Otimização geométrica de hidrociclones com cilindros e cones permeáveis

Hydrocyclones are versatile equipments used in several industrial processes, which use the centrifugal separation principle to remove or classify solid particles in a fluid, based on particle size, shape and density. Each application has its own particular requirements and interferes both in the design and in the operating conditions. Therefore, appropriately choosing the equipment dimensions depends on the main objective of the process. In addition, it is possible to enhance the performance of the hydrocyclones by the simultaneous use of new unit operations with a hydrocyclone, such as filtration. The filtering hydrocyclone, which is part of the category of unconventional equipment, was developed by researchers of FEQUI/UFU in order to improve separation efficiency or reduce energy costs. In this thesis, the effect of the incorporation of the porous cylinder and cone, together or separately, on the conventional hydrocyclone was studied experimentally. Thus, the central composite design was proposed for each of the four modalities studied (HCICOF, HCIF, HCOF and HCON) considering the main dimensions of a hydrocyclone. An optimization was performed from the experimental data of the CCD, where three new geometries were obtained for each modality through the response surface methodology combined with the use of the Differential Evolution algorithm. The objective of the optimization was to find three categories of hydrocyclone: case 1 - maximum separation efficiency; Case 2 - minimum underflow-to- throughput ratio; Case 3 - minimum Euler number. The experimental results were satisfactory to validate the optimization techniques showing that the optimized geometries reached higher total efficiencies (HCICOF-OT1: n=89.59%; HCIF-OT1: n=91.91%; HCOF-OT1: n=90.31%; HCON-OT1: n=95.47%), lower underflow-to-throughput ratio (HCICOF-OT2: RL=12.41%; HCIF-OT2: RL=7.89%; HCOF-OT2: RL=9.59%; HCON-OT2: RL=5.53%) and lower Euler numbers (HCICOF-OT3: Eu=582; HCIF-OT3: Eu=665; HCOF-OT3: Eu=648; HCON-OT3: Eu=845) than those obtained for the 25 configurations of the central composite design.CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorFAPEMIG - Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas GeraisTese (Doutorado)Os hidrociclones são equipamentos versáteis utilizados em diversos processos industriais, que usam o princípio da separação centrífuga para remover ou classificar partículas sólidas de um fluido, com base no tamanho, forma e densidade. Cada aplicação tem seus requisitos particulares que interferem tanto no projeto quanto nas condições de operação. Portanto, escolher adequadamente as dimensões do equipamento depende do objetivo principal do processo. Além disso, é possível potencializar o desempenho dos hidrociclones mediante o uso simultâneo de novas operações unitárias à hidrociclonagem como a filtração. O hidrociclone filtrante, que está inserido na categoria de equipamentos não convencionais, foi desenvolvido por pesquisadores da FEQUI/UFU a fim de melhorar a eficiência de separação ou reduzir os custos de energia. Nesta tese, foi estudado experimentalmente o efeito da incorporação do cilindro e cone porosos, conjunta ou separadamente, ao hidrociclone convencional. Assim, um planejamento composto central foi proposto para cada uma das quatro modalidades estudadas (HCICOF, HCIF, HCOF e HCON) considerando as principais dimensões de um hidrociclone. Uma otimização foi realizada a partir dos dados experimentais do PCC, levando a três novas geometrias para cada modalidade por meio da técnica de superfícies de respostas combinada ao uso do algoritmo de Evolução Diferencial. O objetivo da otimização foi encontrar três categorias de hidrociclone: caso 1 - máxima eficiência de separação; caso 2 - mínima razão de líquido; caso 3 - mínimo número de Euler. Os resultados experimentais foram satisfatórios para validar as técnicas de otimização mostrando que as geometrias otimizadas alcançaram maiores eficiências totais (HCICOF-OT1: n=89,59%; HCIF-OT1: n=91,91%; HCOF-OT1: n=90,31%; HCON-OT1: n=95,47%), menores razões de líquido (HCICOF-OT2: RL=12,41%; HCIF-OT2: RL=7,89%; HCOF-OT2: RL=9,59%; HCON-OT2: RL=5,53%) e menores números de Euler (HCICOF-OT3: Eu=582; HCIF-OT3: Eu=665; HCOF-OT3: Eu=648; HCON-OT3: Eu=845) do que os obtidos para as 25 configurações do planejamento composto central