partir da equação 11.</p><p>(10)</p><p>(11)</p><p>Sendo a fração mássica de lodo desejada, a qual deve ser estimada pela equação 12.</p><p>(12)</p><p>4. RESULTADOS E DISCUSSÃO</p><p>Para o experimento de sedimentação, obteve os dados expressos na tabela 1 na tabela 2 abaixo, de acordo com a concentração de sólidos de cada amostragem.</p><p>Tabela 1 - Dados experimentais de sedimentação para concentração de carbonato de cálcio de 10% e 13%</p><p>Volume da proveta (mL)</p><p>Altura (cm)</p><p>Tempo (s) 10%</p><p>Tempo (s) 13%</p><p>1000</p><p>34</p><p>0</p><p>0</p><p>950</p><p>32,3</p><p>124</p><p>115</p><p>900</p><p>30,6</p><p>234</p><p>227</p><p>850</p><p>28,9</p><p>288</p><p>274</p><p>800</p><p>27,2</p><p>402</p><p>301</p><p>750</p><p>25,5</p><p>512</p><p>507</p><p>700</p><p>23,8</p><p>631</p><p>620</p><p>650</p><p>22,1</p><p>751</p><p>728</p><p>600</p><p>20,4</p><p>888</p><p>863</p><p>550</p><p>18,7</p><p>1035</p><p>1015</p><p>500</p><p>17</p><p>1208</p><p>1195</p><p>450</p><p>15,3</p><p>1452</p><p>1359</p><p>400</p><p>13,6</p><p>1834</p><p>1724</p><p>350</p><p>11,9</p><p>2349</p><p>2234</p><p>300</p><p>10,2</p><p>3067</p><p>2994</p><p>250</p><p>8,5</p><p>3982</p><p>3899</p><p>200</p><p>6,8</p><p>5782</p><p>5099</p><p>150</p><p>5,1</p><p>7582</p><p>10499</p><p>Tabela 2 - Dados experimentais de sedimentação para concentração de carbonato de cálcio de 7%</p><p>Volume da proveta (mL)</p><p>Altura (cm)</p><p>Tempo (s) 7%</p><p>2000</p><p>36</p><p>84</p><p>1900</p><p>34,2</p><p>153</p><p>1800</p><p>32,4</p><p>221</p><p>1700</p><p>30,6</p><p>293</p><p>1600</p><p>28,8</p><p>363</p><p>1500</p><p>27</p><p>438</p><p>1400</p><p>25,2</p><p>518</p><p>1300</p><p>23,4</p><p>600</p><p>1200</p><p>21,6</p><p>681</p><p>1100</p><p>19,8</p><p>763</p><p>1000</p><p>18</p><p>861</p><p>900</p><p>16,2</p><p>968</p><p>800</p><p>14,4</p><p>1160</p><p>700</p><p>12,6</p><p>1502</p><p>600</p><p>10,8</p><p>2122</p><p>500</p><p>9</p><p>3001</p><p>400</p><p>7,2</p><p>4369</p><p>300</p><p>5,4</p><p>7969</p><p>A partir dos dados obtidos pelo experimento, foi possível encontrar a concentração de sólidos inicial das suspensões de diferentes concentrações, utilizando a equação 2. Além disso, utilizando as equações 3 e 4, determinou-se a velocidade de sedimentação e concentração de sólidos nas determinadas interfaces, dessa forma, plotando os gráficos da velocidade vs concentração demonstrados da figura 1 a 3 abaixo, para determinar a concentração de lodo.</p><p>Figura 1 - velocidade de sedimentação vs concentração de sólidos para suspensão de 7%</p><p>Figura 2 - velocidade de sedimentação vs concentração de sólidos para suspensão de 10%</p><p>Figura 3 - velocidade de sedimentação vs concentração de sólidos para suspensão de 13%</p><p>Analisando a concentração no ponto onde a velocidade passa a ficar praticamente constante, temos os valores de e . Desta forma, utilizando a equação 1, determinou o Zmin para cada amostra. Os dados foram expressos na tabela abaixo.</p><p>Tabela 3 - dados de concentração inicial, concentração do lodo e Zmin para cada suspensão.</p><p>Suspensão de</p><p>(kg/m³)</p><p>(kg/m³)</p><p>Zmin (m)</p><p>7%</p><p>153</p><p>437</p><p>0,126</p><p>10%</p><p>106</p><p>240</p><p>0,150</p><p>13%</p><p>141</p><p>353</p><p>0,136</p><p>Com Zmín conhecido, plotou-se os gráficos do tempo vs altura para determinar o tempo mínimo, tempo crítico e o tempo final para cada suspensão.</p><p>Figura 4 - curva de sedimentação para concentração de 7%</p><p>Figura 5- curva de sedimentação para concentração de 10%</p><p>Figura 6 - curva de sedimentação para concentração de 13%</p><p>A partir dos gráficos, determinou-se os dados do tempo mínimo de sedimentação para alcançar o lodo ideal, o tempo crítico e o tempo final para atingir a concentração de lodo desejada. A informações foram apresentadas na tabela abaixo.</p><p>Tabela 4 - Dados de tempo mínimo, tempo crítico e tempo final para as suspensões.</p><p>Suspensão de</p><p>tmín (min)</p><p>tcrít (min)</p><p>tf (min)</p><p>7%</p><p>19,3</p><p>25</p><p>62</p><p>10%</p><p>24,2</p><p>30</p><p>70</p><p>13%</p><p>29</p><p>38</p><p>86</p><p>Para dimensionar o decantador, considerou-se uma vazão volumétrica Q = 30 m³/h, então calculando a área utilizando a equação 5, e em seguida o diâmetro do sedimentador foi determinado pela equação 6. Em seguida, utilizando as equações 10 a 12, calculou-se a massa específica do lodo para poder calcular a altura do sedimentador, utilizando as equações de 7 a 9. Os dados foram demonstrados na tabela 5 abaixo.</p><p>Tabela 5 - dados obtidos para dimensionar o sedimentador.</p><p>Suspensão</p><p>A (m²)</p><p>D (m)</p><p>(kg/m³)</p><p>(m)</p><p>(m)</p><p>(m)</p><p>H (m)</p><p>7%</p><p>26,8</p><p>5,84</p><p>1489,4</p><p>0,6</p><p>0,18</p><p>0,43</p><p>1,21</p><p>10%</p><p>35,6</p><p>6,73</p><p>1196,8</p><p>0,6</p><p>0,25</p><p>0,49</p><p>1,34</p><p>13%</p><p>42,65</p><p>7,37</p><p>1345,8</p><p>0,6</p><p>0,19</p><p>0,53</p><p>1,32</p><p>Dessa forma, os dados da tabela se comportaram conforme esperado, uma vez que conforme aumentou a concentração da suspensão, houve também o aumento da área do sedimentador.</p><p>5. CONCLUSÃO</p><p>Por fim, analisando os gráficos da velocidade em função da concentração foi determinado a concentração ideal de lodo para as suspensões: 7% = 437 kg/m³, 10% = 240 kg/m³ e 13% = 353 kg/m³. Posteriormente, analisou-se os gráficos da altura da sedimentação em função do tempo, determinou-se as medidas de tempo crítico, tempo mínimo, Z mínimo e tempo mínimo, a partir desses dados, foi feito o dimensionamento dos sedimentadores para cada suspensão.</p><p>Os dados de dimensionamento foram: 7%, área= 26,8 m² /</p><p>diâmetro= 5,84 m / altura= 1,21 m; 10%, área= 35,6 m² / diâmetro= 6,73 m / altura= 1,34 m; 13%, área= 42,65 m² / diâmetro= 7,37 m / altura = 1,32m. Os valores seguiram o esperado, pois conforme maior a concentração da suspensão, maior foi a área do sedimentador.</p><p>image4.png</p><p>image5.png</p><p>image7.png</p><p>image1.png</p><p>image6.png</p><p>image3.png</p><p>image2.png</p>