BR202021024976U2 - Aperfeiçoamento em flotador híbrido para tratamento de águas oleosas - Google Patents

Abstract

Patente de Modelo de Utilidade “APERFEIÇOAMENTO EM FLOTADOR HÍBRIDO PARA TRATAMENTO DE ÁGUAS OLEOSAS”. De acordo com a presente patente de modelo de utilidade, pertencente a área de engenharia sanitária, refere-se a aperfeiçoamentos desenvolvidos com o intuito de aumentar a eficiência, amenizar dificuldades e solucionar problemas nos flotadores existentes. O FHTAO descrito é um equipamento industrial que: tem como operação unitária a separação de suspensões líquido-líquido e/ou sólido-líquido, com mecanismo híbrido de geração de microbolhas nas faixas de tamanhos característicos de flotadores dos tipos FAI e FAD; com auxílio de câmaras de flotação dispostas horizontalmente; opera saturando os efluentes de cada câmara com ar atmosférico; utiliza Bombas Centrífugas Multiestágios (12, 28) para présaturação do efluente de cada estágio; no topo de cada câmara Raspadores Mecânicos de Espuma (19), acionados eletromecanicamente, facilitam a coleta das espumas oleosas formadas. Opera analogamente a uma bateria de dois reatores de mistura perfeita, em série, com base na ressaturação dos efluentes da Primeira Câmara de Flotação (3) e da Segunda Câmara de Flotação (5), o que garante que os estágios funcionem como tanques de mistura “perfeita”; a alta eficiência de remoção da fase dispersa é obtida pela utilização de correlações cinéticas descritas.

Description

APERFEIÇOAMENTO EM FLOTADOR HÍBRIDO PARA TRATAMENTO DE ÁGUAS OLEOSAS Campo da invenção.

[001] A presente patente de modelo de utilidade , pertencente a área de engenharia sanitária, refere-se a aperfeiçoamentos desenvolvidos com o intuito de aumentar a eficiência, amenizar dificuldades e solucionar problemas nos flotadores existentes, encontrados pelos usuários do setor tecnológico de processos e equipamentos industriais de tratamento de produtos diversos, e em especial de águas oleosas.

[002] As melhorias introduzidas no APERFEIÇOAMENTO EM FLOTADOR HÍBRIDO DE TRATAMENTO DE ÁGUAS OLEOSAS, aqui denominado FHTAO, busca a síntese de sistemas ótimos para o tratamento de efluentes com redução dos teores de óleos e graxas, DBO, DQO e sólidos em suspensão. O termo híbrido se refere a um modus operandi de tratamento caracterizado por semelhanças a dois tipos de mecanismo de flotação – por ar dissolvido (FAD) e por ar induzido (FAI), objetivando separar misturas do tipo águaóleo para reaproveitamento da fase aquosa e/ou oleosa em forma de reuso e/ou para outras atividades industriais.

Campo da Aplicação.

[003] Muitas indústrias produzem nos estágios de produção, transporte e manutenção, bem como durante a utilização de derivados de petróleo e seus derivados resíduos aquosos com altos teores de óleos. O descarte ou até mesmo a reinjeção da água oleosa só é permitida após a remoção do óleo e sólidos em suspensão a níveis aceitáveis. Segundo a legislação ambiental no Brasil, os efluentes descartados não devem exceder o valor de 20 mg/L, relativo ao teor de óleos e graxas em água, ou seja, essas águas residuárias devem passar por um tratamento adequado para descarte e/ou reuso.

[004] Mesmo durante o tratamento de esgotos sanitários, a qualidade dos efluentes oriundos de reatores anaeróbios, em geral não atendem às exigências ambientais. Consequentemente, é necessário a aplicação de um sistema complementar, de pós-tratamento, para a melhoria do efluente final da estação. Uma alternativa atraente para o pós-tratamento desses efluentes anaeróbios é a flotação. Ela remove os sólidos em suspensão e, quando em combinação com agentes coagulantes, surfactantes e biossurfactantes pode remover com maior eficácia nutrientes e a matéria orgânica dissolvida. Afora estes benefícios, a flotação proporciona a redução dos teores de gases odoríferos, além de elevar o nível de oxigênio dissolvido, o que resulta num efluente de melhor qualidade.

[005] Atualmente reconhece-se a importância do tratamento dos efluentes visando reduzir os impactos negativos introduzidos pelas diferentes atividades sobre os corpos hídricos receptores, como a mortalidade de peixes, a produção de gases tóxicos, a proliferação de algas, a intoxicação da fauna e flora aquática e para a garantia da saúde pública e de modo geral para a qualidade do meio ambiente.

[006] A flotação é um processo que envolve três fases: líquida, sólida e gasosa. É utilizado para separar partículas suspensas ou materiais graxos ou oleosos de uma fase líquida. A separação é produzida pela combinação de bolhas de gás, geralmente o ar, com a partícula, resultando num agregado, cuja densidade é menor que a do líquido e portanto, sobe à superfície do mesmo, podendo ser coletada em uma operação de raspagem superficial (METCALF & EDDY, 1991).

Descrição do Estado da Técnica.

[007] Uma unidade de geração de microbolhas convencional é composta basicamente de um conjunto motobomba para pressurização da água, seguido de uma câmara de saturação onde o gás, normalmente o ar, é dissolvido na massa líquida sob pressão, e finalmente de um dispositivo de despressurização da água que sai da câmara de saturação, conforme descreve Reali Campos (1992).

[008] Segundo Haarhoff (2010 apud ARAÚJO 2007) o primeiro uso relatado do processo de Flotação por Ar Dissolvido – FAD (do inglês “Dissolved Air Flotation - DAF”) foi no século passado (ADKA; SVEEN-PEDERSEN, 1920), na Finlândia. Seu uso em escala vem ocorrendo nos últimos 60 anos. No entanto, ainda há muitas lacunas para serem preenchidas havendo necessidade de pesquisas para otimização do processo Escher (2011), bem como aumento do nível de segurança e qualidade, aumentando a eficiência na clarificação, diminuição do tempo de floculação, e também na questão de custos de investimento e operação.

[009] O sistema de Flotação por Ar Dissolvido – FAD funciona a partir de um processo em que microbolhas são geradas na câmara de saturação, de forma que essas bolhas se incorporem no interior dos flocos ou por arraste hidráulico. Esses flocos e microbolhas apresentam uma densidade aparente menor que o meio aquoso onde se encontram, o que garante, por empuxo, sua flotação até a superfície do flotador onde são removidas.

[010] Alguns parâmetros alteram a eficiência do sistema, no caso das microbolhas, uma variável importante de controle e operação de uma unidade FAD é a quantidade de microbolhas que é alterada de maneira drástica pela vazão de recirculação e pela pressão no interior da câmara de saturação, Maia (2010). Outros fatores a serem considerados que afet am a eficiência da unidade FAD é o tipo de câmara de saturação, a pressão de operação, a vazão de recirculação, a temperatura da água e as características do bocal adotado para a despressurização da água saturada.

[011] Realli (1991), destaca que a distribuição do tamanho das bolhas geradas em uma unidade de FAD está relacionada basicamente a taxa de aglutinação; referente a isso, relata que o fenômeno da aglutinação depende da taxa de colisão entre as bolhas, além das características de suas superfícies e do líquido em torno das mesmas, tensão superficial do líquido, rigidez das paredes das bolhas e dupla camada. O mesmo autor ainda comenta que, para os resultados alcançarem a melhor eficiência a faixa para o tamanho das microbolhas a ser utilizada está entre 10 µm e 120 µm, estabelecendo um diâmetro médio das bolhas de 40 µm a 60 μm.

[012] Leppinen e Dalziel (2004 apud MAIA 2010), elaboraram um estudo a respeito da distribuição dos tamanhos das bolhas geradas pela FAD dentro dos tanques de flotação de duas estações de tratamento de água. As medições foram realizadas introduzindo-se verticalmente um tubo de acrílico em diferentes profundidades dentro dos tanques. Uma bomba foi utilizada para retirar as amostras, as quais foram fotografadas com auxílio de uma câmera digital e armazenadas em um computador para posterior tratamento das imagens obtidas. No estudo foi possível analisar a ação dos “clusters”, aglomerado de bolhas, os quais agem como filtros, constituindo o meio primário de remoção d e flocos durante a FAD. Os ensaios indicaram tamanhos de bolhas na faixa de 16 µm a 350 μm, os “clusters” são promovidos pelas menores bolhas geradas, que possuem uma velocidade de ascensão menor que as maiores. Com a formação dos “ clusters”, esses adquirem altas velocidades de ascensão, sendo capazes de dominar o escoamento e as flutuações turbulentas e assim, ascender à camada de lodo. No caso, as bolhas maiores (>200 μm) são excluídas dos “clusters”, devido à presença de uma velocidade ascensional de cisalhamento que promove uma força hidrodinâmica, a qual age em todas as bolhas e que é proporcional à área superficial dessas. Com isso, as maiores forças geradas acabam agindo nas maiores bolhas fazendo com que ocorra a separação dos aglomerados.

[013] Moruzzi (2005), investigou a distribuição do tamanho das microbolhas de ar em sistemas FAD, submetido a diferentes condições e misturas (taxa de aplicação superficial na zona de contato de 25, 40 e 60 m/h e tempo de detenção de 1,10x10-2 ; 1,70x10-2 e 2,5x10 -2 h), pH (6,0; 6,25; 6,50; 6,75), taxa de recirculação (5, 10 e 20 %) e dosagem de coagulante (0 e 2,25 mg Al+3/L). Os ensaios foram realizados em 24 instalações especialmente concebidas denominadas USMB – Unidade Separadora de Microbolhas, visando à captura de imagens em movimento e não interferindo nas características originais das microbolhas. Os materiais empregados no ensaio também constituíam de uma câmera digital, conjunto de lentes de ampliação e plano de raios laser. Em todos os resultados obtido s, a distribuição do tamanho de microbolhas de ar mostrou valores de diâmetros coerentes com os encontrados na literatura, ou seja, 10 µm a 120 μm.

[014] Outro fator importante a ser considerado no FAD são as características dos dispositivos injetores, o diâmetro da entrada e da saída e a configuração interna, tendo em vista que altas velocidades de entrada do líquido recirculado na câmara de flotação acarreta quebra de flocos e piora na qualidade final do efluente. Bocais especiais patenteados, registros de agulha e até simples registros de gaveta podem ser utilizados como dispositivos injetores, Zabel (1985).

[015] A quantidade de ar fornecida à câmara de flotação pode ser variada mediante alteração da fração de recirculação, da pressão na câmara de saturação ou por ambas. Experimentos realizados variando a fração de recirculação e a pressão demonstram que a qualidade e água tratada era dependente somente da qualidade de ar fornecida ao sistema, independente dos valores individuais de pressão e de recirculação, Zabel (1984). Reali (1994), demonstrou que pressões elevadas produzem bolhas menores, e que acima de 500 kPa, o aumento na pressão de saturação tem pequeno efeito sobre os diâmetros das bolhas. Na prática, para garantir pequenas bolhas, apropriadas ao FAD, é recomendável que a câmara de saturação opere com pressão na faixa de 350 kPa a 600 kPa.

[016] Os sistemas FAD são utilizados de três formas, dependendo do método de pressurização empregado: pressurização total, parcial e com recirculação. Na flotação por ar dissolvido com pressurização total do efluente, a totalidade de vazão afluente é pressurizada. Normalmente, é utilizada quando o líquido a ser clarificado possui material em suspensão que possa ser submetido à intensa agitação, o que é realizado pela bomba de pressurização. A flotação por ar dissolvido com pressurização parcial do afluente é semelhante ao caso anterior, diferindo apenas no fato de que, neste caso, somente uma parte da vazão afluente é pressurizada. Na flotação por ar dissolvido com recirculação pressurizada ocorre a pressurização de uma parcela do afluente já clarificado, recirculando e misturando a mesma com o afluente. Esta variação é aconselhável nos casos em que estão presentes no afluente partículas frágeis, como flocos por exemplo, as quais são suscetíveis de quebra da estrutura ao passarem pela bomba. Esta modalidade é a mais comumente empregada no tratamento de esgotos sanitários e de águas para abastecimento, isto deve-se principalmente por se ter a presença de flocos frágeis formados pela coagulação prévia das partículas a serem submetidas à flotação. Tais flocos não resistiriam aos esforços cisalhantes inerentes às outras duas modalidades.

[017] Em pesquisa no banco de patentes do Instituto Nacional da Propriedade Industrial – INPI destacam-se no campo da invenção, a patente PI9201239-6 que se refere a um processo e equipamento compacto para remoção de sólidos suspensos de origem química ou biológica de diferentes efluentes industriais, especialmente contaminados com óleos e gorduras, composto de uma pré-célula eletrolítica opcional para realizar a pré -flotação, um tanque com dispositivo de remoção de resíduos, uma câmara de coagulação e um sistema de compressão e dispersão de ar em tanque fechado, com bombas de recirculação e válvulas de controle, tudo controlado por um painel elétrico caracterizando a mistura de água e ar que forma o fluxo leitoso obtido pela ação da bomba que pressuriza o tanque; a patente PI0713156-9 que se refere a um sistema controlado de forma automática por sensores e reles, para tratamento de água, de forma a remover metais e gases nocivos para tornar a água potável, através do uso de microbolhas de oxigênio formadas na eletrólise da água, capazes de oxidar substâncias que incluem manganês, ferro, arsênico, antimônio, cromo, alumínio, compostos de enxofre reduzido, resíduos de pesticidas e metabolitos de drogas e/ou bactérias, que se depositam sobre os eletrodos durante o processo; a patente PI0705428-9 que consiste de um gerador de microbolhas composto de um tanque cônico que ao longo de seu fundo existe uma pluralidade de câmaras de borbulhamento feitas de tubos de borracha, e que em cada uma destas câmaras existem perfurações micrométricas de 0,005 mm por onde entra o fluxo de ar comprimido através de um bico distribuidor de ar cuja pressão é controlada pelo operador de forma a não permitir a agregação da microbolhas em bolhas maiores; a patente PI1105005-5 que refere-se a um aperfeiçoamento no sistema da patente PI9702430-9 do mesmo autor, para remoção de materiais e/ou substancias poluentes contidas em cursos d'água, compreendendo uma caixa de areia, uma cerca de lixo flutuante, cortinas de injeções de coagulantes, injeção de polímeros, e a liberação de microbolhas de ar de forma a ocasionar a flotação de partículas agregadas que são aglomeradas e coletadas por barreiras longitudinais e flexíveis formadas por membranas sintéticas, o sistema não cita a forma de geração das microbolhas; a patente BR102012023580-3 que descreve um sistema destinado a tratar água oleaginosa, fundado em efeito vibratório controlado, em conjunção ou não com flotação (aeração), aplicável a emulsões de óleo em água, com ou sem impurezas sólidas, utiliza vários compostos orgânicos e inorgânicos, como auxiliar de adsorção e absorção, além de compostos solúveis em óleo, de natureza orgânica ou inorgânica, capazes de aumentar o efeito inercial do floco ou composto que se forma, sem contudo provocar decantação, o auxiliar é finamente pulverizado ou não, sobre o volume em vibração, para uma vez adsorvido, favorecer efeito inercial de coágulos de óleo e do adsorvente e facilitar a remoção medição fluo fluído superficial gerado na massa fluidizada, o sistema vibratório ocupa menor área relativa que outros de mesma finalidade é de fácil manutenção e operação, pode ser automático, semiautomático ou de operação manual, e ser acionado eletromecanicamente por conjunto motor-rotor desbalanceado, em se tratando de acionamento direto, ou de forma indireta, mediante sistema hidráulico, pneumático ou eletromagnético ; a patente BR102014017962-3 com alguns dos autores da presente patente, que descreve uma técnica de produção de microbolhas para serem utilizadas na separação água-óleo com auxílio do processo FAD, pela indução de ar atmosférico na linha de aspiração de uma bomba centrífuga utilizada para recirculação de parte da água tratada pela célula de flotação, os controles automáticos das vazões de ar e água tratada e da pressão na linha de descarga da referida bomba, visam alcançar uma faixa adequada para a razão entre as vazões desses fluidos, a metodologia proposta contribui para um aumento considerável da eficiência de separação água-óleo, mais especificamente para a FAD; e a patente BR102014024143-4 com alguns dos autores da presente patente, que descreve um processo de tratamento de efluente composto por águas oleosas, constituído de duas etapas: tratamento inicial pelo processo de flotação com microbolhas seguido pelo processo biológico utilizando o tratamento por área alagada construída povoada com macrófitas flutuantes da espécie Eichhornia crassipes, o processo apresenta redução dos resíduos oleosos, com recuperação do óleo residual, e a produção de água para reuso, com opção de retorno aos recursos hídricos localizados nas proximidades do entorno das instalações do sistema de tratamento.

[018] No banco de patentes dos Estados Unidos da América destaca-se a patente US2,890,838 que se refere a um equipamento composto de um tanque fechado em que a mistura água-ar é injetada por um bico aspirador instalado na parte superior do tanque de forma ascendente, e que após chocar contra a parede superior do tanque de forma cônica cria um spray vaporizado que cai, se mistura com o ar no reservatório e atinge a parte inferior introduzindo assim o ar na forma de microbolhas no interior do líquido, que oxida o ferro metabólico presente na água e precipita-o para o fundo do tanque; a patente US4,556,523 que se refere a um injetor de microbolhas para separação de materiais de diferentes densidades por flotação, as microbolhas de gás são introduzidas numa câmara contendo o líquido onde um condutor injetor tubular recebe o ar através de uma entrada e a água por outra, e a mistura ar-água resultante é fornecida através de orifícios injetores para adquirir jatos de alta velocidade da mistura água-ar que se choca contra as paredes defletoras disposta sobre os orifícios injetores, de modo a criar um intervalo estreito em torno dos furos do injetor em que a mistura de água - ar deve passar, para que todo o conjunto funcione adequadamente os furos do injetor são de preferência circulares e a distância da passagem entre os orifícios injetores e do defletores devem ser inferior a um quarto do diâmetro dos furos do injetor; a patente US7,419,143 se refere a um aparelho para a criação de microbolhas de gás num líquido formado por um tubo vertical que recebe a mistura gás-líquido com bolhas de gás de diâmetros grandes, e através de um par de aberturas horizontais ao longo do tubo proporciona expelir a mistura gás-líquido radialmente para fora com bolhas na gama de 50 µm a 100 µm e de preferência na gama de 5 µm a 50 µm, para que opere de forma adequada as referidas ranhuras que se estendem horizontalmente retangulares devem ter larguras igual à largura do diâmetro interior do tubo; e as patentes US5,397,001 e US5,814,210 dos mesmos autores, que descrevem um método e aparelho para a separação por flotação de partículas muito finas e grossas, especialmente carvão e minerais, de modo a produzir alta pureza e alta eficiência de recuperação usando uma coluna de flotação, microbolhas, reciclagem da polpa de flotação e água de lavagem em contracorrente para lavar delicadamente a espuma, também descreve os processos e aparelhos únicos para gerar microbolhas para flotação de uma maneira altamente eficiente e barata usando um tubo poroso ou geradores estáticos em linha.

Problemas no estado da arte.

[019] As patentes tanto nacionais como norteamericanas apresentam importantes novidades e inovações para a separação de água-sólidos principalmente metais, água-óleo e materiais de diferentes densidades principalmente lodo, de forma a se obter significativa clareação e possibilidades de reuso das água dos efluentes.

[020] As patentes PI0705428-9 e US7,419,143 referem-se a aspectos construtivos e inovadores de dispositivos e equipamentos para a geração de microbolhas, a primeira descreve um gerador que não as deixam agregar em bolhas maiores e a segunda dispositivo que faz a redução dos diâmetros das microbolhas geradas; porém os mesmos precisam sofrer significativas adaptações para serem usados no tratamento de águas oleosas com eficiência.

[021] A patente PI0713156-9 usa microbolhas para realizar a eletrólise da água e oxidar metais, a patente PI9201239- 6 usa uma pré-célula eletrolítica opcional para realizar a pré - flotação e remoção de metais e de óleo, e a patente US2,890,838 gera microbolhas que se chocam contra uma parede e oxida o ferro para posterior retirada.

[022] A patente BR102012023580-3 injeta microbolhas, pulveriza compostos orgânicos e inorgânicos e usa um sistema vibratório para a separação do óleo da água, e as patentes US5,397,001 e US5,814,210 dos mesmos autores, usam microbolhas e espumas para a separação especificamente de carvão e minerais da água.

[023] As patentes nacionais PI1105005-5 e PI9702430- 9 do mesmo autor, se referem a um sistema para remoção de materiais e/ou substâncias poluentes contidas em cursos d'água aborda todas as partes constituintes do sistema, mas não utiliza microbolhas.

[024] De modo geral todas essas patentes não abordam a adequação das gerações das microbolhas no processo de flotação às variações das vazões, concentração de poluentes e nível d´água em curso a ser tratada.

[025] A patente BR102014024143-4 de alguns autores da presente patente, intitulada “Processo Híbrido de Tratamento de Águas Oleosas pelo Emprego Simultâneo de Câmaras de Flotação e Área Alagada Construída Povoada por Macrófitas Flutuantes” descreve o uso conjugado de um flotador FAD conjugado ao uso de área alagada construída povoada com macrófitas flutuantes da espécie Eichhornia crassipes, popularmente conhecida no Brasil por aguapé, para a redução dos resíduos oleosos, com recuperação do óleo residual e produção de água para reuso.

[026] A patente BR102014017962-3 de alguns autores da presente patente, intitulada “Processo de Produção de Microbolhas de Ar para Tratamento de Efluente por Flotação” descreve um processo para produzir as microbolhas cuja razão entre a vazão de ar e água de recirculação está na faixa de 0,0002 e 0,0018, a pressão entre 3,0 atm. e 5,0 atm. e as microbolhas formadas com diâmetro médio entre 10 µm e 40 µm. Buscando o aumento da eficiência na separação óleo-água e facilidade de operação do equipamento descrito no presente modelo de utilidade, os parâmetros operacionais relacionados na Tabela 1 mostram as divergências existentes em relação ao da patente anteriormente descrita, depositada em 22/07/2014 e concedida em 17/08/2021.

Objetivos do Modelo de Utilidade

[027] Tendo em vista os aspectos e problemas apresentados no estado da arte atual e nos processos anteriormente apresentados, e no propósito de superá-los é que na presente patente de modelo de utilidade é proposto um novo e inédito equipamento flotador híbrido de tratamento de águas oleosas, conjugando uma etapa de pré-saturação induzida para cada uma das duas câmaras horizontais de flotação, dispostas em série. Enseja-se com o referido e peculiar sistema inúmeras vantagens, tais como: menor espaço físico, maior eficiência de mistura com a pré-saturação antes de cada câmara de flotação, aumento na eficiência final de flotação pelo elevado ajuste das condições operacionais ao regime híbrido pela conjugação de operações semelhantes a um FAD e a um FAI e tempo de flotação ajustável às necessidades do afluente pelo aumento da razão de reciclo. Descrição do Modelo de Utilidade

[028] A flotação é um processo de separação por gravidade originário do processamento de minerais, que encontrou ampla aplicação no tratamento de efluentes industriais. Na separação líquido/líquido geralmente uma fase aquosa e uma fase orgânica dispersa em gotículas, os sistemas de flotação geram microbolhas de gás e utilizam-se dessas para aumentar a flutuabilidade do material disperso ou emulsionado. Na prática, qualquer gás pode ser usado, mas devido ao custo, o ar atmosférico é, comumente, empregado na maioria das aplicações industriais. Assim, a flotação por gás é denominada mais especificamente como flotação por ar.

[029] Dentre os métodos convencionais de flotação que utilizam o ar no tratamento de efluentes oleosos, dois destes são considerados principais: a Flotação por Ar Induzido - FAI e a Flotação por Ar Dissolvido - FAD. Estes dois métodos de flotação diferem fundamentalmente na forma de geração de microbolhas de ar, tamanho dessas microbolhas, condições de mistura, taxas de carregamento hidráulico e tempos de retenção.

[030] No processo de Flotação por Ar Induzido - FAI, o fluxo de ar é misturado com o fluxo do afluente a ser tratado em um meio de dispersão mecânica ou hidráulica. Na FAI de caráter mecânico, o ar é disperso na água por redemoinhos de fluxo criados por um agitador mecânico, que pela ação de cisalhamento provocada por esses impulsores as microbolhas são geradas. As unidades da FAI de base hidráulica usam um dispositivo difusor para produzirem a mistura do ar com a água. As microbolhas de ar na técnica FAI geralmente apresentam um diâmetro na faixa de 100 μm a 1000 μm. Essa faixa de geração de microbolhas é considerada grande, na faixa milimétrica, e podem provocar misturas no interior da célula de flotação e afetar os mecanismos de captura das gotículas pelas microbolhas que governam o desempenho de separação da flotação.

[031] A formação de microbolhas na Flotação por Ar Dissolvido - FAD é o resultado do fenômeno conhecido por cavitação hidráulica que envolve a criação de novas interfaces gás/líquido, sendo o primeiro estágio definido como “nucleação”, ocasionado pela redução da pressão local abaixo da pressão de vapor do líquido. Quando a nucleação é considerada homogênea, as microbolhas são formadas no seio do líquido. A força motriz termodinâmica para a mudança da fase é o excesso de “potencial químico” da fase líquida, quando comparado com o vapor. Na prática, quando a água saturada é liberada progressivamente, uma diferença de pressão mínima é necessária para promover a nucleação de microbolhas. Em uma nucleação considerada heterogênea a presença de pequena quantidade de ar não dissolvido, aprisionada nas cavidades das partículas, auxiliam e “catalisam” a cavitação, funcionando como núcleos para o crescimento das microbolhas sob condições de pressão mais baixa nestes locais. As microbolhas produzidas no processo da FAD possuem tamanhos numa faixa de 20 μm a 100 μm de diâmetro. Após a nucleação, inicia-se a segunda etapa que é a de crescimento das microbolhas. Três fatores influenciam o tamanho destas: a redução da pressão hidrostática, a transferência de massa entre a interface gás/líquido e coalescência entre essas microbolhas. O sistema saturador, usado para mistura das microbolhas de ar ao efluente a ser tratado, na maioria dos processos de FAD tradicionais é constituído por quatro componentes: compressor de ar, bomba centrífuga (alimentação de água), vaso saturador (dissolução do gás no líquido) e os “bicos” injetores (componente para despressurização do líquido empregado por ar, responsável pela formação das microbolhas). De acordo com o tipo de sistema utilizado como gerador de bolhas, a separação pode ser prejudicada pela baixa eficiência na nucleação, fenômeno este, essencial à FAD.

[032] Diante das lacunas anteriormente descritas, no presente modelo de utilidade foi idealizado um flotador com tendências a uma operação ideal, onde as microbolhas são geradas juntamente com o efluente a ser tratado. Neste caso, conforme a técnica de FAI, o ar atmosférico e o efluente a ser tratado são simultaneamente admitidos no dispositivo responsável pela geração de microbolhas, dentro do qual terá lugar uma fase de pré-saturação induzida, com simultânea agregação de microbolhas às gotículas da fase orgânica. Isto que irá oferecer uma característica peculiar à formação desses flocos (microbolhas e gotículas de óleo), com uma válvula de ajuste fino para controlar a pressão na linha de descarga do referido dispositivo responsável pela formação dos flocos. Pressões acima de determinados valores produzirão microbolhas entre 5 μm e 100 μm de diâmetro e pressões abaixo de determinados valores produzirão microbolhas acima de 100 μm. Quando o flotador adota os citados mecanismos de geração de microbolhas, duas câmaras de flotação em série são utilizadas para, alternativamente, produzirem microbolhas e flocos dentro de características dos tipos FAI e FAD.

Descrição Resumida das Figuras.

[033] O “APERFEIÇOAMENTO EM FLOTADOR HÍBRIDO PARA TRATAMENTO DE ÁGUAS OLEOSAS” é ilustrado a título de exemplo, e não limitado através das figuras anexas, nas quais.

[034] A Figura 1 mostra como ocorre o fluxo do afluente oleoso para a primeira câmara de flotação no FHTAO.

[035] A Figura 2 mostra como ocorre o fluxo do efluente da primeira para a segunda câmara de flotação no FHTAO.

[036] A Figura 3 apresenta um diagrama de comportamento do FHTAO mostrando a vazão de reciclo e a eficiência de remoção de óleos e graxas em função da vazão de efluente oleoso.

[037] A Figura 4 apresenta um diagrama de comportamento do FHTAO mostrando o teor de óleos e graxas e a eficiência de remoção em função da vazão de afluente oleoso.

Descrição das Figuras em Detalhes.

[038] Esta seção apresenta detalhes do Flotador Híbrido para Tratamento de Águas Oleosas - FHTAO descrito na presente patente de modelo de utilidade, referenciando-se às figuras relacionadas na seção anterior.

[039] A Figura 1 mostra como ocorre o fluxo do Afluente Oleoso (1) para a Primeira Câmara de Flotação (3) no FHTAO. O Afluente Oleoso (1) a ser tratado chega ao FHTAO através da Câmara de Entrada (2). A dosagem de coletores auxiliares como surfactantes químicos ou biossurfactantes ou polímeros aniônicos ou catiônicos são realizados nesta câmara. Uma Bomba Centrífuga Multiestágio (12), adaptada para succionar o Efluente Oleoso Misturado (7) via o Duto de Entrada (8) juntamente com Ar Atmosférico (9), transporta a Mistura Trifásica (15) constituída de líquido, ar e sedimentos em suspensão, para a entrada da Primeira Câmara de Flotação (3). Em flotadores convencionais, o ar induzido (FAI) ou a ar dissolvido (FAD) com a mistura de coletores auxiliares e o Afluente Oleoso (1) em tratamento é realizado por misturadores convencionais mecânicos e/ou estáticos. A adaptação da Bomba Centrífuga Multiestágio (12) tem o objetivo de evitar que, em função da grande entrada de Ar Atmosférico (9) na linha de aspiração da bomba, não ocorra cavitação suficiente para reduzir a eficiência de transferência da quantidade de movimento do rotor da bomba para o líquido oleoso.

[040] A água e o óleo são considerados fluidos incompressíveis. Contudo, a presença do Ar Atmosférico (9) neste meio, associado a grandes variações de pressão entre a entrada de sucção da Bomba Centrífuga Multiestágio (12) (< 1 bar) e o Duto de Descarga da Bomba (16) da mesma (> 6 bar), provoca a formação e saturação da mistura água -óleo com pequenas bolhas de ar.

[041] Em FADs convencionais a geração de microbolhas é realizada em tanques de saturação sob pressão ente 3 e 5 bar. Esse contato íntimo entre os três componentes (água, óleo e ar) dá origem, simultaneamente, às formações de microbolhas, saturação do efluente e início da formação de flocos, caracterizados pela associação de microbolhas de ar envolvendo as gotículas de óleo; todos esses fenômenos ainda dentro da carcaça da bomba. Esse fenômeno de floculação prolonga-se através da linha de descarga da bomba. Em flotadores do tipo FAD convencionais, como no modelo de utilidade descrito, a saturação do efluente em tratamento é realizada no interior da Primeira Câmara de Flotação (3).

[042] No Duto de Descarga da Bomba (16) de geração de microbolhas a Válvula Esfera (13) exerce um controle fino do nível de pressão em seu interior. Essa pressão é responsável por variações no tamanho das microbolhas de ar, desde microbolhas finas (< 5 µm) até bolhas da ordem de milímetros. Este estado de saturação, ainda no interior do sistema de geração de microbolhas, retira da câmara de saturação a etapa de floculação, obtida pela interação entre a fase particulada (óleo) e as microbolhas – comum em um sistema de Flotação por Ar Dissolvido (FAD) convencional.

[043] No topo da Primeira Câmara de Flotação (3) existe o Raspador Mecânico de Espuma (19) (do inglês “skimmer”) acionado eletromecanicamente, que faz a retirada da espuma oleosa resultante da flotação e coalescência dos flocos formados por gotículas de óleo e microbolhas de ar. A referida espuma oleosa é enviada para o coletor de espuma oleosa instalado na Extremidade Superior de Saída (4) da Primeira Câmara de Flotação (3).

[044] Para correlacionar a razão entre as vazões de ar e água, e para que as microbolhas apresentem um diâmetro médio adequado, existe instalado no Duto de Entrada (8) para aspiração do Efluente Oleoso Misturado (7) pela Bomba Centrífuga Multiestágio (12) um Rotâmetro para Líquido (11) e para o Ar Atmosférico (9) um Rotâmetro para Gás (10), cuja pressão de saída é medida pelo Manômetro (14).

[045] A Figura 2 mostra como ocorre o fluxo do efluente da Primeira Câmara de Flotação (3) para a Segunda Câmara de Flotação (5) no FHTAO. A Água Oleosa Residual (24) oriunda da Primeira Câmara de Flotação (3) após a separação de parte do óleo, convertido em espuma oleosa, é aspirada por uma Segunda Bomba Centrífuga Multiestágio (28).

[046] Em flotadores convencionais de câmaras duplas, ou de maior número de câmaras, a passagem do líquido de uma câmara de flotação para outra é realizada por uma passagem inferior entre as câmaras contínuas. No FHTAO a Segunda Bomba Centrífuga Multiestágio (28) succiona, simultaneamente, a Água Oleosa Residual (24) da Primeira Câmara de Flotação (3) e o Ar Atmosférico (9), misturando estes dois fluidos em seus estágios e obtendo a Mistura Trifásica Tratada (31) com microbolhas. A Água Oleosa Residual (24) da Primeira Câmara de Flotação (3) é então ressaturada e descarregada via o Duto de Descarga da Segunda Bomba (32) na base da Segunda Câmara de Flotação (5). Novamente, a espuma oleosa formada é retirada da Extremidade Superior de Saída (4) da Segunda Câmara de Flotação (5).

[047] Toda espuma oleosa retirada pelos Raspadores Mecânicos de Espuma (19) tanto da Primeira Câmara de Flotação (3) quanto da Segunda Câmara de Flotação (5) é descartada em um tanque de armazenamento de espuma oleosa.

[048] Na base da Segunda Câmara de Flotação (5) a Tubulação de Aspiração (20) da Bomba Centrífuga Convencional (18) recircula, de forma não convencional, o líquido da Segunda Câmara de Flotação (5) para a Câmara de Entrada (2) do FHTAO via o Duto de Realimentação (17). Ainda na base da Segunda Câmara de Flotação (5) uma abertura permite passar o efluente tratado para a Câmara de Água Tratada (6), cujo nível da coluna líquida é limitado por um Vertedouro (22) que faz o controle de vazão de saída do Efluente Tratado (23). O nível do Vertedouro (22), responsável pela altura da coluna d’água, dentro do FHTAO, é controlado manualmente com auxílio de um regulador do tipo volante. O referido Vertedouro (22) libera a água tratada pelo FHTAO para a devida destinação, quais sejam, retorno ao processo, descarte em manancial hídrico, entre outras opções.

[049] Para correlacionar a razão entre as vazões de ar e água, e para que as microbolhas apresentem um diâmetro médio adequado, existe instalado no Duto de Entrada da Segunda Bomba Centrífuga Multiestágio (25) para aspiração da Água Oleosa Residual (24) pela Segunda Bomba Centrífuga Multiestágio (25) um Rotâmetro para Líquido (26) e para o Ar Atmosférico (9) um Rotâmetro para Gás (27), cuja pressão de saída é medida pelo Manômetro da Segunda Bomba Centrífuga Multiestágio (30).

[050] Como o FHTAO possui duas câmaras de flotação, em série, e cada câmara é munida com uma bomba de multiestágio, cada uma dessas câmaras pode ter seu sistema de geração de microbolhas ajustado para microbolhas de dimensões menores, enquanto que a outra pode atuar na gera ção de microbolhas maiores, ou vice-versa. Dessa forma, a eficiência de remoção de óleo do Afluente Oleoso (1) pode ser aumentada pelas diferentes condições de geração de microbolhas.

Arranjo Experimental e Faixas Preferenciais

[051] Para determinação da eficiência de remoção de óleo do Afluente Oleoso (1) no Flotador Híbrido para Tratamento de Águas Oleosas – FHTAO experimentos em regime de batelada foram realizados em um protótipo de bancada.

[052] Considerando as dimensões do protótipo e as limitações operacionais em função das características de alguns componentes que alimentam o sistema, um ponto crítico observado é na alimentação do Afluente Oleoso (1) para a Câmara de Entrada (2) do FHTAO. A força motriz responsável pela alimentação dessa câmara é a diferença de nível da própria Câmara de Entrada (2) para o decantador separador de óleo livre dado pela Extremidade Superior de Saída (4), condição que levou a definir uma vazão média de 612 L/h através das bombas de microbolhas para o retorno do material para reciclo no protótipo de bancada.

[053] Seis tipos de condições operacionais diferenciadas foram testados e na Tabela 2 estão relacionados os valores médios das vazões sendo estas constantes em cada condição operacional, mantida em estado estacionário durante as retiradas de amostras. Os valores apresentados na referida tabela correspondem ao estabelecimento de cinco amostras para cálculo de cada média.

[054] Foram elaborados dois diagramas de comportamento para o FHTAO. A justificativa para tais diagramas foi a interpretação e ilustração do comportamento dos parâmetros relacionados na Tabela 2. Para isso analisou-se a influência de dois parâmetros importantes para a operação do flotador, com consequente obtenção de condições operacionais para melhores eficiências de remoção dos óleos e graxas.

[055] A Figura 3 apresenta um diagrama de comportamento do FHTAO mostrando a Vazão de Reciclo (34) em L/h e a Eficiência de Remoção de Óleos e Graxas (35) em % em função da Vazão do Efluente Oleoso (33) em L/h no protótipo de bancada do FHTAO. Neste diagrama observou-se: - Uma vez que a vazão de saída do Efluente Tratado (23) deve ser igual à vazão de Afluente Oleoso (1) do FHTAO, a razão de reciclo que é a razão entre a vazão de reciclo pela vazão do efluente, diminui com o aumento da vazão do afluente; - A eficiência de remoção de óleo e graxas aumenta com o aumento da vazão do Afluente Oleoso (1); - A baixa vazão de recirculação (66±5 L/h na corrida 1), associada a um alto valor de eficiência demonstrou que o uso de duas câmaras de flotação se apresenta com um número de estágios satisfatórios para as condições operacionais adequadas; - Pode-se deduzir dessas premissas que altas razões de recirculação poderão ser utilizadas apenas como parâmetro de ajustes das condições operacionais do FHTAO.

[056] A Figura 4 apresenta um diagrama de comportamento do FHTAO mostrando o Teor de Óleos e Graxas (36) em ppm e a Eficiência de Remoção de Óleos e Graxas (35) em % em função da Vazão do Efluente Oleoso (33) em L/h no protótipo de bancada do FHTAO. Neste diagrama observou-se: - A concentração de óleos e graxas no FHTAO aumenta com o aumento da vazão do Efluente Oleoso (1); - O comportamento da eficiência de remoção mostra -se alcançando uma região de saturação, deixando crer que valores maiores de remoção percentual ficam limitados pela capacidade de vazão do Efluente Oleoso (1) nas atuais condições operacionais do FHTAO.

[057] Os testes ainda mostraram que para que o mecanismo de separação gravitacional necessários aos flocos e possíveis auxiliares de flotação utilizados possam ser efetivos o de tempo médio de retenção hidráulica – TDH, por câmara, deverá estar na faixa de 20 a 40 minutos.

[058] O modus operandi do flotador híbrido usando as técnicas de Flotação por Ar Dissolvido - FAD e de Flotação por Ar Induzido – FAI conjugadas, objetivando separar suspensões líquido-líquido e/ou sólido-líquido de forma eficiente, para reaproveitamento da fase aquosa e/ou oleosa em forma de reuso e/ou para outras atividades industriais, objeto da presente patente de modelo de utilidade com a composição do equipamento descrito, pode ser obtida em proporções diversas respeitando as faixas citadas, para atender diferentes e específicas necessidades, sem a perda da inovação aqui apresentada. Logicamente alterações podem ser feitas no “APERFEIÇOAMENTO EM FLOTADOR HÍBRIDO PARA TRATAMENTO DE ÁGUAS OLEOSAS” sem a perda da inovação aqui apresentada.

Claims (7)

1. “APERFEIÇOAMENTO EM FLOTADOR HÍBRIDO PARA TRATAMENTO DE ÁGUAS OLEOSAS” que descreve o uso conjugado das técnicas de Flotação por Ar Dissolvido - FAD e de Flotação por Ar Induzido – FAI para separar suspensões líquido-líquido e/ou sólido-líquido de forma eficiente, para reaproveitamento da fase aquosa e/ou oleosa em forma de reuso e/ou para outras atividades industriais, caracterizado por ser constituído de um sistema de geração de microbolhas que realiza pré-saturação induzida, que recebe na Câmara de Entrada (2) o Afluente Oleoso (1) a ser tratado, onde é dosado com coletores auxiliares como surfactantes químicos ou biossurfactantes ou polímeros aniônicos ou catiônicos para a obtenção do Efluente Oleoso Misturado (7) que passa pelo Duto de Entrada (8) onde existe o Rotâmetro para Líquido (11) e é succionado pela Bomba Centrífuga Multiestágio (12) juntamente com o Ar Atmosférico (9) que passa pelo Rotâmetro para Gás (10), de forma a obter a Mistura Saturada (15) de microbolhas, cuja pressão é medida pelo Manômetro (14) e controlada finamente pela Válvula Esfera (13) no interior do Duto de Descarga da Bomba (16), que a injeta na Primeira Câmara de Flotação (3) em cujo topo existe o Raspador Mecânico de Espuma (19) que retira a espuma oleosa resultante da flotação e coalescência dos flocos na Extremidade Superior de Saída (4); possui uma Segunda Bomba Centrífuga Multiestágio (28) que succiona, simultaneamente, a Água Oleosa Residual (24) da Primeira Câmara de Flotação (3) e o Ar Atmosférico (9), de forma a ressaturar e descarregar a Mistura Trifásica Tratada (31) com microbolhas via o Duto de Descarga da Segunda Bomba (32) na base da Segunda Câmara de Flotação (5), onde novamente a espuma oleosa formada é retirada da Extremidade Superior de Saída (4) da Segunda Câmara de Flotação (5) pelo Raspador Mecânico de Espuma (19); na base da Segunda Câmara de Flotação (5) a Tubulação de Aspiração (20) da Bomba Centrífuga Convencional (18) recircula, de forma não convencional, o líquido da Segunda Câmara de Flotação (5) para a Câmara de Entrada (2) via o Duto de Realimentação (17), ainda na base da Segunda Câmara de Flotação (5) uma abertura permite passar o efluente tratado para a Câmara de Água Tratada (6), cujo nível da coluna líquida é limitado pelo Vertedouro (22) que faz o controle de vazão de saída do Efluente Tratado (23) para a devida destinação, quais sejam, retorno ao processo, descarte em manancial hídrico, entre outras opções.
2. “APERFEIÇOAMENTO EM FLOTADOR HÍBRIDO PARA TRATAMENTO DE ÁGUAS OLEOSAS”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ser um equipamento que tem como operação unitária a separação de suspensões líquido-líquido e/ou sólido-líquido, com auxílio de mecanismos híbridos de Flotação por Ar Induzido – FAI e Flotação por Ar Dissolvido – FAD.
3. “APERFEIÇOAMENTO EM FLOTADOR HÍBRIDO PARA TRATAMENTO DE ÁGUAS OLEOSAS”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por as câmaras de flotação que constituem o equipamento tanto a Primeira Câmara de Flotação (3), como a Segunda Câmara de Flotação (5), ou outras tantas que vier a ter são dispostas em série, e como efluentes as descargas de espumas oleosas pelas superfícies livres e das fases aquosas pelas bases dessas câmaras.
4. “APERFEIÇOAMENTO EM FLOTADOR HÍBRIDO PARA TRATAMENTO DE ÁGUAS OLEOSAS”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o equipamento operar analogamente a uma bateria de dois reatores, ou mais, de mistura perfeita, em série, com base na ressaturação de cada afluente de cada câmara, de forma a garantir que os estágios funcionem como tanques de mistura “perfeita”.
5. “APERFEIÇOAMENTO EM FLOTADOR HÍBRIDO PARA TRATAMENTO DE ÁGUAS OLEOSAS”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por as câmaras de flotação que constituem o equipamento, tanto a Primeira Câmara de Flotação (3), como a Segunda Câmara de Flotação (5), ou outras tantas que vier a ter são alimentadas por efluentes pré-saturados via o uso de Bombas Centrífugas Multiestágios (12, 28).
6. “APERFEIÇOAMENTO EM FLOTADOR HÍBRIDO PARA TRATAMENTO DE ÁGUAS OLEOSAS”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a formação e saturação da mistura água-óleo com pequenas bolhas de ar nas saídas das Bombas Centrífugas Multiestágios (12, 28) estar associadas a grandes variações de pressão entre as entradas das mesmas (< 1 bar) e em seus dutos de saídas (> 6 bar).
7. “APERFEIÇOAMENTO EM FLOTADOR HÍBRIDO PARA TRATAMENTO DE ÁGUAS OLEOSAS”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por utilizar como critério de adequação operacional um valor de tempo médi o de retenção hidráulica – TDH, por câmara de flotação, na faixa de 20 a 40 minutos, permitindo que o mecanismo de separação gravitacional necessários aos flocos e possíveis auxiliares de flotação possam ser efetivos.

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