Search

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais The solid-liquid separation can be performed by hydrocyclones, which are interesting equipments because they are simple, compact and present low costs of acquisition, maintenance and operation. Modifications in its conventional structure and/or new geometrical configurations have been proposed in the literature, with the aim to improve the separator performance. The filtering hydrocyclone belongs to this non conventional category, and presents a conical porous wall, where the filtration process occurs. In this work, the separation of concentrate of phosphate rock from water was analyzed in filtering hydrocyclones. By an optimization study, three new geometries of filtering hydrocyclones were found by the combined use of the response surface technique with the Differential Evolution algorithm. These geometries were tested experimentally and compared with the literature. Furthermore, the underflow orifice diameter and the vortex finder length effects were evaluated by the use of Central Composite Design. The three optimum configurations found were: (i) HFOT1 hydrocyclone, with high total efficiency (η = 89,11%); (ii) HFOT2 hydrocyclone, with low underflow-to-throughput ratio (RL = 17,12%) and (iii) HFOT3 hydrocyclone, with low Euler number (Eu = 753). The study of the influence of the variables Du and ℓ showed that: the original values of HFOT1 already seemed to be suitable for the separator give maximum efficiency; the underflow-to-throughput ratio of HFOT2 could still be minimized by the change on its original values of Du and ℓ; the Euler number of HFOT3 was little affected by these variables and, because it remained practically in the same level, it was possible to improve other responses (efficiency and underflow-to-throughput ratio) by changing Du and ℓ, at a low energy consumption. A separação sólido-líquido pode ser realizada por hidrociclones, equipamentos interessantes por serem simples, compactos e por apresentarem baixos custos de aquisição, manutenção e operação. Modificações em sua estrutura convencional e/ou novas configurações geométricas têm sido propostas na literatura, a fim de promover melhorias no desempenho do separador. O hidrociclone filtrante enquadra-se na categoria não convencional e apresenta parede cônica porosa, onde ocorre o processo de filtração. Neste trabalho, analisou-se a separação do concentrado de rocha fosfática da água em hidrociclones filtrantes. Por um estudo de otimização, três novas geometrias de hidrociclones filtrantes foram encontradas mediante o uso combinado da técnica de superfícies de respostas e do algoritmo de Evolução Diferencial. Essas geometrias foram testadas experimentalmente e comparadas à literatura. Os efeitos do diâmetro do orifício de underflow (Du) e do comprimento do vortex finder (ℓ) no desempenho das três configurações geométricas otimizadas foram avaliados pelo uso de Planejamento Composto Central. As três configurações ótimas encontradas foram: (i) hidrociclone HFOT1, com alta eficiência de separação (η = 89,11%); (ii) hidrociclone HFOT2, com razão de líquido pequena (RL = 17,12%) e (iii) hidrociclone HFOT3, com baixo número de Euler (Eu = 753). O estudo da influência das variáveis Du e ℓ indicou que: os valores originais do HFOT1 pareceram já estar adequados para o separador oferecer máxima eficiência; a razão de líquido do HFOT2 pôde ser ainda mais minimizada pela alteração de seus valores originais de Du e de ℓ; o número de Euler do HFOT3 foi pouco afetado por essas variáveis e, por estar praticamente no mesmo patamar, tornou possível a melhoria de outras respostas (eficiência e razão de líquido) frente à mudança de Du e de ℓ, a um consumo energético baixo. Mestre em Engenharia Química

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Os hidrociclones são equipamentos versáteis amplamente utilizados na indústria para realizar a remoção ou classificação de uma fase discreta (líquida ou sólida) suspensa em uma fase contínua líquida, com base em um campo centrífugo, no tamanho e na densidade da fase discreta. Estes equipamentos, que são constituídos por uma parte cilíndrica e outra cônica, promovem o processo de separação através da ação de uma força centrífuga proveniente do movimento rotacional que a suspensão realiza dentro dele e têm o seu desempenho intimamente relacionado com as suas dimensões geométricas. O desempenho destes separadores pode ser quantificado através das respostas eficiência total (ET), razão de líquido (RL) e número de Euler (Eu), que representam o poder de classificação, de concentração e o consumo energético, respectivamente. Estas três respostas, normalmente, são objetivos conflitantes no projeto de hidrociclones, sendo assim faz-se necessário o uso de otimização para encontrar-se as configurações que produzem equipamentos com boa performance nos três objetivos. Além disso, para se ter confiabilidade nos resultados é importante adotar um critério de inserção de robustez na otimização, já que as dimensões dos hidrociclones podem não ser totalmente precisas, em função das limitações do processo de fabricação e dos desgastes que ocorrem com o tempo de operação. Diante disto, o presente trabalho busca realizar o projeto de hidrociclones de alto poder classificador e concentrador e baixo consumo energético, utilizando otimização robusta por evolução diferencial usando como base dados coletados experimentalmente. O efeito da inserção de robustez na geração dos modelos empíricos foi avaliado através da comparação entre os valores dos coeficientes de determinação e das funções objetivo empregadas dos modelos nominal e robusto, além da realização de uma análise comparativa de sensibilidade dos modelos. Foi constatado que o aumento no valor do parâmetro de robustez (δ) deteriora o valor do coeficiente de determinação e da função objetivo dos ajustes, além disso notou-se que para pequenos valores de δ os dois tipos de modelos são igualmente sensíveis a perturbações em seus parâmetros, já para valores maiores de δ o modelo robusto mostrou-se menos prejudicado. Os dois tipos de modelo foram utilizados para realizar-se a otimização das dimensões do hidrociclone, de forma nominal e robusta, considerando quatro estudos de caso: maximização de ET e minimização de RL (caso 1); maximização de ET e minimização de Eu (caso 2); minimização de RL e minimização de Eu (caso 3); maximização de ET, minimização de RL e minimização de Eu (caso 4). Os hidrociclones obtidos na otimização apresentam valores das respostas satisfatórios e dentro das faixas desejadas, constatou-se ainda que o aumento no valor do parâmetro de robustez da otimização promove o distanciamento das curvas em relação a curva nominal e causa uma concentração das soluções em uma determinada região do espaço dos objetivos, implicando em uma menor variedade de hidrociclones ótimos. Alguns dos hidrociclones otimizados obtidos foram selecionados para realização de testes experimentais com equipamentos de dimensões próximas a deles. Os resultados experimentais mostraram que os separadores testados obtiveram um bom desempenho. Hydrocyclones are versatile equipment largely used in industry to remove or classify a discrete phase (liquid or solid) mixed in a continuous liquid phase, based on a centrifugal field and on the discrete phase’s size and density. These equipment, which are constituted by a cylindrical and a conical part, promote the separation process by the action of a centrifugal force that comes from the rotational movement of the mixture and they have their performance closely related to their geometric dimensions. The performance of these separators can be measured by the responses total efficiency (ET), liquid ratio (RL) and Euler number (Eu), which represent the classification and concentration capacity and the energy cost, respectively. These three responses are, normally, conflicting objectives in hydrocyclones project, therefore it is necessary to use an optimization method to find out the configurations that produce good performance equipment in all three characteristics. Besides that, it’s important to adopt a robustness insertion criterion to reach reliable results, as hydrocyclone dimensions may not be totally accurate due to fabrication process limitations and wear that occur with operation. Faced with this, the purpose of this work is to project hydrocyclones with high classification and concentration capacity and low energy cost, using robust optimization by differential evolution technique basing on experimental data. The robustness introduction effect on the empirical models was evaluated through the comparison between the determination coefficient and objective function values of the nominal and robust models, besides the realization of a comparative analysis of models’ sensibility. It was verified that an augmentation in the robustness parameter (δ) makes the value of determination coefficient and objective function get worse, besides that it was noticed that the two types of model were equally sensitive to parameter perturbation when the value of δ was low, however when the value of δ was high, the robust model was less impaired than the nominal one. Both models were used to execute the hydrocyclone dimensions optimization, with and without robustness, considering four cases: maximum ET and minimum RL (case 1); maximum ET and minimum Eu (case 2); minimum RL and minimum Eu (case 3); maximum ET, minimum RL and minimum Eu (case 4). The obtained hydrocyclones presented satisfying values of the concerning responses, inside the desired range, it was also verified that the augmentation in robustness parameter value causes the robust curves to distance from the nominal ones and it reduces the objectives space, which means a smaller optimum hydrocyclones variety. Some of the optimum hydrocyclones were chosen to be used as reference in experimental tests with equipment of similar dimensions to theirs. The experimental result showed that the tested separators had a good performance. Dissertação (Mestrado)

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior A hidrociclonagem é um processo de separação sólido-líquido ou líquido-líquido por ação da força centrífuga. Hidrociclones são equipamentos simples e de tamanho reduzido utilizados tanto na clarificação quanto no espessamento de correntes. Usados em diversos setores, como no petroquímico e de processamento mineral, acumulam vantagens como versatilidade e baixo custo de aquisição e manutenção. Todavia, a demanda por melhoria nos processos e redução de custos na indústria tem impulsionado diversos estudos de otimização de equipamentos. O hidrociclone filtrante é um equipamento não convencional desenvolvido na FEQUI/UFU com o objetivo de incrementar a eficiência de separação na hidrociclonagem. A proposta deste trabalho é estudar as condições operacionais de concentração da alimentação e diâmetro de underflow no desempenho de uma geometria filtrante otimizada para minimização de gastos energéticos. O efeito da filtração foi investigado através da comparação do desempenho do Hidrociclone Cônico-filtrante Otimizado (HCOF) com o Hidrociclone Concentrador Otimizado (HCO) e da execução de testes estatísticos. Em virtude da semelhança de desempenho dos hidrociclones, foi constatado estatisticamente que a filtração não apresentou efeito significativo no desempenho do HCOF. Verificou-se que, nesta geometria, o decréscimo da variável diâmetro de underflow foi extremamente favorável à operação de espessamento. A concentração da suspensão de quartzito a 1,0% de sólidos em volume foi majorada em 42 vezes ao utilizar o diâmetro de underflow de 3 mm. O acréscimo no percentual de sólidos na alimentação foi benéfico para o consumo energético, de modo que o mínimo número de Euler de 730 foi alcançado para CVA = 10,0% em volume, entretanto, quanto maior a quantidade de sólidos em suspensão menor foi a eficiência do equipamento. Portanto, para minimizar a razão de líquido e manter o patamar de alta eficiência, é indicado trabalhar com suspensão diluída (CVA = 1,0%) e diâmetro de underflow de 3 mm (η = 67%). Entretanto, se for necessário trabalhar com alimentação mais concentrada, o uso do diâmetro de underflow de 5 mm contribui para o aumento da eficiência. O HCO foi comparado à tradicional família de hidrociclones concentradores Rietema e apresentou vantagens em relação à eficiência, 34% maior, e ao gasto energético, 20% menor, em média. Por fim, as curvas de eficiência e as Equações de Projeto puderam ser devidamente levantadas para o HCO, todas com ajuste satisfatório. The hydrocycloning operation has a goal to separate solid-liquid suspensions and liquid-liquid emulsions through the centrifugal force action. Hydrocyclones are equipment with reduced size and used in both clarification and thickening. This device is used in many areas, like petrochemical and minerals process, and accumulate advantages like versatility and low cost of maintenance. However, the demand to improve the process and to reduce the costs has motivated several studies of equipment optimization. The filtering hydrocyclone is a non-conventional equipment developed at FEQUI/UFU with objective to improve the hydrocycloning separation efficiency. The purpose of this study is to evaluate the operating conditions of feed concentration and underflow diameter on the performance of a filtering geometry optimized to minimization of energy costs. The filtration effect was investigated through the comparison between the performance of the Optimized Filtering Hydrocyclone (HCOF) and the Optimized Concentrator Hydrocyclone (HCO). Because of the resemblance of hydrocyclones performance, the filtration did not represent significant effect on the performance of the HCOF. It was found that in this geometry the decrease of the variable underflow diameter was very favorable to thickening operation. The suspension concentration of quartzite at 1.0% of solids in volume was increased about 42 times when the 3 mm underflow diameter was used. The increase on the feed solid percentage was good for decreasing the energy spent, so that a minimum number of Euler of 730 was achieved at CVA = 10.0%v. However, a greater amount of solids in suspension leads to a lower efficiency of the equipment. Therefore, to minimize the underflow-to-throughput ratio and keep a high efficiency level, it is indicated to work with dilute suspension (CVA = 1.0%) and 3 mm underflow diameter (η = 67%). But if it is necessary to work with high feed concentration, the use of 5 mm underflow diameter provides a rise in the efficiency. The HCO hydrocyclone was compared to the traditional family of hydrocyclones Rietema and presented advantages like higher efficiency (34% higher in average) and lower energy costs (20% lower in average). Finally, the efficiency curves and project equation have been raised for the HCO hydrocyclone each with satisfactory adjust. Dissertação (Mestrado)

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Mato Grosso Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais Pesquisas revelam que no processamento de frutas cerca de 40% do volume total processado é descartado. Os resíduos de acerola se caracterizam pelo elevado valor nutricional atribuído à presença de ácido ascórbico e compostos bioativos, fenólicos e flavonoides. Análises químicas desse resíduo sugerem que o mesmo possui quantidades consideráveis de carboidratos, proteínas, lipídios e fibras, macro nutrientes essenciais ao organismo. Entraves como elevada umidade limita a vida útil de subprodutos (farinha por exemplo) provenientes deste resíduo. Entre os equipamentos de secagem, o leito de jorro possui elevado interesse econômico. Exposições a elevadas temperaturas e tempos longos de operação podem afetar a qualidade nutricional do produto. Testes preliminares com sementes de acerola em leitos de jorro revelaram dificuldade de escoamento desse material, fato esse contornado pela adição de soja como material inerte. Caracterizações físicas da soja comprovaram o seu auxílio na escoabilidade do resíduo de acerola. O presente estudo teve como objetivo avaliar a eficácia de pré-tratamentos sobre a secagem de resíduo de acerola em leito de jorro, confrontando-se as características nutricionais do resíduo de acerola antes e após a secagem. Como pré-tratamentos foram avaliados: a aplicação de ultrassom (meio aquoso e etanólico) e a pulverização de etanol. A partir dos resultados obtidos verificou-se que desidratações (sem pré-tratamentos) de sementes de acerola realizadas a 60oC, com vazão de ar 5% acima do jorro mínimo e fração de acerola de 35% se mostraram favoráveis. O uso de ultrassom em meio aquoso contribuiu para a redução de umidade do resíduo de acerola, entretanto degradações dos teores de ácido ascórbico e de fenólicos foram verificadas. A troca do meio de imersão de água por etanol e o tratamento com pulverização de etanol se mostraram favoráveis, sendo possível a redução do tempo de secagem em 25%. O planejamento experimental adotado possibilitou avaliar os efeitos das variáveis (temperatura, volume de etanol e vazão de ar) sobre os teores nutricionais. O estudo por meio de simulações computacionais de propriedades físicas relativas ao movimento granular pode contribuir de modo satisfatório na determinação do comportamento fluidodinâmico das partículas no leito de jorro. Dentro desse contexto, faz ainda parte do escopo desse trabalho o estudo por meio de simulações numéricas de parâmetros fluidodinâmicos (ângulos de repouso estático e dinâmico e porosidade) que afetam o deslocamento das partículas no leito de jorro. Dentre os parâmetros estudados destacaram-se os efeitos dos coeficientes de atrito estático e de rolamento. As parametrizações adotadas se mostraram adequadas, sendo obtidos modelos preditivos capazes de determinar os efeitos dos parâmetros e de suas interações sobre as respostas. Researches have shown that around 40% of the material produced in fruit processing is disposed off. Acerola residues have a high nutritional value due to the presence of ascorbic acid and bioactive, phenolic and flavonoid compounds. Chemical analyses have suggested that these residues have a considerable amount of carbohydrates, proteins, lipids and fibers, which are essential macronutrients to the human body. However, some issues, such as moisture, can diminish the shelf life of the flour produced from acerola residues. The exposition to high temperatures for a long time can affect the nutritional quality of the product. Among the drying methods, the spouted bed presents a high economic interest. Preliminary tests with acerola seeds in spouted bed revealed difficulties in the material flow material; however, this issue was solved by adding soy as inert material. The physical caracterization of soy was found to be useful to understand the flowability of acerola residues. This research aimed to evaluate the efficacy of pretreatments in the drying of acerola residues in spouted bed by comparing the nutritional properties of the residues before and after drying. The pretreatment processes evaluated were the application of ultrasound (in aqueous and ethanolic mediums) and the ethanol spraying. The results obtained showed the dehydration of (non pretreated) seeds of acerola performed at 60 ºC, air flow 5% higher than the minimum spout and percentage of acerola of 35% was satisfactory. The use of ultrasound in the aqueous medium reduced the moisture of acerola residues; however, it also degraded the ascorbic acid and phenolic contents. The immersion in ethanol and the ethanol spraying treatment presented good results and decreased the drying time in 25%. The experimental design adopted in this study allowed the analysis of the effects of variables (temperature, volume of ethanol and air flow) on the nutritional content. Computer simulations can satisfactorily contribute to predict the physical properties of the particle movement and determine the fluid dynamic behavior of particles in the spouted bed. In this context, this research also used numerical simulations to study the fluid dynamic parameters (dynamic and static angles of repose and porosity) that can affect the movement of particles in the spouted bed. The main parameters analyzed were the effects of the static and rolling friction coefficients. Parameterizations were adequate to predict models that determined the effects of parameters and their interactions with responses. Tese (Doutorado)

A Destilação batelada é a base para o projeto de unidades industriais contínuas. Ela consiste na separação da substância mais volátil presente em uma mistura líquido-líquido, que pode ter sua representação fenomenológica obtida do equilíbrio das fases, com a aplicação dos modelos termodinâmicos e consequente predições de propriedades importantes a essa operação. Neste trabalho estudou-se a destilação batelada de misturas de etanol hidratadocloreto de sódio, utilizando micro-ondas como fonte de energia para geração interna de calor. À medida que as ondas eletromagnéticas (micro-ondas) se propagam no meio físico como função das propriedades dielétricas do material e da temperatura, a energia na forma de rádio frequência é convertida em calor fazendo-se com que o mesmo seja aquecido. Para o desenvolvimento experimental dessa operação foi construído um sistema de destilação a rádio frequência denominado Unidade de destilação a Micro-ondas com sistema de controle de temperatura e pressão com a aquisição de dados de processo que possui uma cavidade (refervedor) instalada com seis fontes emissoras de micro-ondas acopladas a uma coluna com quatorze estágios de pratos perfurados que oferece a fase vapor do topo a um condensador total que divide o produto condensado em duas correntes, produto ou destilado e refluxo. Os resultados experimentais obtidos foram tratados utilizando o método estatístico de planejamento composto central e superfície de resposta. Os ensaios experimentais foram conduzidos, para a verificação do comportamento da operação de aquecimento de misturas hidroalcoólicas por micro-ondas em coluna batelada de estágios na separação etanol-água com a presença de cloreto de sódio em concentrações variando de 0,16% a 1,8%. Foi obtido nos experimentos etanol hidratado com concentrações de 86% p/p quando operando com refluxo variável em que puderam ser verificados fortes efeitos cruzados entre as variáveis independentes. Quando relacionado com o consumo energético, foi verificado um consumo relativo de 1,59 kWh/kg de etanol. Estes resultados apresentaram boa viabilidade técnica e fortes indícios de viabilidade econômica, principalmente quando da presença de eletrólito (NaCl), que melhorou a conversão de energia de RF em calor. Estes resultados indicam uma boa alternativa para o processo de destilação visto que esta pode aumentar a capacidade de produção de colunas já instaladas. The batch distillation is the basis for the design of continuous industrial units. The operation, which consists of separation of the more volatile substance present in a liquid-liquid mixture, might have a phenomenological representation through the balance of the phases with the application of thermodynamic models and consequential predictions of properties important to the operation. In this thesis, the batch distillation of ethanol blends hydrated and salt using radio frequency energy - RF (Microwave) as a power source for internal heat generation. Once the electromagnetic wave (Microwave) propagates on the physical environment as a function of the dielectric properties of the material and temperature, energy in radio frequency’s form is converted into heat making the material heats itself. For experimental development of this operation was necessary to build a distillation system using radio frequency with control pressure and temperature and data acquisition system called Distillation Microwave Unit, that has a cavity (reboiler) installed six emission sources microwave coupled to a column with sieve plates fourteen stages which offers the vapor from the top condenser to a total dividing the condensate into two streams, product or distillate and reflux. The experimental results were processed using the statistical method of central composite design and response surface. Experimental tests were conducted to verify the performance of the heating operation of water-alcohol mixtures microwave column batch separation stages in ethanol-water in the presence of sodium chloride at concentrations ranging from 0.16 to 1%, 8%. Was obtained in experiments ethanol with concentrations of 86% when. When related to energy consumption, has been a relative consumption of 1.59 kWh / kg of ethanol. These results showed good technical feasibility and economic viability is strong evidence, especially when the presence of electrolyte (NaCl), which improved the conversion of FR energy into heat. These results indicate a good alternative to the distillation process as it can increase the capacity of columns already installed. These results indicate a good alternative to the distillation process as it can increase the capacity of columns already installed. Tese (Doutorado)

Because of advantages such as low cost, simple structure, large capacity of suspension processing and small dimensions, hydrocyclones are widely used for separating dispersed phase (liquid or solids) from continuous one. The shape and size of a hydrocyclone has a decisive effect on the internal flow structure of the continuous phase, and therefore, the separation or classification of the dispersed phase. Therefore, several geometric changes have been suggested to improve the particle separation efficiency and reduce energy costs of hydrocyclones. In a work of hydrocyclones optimization, Vieira (2006) studied the influence of the main geometrical variables on the performance of the separators, from what he found a hydrocyclone with good separation efficiency and low energy cost, the so-called HC11. In the present work, new geometrical changes have been incorporated to the hydrocyclone HC11 and the impacts of those changes have been evaluated experimentally and by CFD techniques. The proposed geometrical changes were: the modification of the wall thickness of vortex finder; the use of a mantle type vortex finder; the use of a ramped roof feed inlet and the use of a rotating feed. The results indicated that all the proposed modifications have changed the performance of the separator and that it is possible improve the standard HC11. Moreover, based on the data of Vieira (2006), three new geometrical configurations of hydrocyclones have been found through the use of response surface technique combined with the Differential Evolution algorithm. The results obtained through the optimization techniques have been validated by experimental data. The optimized configurations of hydrocyclones found were: (i) hydrocyclone HCOT1, with high separation efficiency (η=85.5%); (ii) hydrocyclone HCOT2, with low underflow-to-throughput ratio (RL=9.37%) and (iii) hydrocyclone HCOT3, with low Euler number (Eu=788) and low underflow-to-throughput ratio (RL=5.08%). Por apresentar baixo custo, estrutura simples, considerável capacidade de processamento de suspensão e pequenas dimensões, os hidrociclones são equipamentos muito utilizados para separação de partículas dispersas (líquidas ou sólidas) de uma fase líquida contínua. A forma e o tamanho dos hidrociclones têm um efeito determinante no escoamento interno da fase contínua e, portanto, na separação ou classificação da fase dispersa. Assim, várias alterações geométricas têm sido propostas nos últimos anos objetivando aumentar a eficiência de separação de partículas ou diminuir o consumo energético. Em um trabalho sobre otimização de hidrociclones, Vieira (2006) estudou as influência das principais variáveis geométricas no desempenho dos separadores, a partir do qual encontrou o separador denominado HC11, que, concomitantemente, apresentava alta eficiência de separação e baixo custo energético. No presente trabalho, novas alterações geométricas foram incorporadas ao hidrociclone HC11 e seus impactos nos índices de desempenho foram avaliados experimentalmente e através de técnicas de CFD. As alterações propostas foram: mudança na espessura da parede do vortex finder; uso de um novo modelo de vortex finder tipo coifa; uso da rampa de alimentação e uso de alimentação rotacional. Os resultados indicaram que todas as alterações propostas modificaram o desempenho do separador e é possível atingir índices melhores que no modelo padrão. Além disso, baseado nos dados de Vieira (2006), três novas configurações geométricas de hidrociclones foram encontradas através do uso da técnica de superfície de resposta combinada com o algoritmo de Evolução Diferencial (ED). Os resultados obtidos através das técnicas de otimização foram validados com dados experimentais. As três configurações otimizadas de hidrociclones encontradas foram: (i) hidrociclone HCOT1, com alta eficiência de separação (η=85,5%); (ii) hidrociclone HCOT2, com baixa razão de líquido (RL=9,37%) e (iii) hidrociclone HCOT3, com baixo número de Euler (Eu=788) e baixa razão de líquido (RL=5,08%). Doutor em Engenharia Química

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais Hydrocyclones are equipments that separate a discrete phase (solid, liquid, gas) from a continuous phase (liquid) in a centrifugal field. Several proposals of modified hydrocyclones have always been presented by literature. In this context, the particulate system research group from Chemical Engineering College of Federal University of Uberlandia carried on several studies with hydrocyclones whose conical sections have been replaced by filtering conical section, which resulted in the conical-filtering hydrocyclone (CoFH). Hence, the main purpose of this dissertation was to continue in this branch of research now proposing the replacement of the cilindrical section by a filtering cilindrical one, which resulted in cilindrical-filtering hydrocyclone (CyFH) and thus comparing both non conventional equipments with the conventional hydrocyclone (CH). All of these hydrocyclones were manufactured according to the optmized geometry proposed by Vieira (2006). Furthermore, another purpose of this research was to assess how the permeability of the porous media influenced the performance of cilindrical filtering hydrocyclone. The results showed that associating filtration with hydrocyclone processing was beneficial, considering that for both filtering hydrocyclones the Euler number diminished, in average, 17% for the CoFH and 22% for the CyFH compared with the conventional equipment. For suspensions containing fine particles, the CoFH could be considered the best option, because it presents the highest separation efficiency among all hydroyclones tested. Nevertheless, if suspensions containing coarse particles were processed, the CyFH would be the most indicated for the process, for presenting high separation efficiency and also be able to process more suspension per unit time. Regarding the influence of permeability, the main results indicate that it is not an advantadge to employ highly permeable porous media, because in terms of separation they would be identical or even worse than the conventional hydrocyclone. However, considering suspensions containing coarse particles, the cylindrical-filtering hydrociclones with intermediate or lower permeabilities could be employed, due to the fact that they would reach high separation efficiencies combined with high processing capacity. Summarizing, it could be concluded that the settlement of the filtering medium influenced the performance of cylindrical-filtering hydrocyclones, as well as the permeability showed to influence the performance of this hydrocyclone. Hidrociclones são equipamentos que separam uma fase discreta (sólido, líquido ou gás) de uma fase contínua (líquido) por meio da geração de um campo centrífugo. Propostas para a modificação desse equipamento com intuito de alavancar seu desempenho sempre estiveram presentes na literatura. Seguindo essa tendência, o grupo de pesquisa de sistemas particulados da Faculdade de Engenharia Química da Universidade Federal de Uberlândia desenvolveu diversos estudos com um hidrociclone cuja a seção cônica fora substituída por uma matriz cônica permeável, dando origem ao hidrociclone cônico-filtrante (HCoF). Dessa maneira, o intuito desta dissertação foi dar continuidade aos trabalhos realizados por esse grupo de pesquisa ao incorporar uma parede cilíndrica permeável, dando origem ao hidrociclone cilíndrico-filtrante (HCiF), fazendo assim uma comparação entre os equipamentos cônico-filtrante (HCoF), cilíndrico-filtrante (HCiF) e convencional (HCon). Todos os equipamentos foram manufaturados segundo a geometria otimizada proposta por Vieira (2006). Ademais objetivou-se avaliar como a permeabilidade da matriz porosa cilíndrica influenciava o desempenho do hidrociclone HCiF. Os resultados mostraram que a associação da filtração com a hidrociclonagem foi benéfica, pois para os hidrociclones filtrantes o número de Euler decresceram, em média, 17% para o HCoF e 22% para o HCiF em relação ao similar convencional. Para suspensões contendo partículas de granulometria fina , o HCoF seria a melhor opção, pois apresenta maiores eficiências dentre todos os equipamentos, no entanto, se fosse utilizado uma suspensão com partículas grossas , o HCiF seria o equipamento mais indicado, por apresentar altas eficiências de separação e conseguir processar mais suspensão por unidade de tempo. No que tange a influência da permeabilidade, os principais resultados indicam que não é vantajoso o emprego de meios porosos muito permeáveis (k > 3,6.10 16 m2), já que em termos de separação seriam idênticos ou piores que o convencional. No entanto, em se tratando de suspensões contendo partículas de maior granulometria, os hidrociclones cilíndrico-filtrantes de permeabilidades intermediária e menor poderiam ser empregados, pois obtiveram números de Euler menores que o convencional, 31 e 22%, respectivamente . Em suma, pôde-se concluir que há influência do posicionamento da matriz filtrante no desempenho dos hidrociclones filtrantes, bem como há influência da permeabilidade no desempenho dos hidrociclones HCiF. Mestre em Engenharia Química

In the fermentation process for ethanol production, the yeast Saccharomyces cerevisiae are recovered and recycled to a new stage of fermentation. This separation process is a major challenge, because the yeasts are small and low density. For this purpose the hydrocyclone emerges as an interesting alternative, because it uses the same principle of centrifugal separation, requires low maintenance and can be readily sterilized. This study aimed to optimize the separation process of yeast fermentation using hydrocyclones. To this end, was evaluated through experimental studies the influence of geometric and operational variables on the performance of hydrocyclones. A factorial experimental design (34) was applied and the results were used for the determination of empirical mathematical models that describe the capacity, total efficiency of separation, the flow ratio and reduced separation efficiency as a function of different geometric variables (feed inlet diameter, overflow diameter and angle of the hydrocyclone cone) and pressure drop. The geometry "optimum" founded was used in another factorial experimental design which aimed at evaluating the effect of concentration and pressure drop on the performance of the hydrocyclone. The diameters of the feed and overflow pipes studied were 2, 3 and 4 mm, while the angles of the hydrocyclone cone ranged from 6, 8 and 10º. The tests were conducted with suspensions of yeast in water with yeast concentrations from 0.5% to 5.5% by mass. All tests were performed at three different pressure drops (15, 23 and 31 psi). For yeast concentration of 1% was obtained total efficiencies of separation between 36.54 to 92.02%, reduced separation efficiencies from 4.67 to 55.59%, capacities from 0.1183 to 0.4579 m3/h and flow ratios, ranging from 31.74 to 84.30%. It also investigated the centrifugal forces generated within these devices ranging from 291g to 4153g. Analysis and discussion of the results show that the reduction of geometric variables with the increase in pressure drop and use of less concentrated suspensions led, in general, to an increase in total efficiency of separation. For the largest pressure drop conditions, the reduction of viability was checked and presented values below 6.76%. CFD techniques have also been applied in order to simulate the internal flow of a hydrocyclone. No processo de fermentação para produção de etanol, as leveduras de Saccharomyces cerevisiae são recuperadas e recicladas para uma nova etapa de fermentação. Este processo de separação representa um grande desafio, pois as leveduras são pequenas e com baixa densidade. Para tal finalidade, o hidrociclone surge como uma alternativa interessante pois, além de utilizar o mesmo princípio de separação das centrífugas, requer baixo custo de manutenção e pode ser prontamente esterilizado. O presente trabalho teve como objetivo otimizar o processo de separação de leveduras da fermentação alcoólica utilizando hidrociclones. Para tanto, avaliou-se, através de estudos experimentais, a influência de variáveis geométricas e operacionais sobre o desempenho de hidrociclones. Um planejamento experimental fatorial (34) foi empregado e os resultados foram usados para a determinação de modelos matemáticos empíricos que descrevem a capacidade, eficiência total, a razão de líquido e a eficiência total reduzida como função de diferentes variáveis geométricas (diâmetro da alimentação, diâmetro do overflow e ângulo de tronco de cone) e da queda de pressão. A geometria ótima encontrada foi utilizada em um outro planejamento 3 níveis que visava avaliar o efeito da concentração e da queda de pressão sobre o desempenho deste hidrociclone. Os diâmetros dos dutos de alimentação e overflow estudados foram de 2, 3 e 4 mm, enquanto que os ângulos de tronco de cone analisados foram de 6, 8 e 10º. Os ensaios foram conduzidos com suspensões de leveduras em água, com concentrações de leveduras de 0,5% a 5,5% em massa. Todos os testes foram realizados a três diferentes quedas de pressão (15, 23 e 31 psi). Para uma concentração de leveduras de 1%, foram obtidas eficiências totais de separação entre 36,54 a 92,02%, eficiências totais reduzidas de 4,67 a 55,59%, capacidades de 0,1183 a 0,4579 m3/h e razões de líquido com valores entre 31,74 a 84,30%. Investigaramse também as forças centrífugas geradas no interior destes equipamentos que variaram de 291g a 4153g. Da análise e discussão dos resultados, pôde-se identificar que a diminuição das variáveis geométricas junto ao aumento na queda de pressão e utilização de suspensões menos concentradas levou, de um modo geral, a um aumento na eficiência total de separação. Para as maiores condições de queda de pressão foram verificadas as quedas de viabilidade que se situaram abaixo de 6,76%. Técnicas de CFD também foram aplicadas no intuito de simular o escoamento interno de um hidrociclone. Mestre em Engenharia Química

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Filtering hydrocyclones are similar equipaments to the conventional hydrocyclone except by the fact they have filtering conical region. In this way, during the operation of this equipament, besides the feed streams, the underflow and the overflow, observed commonly, the porous conical region produces liquid by the filtration process. The filtration in the conical region of the hydrocyclone is able to reduce the Euler number and increase the particulate material collection efficiency in this type of centrifugal separator, verified by the experimental results, despite the low filtered rate. In this context, VIEIRA (2006) obtained a hydrocyclone with optimal geometry, denominated HF11, using techniques of CFD validated by experimental data. This optimal filtering hydrocyclone allowed to obtain results with low Euler numbers and high collection efficiencies. In order to give continuity to the studies mentioned previously, this work is aimed at examining the influence of the vortex finder length and the underflow diameter about the solid-liquid separation process in the filtering hydrocyclone HF11 and in the conventional hydrocyclone similar HC11. Through the techniques of factorial planning, of the experimental results and of the computational fluidodynamic, was possible analyze the influence of the vortex finder and of the underflow diameter about the solid-liquid separation. From the previous analysis, was verified that the Euler number and the cut diameter were inversely proportional to the variations of the underflow diameter. On the other hand, the Euler number was straightly proportional to the modifications of the vortex finder. About the influence of the vortex finder length on the cut diameter, also it was observed that intermediate values of this geometrical variable provided the biggest particulate material collection efficiencies. Therefore, the ideal combination between the underflow diameter and the vortex finder length in a filtering hydrocyclone will depend of the technical-operational interests of each user. Considering the experimental interval utilized in this work, if the priority of the user is to know the classification by particle size, a underflow diameter and a vortex finder length of 5 and 21 mm, respectively, would be the appropriatest. However, if the objective is only to concentrate the underflow current in solids, would be appropriate a underflow diameter and a vortex finder length of 3 and 12 mm, respectively. Hidrociclones filtrantes são equipamentos similares aos hidrociclones convencionais, exceto pelo fato de possuírem uma região cônica filtrante. Desta forma, durante o funcionamento deste separador, além das correntes de alimentação, underflow e overflow, comumente observadas, a região cônica porosa produz líquido pelo processo de filtração. Apesar da baixa vazão de filtrado, é uma constatação experimental que a filtração na região cônica de um hidrociclone é capaz de diminuir o número de Euler e aumentar a eficiência de coleta de material particulado neste tipo de separador centrífugo. Neste contexto, Vieira (2006) obteve um hidrociclone de geometria otimizada, denominado de HF11, utilizando técnicas de CFD validadas por dados experimentais. Este hidrociclone filtrante otimizado permitiu a conciliação de baixos números de Euler com altas eficiências de coleta. A fim de dar continuidade aos estudos mencionados anteriormente, este trabalho teve como objetivos a análise da influência do comprimento do vortex finder e do diâmetro de underflow sobre o processo de separação sólido-líquido no hidrociclone filtrante HF11 e similar convencional HC11. Através das técnicas de planejamento fatorial, medidas experimentais e fluidodinâmica computacional foi possível analisar a influência do vortex finder e do diâmetro de underflow sobre a separação sólido-líquido. A partir da análise anterior, foi verificado que o número de Euler e o diâmetro de corte foram inversamente proporcionais às variações de diâmetro de underflow. Por sua vez, o número de Euler comportou-se diretamente proporcional frente às modificações de vortex finder. Verificou-se ainda, que em se tratando da influência do comprimento do vortex finder sobre o diâmetro de corte, valores intermediários desta variável geométrica foram os que proporcionaram as maiores eficiências de coleta de material particulado. Concluiu-se então, que a combinação ideal entre o diâmetro de underflow e o comprimento de vortex finder num hidrociclone filtrante dependerá dos interesses técnicooperacionais de cada usuário. Portanto, considerando a faixa experimental utilizada neste trabalho, se a prioridade do usuário for prever a classificação por tamanho de partículas, um diâmetro de underflow e um comprimento de vortex finder de 5 e 21 mm, respectivamente, seriam os mais indicados. Porém, se o objetivo for unicamente concentrar a corrente de underflow em sólidos, seriam indicados um diâmetro de underflow e um comprimento de vortex finder de 3 e 12 mm, respectivamente. Mestre em Engenharia Química

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico Filtering cyclones are pieces of equipment used for separation of suspended solids present in gaseous streams. This equipment consists of the replacement of the metallic conical section by a porous conical section. In this work, through experimental design, it was studied the influence of four geometric variables on the cut diameter, collection efficiency and Euler s number. The studied variables were: overflow diameter (Do), underflow diameter (Du), conic part height (Zc) and vortex finder length (Sc). The filtering medium was polypropylene. Besides, computational fluid dynamics techniques (CFD) were applied for understanding in a better way the performance of conventional and filtering cyclones. From the experimental results and those obtained from of the simulation, it was concluded that the Euler s numbers for the filtering cyclone were lower than the conventional cyclones, thus indicating that the first one operates with a lower pressure drop and, consequently, with smaller energy consumption. The cut diameters obtained for the filtering cyclones were higher than in the conventional ones, thus indicating a lower efficiency in the collection of fine particles. Os ciclones filtrantes são equipamentos usados na separação de sólidos em suspensão presente em correntes gasosas. Este equipamento consiste na substituição da seção cônica metálica por uma seção cônica porosa. Neste trabalho estudou-se através de um planejamento composto central, a influência de quatro variáveis geométricas, sobre o diâmetro de corte, eficiência de coleta e número de Euler. As variáveis estudadas foram o diâmetro do duto de saída do gás do overflow (Do), o diâmetro do underflow, (Du), a altura da parte cônica (Zc) e o comprimento do tubo de saída do gás no interior do ciclone (Sc). O meio filtrante utilizado foi o de polipropileno. Além disso, foram aplicadas técnicas de fluidodinâmica computacional (CFD) para melhor entender o desempenho de ciclones convencionais e filtrantes. Com os resultados experimentais e os oriundos da simulação, concluiu-se que os números de Euler para os ciclones filtrantes foram sempre inferiores aos do ciclone convencional, indicando que o primeiro opera com menor queda de pressão e, conseqüentemente, com menor consumo de energia. Os diâmetros de corte obtidos para os ciclones filtrantes foram superiores aos do convencional, indicando uma menor eficiência na coleta de partículas finas. Doutor em Engenharia Química