Princípios físicos básicos dos hidrociclones

Embora o projeto básico de um depurador ou hidrociclone seja simples, o escoamento dentro desse equipamento é bastante complexo. A Figura 1 apresenta um esquema dos principais parâmetros de projeto de um hidrociclone.

Figura 1. Principais parâmetros de projeto de um hidrociclone.

O fluido é bombeado através da entrada e, devido à geometria do depurador, desenvolve-se um fluxo rotacional. Em condições de equilíbrio em regime permanente, esse fluxo é uma combinação de um fluxo de vórtice e um fluxo de escoamento para o centro, conhecido como “vórtice de Rankine”, representado esquematicamente na Figura 2.

Escoamento em um hidrociclone

Figura 2. Escoamento em um hidrociclone.

Uma alta eficiência de separação ou de limpeza pode ser obtida de diferentes maneiras:

Alto diferencial de pressão entre a entrada e a saída de aceitos:
Isso resulta em uma alta velocidade tangencial e uma elevada aceleração centrífuga. Como a perda de pressão afeta diretamente o consumo de energia de bombeamento do ciclone, ela deve ser limitada por razões econômicas. Em um determinado ciclone, a perda de pressão aumenta com o aumento da vazão, enquanto o tempo de retenção diminui e a turbulência aumenta. Portanto, existe uma vazão específica na qual é alcançada a máxima eficiência de limpeza.

Pequeno diâmetro do ciclone:
Esse fator apresenta limitações práticas. Por exemplo, as conexões de entrada e saída devem ser dimensionadas adequadamente para evitar entupimentos e garantir a confiabilidade operacional. Portanto, o diâmetro mínimo possível depende do tamanho máximo das partículas ou do comprimento dos contaminantes, como fios metálicos, presentes em cada etapa do processo. Além disso, um hidrociclone pequeno possui baixa capacidade, exigindo um grande número de unidades instaladas em paralelo. Isso também estabelece limites econômicos para o diâmetro mínimo do ciclone.

Baixa consistência da suspensão:
Isso limita o movimento das partículas o mínimo possível. Em consistências mais elevadas, a rede de fibras torna-se mais densa e restringe cada vez mais o movimento das partículas. Portanto, esse fator está relacionado principalmente ao teor de fibras, enquanto o teor de cinzas tem pouca influência sobre a liberdade de movimento das partículas.

Baixo teor de flocos (flakes):
Assim como uma alta consistência da suspensão, os flocos restringem o movimento das partículas. Como uma quantidade maior de flocos é removida em um depurador de alta consistência para contaminantes pesados (HW), as perdas de fibras aumentam.

Alta temperatura da suspensão:
Isso reduz a viscosidade da água e, consequentemente, diminui a resistência ao movimento radial das partículas.

Carga hidráulica adequada do hidrociclone e divisão adequada entre os fluxos de aceitos e rejeitos:
O ciclone deve operar dentro dos limites hidráulicos de projeto em relação à vazão e ao fluxo de rejeitos. Uma vazão de rejeitos maior melhora a eficiência de separação, mas aumenta as perdas de fibras.

Remoção adequada dos rejeitos:
A remoção deve ser realizada de forma contínua tanto quanto possível. Quando a operação é intermitente, o fluxo de água de descarga deve ser mantido o mais baixo possível, para evitar que os contaminantes pesados (HW) já separados sejam novamente arrastados para o fluxo de aceitos. Isso, por sua vez, também implica maiores perdas de fibras.

Influência das propriedades das partículas

Os seguintes aspectos devem ser considerados em relação às propriedades das partículas:

Partículas com uma grande diferença de densidade em relação à água são separadas com maior eficiência, independentemente de serem contaminantes leves (LW) ou contaminantes pesados (HW).

Partículas cuja densidade é muito próxima de 1 g/cm³ podem ser separadas como contaminantes pesados ou leves, dependendo da temperatura da suspensão, ou podem não ser separadas. Isso se aplica, por exemplo, a alguns contaminantes termofusíveis (hot melts), com densidade de 0,95 < ρ < 1,05 g/cm³, pois a densidade da água diminui de 0,995 para 0,971 g/cm³ quando sua temperatura aumenta de 30 para 80 °C.

Uma partícula maior, com densidade semelhante, apresenta uma diferença maior entre as forças centrífuga e de empuxo — direcionadas para dentro no caso de contaminantes leves (LW) e para fora no caso de contaminantes pesados (HW) — proporcionando um melhor efeito de separação. Por exemplo, os depuradores para contaminantes pesados (HW cleaners) praticamente não conseguem separar partículas de carga com 3 µm de diâmetro, mas separam muito bem partículas de revestimento com 30 µm de diâmetro.

Partículas com densidade semelhante e formato hidrodinâmico favorável são separadas com maior eficiência. Por exemplo, partículas esféricas são separadas com mais facilidade do que partículas planas.