Tese
Contribuição ao estudo experimental e em CFD da fluidodinâmica de colunas de bolhas com aplicações na separação de misturas oleosas e processamento mineral por ar dissolvido
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Autor
Ribeiro, Jânio Alves
Institución
Resumen
Bubble columns are equipments used in many unit operations on food, textile and chemical
industries. Flotation columns and phase invertors are examples of bubble columns used on
separation processes. Due to the great interaction between continuum and disperse phases,
they are equipments of simple operation, but present a very complex fluid dynamics. This
thesis is about the fluid dynamics interaction between phases of a non regular cylindrical
bubble column which may be operated by dissolved air or dispersed air. The work was
conducted in two distinct fronts that are interrelated: a) experimental and CFD studies of the
bubble column fluid dynamics b) study on the application of the column operated with micro
bubbles in separation processes. The first front aimed to study the influence of its geometrical
characteristics and the operational variables feed and recirculation flow on the fluid dynamics
properties on the three regions of the bubble column. On this stage, equations that allow
relating the operational variables with the properties analyzed were established. The other
front aimed to study the column application operating with dissolved air on the separation
process of oily mixtures ranging from 50000 ppm v/v to 600 ppm v/v, as well as on the fines
apatite beneficiation. On oily separations the flocculant polymer polyvinyl alcohol 20 ppm
was used as the chemical agent. The higher values of efficiency and oil recovery rate by phase
inversion, obtained on concentration range of 50000 to 10000 ppm and emulsion volumes of
0.76 to 0.24 L were 95% and 0.02L of oil/min respectively, obtained on the higher
concentration values and the higher emulsion volumes. On the emulsion separation with
concentration of 600 ppm, the higher efficiencies were obtained for the equipment operating
with the number and diffuser disposition 0/4, 0/5, 1/5, 4/2 e 5/1, obtaining on these cases,
effluents which meet the Brazilian norms of disposition of oily effluents with hydraulic
retention time (HRT) between 21 and 32 seconds. On the bubble column application on
mineral processing, the higher contents may be obtained to the column operating with a
recirculation flow of 0.75 L/min, solids concentration of 12%, pH of 11.5, inlet recirculation
1.05 m above the base, and with saturated air feed by the intermediate flange, when it is
expected a content of about 36% and recovery of about 90%. Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais Doutor em Engenharia Química Colunas de bolhas são equipamentos utilizados em diversas operações unitárias na indústria
química, de alimentos, têxtil, dentre outras. As colunas de flotação e os inversores de fases
são exemplos de colunas de bolhas utilizadas em processos de separação. Devido às grandes
interações entre as fases contínua e dispersas são equipamentos de simples operação, porém
que apresentam fluidodinâmica bastante complexa. Este trabalho trata do estudo das
interações fluidodinâmica das fases de uma coluna de bolhas de geometria cilíndrica não
regular, que pode ser operada tanto por ar disperso quanto por ar dissolvido. O trabalho foi
realizado em duas frentes distintas que se inter-relacionam: a) estudo experimental e em CFD
de fluidodinâmica da colunas de bolhas b) estudo de aplicação da coluna operada com
microbolhas em processos de separação. Na primeira frente de estudos objetivou-se estudar a
influência de suas características geométricas e das vazões de alimentação e de recirculação,
nas propriedades fluidodinâmicas de três regiões da coluna de bolhas. Nesta etapa foram
estabelecidos modelos que possibilitam relacionar as variáveis operacionais com as
propriedades analisadas. Na segunda frente objetivou-se estudar a aplicação da coluna, tanto
no processo de separação de misturas oleosas, compreendendo a faixa de 50000 ppm v/v até
600 ppm v/v, quanto no beneficiamento do minério apatita de granulometria fina, pelo uso de
microbolhas. Nas separações oleosas utilizou-se como agente químico o polímero floculante
álcool polivinílico a 20 ppm. Os maiores valores de eficiência e taxa de recuperação de óleo
por inversão de fase, obtidos na faixa de concentrações de 50000 a 10000 ppm e volumes de
emulsão de 0,76 a 2,24 L foram respectivamente 95% e 0,02 L de óleo/min respectivamente,
obtidos para os maiores valores de concentrações e os maiores volumes de emulsão. Na
separação da emulsão com concentração de 600 ppm, foram obtidas as maiores eficiências
para o equipamento operando com os números e disposições dos bocais 0/4, 0/5, 1/5, 4/2 e
5/1, obtendo-se para os casos efluentes que atendem às normas brasileiras de descarte de
efluentes oleosos com tempos de retenção hidráulicos entre 21 e 32 segundos. Na aplicação da
coluna de bolhas na flotação da apatita, os maiores teores de P2O5 podem ser obtidos para a
coluna operando com vazão de recirculação em 0,75 L/min, concentração de sólidos em 12%,
pH em 11,5, entrada de recirculação em 0,65 m e com mistura saturada alimentada pelo
flange intermediário, quando é esperado um teor próximo de 36% e recuperação por volta de
90%.