Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Goiás – Câmpus Goiânia

Curso Superior de Bacharelado em Química com perfil de formação industrial

Operações Unitárias I
Prof. Dr. Sérgio Botelho de Oliveira

CICLONES

Goiânia
2019

CICLONES – Haniel Honorato / Welton Martins 1

 CICLONES

Haniel Honorato dos Santos

Welton Martins da Silva Filho

Prof. Dr. Sérgio Botelho de Oliveira

CICLONES – Haniel Honorato / Welton Martins 2

SUMÁRIO
Introução ____________________________ 4
Características Gerais___________________ 7
Funcionamento Geral___________________ 11
Utilização_____________________________ 22
Tipos de Ciclones______________________ 24
Vantagens e Desvantagens_______________ 28
Aplicação na Indústria___________________ 30
Perdas de Carga em um Ciclone___________ 33
Variáveis de um projeto__________________ 34
Metodologia para se projetar um ciclone_____ 38
Conclusão_____________________________ 48
Bibliografia____________________________ 49

CICLONES – Haniel Honorato / Welton Martins

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 INTRODUÇÃO
• Buscando um desenvolvimento econômico alinhado com as idéias de
sustentabilidade e preservação do meio ambiente, dia após dia as indústrias tem
procurado obter melhorias nos processos industriais.

• Com os objetivos de:

- Reduzir os custos operacionais;
- Desenvolver novas tecnologias;
- Ter mais agilidade nos processos;
- Apresentar qualidade e confiabilidade no produto acabado.

CICLONES – Haniel Honorato / Welton Martins

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 INTRODUÇÃO
• A empresas buscam equipamentos que apresentam:

- Menor consumo de energia;

- Pouca necessidade de manutenção;
- Alta durabilidade;
- Eficiência nos processos através da qualidade total;
- Redução de mão-de-obra operacional;
- Preservação da fauna e flora;
- Baixo custo de operação.

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 INTRODUÇÃO
• Intuito do Ciclone:

- Resolver o problema de poluição

atmosférica causado pela emissão de
gases poluentes ou partículas ao ar.

• Os ciclones têm sido utilizados

desde o século XIX para separar
partículas sólidas em
escoamentos de suspensão
fluido-partículas.
Figura 1: Foto de um ciclone.
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CARACTERÍSTICAS GERAIS
Os ciclones:

• São constituídos de corpos cilíndricos assentado sobre

um tronco de cone;
• Fluxo é introduzido tangencialmente na câmara
cilíndrica ou cônica nas vizinhanças do topo em alta
velocidade (6-20 m/s);
• Sólidos adquirem movimento espiralado e
descendente.
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Figura 2: Padrão de fluxo em um ciclone

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CARACTERÍSTICAS GERAIS
Os ciclones:

•São equipamentos utilizados industrialmente para

separar partículas sólidas em suspensão no fluxo de
gases de exaustão / despoeiramento.
•São de fácil construção, possui baixo custo de material e
de operação e possui uma ampla faixa de condições de
operação;
•Equipamento simples, sem partes móveis;
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 CARACTERÍSTICAS GERAIS
• Podem trabalhar a seco ou a umido;

• Suportam trabalhar com altas temperaturas e pressões.

Temperaturas até 1000ºC e pressões de até 500 atm;

• São eficientes para partículas maiores que 10 micrômetros;

• São menos econômicos que as câmaras gravitacionais

para partículas maiores que 200 microns;

1 micrômetro = 0,001
milímetro
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FUNCIONAMENTO GERAL

Vídeo 1: Funcionamento do ciclone

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 FUNCIONAMENTO GERAL
• Dentro do ciclone as partículas
experimentam na direção radial dois
tipos de forças opostas:
- Força centrífuga
- Força de arraste.

• A força centrífuga tende a empurrar

partículas para as paredes do ciclone
enquanto a força de arraste age no
sentido de carregar as partículas
junto com o gás na saída do ciclone. Figura 3: Fluxo em um ciclone

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 FUNCIONAMENTO GERAL
• Nas velocidades tangenciais elevadas, a força
centrífuga é várias vezes maior que a da gravidade.
De 5 a 2500 vezes a força da gravidade

• Os ciclones efetuam uma separação mais rápida e

mais eficiente do que as câmaras de sedimentação
gravitacional.

Figura 4: Câmara de Sedimentação Gravitacional

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 FUNCIONAMENTO GERAL

• Admite-se que, num ciclone, as partículas atingem

com rapidez a sua velocidade terminal.

• Considerando-se uma partícula esférica obediente à

lei de Stokes, a equação que evidencia a velocidade
radial da partícula é:
Equação (1)

• Assim, quanto maior a velocidade terminal, maior

será a velocidade radial, e mais fácil será separar a
partícula.
CICLONES – Haniel Honorato / Welton Martins 14
FUNCIONAMENTO GERAL
• No entanto, o cálculo da velocidade radial é
complicado pois é uma função da velocidade
terminal, da velocidade tangencial, e da posição em
relação ao centro do ciclone.

• Pode-se calcular, teoricamente, o tamanho da

menor partícula retida por um ciclone, mas a
experiencia mostra que a aglomeração das
partículas e o arraste tendem a provocar desvios.

• Os ciclones são projetados para separar partículas

com um certo tamanho já definido.

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FUNCIONAMENTO GERAL
• Eficiência:
A eficiência de coleta é diretamente relacionada à
aerodinâmica e geometria do ciclone, é diretamente
proporcional à força centrífuga.
Equação (2) m = massa
v² = velocidade ao quadrado
R = raio

1. Quanto mais pesada (maior e mais densa) a partícula sólida maior será a
eficiência do ciclone.
2. Quanto maior a velocidade de ciclonamento maior será a eficiência,
observando o limite de deslocamento aerodinâmico.
3. Quanto menor o Raio do Ciclone maior a eficiência.
CICLONES – Haniel Honorato / Welton Martins 16
FUNCIONAMENTO GERAL
20
• Eficiência: Partículas

100
Eficiência pode ser Partículas
definida como a
fração ponderal das
partículas, de um
determinado
tamanho, que são
separadas pelo
ciclone. 80
Partículas

Eficiência = 80%
Figura 5: Eficiência do ciclone

CICLONES – Haniel Honorato / Welton Martins 17

FUNCIONAMENTO GERAL
• Diâmetro de Corte: 50 Partículas
Over Flow

População de 200 Partículas

100 Partículas de um
determinado diâmetro

50 Partículas
Under Flow

Eficiência = 50%
Figura 6: Diâmetro de Corte do ciclone

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FUNCIONAMENTO GERAL
• Diâmetro de Corte:

50%
Defini-se o diâmetro de Over Flow

corte como o diâmetro das Partículas

Diâmetro
partículas cuja metade
ponderal é separada.

50%
Under Flow

Figura 6: Diâmetro de Corte do ciclone

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 FUNCIONAMENTO GERAL
• A curva de eficiência de um ciclone típico é:

Figura 7. Razões entre as dimensões de partícula, Dp/Dcorte

CICLONES – Haniel Honorato / Welton Martins 20

 FUNCIONAMENTO GERAL

• É possível aumentar a eficiência

do ciclone aplicando-se lavagem
a úmido, quando se trata de
separação de gases que
contenham partículas sólidas
muito finas.

• O gás sujo passa, fluindo pra

cima. As partículas são
removidas através de borrifos
de água que tendem a retira-las
e arrastá-las para remoção pelo
fundo do depurador.
Figura 8. Ciclone Depurador
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 UTILIZAÇÃO
• São utilizados em
Indústrias como:

• Fundições;
• Caldeiras;
• Siderurgia;
• Mineração;
• Refinarias de petróleo;
• Químicas;
• De plástico;
• De cimento, etc. Figura 9. Ciclone em aplicação: Indústria de cimento.

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UTILIZAÇÃO

Também são empregados em

processos de:

• Controle de poluição;
• Coletagem de produtos após
secadores de leito fluidizado;
• Indústria alimentícia;
• Secagem de materiais Figura 10. Máquina de limpeza e pré-limpeza com
ciclone
granulares;
• Limpeza prévia.
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TIPOS DE CICLONES Saída do ar com
finos não coletados

• São Fabricados em Entrada Radial de

aerossol no ciclone
duas formas
construtivas:
- De entrada radial
- De entrada Axial

• Em geral, o ciclone
mais empregado é o Saída do pó
ciclone de fluxo coletado na base
do ciclone
reverso.
Figura 11. Ciclone de fluxo reverso.

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TIPOS DE CICLONES
• Os ciclones podem ser utilizados
individualmente, ou em grupos denominados
multiciclones.

Video 2: Multiciclones em paralelo.

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TIPOS DE CICLONES

• Ciclones em série:
Quando se deseja
aumentar a eficiência de
coleta

• Ciclones em paralelo:
Quando se deseja
aumentar a vazão, a
eficiência permanece a
Figura 12. Multiciclones em paralelo.
mesma.

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TIPOS DE CICLONES
• Fluxograma de ciclone em série e em paralelo.

Figura 13. Fluxograma de multiciclones em série e em paralelo.

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VANTAGENS E DESVANTAGENS
• Vantagens:
- Baixo custo;
- Baixa perda de carga;
-Resistência a corrosão e temperatura;
(Dependendo do material utilizado na fabricação e das condições de uso)
- Simplicidade de projeto e manutenção;
- Possibilidades de coletar partículas e gases ao
mesmo tempo;
- Tamanho reduzido;
- Retenção de partículas sem necessidade de filtros;
- Ocupa pouco espaço;
- Os ciclones constituem um dos sistemas mais
econômicos para a separação de gases e partículas.
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VANTAGENS E DESVANTAGENS
• Desvantagens:

- Baixa eficiência para partículas menores que 5

micrômetros (0,005mm);
- Excessivo desgaste por abrasão;
- Possibilidade de entupimento;
-Geração de resíduos;
Dependendo da operação
-Unidades de alta eficiência causam alta queda de
pressão;
Alto custo operacional
- Não é aconselhado para partículas muito viscosas e
pegajosas.
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Aplicações na industria

Figura 14 :Fluxograma geral de fabricação de tintas em pó.

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 Aplicações na industria

Figura 15. Fluxograma simplificado de fabricação de tintas em pó.

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Aplicações na industria

Figura 16 :Utilização de ciclone em processo de secagem por atomização (Spray-drying)

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Perdas de Carga em um Ciclone
•As perdas de carga são relativamente grandes e
aumentam à medida que o diâmetro do ciclone diminui.
•Fontes de perda de carga:
- atrito no duto de entrada;
- contração e expansão na entrada;
- atrito nas paredes;
- Perdas cinéticas no ciclone;
- Perdas na entrada do tubo de saída;
- Perdas de pressão estática entre a entrada e a saída;
- Recuperação no tubo de saída.
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 Variáveis de um Projeto

Tabela 1. Legenda das variáveis de um ciclone

Símbolo Unidade Descrição

Dc m Diâmetro do ciclone

a m Altura do bocal de entrada

b m Largura do bocal de entrada

S m Comprimento do cilindro de saída

Diâmetro do duto de saída do gás
De m
(overflow)
h m Altura da parte cilíndrica do ciclone

H m Altura total do ciclone

Diâmetro da saída de pó
B m
(underflow)

Figura 17: Dimensões de ciclone Zc m Altura da parte cônica do ciclone

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 Variáveis de um Projeto

Tabela 2. Relações geométricas para diversas famílias de ciclones.

LAPPLE SWIFT STAIRMAND SWIFT STAIRMAND SWIFT
DIMENSÃO
PG PG AE AE AV AV

De/Dc 0,5 0,5 0,5 0,4 0,75 0,75

a/Dc 0,5 0,5 0,5 0,44 0,75 0,8

b/Dc 0,25 0,25 0,20 0,21 0,375 0,35

H/Dc 4,0 3,75 4,0 3,9 4,0 3,7

h/Dc 2,0 1,75 1,5 1,4 1,5 1,7

B/Dc 0,25 0,4 0,375 0,4 0,375 0,4

S/Dc 0,625 0,6 0,5 0,5 0,875 0,85

Legenda: PG - propósito geral; AE - alta eficiência; AV - alta vazão.

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 Variáveis de um Projeto

 Operam numa faixa de velocidade do gás na entrada,

entre:
Lapple /Swift– 5 a 20 m/s;
Stairmand – 10 a 30 m/s
 As faixas de vazões que podem ser tratadas por ciclones
varia de 50 a 50.000 m3/h.

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 Variáveis de um Projeto

• Para vazões maiores que 20.000 m3/h, indica-se

dividir o fluxo para ciclones em paralelo.

• Ciclones menores tendem a ser mais eficientes e

operam com perdas de carga maiores que ciclones
grandes .

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 Metodologia para se projetar
um ciclone
Basicamente para se projetar um ciclone são necessários os
seguintes passos:

a)Cálculo das dimensões do ciclone;

b)Cálculo da velocidade;
c)Cálculo da queda de pressão;
d)Determinação da potencia do exaustor/ventilador.

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Metodologia para se projetar
um ciclone
a) Cálculo das dimensões do ciclone:
No dimensionamento deve-se considerar o diâmetro de corte
(D*) e o diâmetro do corpo cilíndrico (Dc).

D* pode ser obtido utilizando-se modelos matemáticos de

distribuição de partículas como RRB (Rosin-Rammler-
Bennet)e log normal.

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Metodologia para se projetar um
ciclone
Equação (3)
Equação geral do modelo rrb
D= Diâmetro
X=Fração cumulativa com
diâmetro menor que D.

Figura 18: gráfico do modelo rrb 40

Metodologia para se projetar um
ciclone

Figura 19: Desempenho dos ciclones lapple e strairmand para

distribuição granulométrica pelo modelo log-normal
41
Metodologia para se projetar
um ciclone

Equação (4)

Onde:
D*=Diâmetro de corte
D’ e n=Parâmetros do
modelo RRB

42
Metodologia para se projetar
um ciclone
Equação (5)

Equação geral do ciclone

Onde:
D*=Diâmetro de corte
Dc=Diâmetro do cilindro
K=Parâmetro empírico
U= Viscosidade do gás
Q=Vazão
Ps =Densidade do sólido
P= Densidade do ar
43
Metodologia para se projetar
um ciclone

Figura 20: Tipos de ciclone, condições de operação e valores de k

44
 Metodologia para se projetar
um ciclone
b) Cálculo velocidade:

A eficiência do processo de separação depende de uma velocidade

de entrada do fluxo de ar que deve ser entre 5 e 30m/s.

Equação (6)
V= Q/a.b

Onde: Q= Vazão
a= Altura da entrada de ar do ciclone
b= Largura da entrada de ar do ciclone

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 Metodologia para se projetar
um ciclone
c) Calculo da queda de pressão:

O calculo da queda de pressão de faz importante devido as

perdas de carga geradas no ciclone.

onde: β=Coeficiente especifico para

o tipo do ciclone
ΔP=Variação de pressão
Equação (7) pf= Densidade do fluxo
vc= Velocidade no interior do ciclone

46
 Metodologia para se projetar
um ciclone

d) Cálculo da potência do exaustor:

A potência consumida pelo motor do exaustor (Wc) de forma a
manter a vazão volumétrica pode ser estimada pela Equação (x).

Equação (9)
onde: Q=vazão
Δ PL=Queda de pressão
n= Rendimento do motor

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 Conclusão
Ciclones são separadores fluido-sólido constituídos de corpo
cilíndrico e base cônica com saída de sólido em sua extremidade
inferior e saída de gás limpo na extremidade superior. Seu
funcionamento basea-se na diferença de força de arraste de
partículas em um fluxo centrifugo. Apresentam grande eficiência na
separação fluido-solido , baixo custo de construção, instalação e
manutenção e permitem trabalho em condições variáveis de
temperatura e pressão.
Assim os ciclones mostram-se uma alternativa viável para uso em
processos industriais.

CICLONES – Haniel Honorato / Welton Martins 48

BIBLIOGRAFIA
Foust, A. et al. Principios das operações unitárias. 2 ed. Rio de Janeiro: LTC
Editora, 1982.

Agroards, Máquina de Limpeza e Pré Limpeza Grain Cleaner, 2019.

<www.agroads.com.br/maquina-de-limpeza-e-pre-limpeza-grain-
cleaner_77859.html> acesso em: 25/11/2019.

UFRGS, Secagem de vegetais , 2019, <www.ufrgs.br/alimentus1/objetos

/veg_desidratados/index.html> acesso em: 25/11/2019.
 
Engquimicasantossp, Ciclones Industriais, Separadores Ciclonicos , 2012,
<www.engquimicasantossp.com.br/2012/07/ciclones-industriais.html >
acesso em: 25/11/2019.

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BIBLIOGRAFIA
CORBARI – Filtro Ciclone, 2015, < www.corbari.com.br/filtro-ciclone > acesso em:
25/11/2019.
 
Apoio Projetos Eng, Separador Ciclonico, 2016, < www.apoioprojetos.com.br/filtros-
ciclone-multiciclone-e-defagulhador/#1548421205082-e90650c9-a9d2519c-
7c3d34e0-f795> acesso em: 25/11/2019.

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