3. MATERIAIS E MÉTODOS
3.2. A Unidade Experimental
de modo a obter-se ao fim duas amostras de aproximadamente 25 gramas, sendo uma enviada para a análise de caracterização granulométrica e, a outra, para o FRX.
Para a preparação das amostras de minério coletado, todas as réplicas do material obtidas pelos ensaios de separação em determinada condição experimental foram submetidas ao mesmo processo de quarteamento. Porém, de modo a garantir a representatividade de todas as réplicas na amostra quarteada, foram misturadas as partes da última operação de quarteamento de todas as réplicas. Cabe destacar que certa porção do material das réplicas originais foram mantidos devidamente separados, na forma de amostral arquivo. Ao final do procedimento, eram obtidas duas amostras finais, sendo a primeira contendo entre 28 e 35 gramas destinada ao FRX e, a segunda, entre 14 e 18 gramas sendo destinada ao Mastersizer. Cabe destacar que a quantidade de amostra final se relacionava com a condição experimental utilizada nos experimentos de separação, pois, para cada uma, era obtido menor ou maior quantidade de material coletado.
O ar é alimentado no sistema através de um soprador radial de 7 HP (1). Sua vazão é então regulada para entrada no ciclone através do conjunto de válvulas globo (2) e de um anemômetro de fio quente AKSO utilizado na posição 4, posicionado no centro radial da tubulação de diâmetro de 4,86 cm. Ressalta-se aqui também a divisão da alimentação do ar em duas correntes, uma de tratamento e outra secundária (by-pass), contribuindo para a segurança e regulagem da unidade. A alimentação do minério é então realizada no ponto 3 da linha, através de um alimentador (6) composto por um disco rotativo, que opera com ar comprimido e um Venturi à pressão padronizada de 2 kgf/cm2.
A utilização da velocidade radial central, também tida como a velocidade máxima do fluxo gasoso, como a média, torna-se, em certo grau, uma medida consistente em virtude do comportamento do escoamento sob regime turbulento, conforme pode ser visto na Figura 13.
Figura 13 - Comparação de perfis de velocidade em regime laminar e turbulento em um tubo.
Fonte: BIRD et al., 2ª Ed, 2004.
Conforme visto na Figura 13, diferentemente do escoamento laminar em que o fluxo gasoso apresenta um perfil de velocidades parabólico com uma significativa diferença entre a velocidade máxima e a média do escoamento, no regime turbulento ocorre um alargamento do perfil, no qual os efeitos de parede são pronunciados em menor grau para regiões não-rentes às paredes da tubulação, fazendo com que a velocidade média do sistema se aproxime consideravelmente da velocidade máxima, sendo esta medida na posição radial central.
No sistema de alimentação de sólido em questão, o ar comprimido passa por um regulador de pressão (10), permeando então um meio poroso (9) constituído de partículas de sílica para remoção de sua umidade residual. Em sequência, o ar escoa através de uma
membrana porosa (8) responsável por remover as partículas sólidas contaminantes, como a poeira. Então, ao escoar pelo eixo horizontal do Venturi (7), o ar promove uma região de baixa pressão no eixo vertical do aparato, responsável por aspirar as partículas minerais presentes no desnível do disco rotativo. A mistura ar-minério é então alimentada na linha de tratamento.
As condições operacionais do ar, como velocidade e temperatura, são aferidas então no ponto 4. No underflow do ciclone, a caixa coletora revestida internamente por um saco coletor, é utilizada para contenção do material particulado coletado. Além disso, para determinação da queda de pressão dos ciclones, procedeu-se com um micro-manômetro para medição da diferença de pressão entre as seções de entrada e exaustão gasosa. As mangueiras do aparato foram conectadas a tubos de Pitot localizados nos bocais, igualmente espaçados com relação ao corpo do ciclone (aproximadamente 10 cm). Vale destacar que a medida fora feita em sistema aberto, ou seja, sem a tubulação de conexão do bocal de exaustão, conforme sugerido por Hoffmann e Stein (2002).
3.2.2. Ciclones Avaliados
Neste trabalho, foram utilizados três separadores ciclônicos modificados da família Stairmand, de modo a verificar a influência da razão [hcc/Dc]. Assim sendo, todas as cotas geométricas dos três ciclones são idênticas, com exceção da altura do corpo cilíndrico (hcc) e, consequentemente, da altura do corpo cônico. Cabe destacar que as modificações mais expressivas dos ciclones de trabalho com relação a um Stairmand padrão estão na proporção das alturas do corpo cilíndrico e cônico e na profundidade do bocal do overflow (S). As cotas geométricas de destaque dos três ciclones podem ser observadas na Tabela 3. Adicionalmente, é inserida a Figura 14, para melhor demonstrar a proporção geométrica entre os ciclones.
Tabela 3 - Cotas geométricas dos três ciclones avaliados.
Cota / Ciclone
a [cm]
b [cm]
Dc
[cm]
Ht
[cm]
hcc
[cm]
De
[cm]
S [cm]
B [cm]
C1 10,5 5,5 24,6 102,8 40,5 10,0 57,8 9,0
C2 10,5 5,5 24,6 102,8 65,0 10,0 57,8 9,0
C3 10,5 5,5 24,6 102,8 15,5 10,0 57,8 9,0
Fonte: Elaborado pelo autor.
Tomando como base os valores expressos na Tabela 3, sabe-se que as razões (hcc/Dc) são 1,65, 2,64 e 0,63, respectivamente para os ciclones C1, C2 e C3. Além das cotas já apresentadas, cabe destacar algumas medidas complementares dos ciclones, relevantes para
definição das geometrias de análise no âmbito das simulações CFD, o bocal de alimentação possui uma extensão próxima de 20 cm e, a seção externa do bocal de exaustão, por volta de 10 cm (considerando o local de aferição da queda de pressão). Vale destacar que as dimensões da caixa coletora são 15x20 cm
Figura 14 - Esquema ilustrativo da proporção geométrica entre os ciclones.
Fonte: Elaborado pelo autor.
3.2.3. Procedimento Experimental
Inicialmente, após realizada a calibração da unidade, o sistema era deixado ligado por um período de aproximadamente 30 minutos, para que alcançasse o regime permanente.
Depois, os parâmetros operacionais como velocidade e temperatura eram novamente tomados, realizando pequenos ajustes, caso necessário. As condições de operação gerais podem ser observadas na Tabela 4.
Tabela 4 - Condições operacionais avaliadas no estudo dos ciclones.
Velocidade do Ar [m/s]
Vazão de Sólidos [g/s]
v v0 vi Ṁs
V1 10 3,21 Ṁs,1 0,11296
V2 20 6,42 Ṁs,2 0,23206
V3 30 9,64 Ṁs,3 0,34611
Fonte: Elaborado pelo autor.
O experimento se iniciava com o preenchimento do disco do alimentador de sólidos, utilizando para tal uma massa padronizada ao redor de 14 g de material. Posteriormente, era realizado o ajuste das condições operacionais da unidade, conforme apresentado na Tabela 4.
Desta maneira, foram avaliadas 9 condições experimentais para cada ciclone, considerando as combinações das variáveis apresentadas. Cabe destacar que, devido a mudança da área transversal de escoamento entre o local de aferição 4 da unidade experimental e a entrada do ciclone, os valores de velocidade foram corrigidos mediante a relação entre as áreas circular e retangular, sendo v0 e vi as velocidades medida e ajustada, respectivamente.
Cabe ressaltar que a vazão de sólidos de referência estipulada na Tabela 4 foi determinada através do tempo de rotação do disco alimentador, ou seja, do tempo que levaria para se realizar uma volta completa do disco, permitindo a sucção de todo o material nele presente. Além disso, as vazões sólidas foram determinadas de maneira que ficassem no geral igualmente espaçadas e, ainda, levando em conta a limitação do próprio sistema de alimentação, cujas condições extremas já são próximas das vazões mássicas Ṁs,1 e Ṁs,3.
Uma vez preparada a unidade e acoplada a caixa coletora ao ciclone, o sistema era deixado ligado por um período de 30 minutos, para que entrasse em regime permanente e, posteriormente, o ensaio era iniciado, cronometrando-se o tempo de alimentação, para devida aferição da vazão de alimentação do minério. Terminado o ensaio, a massa coletada na caixa era então pesada e, desta forma, determinada a eficiência de separação global (η) do ensaio.
Cabe destacar que para cada condição operacional, foram realizadas seis réplicas experimentais.