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MANUAL DE PROCESSO
FLOTAÇÃO DE CALDO FILTRADO
USINA NOVA AMÉRICA
MAIO 1998
ENGENHO NOVO Tecnologia Ltda.
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SUMÁRIO
1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS
1.1. Separação por Flotação
1.1.1. Conceitos Gerais
1.1.2. Etapas de um Processo de Flotação
1.1.3. Mecanismos de Flotação
1.1.4. Métodos de Aeração
1.1.5. Dinâmica das Partículas durante a Separação de Fases
1.2. Flotação de Caldo Filtrado
1.2.1. Descrição do Processo
2. DESCRIÇÃO GERAL
2.1. Atribuições da Planta
2.2. Descrição Simplificada do Processo
2.3. Produtos Químicos Auxiliares de Flotação
2.3.1. Fonte de Fosfato
2.3.2. Alcalinizante / Fonte de Cálcio
2.3.3. Polímero Floculante
3. CONDIÇÕES OPERACIONAIS E DE CONTROLE
3.1. Condicionamento do Caldo Filtrado
3.1.1. Fosfatação
3.1.2. Ajuste de pH
3.2. Aeração
3.3. Macrofloculação
3.4. Flotação
4. SEQÜÊNCIAS DE OPERAÇÃO: PARTIDAS E PARADAS DO SISTEMA
4.1. Preparação para Partida
4.2. Partida Normal
4.3. Parada Completa
4.4. Parada Parcial
5. PROBLEMAS DE PROCESSO
5.1. Ausência de Flotação
5.2. Baixa Concentração do Lodo Flotado
5.3. Cor Excessivamente Amarelada no Caldo
5.4. Espuma Frágil e Clara na Superfície do Flotador
5.5. Material Insolúvel no Caldo Filtrado Clarificado
5.6. Turbidez Excessiva
5.7. Turbulência no Flotador
6. ACOMPANHAMENTO DO PROCESSO
1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS
1.1. Separação por Flotação
1.1.1. Conceitos Gerais
A flotação é um processo de separação sólido-líquido e líquido-líquido onde
os materiais em suspensão são recuperados através de sua adesão às bolhas
de um gás (geralmente ar), tornando-os mais leves que o meio. Os flocos
formados, em oposição ao processo de decantação, tendem a flutuar na
superfície do meio, de onde são removidos na forma de um lodo ou espuma.
Dentre os diversos fatores que afetam a flotação, podem ser destacados: a
hidrofobicidade da partícula, a razão de tamanhos entre as bolhas de ar e
as partículas, e o grau de turbulência na suspensão. Somam-se a esses
fatores todos os processos que antecedem a flotação propriamente dita.
A hidrofobicidade (aversão à água) da partícula está relacionada à
tendência que o material em suspensão tem em se aderir às bolhas de ar e,
conseqüentemente, em ser removido do meio, em comparação à sua tendência em
permanecer suspenso na fase líquida. A hidrofobicidade é mais importante
quando o processo de flotação se dá por adesão/adsorção entre a partícula e
a bolha de ar, e menos importante quando o mecanismo de flotação é por
arraste ou aprisionamento.
Existe uma relação estreita entre os tamanhos das bolhas de gás e das
partículas em suspensão e o grau de turbulência no meio. O tamanho das
bolhas de gás deve ser tal que apenas algumas poucas bolhas sejam
suficientes para tornar a densidade do floco inferior à densidade do meio.
Ao mesmo tempo, bolhas muito grandes causam turbulência no meio, impedindo
o seu contato com as partículas. De forma ideal, deve-se ter bolhas de gás
com tamanhos semelhantes aos das partículas, que variam entre 10 e 200
micra. Quando o tamanho é inferior a 10 micra, a flotação é muito lenta e,
devido à hidrodinâmica do líquido, o contato entre bolhas e partículas é
bastante dificultado. Acima de 200 micra, as bolhas se tornam muito
grandes, causando turbulência no meio.
1.1.2. Etapas de um Processo de Flotação
Por ser um processo de separação físico-químico, a flotação envolve uma
série de etapas distintas que devem ser realizadas em uma seqüência
específica. Cada etapa e sua ordenação no processo depende da aplicação em
questão. De forma geral, um processo de flotação pode envolver as etapas de
condicionamento, ajuste de temperatura, introdução de ar (ou aeração),
macrofloculação e separação de fases.
A etapa de condicionamento consiste no "preparo" das partículas presentes
no meio através de um ou mais processos químicos, com o objetivo de torná-
las hidrófobas, hidrofílicas, ou então de precipitá-las e/ou aglomerá-las
em pequenos flocos (microflocos), mais fáceis de serem separados do meio.
Após o condicionamento, pode ser necessária uma etapa de aquecimento,
utilizada para acelerar as reações de condicionamento, reduzir a
viscosidade da fase líquida, e/ou evitar o desenvolvimento de infecção no
meio. Em seguida, tem-se a etapa de aeração, onde é efetuada a adição de
microbolhas de ar, que vão se unir às partículas a serem separadas do meio,
tornando-as menos densas do que a fase líquida e, portanto, propensas à
flotação. Uma etapa complementar de macrofloculação é necessária quando a
flotação se processa por aprisionamento. Nesse caso, as partículas
(microflocos) são agrupadas com as bolhas de ar para a formação de grandes
flocos (macroflocos) de densidade mais baixa, que assim flotam rapidamente.
A separação das fases é realizada em um tanque flotador, onde as partículas
ou flocos menos densos que o líquido encontram condições favoráveis para
deslocar em relação ao líquido, acumulando na superfície do equipamento sob
a forma de uma densa espuma. A remoção dessa espuma é feita mecanicamente,
originando uma fase líquida isenta de partículas ou flocos.
1.1.3. Mecanismos de Flotação
A flotação das partículas em suspensão em um líquido pode ocorrer por um ou
mais dos seguintes mecanismos: adesão/adsorção, arraste, e aprisionamento.
Estes estão representados esquematicamente na Fig. 1.
Fig. 1 - Mecanismos de Flotação: ( bolha de ar; ( partícula em suspensão
Na flotação por adesão/adsorção, o contato entre as bolhas de ar e as
partículas em suspensão ocorre através da atração físico-química entre
ambas. Nesse caso, as superfícies das partículas apresentam propriedades
naturais que favorecem, preferencialmente, a ligação destas com as bolhas
de ar (hidrofobicidade), em detrimento ao contato com o líquido que compõe
o meio. Isso faz com que as bolhas se liguem intimamente às partículas,
formando aglomerados ar-partículas bastante estáveis, com densidade
inferior à da suspensão. Neste caso, a estabilidade do processo depende da
força de atração entre as bolhas e as partículas, podendo variar de acordo.
A flotação por arraste ocorre quando uma grande quantidade de bolhas, ao se
dirigir para a superfície do meio, arrasta consigo as partículas que se
encontram em suspensão. Nesse caso, não existe qualquer força ou mecanismo
de união entre as partículas e as bolhas de ar, sendo a flotação
extremamente instável. Uma vez que se interrompa a geração de bolhas, as
partículas sedimentam imediatamente, cessando o processo de flotação.
Por fim, em um processo de flotação por aprisionamento, as bolhas de ar são
capturadas no interior das partículas (ou então no interior de flocos
contendo essas partículas). Em geral, esse processo se dá pela floculação
das partículas à partir de uma suspensão, onde elas se encontram
intimamente dispersas em meio a bolhas de ar. Durante a formação e o
crescimento dos flocos, ocorre o aprisionamento de um grande número de
bolhas de ar, acarretando uma redução na densidade final dos aglomerados
partícula-ar para valores abaixo da densidade do líquido. Nesse caso, a
estabilidade dos flocos formados é, na maioria das vezes, muito grande,
favorecendo uma flotação rápida, eficiente e permanente.
1.1.4. Métodos de Aeração
A etapa de aeração é vital para a garantia de uma boa eficiência ao
processo de flotação. Existem formas diferentes pelas quais as bolhas de ar
podem ser introduzidas no processo, sendo as mais usuais a dispersão
mecânica do ar (flotação por ar disperso), a dissolução e posterior
nucleação do ar na suspensão (flotação por ar dissolvido), a geração de
gases por eletrólise (eletroflotação), e o turbilhonamento em cascata.
Devido ao seu maior interesse, somente os dois primeiros métodos serão
discutidos.
Em geral, a introdução de ar por dispersão mecânica ocorre pelo
borbulhamento de ar (natural ou forçado) sob as pás de um agitador a alta
velocidade ou sob o rotor de uma bomba, ou então pelo borbulhamento de ar
através de uma membrana porosa. A formação de pequenas bolhas de ar ocorre
pelo atrito e cisalhamento de bolhas de ar grandes em regiões onde o
escoamento se dá a altas velocidades. A vantagem desse processo consiste na
possibilidade de se introduzir no líquido uma grande quantidade de ar. Em
contrapartida, no entanto, as bolhas formadas são relativamente grandes,
dificultando a sua adesão às partículas. Além disso, a grande turbulência
causada pelo borbulhador pode acarretar a quebra de flocos presentes no
meio, bem como resultar em um considerável consumo de energia. A Fig. 2
mostra uma típica célula de flotação por ar disperso.
Fig. 2 - Célula de Flotação por Ar Disperso
A flotação por ar dissolvido baseia-se no princípio de que a solubilidade
de um gás em um líquido é maior quanto maior for a pressão estática no
meio. A introdução do ar é obtida através da pressurização inicial do
líquido (ou de parte dele), em íntimo contato com o ar que é borbulhado no
seu interior, que promove a dissolução do ar no líquido. Na etapa seguinte,
a pressão do meio é aliviada, o que faz com que a solubilidade do ar no
líquido reduza bruscamente, ficando assim o líquido supersaturado com ar.
Em conseqüência, tem-se a nucleação/precipitação do excesso de ar na forma
de minúsculas bolhas (microbolhas), que tendem a se formar,
preferencialmente, junto às partículas que se encontram em suspensão, que
atuam como núcleos de precipitação. Nesse processo, as bolhas de ar
formadas são muito pequenas (possibilitando a separação de partículas com
dimensões reduzidas), e se formam exatamente onde devem "atuar", ou seja,
junto às partículas em suspensão, o que se constitui em uma grande vantagem
do processo. Contudo, a flotação com ar dissolvido apresenta como
desvantagem a limitação prática da quantidade de ar que pode ser adicionada
ao processo, uma vez que esta depende da diferença entre as solubilidades
do ar no meio à alta e à baixa pressões. Ainda, uma vez que a solubilidade
do ar em soluções aquosas decresce em função do aumento da temperatura e
também do aumento do teor de sólidos dissolvidos no meio (brix) (ver Fig.
3), em processos realizados à quente e/ou com elevado teor de sólidos
dissolvidos, a quantidade de ar disponível é reduzida sendo, em muitos
casos, insuficiente para promover a flotação completa das partículas em
suspensão no líquido. Outra desvantagem da aeração por ar dissolvido
consiste no maior consumo de energia, bem como na necessidade de utilizar
um compressor para a adição do ar ao meio.
Fig. 3 - Solubilidade do Ar em Sol. Aquosas (1 atm): Efeito do Brix e da
Temperatura
Uma interessante forma de aeração, que combina vantagens dos dois processos
anteriores, sem contudo incorporar suas respectivas desvantagens, consiste
na aeração com o Sistema Air-Jet(. No interior do Sistema Air-Jet( (Fig.
4), o líquido é acelerado em um venturi, onde troca pressão estática por
velocidade de escoamento. Dessa forma, gera-se vácuo à saída do bico
ejetor, e tem-se a sucção de ar atmosférico, que flui em paralelo com o
líquido em direção à câmara de mistura. Nessa câmara, ocorre o processo
inverso de desaceleração do meio, com a conseqüente permuta de velocidade
de escoamento por energia de cisalhamento e pressão estática. Em
determinado ponto dessa câmara (zona de choque), ocorre o "choque" do ar
com o líquido, o que promove um íntimo contato entre as fases. Na zona de
choque a pressão estática eleva-se instantaneamente, ao mesmo tempo em que
o atrito e o cisalhamento causados provocam a íntima dispersão do ar no
líquido, com a formação de microbolhas. A mistura líquido-ar passa então
por um cone divergente, onde é concluída a permuta entre velocidade de
escoamento e pressão estática. Com o aumento da pressão estática, tem-se a
dissolução de parte do ar que encontra-se disperso no meio, originando um
meio praticamente saturado com ar dissolvido e que contém uma grande
quantidade de microbolhas de ar, finamente divididas e dispersas.
Na aeração com o Sistema Air-Jet( as bolhas de ar são produzidas tanto
segundo o mecanismo de ar dissolvido quanto segundo o mecanismo de ar
disperso, sem limitações na quantidade de ar que pode ser adicionada e sem
a necessidade de utilizar compressores de ar, garantindo-se ótima
eficiência, com baixo investimento e reduzido consumo energético.
Fig. 4 - Aeração com o Sistema Air-Jet(: Perfil de Pressão
1.1.5. Dinâmica das Partículas durante a Separação de Fases
Existem vários modelos que buscam descrever a dinâmica (ou movimento) de
uma partícula em relação a um líquido onde ela se encontra em suspensão.
Esses modelos levam em consideração diversos fatores, que incluem as forças
da gravidade e do empuxo, a resistência mecânica que o líquido impõe ao
movimento da partícula, a hidrodinâmica e o grau de turbulência no meio, a
esfericidade da partícula, a concentração de partículas no meio, a rigidez
das mesmas, etc.
Em um processo de flotação, a densidade da partícula (ou do floco ar-
partícula) é inferior à densidade do líquido, e seu movimento se processa
no sentido oposto ao da força da gravidade, uma vez que a magnitude da
força de empuxo é maior do que a magnitude da força da gravidade. Ao
contrário, em um processo de decantação, a densidade da partícula é maior
do que a densidade do líquido e, conseqüentemente, seu movimento se dá no
mesmo sentido da força da gravidade.
Segundo um dos modelos mais simples que existem, o modelo de Stokes, que é
aplicável para partículas rígidas e esféricas em regime de escoamento
laminar, a velocidade terminal com que uma partícula se desloca em relação
ao líquido em meio a um campo gravitacional é dada pela expressão:
Decantação:
Flotação:
onde "vt" representa a velocidade terminal de deslocamento da partícula
(floco) em relação ao líquido (velocidade de separação), "g" a aceleração
da gravidade, "D" o diâmetro da partícula, "(p" a densidade da partícula,
"(l" a densidade do líquido, e "(" a viscosidade do meio.
Observando-se as equações acima, tem-se que tanto na decantação como na
flotação a velocidade de separação de uma partícula é diretamente
proporcional ao quadrado do seu diâmetro, diretamente proporcional à
diferença entre as densidades da partícula e do líquido, e inversamente
proporcional à viscosidade do meio. Dessa forma, fica evidente que existem
três maneiras de se aumentar a velocidade de separação de uma partícula,
que são através do aumento do diâmetro da partícula, do aumento da
diferença entre as densidades da partícula e do líquido, e da diminuição da
viscosidade do meio.
O aumento do diâmetro de uma partícula/floco é a maneira mais simples e
eficiente de acelerar a sua separação gravitacional (a velocidade de
separação é proporcional ao quadrado do diâmetro). Tal aumento é
normalmente obtido através da adição de um agente floculante, que provoca a
aglomeração de várias partículas, que passam a formar um único floco com
maior diâmetro. Contudo, deve-se atentar que existe um limite ótimo para o
aumento de diâmetro que pode ser obtido através de floculação. À partir de
um determinado número de partículas, um pequeno aumento no diâmetro do
floco corresponde a adesão de um grande número de novas partículas. Isso,
por sua vez, exige o consumo de uma grande quantidade de agente floculante,
o que acaba sendo pouco interessante ou mesmo inviável.
Por outro lado, a velocidade de separação de uma partícula também pode ser
aumentada através do aumento da diferença entre as densidades da partícula
(floco) e do líquido. Enquanto na flotação isso pode ser obtido com a
adição de ar às partículas (flocos) (tornando-as mais "leves" que o meio),
na decantação isso só é possível com a adição de agentes de co-floculação
(mais pesados que o meio), o que na maioria dos casos práticos não é
possível. Essa característica confere à flotação uma grande vantagem em
relação à decantação, uma vez que em um processo de flotação a velocidade
de separação de uma partícula (floco) pode ser aumentada tanto pelo aumento
do tamanho do floco quanto pela adição de ar à partícula (floco).
Importante salientar que a adesão de bolhas de ar a uma partícula (floco)
atua de duas maneiras, uma vez que além da reduzir a densidade da partícula
(floco), ela também causa um aumento no seu diâmetro, possibilitando a
formação de flocos maiores do que em um processo de decantação. Por esse
motivo, uma separação por flotação pode ser até 20 vezes mais rápida do que
a mesma separação por decantação.
Finalmente, os processos de separação por flotação e decantação também
podem ser acelerados através da diminuição da viscosidade do meio. Para
tal, a maneira mais simples e eficiente consiste em se aquecer o mesmo.
A Fig. 5 ilustra o que deve ser feito para separar partículas (flocos)
quaisquer por meio de flotação ou decantação. O gráfico da figura
representa o que acontece com uma partícula (floco) genérica após esta
passar um determinado tempo (o tempo de residência) em suspensão em um dado
líquido, em função do diâmetro e da densidade dessa partícula (floco). As
linhas sólidas mais grossas delimitam as regiões (I, II e III) que
correspondem aos três comportamentos distintos que essa partícula (floco)
pode apresentar quando em suspensão. Nesse sentido, uma partícula (floco)
que possui uma combinação de diâmetro e densidade tal que ela se encontra
no interior da região I irá permanecer em suspensão no líquido após
transcorrido o tempo de residência (ou seja, a partícula não se separará
naturalmente nem por flotação nem por decantação). Por sua vez, uma
partícula (floco) que possui uma combinação de diâmetro e densidade tal que
ela se encontra no interior da região II irá se separar do líquido
naturalmente por flotação, sem necessidade de qualquer ação externa para
promover seu aumento de diâmetro ou diminuição de densidade. Finalmente,
uma partícula (floco) que possui uma combinação de diâmetro e densidade tal
que ela se encontra no interior da região III irá se separar do líquido
naturalmente por decantação, não necessitando de qualquer ação externa para
promover o seu aumento de diâmetro ou aumento de densidade.
Fig. 5 - Separação de Partículas por Flotação e Decantação
A eficiência de uma separação por flotação ou decantação consiste,
portanto, em se conseguir separar aquelas partículas (flocos) que, em
condições naturais, não seriam separadas do líquido pelo respectivo
processo. Em outras palavras, o mais importante em um processo de flotação
é fazer com que as partículas (flocos) que se encontram nas regiões I e III
do gráfico migrem para a região II, dessa forma sendo separadas por
flotação durante o tempo de residência preestabelecido. De maneira análoga,
o mais importante em um processo de decantação consiste em se deslocar as
partículas (flocos) localizadas nas regiões I e II para o interior da
região III. Nesse sentido, para separar por decantação a partícula "A"
(localizada no interior da região I), é preciso fazer com que esta migre
para a região III, o que pode ser obtido com o aumento do seu diâmetro
(deslocamento horizontal para a direita, obtido com a adição de agentes
floculantes), ou com o aumento da sua densidade (deslocamento vertical para
cima, obtido com a adição de agentes de co-floculação mais pesados que a
partícula/floco), ou com uma combinação de ambos efeitos. De mesma maneira,
para flotar a partícula "B" (localizada no interior da região I), é
necessário que esta migre para a região II, através do aumento do seu
diâmetro (deslocamento horizontal para a direita, obtido pela adição de
agentes floculantes e/ou ar), da redução da sua densidade (deslocamento
vertical para baixo, obtido com a adição de ar), ou ainda, pela combinação
de ambos efeitos. Importante reiterar que na flotação ambos efeitos podem
ser obtidos através da adição de ar às partículas (flocos), caracterizando
a flexibilidade da flotação.
1.2. Flotação de Caldo Filtrado
A clarificação e remoção das impurezas do caldo filtrado por flotação tem
se mostrado uma alternativa muito eficiente, simples e de reduzido custo
para melhorar a qualidade global de um processo de tratamento de caldo,
constituindo-se em uma excelente solução para a otimização e/ou aumento da
capacidade instalada. Em relação à decantação de caldo, a flotação
apresenta-se como um processo muito mais rápido (15 a 20 minutos), com
maior flexibilidade operacional e que apresenta custos de instalação bem
menores.
O caldo filtrado, quando reciclado para o tratamento de caldo misto,
representa de 10 a 20% da vazão de caldo a ser tratado pela decantação, e
até 50% da carga total de impurezas que é admitida no sistema. Com a
instalação de uma unidade de flotação de caldo filtrado, obtem-se um
aumento significativo na capacidade de processamento do sistema de
tratamento de caldo misto existente, bem como uma considerável melhora na
qualidade do caldo decantado, uma vez que cerca de metade das impurezas
deixa de ser realimentada ao processo.
1.2.1. Descrição do Processo
O processo simplificado da flotação de caldo filtrado é apresentado na
Figura 6, e o mecanismo das reações envolvidas na Fig. 7. Tem-se,
inicialmente, a etapa de microfloculação das impurezas, que consiste na
dosagem de fonte de fosfato (quando necessário) e de leite de cal. Nessa
etapa, os íons cálcio (positivos) formam um complexo estável com as
impurezas e as proteínas que se encontram sobre a superfície das impurezas
(negativas). Em paralelo, os íons hidroxila provocam um aumento no pH do
caldo, causando a precipitação de sais insolúveis de cálcio, principalmente
sais de fosfato. Como efeito global resultante tem-se a floculação primária
ou a microfloculação das impurezas do caldo, que ficam interligadas por
meio de "pontes" formadas por sais insolúveis de cálcio e proteínas.
Fig.6 - Fluxograma Simplificado da Flotação de Caldo Filtrado
Fig. 7 - Mecanismo de Flotação do Caldo Filtrado:
( - Impureza; ( - proteína; ( - íons cálcio; ( - íons fosfato;
( - bolhas de ar; ( - polímero aniônico
A microfloculação é, opcionalmente, seguida pelo aquecimento do caldo, que
além de acelerar as reações de precipitação e reduzir a solubilidade dos
sais inorgânicos de cálcio, favorece a auto-coagulação das proteínas. Em
seguida é feita a introdução de ar através de aeradores do tipo AIR-JET(,
onde uma grande quantidade de microbolhas de ar é gerada e introduzida no
caldo. As bolhas, em contato íntimo com os microflocos de impurezas, formam
uma suspensão/dispersão uniforme de flocos e bolhas de ar. Após a
introdução de ar é feita a adição de polieletrólito floculante. O polímero
se agrega aos microflocos de impurezas, formando macroflocos ou flocos
secundários que, ao se formarem, aprisionam as bolhas de ar dispersas no
caldo, tornando-os menos densos que o líquido.
No flotador, ocorre a separação das fases do meio. Durante o tempo de
retenção no interior do tanque, os flocos aerados se deslocam em regime
laminar em direção à superfície do equipamento, onde se acumulam formando
uma espessa e escura camada de lodo que é removida por raspadores. O caldo
clarificado, isento de impurezas em suspensão e com qualidade igual à de um
decantador, é enviado para as etapas seguintes de processamento.
É importante ressaltar que, no compto global, a implantação de uma unidade
de flotação de caldo filtrado não origina um maior consumo de produtos
químicos, uma vez que o consumos destes na decantação é reduzido
proporcionalmente.
Complementarmente, a Figura 8 ilustra três alternativas para a instalação
da flotação de caldo filtrado. Na primeira, o caldo filtrado é reciclado
diretamente dos filtros para a decantação. Nesse caso, entre 20 e 50% das
impurezas alimentadas à decantação são oriundas do caldo filtrado,
correspondendo a 10 a 20% da vazão total de caldo a ser tratado. Na segunda
alternativa, o caldo filtrado é submetido a um processo de flotação, e
depois reciclado para a decantação. Nessa opção, a carga de impurezas
alimentada à decantação é menor do que no caso anterior em cerca de 20 a
50%, mantendo-se, aproximadamente, uma mesma vazão de caldo a ser tratada
no decantador. Finalmente, no último caso, o caldo filtrado flotado é
enviado diretamente para evaporação ou fermentação. Quando isso é feito,
não só a carga de impurezas alimentada à decantação é reduzida em 20 a 50
%, como a vazão de caldo enviada ao tratamento de caldo misto também é
reduzida em até 20%, originando, assim, uma significativa melhora na
qualidade do caldo decantado (e/ou aumento na capacidade de tratamento).
Reciclo de Caldo
Filtrado p/ Decantação
Reciclo de Caldo
Flotado p/ Decantação
Caldo Flotado Direto
p/ Processamento
Fig. 8 - Alternativas para Processamento do Caldo Filtrado
2. DESCRIÇÃO GERAL
2.1. Atribuições da Planta
A unidade de tratamento de caldo filtrado por flotação foi projetada para
processar até 200 m3/h de caldo filtrado, oriundo dos filtros rotativos à
vácuo.
2.2. Descrição Simplificada do Processo
O caldo filtrado oriundo dos filtros rotativos à vácuo é recolhido no
tanque de condicionamento, que tem a função de permitir as reações de
microfloculação das impurezas do caldo filtrado. No trajeto dos filtros
para o tanque de condicionamento, o pH do caldo filtrado é corrigido com
leite de cal para 7,5-8,0, que é a faixa ótima para precipitação dos sais
insolúveis de cálcio. À entrada do tanque de condicionamento, o caldo
filtrado é, opcionalmente, dosado com fonte de fosfato, para facilitar e
acelerar a microfloculação. Quando efetuada, essa dosagem situa-se na faixa
de 50 a 150 ppm (g/m3 caldo) P2O5. O pH é controlado automaticamente
através de controlador PID, enquanto a adição da fonte de fosfato é feita
através de bomba dosadora com inversor de freqüência.
Do tanque de condicionamento, o caldo filtrado é bombeado para o flotador
de caldo filtrado, passando durante o trajeto pelos aeradores. Nos
aeradores, o caldo filtrado recebe admissão de ar atmosférico. A vazão
total de ar admitida no caldo filtrado é monitorada em rotâmetro de ar, e
depende do teor de impurezas e da vazão de caldo filtrado. Após a aeração,
o caldo filtrado segue para o flotador.
No flotador, ocorre a separação das diferentes fases do meio. Durante o
tempo de retenção do caldo filtrado no flotador, as impurezas (agregadas às
bolhas de ar) flotam, concentrando-se na superfície do equipamento. Ao
mesmo tempo, o caldo filtrado clarificado se direciona à parte inferior do
flotador. A operação do flotador é efetuada de forma a se retirar o lodo
flotado com a maior concentração possível, sem no entanto comprometer a
qualidade do caldo filtrado clarificado. A concentração e a espessura da
camada de lodo flotado são reguladas através do ajuste do nível de operação
do flotador. O nível de operação do flotador é regulado na válvula de
controle de nível, situada à saída do caldo filtrado clarificado. Ainda, o
flotador é dotado de uma saída de lodo para retirada do lodo decantado, que
é retirado continuamente através de bomba com controle de vazão por
inversor de freqüência.
O caldo filtrado clarificado segue por gravidade do flotador para o tanque
de caldo para decantação, e dali para o tratamento de caldo misto. O lodo
flotado é removido do flotador por meio de raspadores de superfície, e
recolhido na calha de lodo. Dessa calha, o lodo segue, para o tanque de
lodo que alimenta os filtros à vácuo da usina.
2.3. Produtos Químicos Auxiliares de Flotação
2.3.1. Fonte de Fosfato
. Especificação do Produto: Ácido Fosfórico ou qualquer outra Fonte de
Fosfato que seja solúvel em água, com teor de P2O5
superior a 50%p/p. Não é necessária a utilização de
produto com pureza "grau alimentício", podendo ser
utilizado produto "grau industrial".
. Forma de Aplicação: Produto Bruto (ácido fosfórico) ou em Solução Aquosa
entre 5 e 50%p/v (demais fontes de fosfato).
. Dosagem (g/m3 caldo): 50 a 150 ppm P2O5.
. Forma de Atuação: O Fosfato é um ânion polivalente que reage
quimicamente com os cátions (íons cálcio) presentes
em solução no caldo filtrado, promovendo a
precipitação de sais insolúveis que arrastam consigo
as impurezas do meio.
2.3.2. Alcalinizante / Fonte de Cálcio
. Especificação do Produto: Hidróxido de cálcio em suspensão aquosa (leite
de cal) ou em suspensão/solução de sacarose (sacarato
de cálcio). O hidróxido de cálcio deve possuir teor
de CaO superior a 80%p/p.
. Forma de Aplicação: Leite de Cal a 5oBé ou Sacarato de Cálcio (1 parte
de leite de cal a 10oBé + 2 partes de xarope
clarificado a 60oBx).
. Dosagem: Suficiente para manter o pH do caldo filtrado na entrada do
flotador na faixa 7,5 - 8,0.
. Forma de Atuação: O Hidróxido de Cálcio atua como agente alcalinizante
na manutenção de um pH apropriado para realização das
reações de microfloculação, bem como fonte dos
cátions cálcio que promovem a precipitação dos sais
insolúveis que arrastam consigo as impurezas do caldo
filtrado.
2.3.3. Polímero Floculante
. Especificação do Produto: Polieletrólito Aniônico de alto peso molecular
e elevado grau de hidrólise, à base de co-polímeros
de acrilamida e acrilatos (poliacrilamida-acrilato).
. Forma de Aplicação: Solução Aquosa entre 0,05 e 0,1%p/v (0,5 a 1,0 g/l).
A solução deve ser preparada com água fria e tratada.
. Dosagem (g/m3 caldo): 3 a 10 ppm (dosagem da ordem de 0,5 a 1,0 ppm
para cada 1%v/v de impurezas na alimentação do
processo).
. Forma de Atuação: O Polímero Floculante promove a macrofloculação das
impurezas do caldo filtrado com a incorporação de
bolhas de ar no interior desses flocos, permitindo a
sua flotação.
3. CONDIÇÕES OPERACIONAIS E DE CONTROLE
As condições operacionais e de controle apresentadas neste ítem aplicam-se
todas as vezes em que a planta estiver operando em regime contínuo.
3.1. Condicionamento do Caldo Filtrado
O Condicionamento do Caldo Filtrado inclui as etapas de Fosfatação e Ajuste
de pH, ou seja, aquelas etapas que são necessárias à precipitação e à
promoção da microfloculação das impurezas do caldo filtrado.
3.1.1. Fosfatação
Uma vez que o caldo filtrado é muito pobre em fosfato dissolvido e este tem
uma participação fundamental durante o processo de precipitação e
microfloculação das impurezas presentes no meio, pode ser necessária a
complementação de fosfato ao meio. A dosagem do produto vai depender da
qualidade e da quantidade de impurezas no caldo filtrado, sendo recomendada
uma dosagem da ordem de 50 a 150 ppm (g/m3 caldo filtrado) de P2O5. A fonte
de fosfato utilizada pode ser tanto o ácido fosfórico quanto qualquer outra
fonte solúvel de fosfato. No caso de se utilizar o ácido fosfórico,
recomenda-se a aplicação do produto bruto, enquanto para qualquer outra
fonte de fosfato recomenda-se a aplicação de uma solução aquosa com
concentração entre 5 e 50%p/v. A fonte de fosfato deve ser adicionada ao
caldo filtrado no tanque de condicionamento, sendo importante que o produto
disperse rapidamente no caldo. A adição de fosfato deve ser feita por meio
de bomba dosadora, com vazão controlada através de inversor de freqüência.
3.1.2. Ajuste de pH
A correção do pH do caldo filtrado é feita através da adição de leite de
cal (ou de sacarato de cálcio). O produto deve ser adicionado através de
bomba dosadora, com vazão controlada através de um controlador digital PID,
variando em função do pH do caldo condicionado (à saída do tanque de
condicionamento), que deve situar-se no intervalo entre 7,5 e 8,0, que
representa a condição ótima para a precipitação dos sais de fosfato de
cálcio e a microfloculação das impurezas.
A adição do leite de cal (sacarato de cálcio) ao caldo filtrado deve ser
feita durante a etapa de condicionamento do caldo, não fazendo diferença
adicionar o leite de cal (sacarato de cálcio) antes ao após a fonte de
fosfato. Entretanto, é importante observar que um produto só pode ser
adicionado ao caldo filtrado após o produto anterior estar completamente
disperso no meio.
3.2. Aeração
A aeração do caldo filtrado é feita de forma contínua e controlada nos
aeradores Air-Jet(, sendo a vazão de ar regulada manualmente e monitorada
no rotâmetro de ar. A vazão de ar deve ser ajustada de acordo com a demanda
do processo, e deve situar-se entre 2 e 6% da vazão de caldo filtrado. O
excesso de ar produz uma turbulência indesejável à entrada do flotador,
enquanto vazões de ar muito baixas são insuficientes para a flotação de
todas as impurezas do caldo filtrado.
O sistema de aeração é composto por 3 aeradores Air-Jet(. Para melhor
desempenho da etapa de aeração e a conseqüente otimização do consumo dos
produtos químicos, recomenda-se a adoção das seguintes condições para a
operação dos aeradores, segundo as faixas de vazão de caldo filtrado
indicadas abaixo:
"Vazão de Caldo "No Aeradores "
"Filtrado (m3/h) " "
"60 a 100 "1 "
"100 a 180 "2 "
"> 180 "3 "
É importante observar sempre a pressão manométrica do caldo filtrado à
entrada dos aeradores, que não deve ser superior a 3,5 kgf/cm2. Caso isso
ocorra, deve-se operar com um aerador adicional e uma pressão mais baixa.
Toda vez que a pressão subir, não sendo possível operar de acordo com a
tabela acima com pressão à entrada dos aeradores inferior a 4,0 kgf/cm2,
deve-se efetuar a limpeza dos bicos dos aeradores.
3.3. Macrofloculação
A adição de polímero floculante ao caldo filtrado é feita entre os
aeradores e o flotador, no balão regulador de aeração. A dosagem ideal de
polímero floculante ao caldo filtrado situa-se entre 3 e 10 ppm (g/m3 caldo
filtrado), dependendo da quantidade de microflocos em suspensão no meio.
Como referência, deve-se adotar uma dosagem da ordem de 0,5 a 1,0 ppm para
cada 1%v/v de impurezas na alimentação do processo. É importante que a
solução de polímero seja preparada a uma concentração da ordem de 0,05 a
0,10 %p/v (0,5 a 1,0 g/l), de forma a proporcionar uma rápida dispersão e
atuação do produto no caldo filtrado. A admissão do polímero floculante
também deve ser feita por meio de bomba dosadora, com sua vazão controlada
através de inversor de freqüência.
3.4. Flotação
No flotador ocorre a separação das impurezas em suspensão no caldo
filtrado. Os sólidos em suspensão, mais leves que o caldo filtrado, flotam
para a superfície, enquanto o caldo filtrado clarificado direciona-se para
o fundo do flotador. No interior do flotador, os raspadores de superfície
removem o lodo flotado para a calha de lodo. A velocidade de rotação dos
raspadores deve ser ajustada de modo a não ultrapassar 0,3 RPM, evitando-se
dessa forma turbulência no interior do flotador.
O nível de operação do caldo filtrado no flotador deve ser ajustado tal que
seja possível a retirada de todo o lodo formado no processo, não permitindo
o acúmulo contínuo de lodo no interior do flotador. Com nível de operação
baixo, o lodo flotado tende a concentrar no interior do equipamento, sendo
o nível mínimo de operação estabelecido pela capacidade de retirada de lodo
flotado pelos raspadores. Com nível alto, reduz-se a concentração do lodo
flotado, e a operação acima de um determinado nível causa o transbordamento
de caldo para a calha de lodo. O nível de operação do flotador é regulado
através do ajuste da sua válvula de controle de nível, que está situada à
saída de caldo filtrado clarificado. O caldo clarificado é retirado à meio
altura do flotador, através dessa válvula. A pequena quantidade de lodo que
decanta acumula-se no fundo do flotador, de onde é retirada por meio de uma
bomba dotada com inversor de freqüência para controle da vazão.
4. SEQÜÊNCIAS DE OPERAÇÃO: PARTIDAS E PARADAS DO SISTEMA
As condições de partida e parada do sistema descritas neste ítem aplicam-
se, respectivamente, para todas as vezes em que o flotador de caldo
filtrado se encontrar parado e vazio ou em operação em condições de regime.
4.1. Preparação para Partida
Antes de ser dada a partida do sistema, deve-se prepará-lo conforme o
procedimento descrito a seguir:
. Checar a instalação apropriada dos aeradores;
. Verificar a calibração das curvas de dosagem dos diversos produtos
químicos no controlador digital PID, seguindo as instruções dos
fabricantes dos equipamentos e as condições básicas de processo;
. Verificar se todos os motores de bombas e acionamentos de agitadores
e raspadores encontram-se desligados;
. Verificar se todas as válvulas de bloqueio das linhas de caldo, ar,
água e insumos encontram-se fechadas;
. Verificar se os tanques estão drenados e seus respectivos drenos
estão fechados;
. Verificar se a válvula telescópica de controle do nível do flotador
encontra-se na posição mais baixa (menor nível de operação);
. Verificar se todos os produtos químicos estão devidamente preparados
e em quantidade disponível para operação do sistema em regime contínuo; e
. Verificar a disponibilidade de matéria prima em quantidade suficiente
para a manutenção da operação do sistema em regime contínuo.
4.2. Partida Normal
. Abrir as válvulas de alimentação e saída de caldo filtrado dos
aeradores (conforme a tabela apresentada no ítem 3.2), bem como as
válvulas da linha de caldo filtrado entre o tanque de condicionamento e o
flotador;
. Iniciar a alimentação de caldo filtrado ao tanque de condicionamento;
. Quando o tanque de condicionamento atingir o nível de operação
apropriado, acionar as bombas de caldo filtrado bruto, enviando o caldo
filtrado para o flotador;
. Durante o enchimento do flotador, não proceder a dosagem dos produtos
químicos ao processo;
. Ligar o acionamento dos raspadores do flotador;
. Quando o flotador estiver completado com o caldo filtrado, iniciar a
dosagem da fonte de fosfato, do leite de cal (sacarato de cálcio) e do
polímero floculante, nessa ordem;
. Iniciar a admissão de ar ao(s) aerador(es);
. Com a operação em regime, regular o nível de operação do flotador, de
forma que a retirada de lodo flotado seja contínua e constante;
. Ligar a bomba de retirada de lodo decantado, regulando o inversor de
freqüência para que a bomba opere à meia carga; e
. Proceder o ajuste fino da aeração do caldo filtrado no(s)
aerador(es).
4.3. Parada Completa
As instruções abaixo conduzem o sistema de uma condição de operação normal,
em regime, a uma condição de parada completa. Os procedimentos de Parada
Completa devem ser adotados todas as vezes que for prevista uma parada com
duração superior à 1 hora. Tais procedimentos são os seguintes:
. Cerca de 10 minutos antes da interrupção da alimentação do caldo
filtrado ao processo, elevar o nível de operação do flotador na sua
válvula de controle de nível, escoando todo o lodo flotado através da
calha de lodo;
. Assim que for cessar a alimentação do caldo filtrado, interromper a
dosagem da fonte de fosfato, do leite de cal (sacarato de cálcio) e do
polímero floculante;
. Fechar a(s) válvula(s) de alimentação de ar no(s) aerador(es);
. Desligar as bombas de caldo filtrado bruto;
. Esgotar o flotador através da sua válvula de controle de nível, até
que ele atinja seu nível mínimo possível. Em seguida, desligar a bomba de
retirada de lodo decantado e drenar o flotador;
. Proceder a drenagem e limpeza de todas as linhas e equipamentos.
4.4. Parada Parcial
As instruções abaixo conduzem o sistema de uma condição de operação normal
a uma condição de parada parcial. Os procedimentos de Parada Parcial devem
ser adotados toda vez que for prevista uma parada com duração inferior à 1
hora. Tais procedimentos são os seguintes:
. Cerca de 10 minutos antes da interrupção da alimentação do caldo
filtrado ao flotador, elevar o nível de operação do flotador na sua
válvula de controle de nível, escoando todo o lodo flotado através da
calha de lodo;
. Assim que for cessar a alimentação do caldo filtrado, interromper a
dosagem da fonte de fosfato, do leite de cal (sacarato de cálcio) e do
polímero floculante;
. Fechar a(s) válvula(s) de alimentação de ar no(s) aerador(es);
. Desligar as bombas de caldo filtrado bruto; e
. O acionamento do flotador e a bomba de retirada de lodo decantado
devem permanecer ligados.
Quando a alimentação de caldo filtrado for ser reiniciada, proceder da
seguinte forma:
. Ligar as bombas de caldo filtrado bruto;
. Iniciar a dosagem da fonte de fosfato, do leite de cal (sacarato de
cálcio) e do polímero floculante, nessa ordem;
. Iniciar a admissão de ar ao(s) aerador(es);
. Com a operação em regime, regular o nível de operação do flotador, de
forma que a retirada de lodo flotado seja contínua e constante; e
. Proceder o ajuste fino da aeração do caldo filtrado no(s)
aerador(es).
5. PROBLEMAS DE PROCESSO
De forma geral, os principais problemas operacionais ocorrem devido ao
controle incorreto dos parâmetros de processo. No caso da flotação de caldo
filtrado, os principais parâmetros de processo são: dosagens da fonte de
fosfato e de polímero floculante; pH do caldo filtrado; vazão de ar; nível
de operação do flotador; a concentração e espessura da camada de lodo
flotado no flotador; e a taxa de retirada de lodo decantado.
À seguir, são descritos os problemas de processo mais freqüentemente
encontrados, bem como as ações corretivas recomendadas para cada caso.
5.1. Ausência de Flotação
A ausência de flotação pode ser devida a diversos fatores, dentre os quais:
aeração insuficiente; falta, baixa dosagem ou má qualidade do polímero
floculante; pH incorreto do caldo filtrado; e/ou falta de fosfato no caldo
filtrado. Em primeiro lugar, deve-se verificar cada um desses parâmetros e
corrigir eventuais problemas. Caso o problema não seja resolvido, deve-se
coletar amostras do caldo filtrado na entrada do flotador e verificar a
presença ou ausência de flocos em suspensão no caldo, bem como se os mesmos
estão flotando ou se permanecem em suspensão. A ausência total de flocos no
caldo indica má microfloculação, devendo ser verificada/aumentada a dosagem
de fonte de fosfato e/ou de leite de cal (sacarato de cálcio). Flocos muito
pequenos indicam má macrofloculação, devendo-se verificar/aumentar a
dosagem de polímero floculante. Por fim, flocos que não flotam indicam
insuficiência ou excesso de ar, ou então lentidão na ação do polímero
floculante (ocorre normalmente quando a solução de polímero floculante já
foi preparada há muito tempo).
5.2. Baixa Concentração do Lodo Flotado
Quando o processo opera normalmente e o lodo encontra-se muito diluído,
pode-se aumentar sua concentração pelo aumento da espessura da camada de
lodo na superfície do flotador, baixando-se seu nível de operação. Caso o
acionamento dos raspadores seja dotado de regulagem de velocidade, a
concentração do lodo flotado também pode ser aumentada pela redução da
velocidade de raspagem.
5.3. Cor Excessivamente Amarelada no Caldo
Este problema ocorre quando se opera com pH acima da faixa recomendada.
Neste caso, deve-se ajustar o pH para a faixa de projeto.
5.4. Espuma Frágil e Clara na Superfície do Flotador
Pode indicar uma aeração excessiva do caldo filtrado ou a ausência de
flotação (ver ítem 5.1). Em caso de aeração excessiva, proceder o ajuste da
vazão de ar.
5.5. Material Insolúvel no Caldo Filtrado Clarificado
Indica uma má flotação ou um acúmulo de lodo no flotador. Verificar os
parâmetros citados no ítem 5.1, principalmente a dosagem de polímero
floculante, e avaliar se a camada de lodo flotado não está muito espessa.
Se este for o caso, elevar o nível de operação do flotador para expulsar
todo o lodo flotado, retornando em seguida à regulagem normal do nível de
operação do sistema. Muitas vezes, a presença de material insolúvel no
caldo clarificado também é uma indicação da existência de excesso de
material decantado no fundo do flotador. Nesse caso, recomenda-se aumentar
a taxa de retirada de lodo decantado, podendo-se também efetuar uma purga
maior do produto de fundo do equipamento durante alguns minutos.
5.6. Turbidez Excessiva
Normalmente, o aumento da turbidez do caldo clarificado está relacionado a
problemas durante a etapa de microfloculação. É necessário verificar o pH
do caldo filtrado, bem como a dosagem da fonte de fosfato.
5.7. Turbulência no Flotador
Pode ser devida a dois fatores: excesso de ar admitido no(s) aerador(es),
ou temperatura acima das condições de projeto. Verificar ambos e proceder a
correção necessária.
6. ACOMPANHAMENTO DO PROCESSO
Para o bom andamento do processo de tratamento de caldo filtrado e o melhor
desempenho do flotador, é recomendável que seja efetuado o seu
acompanhamento a nível de laboratório. Devem ser realizadas análises
regulares do brix, pol, pureza, impurezas insolúveis, pH, e contagem de
microorganismos. As marchas analíticas a serem adotadas são as usuais, hoje
já implementadas na usina. Ainda, é importante que as amostras sejam
coletadas sempre nos mesmos pontos, e que as mesmas sejam representativas
do todo.
A tabela a seguir apresenta o regime de análises recomendado:
"Amostra "Ponto de Coleta "Análise "Freqüência "
"Caldo "Entrada do tanque de "Brix "2 horas "
"Filtrado "condicionamento, antes da adição "Impurezas "2 horas "
"Bruto "da fonte de fosfato e do leite de"Insol. "1 hora "
" "cal. "pH "2 horas "
" " "Pol "2 horas "
" " "Pureza "24 horas "
" " "Contagem " "
"Caldo "Saída do Flotador, na válvula de "Brix "2 horas "
"Filtrado "controle de nível "Impurezas "2 horas "
"Clarifica" "Insol. "1 hora "
"do " "pH "2 horas "
" " "Pol "2 horas "
" " "Pureza "24 horas "
" " "Contagem " "
-----------------------
Filtração
Caldo Misto
Decantação
Caldo Clarificado
Torta do
Filtro
Caldo Filtrado
Lodo
Filtração
Caldo Misto
Decantação
Caldo Clarificado
Torta do
Filtro
Caldo Filtrado
Flotação
Caldo Flotado
Lodo
Lodo
Flotação
Filtração
Caldo Misto
Decantação
Caldo Clarificado
Torta do
Filtro
Caldo Flotado
(p/ processo)
Caldo Filtrado
