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https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/44964
ORCID: | ![]() |
Document type: | Tese |
Access type: | Acesso Embargado Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 United States |
Embargo Date: | 2027-02-13 |
Title: | Otimização geométrica de hidrociclones convencionais e filtrantes para operar com suspensões não-newtonianas |
Alternate title (s): | Geometric optimization of conventional and filtering hydrocyclones to process non-newtonian suspensions |
Author: | Morimoto, Murilo Guimarães |
First Advisor: | Vieira, Luiz Gustavo Martins |
First coorientator: | Barrozo, Marcos Antonio de Souza |
First member of the Committee: | Silva, Danylo de Oliveira |
Second member of the Committee: | Bicalho, Isabele Cristina |
Third member of the Committee: | Scheid, Cláudia Miriam |
Fourth member of the Committee: | Kyriakidis, Yanne Novais |
Summary: | Hidrociclones são dispositivos que utilizam o princípio da sedimentação centrífuga para apartar uma fase dispersa de uma contínua líquida. Para melhorar o desempenho do hidrociclone é possível trocar o material maciço de seu cone por um elemento permeável, criando os hidrociclones filtrantes. Neste trabalho, foi avaliado como mudanças na geometria do equipamento e reologia da suspensão influenciam o desempenho dos hidrociclones convencionais e filtrantes. Três suspensões de reologias diferentes foram avaliadas, as quais foram obtidas ao variar a concentração mássica de carboximetilcelulose (CMC) entre 0,20% até 0,60%. Por meio de um Planejamento Composto Central, foi estudado o efeito causado pelas variáveis geométricas: diâmetro de alimentação e de overflow, comprimento total do hidrociclone e ângulo da seção cônica. A partir dos resultados e utilizando o algoritmo de Evolução Diferencial, foi possível propor hidrociclones convencionais e filtrantes otimizados para operar suspensões cuja reologia se assemelhasse à dos fluidos estudados. Tais dispositivos apresentaram alta eficiência de separação (Caso 01), ou puderam gerar correntes de underflow altamente concentradas (Caso 02), ou apresentaram um baixo consumo de energia (Caso 03). Independentemente da reologia do fluido, o hidrociclone filtrante teve um menor consumo de energia do que o equipamento convencional. A reologia da suspensão influenciou o desempenho de ambas as categorias de hidrociclones. Ao aumentar a concentração mássica de CMC de 0,20% para 0,60%, as eficiências de separação dos hidrociclones convencional e filtrante reduziram cerca de 29% e 16%, respectivamente. Os hidrociclones otimizados convencionais, e em parênteses os hidrociclones otimizados filtrantes, do Caso 01, operados com suspensões contendo concentração mássica de CMC de 0,2%, 0,4% e 0,6%, apresentaram, respectivamente, eficiência de separação 68,54% (72,03%), 60,91% (72,22%) e 57,29% (67,21%). Para o Caso 02, e operando as suspensões com concentração mássica de CMC de 0,20%, 0,40% e 0,60%, os hidrociclones convencionais otimizados, e em parênteses os filtrantes otimizados, atingiram razões de líquido, respectivamente, de 5,18% (1,01%), 9,42% (13,18%) e 15,06% (14,43%). Para o Caso 03, os hidrociclones convencionais otimizados e, em parênteses, os hidrociclones filtrantes otimizados, ao serem operados com suspensões contendo concentrações mássicas de CMC de 0,2%, 0,4% e 0,6%, atingiram, respectivamente, número de Euler de 896 (722), 756 (836) e 572 (541). Foi avaliado computacionalmente como a operação de filtração influencia a hidrociclonagem. Quando os hidrociclones filtrantes foram simulados com uma fase contínua newtoniana, a diferença entre a queda de pressão simulada e experimental foi de 6%, enquanto a diferença referente à razão de líquido foi de 7%, esses resultados indicam que a abordagem computacional foi satisfatória. Além disso, foi simulado como a reologia da suspensão influencia o desempenho do hidrociclone filtrante, os resultados apontaram que ao aumentar a concentração de CMC de 0,2% até 0,6% reduz a componente de velocidade tangencial da suspensão e aumenta o volume do vórtice externo, reduzindo a eficiência de separação e aumentando a razão de líquido |
Abstract: | Hydrocyclones are devices that use the principle of centrifugal sedimentation to separate a dispersed phase from a continuous liquid phase. To improve hydrocyclone performance, it is possible to replace the solid material of the cone with a permeable element, creating filtering hydrocyclones. This study evaluated how changes in equipment geometry and suspension's rheology influence the performance of conventional and filtering hydrocyclones. Three suspensions of different rheology were evaluated, which were obtained by varying the mass concentration of carboxymethylcellulose (CMC) from 0.2% to 0.6%. Using a Central Composite Design, the effect of geometric variables: feed and overflow diameter, total length of the hydrocyclone, and angle of the conical section were studied. Based on the results and using the Differential Evolution algorithm, it was possible to propose conventional and filtering hydrocyclones optimized to operate suspensions whose rheology resembled that of the fluids studied. These devices exhibited high separation efficiency (Case 01), or were able to generate highly concentrated underflow streams (Case 02), or showed low energy consumption (Case 03). Regardless of the rheology of the fluid, the filtering hydrocyclone had lower energy consumption than conventional equipment. The rheology of the suspension influenced the performance of both categories of hydrocyclone. By increasing the mass concentration of CMC from 0.2% to 0.6%, the separation efficiencies of the conventional and filter hydrocyclones decreased by around 29% and 16%, respectively. The optimized conventional hydrocyclones, and in brackets, the optimized filtering hydrocyclones of Case 01, operated with suspensions containing a mass concentration of CMC of 0.2%, 0.4% and 0.6%, showed separation efficiencies of 68.54% (72.03%), 60.91% (72.22%) and 57.29% (67.21%), respectively. For Case 02, and operating the suspensions with a mass concentration of CMC of 0.2%, 0.4%, and 0.6%, the optimized conventional hydrocyclones, and in parentheses the optimized filters, achieved liquid ratios of 5.18% (1.01%), 9.42% (13.18%) and 15.06% (14.43%) respectively. For Case 03, the optimized conventional hydrocyclones and, in brackets, the optimized filtering hydrocyclones, when operated with suspensions containing mass concentrations of CMC of 0.2%, 0.4%, and 0.6%, achieved Euler numbers of 896 (722), 756 (836) and 572 (541) respectively. How the filtration operation influences hydrocycloning was evaluated computationally. When the filtering hydrocyclones were simulated with a Newtonian continuous phase, the difference between the simulated and experimental pressure drop was 6%, while the difference regarding the liquid ratio was 7%; these results indicate that the computational approach was satisfactory. In addition, it was simulated how the rheology of the suspension influences the performance of the filtering hydrocyclone. The results showed that increasing the CMC concentration from 0.2% to 0.6% reduces the tangential velocity component of the suspension and increases the volume of the external vortex, reducing the separation efficiency and increasing the liquid ratio. |
Keywords: | Sistema particulado Particulate system Sedimentação centrífuga Centrifugal sedimentation Evolução diferencial Differential evolution Reologia Rheology CFD CFD |
Area (s) of CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA |
Language: | por |
Country: | Brasil |
Publisher: | Universidade Federal de Uberlândia |
Program: | Programa de Pós-graduação em Engenharia Química |
Quote: | MORIMOTO, Murilo Guimarães. Otimização geométrica de hidrociclones convencionais e filtrantes para operar com suspensões não-newtonianas. 2025. 177 f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2017. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2025.62 |
Document identifier: | http://doi.org/10.14393/ufu.te.2025.62 |
URI: | https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/44964 |
Date of defense: | 13-Feb-2025 |
Sustainable Development Goals SDGs: | ODS::ODS 9. Indústria, Inovação e infraestrutura - Construir infraestrutura resiliente, promover a industrialização inclusiva e sustentável, e fomentar a inovação. |
Appears in Collections: | TESE - Engenharia Química |
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