Princípio de funcionamento da flotação por ar dissolvido: dois detalhes que decidem entre óleo seco e lodo aguado

Onde o princípio de funcionamento começa e onde ele costuma se perder

O princípio de funcionamento da flotação por ar dissolvido cabe em uma frase: o ar é dissolvido em uma corrente de água pressurizada, liberado dentro do tanque como uma multidão de microbolhas, e essas bolhas se aderem às gotas de óleo e as levam até a superfície.

• Quanto óleo resta na água que sai do tanque
• Quanta água é arrastada junto com o óleo recuperado
• Se a unidade continua entregando os dois, dia após dia

Esses três resultados são definidos por três questões de construção: quão finas são as bolhas quando encontram o óleo, quão uniformemente estão distribuídas pelo tanque e o que acontece com o óleo depois que ele está flutuando.

Duas unidades podem compartilhar a mesma pegada e o mesmo volume de tanque e ainda assim se comportar de forma diferente com o mesmo efluente, porque essas três respostas vêm da geometria interna da unidade e não do seu tamanho. O projeto que esta nota percorre é uma dessas geometrias — o removedor de óleo por flotação por ar dissolvido coberto pelo modelo de utilidade chinês CN206486308U — e ele se lê como resposta a duas reclamações específicas sobre as unidades que já estão no mercado.

A primeira reclamação é sobre como o óleo sai. Com um raspador mecânico, ou por uma saída de transbordamento aberta na lateral do tanque, a camada flutuante chega à saída carregando bastante água: o óleo recuperado fica diluído, e água que poderia ter permanecido na estação sai junto. A segunda é sobre como as bolhas são produzidas. Um tanque de saturação convencional descarrega sua água com ar dissolvido direto no tanque de flotação; a água e o ar dentro desse vaso não se misturam de maneira uniforme, a solubilidade do gás é difícil de manter, e as bolhas chegam ao tanque mal distribuídas e com um tamanho que o projeto não controla de verdade. Nenhuma das duas reclamações se resolve com um tanque maior. O restante desta nota, portanto, mantém-se na geometria de um projeto, para que cada pergunta se ancore a uma peça que se possa apontar em um desenho.

Acompanhando uma gota de água pela máquina

Como funciona a flotação por ar dissolvido, na ordem em que a água percorre? A sequência é fixa, e cada etapa tem uma única tarefa.

• Uma corrente de água clarificada é pressurizada e saturada com ar, de modo que o ar entra em solução em vez de formar bolhas.
• A corrente pressurizada é liberada dentro do tanque, e a queda de pressão faz o ar dissolvido sair como microbolhas.
• As bolhas encontram as gotas de óleo em uma zona de contato e se aderem à superfície da gota.
• Cada floco de gota e bolha sobe, porque sua densidade combinada é bem inferior à da água.
• A camada de óleo é retirada da superfície como concentrado, e a água clarificada sai por uma cota inferior do tanque.

Essa sequência é comum a toda unidade de flotação por ar dissolvido no mercado. O que muda é o equipamento que executa cada etapa, e vale conferir isso em um desenho.

A máquina em um relance: topo cônico, fundo cônico, nenhum raspador

A unidade deste percurso é um tanque vertical com topo cônico e fundo cônico e nenhum mecanismo raspador em lugar algum. A Fig. 1 é o diagrama de flotação por ar dissolvido que o acompanha, redesenhado a partir do desenho da patente, com as chamadas numeradas exatamente como naquele desenho.

• 1 corpo do tanque · 2 topo cônico · 3 fundo cônico · 4 entrada · 5 saída · 6 dreno (ponto mais baixo) · 7 saída de óleo (ápice).
• 8 entrada de água com ar dissolvido · 9 caixa de liberação (tanque de aço quadrado que abriga os liberadores) · 10 tanque de saturação (vaso de pressão com manômetro) · 11 compressor de ar móvel · 12 câmara de mistura.
• 122 placa de crivo (ranhuras anulares, 20 mm). A numeração segue o desenho da patente, de modo que a figura pode ser lida lado a lado com o original.

Leia na ordem em que a água percorre e três coisas se destacam. A entrada de efluente bruto fica no alto da parede do tanque, então o fluxo começa descendo pelo lado externo do cilindro central. A água com ar dissolvido chega à base desse cilindro em vez de entrar no corpo do tanque. E as duas saídas ficam em extremidades opostas do projeto: óleo no ápice, água tratada perto da base. Um separador de água e óleo por DAF costuma ser comparado por volume de tanque, pegada e uma taxa de remoção declarada, e nenhum desses três diz o que sai pelo topo.

Detalhe 1: um topo cônico em vez de um raspador

O teto do tanque é um cone, e a saída de óleo fica em seu ponto mais alto. O óleo é mais leve que a água, então, quando os flocos sobem, o óleo percorre a superfície do cone e é comprimido em direção ao ápice: quanto mais alto ele sobe, menor a seção por que precisa passar, e mais espessa fica a camada de óleo. O que sai no ápice é óleo concentrado com muito pouca água dentro.

• 1 raspador mecânico — uma peça móvel que arrasta a camada flutuante, óleo e água juntos. 2 a camada de óleo flutuante antes da remoção.
• 3 descarga no ápice — a única saída de que o óleo precisa. 4 óleo se autoconcentrando enquanto sobe pelo cone.
• ✗ esquerda: lodo aguado e uma peça móvel para manter. ✓ direita: óleo seco e zero peças móveis.

É aqui que a conta de destinação é decidida. Um raspador mecânico arrasta uma faixa de água da superfície junto com o óleo, e essa água viaja com o óleo até quem o leva embora. Um topo cônico com saída no ápice não tem raspador e produz um concentrado mais seco; além disso, é um motor, uma corrente e um redutor a menos para manter ao longo da vida da unidade.

O raspador e o cone enfrentam a mesma camada flutuante. A diferença de teor de água vem de três lugares:

• A raspagem recoloca água dentro. Uma lâmina que percorre a superfície agita o manto e puxa para dentro do óleo a água que está abaixo. O que sai é sempre uma faixa de mistura de óleo e água recém-agitada.
• Uma camada deixada em paz drena sozinha. A água entre os flocos é mais pesada que o óleo e, sem perturbação, percola de volta para baixo pelos vãos, por gravidade. Quanto mais o manto cresce e mais tempo permanece, mais seca fica sua parte superior.
• A seção que se estreita a comprime mais uma vez. O empuxo leva o óleo a um espaço cada vez mais apertado e a camada se compacta. O que finalmente transborda no ápice é o óleo que ficou mais tempo no alto e drenou por mais tempo. Um raspador trabalha conforme seu ciclo de curso e retira camadas finas que não tiveram tempo de drenar; a saída no ápice se autorregula e não libera nada até que a camada tenha crescido até ela.

Vale nomear a contrapartida antes de escolher um projeto só por esse detalhe: uma saída no ápice depende de a camada de óleo se acumular e permanecer móvel, então um efluente cujo óleo esteja emulsionado — ou uma carga de pico que chegue mais rápido do que os flocos conseguem subir — não se comportará como o cone foi projetado para esperar. A geometria define o topo do tanque, não a química dentro dele.

Detalhe 2: uma câmara de vórtice tangencial onde as bolhas terminam de se formar

O segundo detalhe decide a qualidade das bolhas e, com elas, a segunda metade do problema de remoção de óleo por flotação por ar dissolvido. Bolhas finas e uniformes aderem às gotas de óleo. Bolhas grossas e desiguais ou erram as gotas ou desfazem os flocos que já se formaram. Se a corrente de ar dissolvido é descarregada direto em um tanque cheio de efluente, ela é cisalhada e suas bolhas coalescem em bolhas grandes e inúteis antes de terem se formado por completo.

Este projeto responde com um cilindro coaxial no centro do tanque, funcionando como compartimento isolado. A água com ar dissolvido entra pela base desse cilindro tangencialmente, deslizando pela parede interna em vez de entrar em jato reto. A água gira formando um vórtice, o cisalhamento libera o ar dissolvido como uma multidão de bolhas finas e uniformes, e só então as bolhas são liberadas para encontrar o efluente.

• 1 água com ar dissolvido entrando tangencialmente — ela desliza pela parede da câmara em vez de entrar em jato reto.
• 2 o vórtice: as bolhas terminam de se formar enquanto giram em espiral dentro da câmara.
• 3 a placa de crivo acima da saída. O painel esquerdo é a vista superior; o painel direito é a vista lateral.

Em uma frase: um jato reto dispersa as bolhas, enquanto uma entrada tangencial permite que elas girem e amadureçam primeiro dentro da câmara. A patente declara a mesma lógica em seus próprios termos — o arranjo tangencial permite que o ar dissolvido seja liberado por completo e evita que o efluente bruto entre em contato com a água com ar dissolvido cedo demais.

Detalhe 3: uma placa de crivo e uma saída afunilada

O terceiro é o mais fácil de passar despercebido dos três, porque pertence à saída da câmara de mistura e não ao tanque em si.

• Uma placa de crivo cobre a saída da câmara, com ranhuras anulares de 20 mm de largura na concretização descrita na patente. A corrente de bolhas em vórtice precisa atravessar esses anéis, o que a penteia em uma cortina distribuída de maneira uniforme em vez de alguns jatos concentrados.
• Acima da placa, a saída se alarga em um tronco de cone invertido como uma trombeta. A cortina de bolhas se abre ali e encontra de frente o efluente oleoso que chega, que é onde a aderência acontece, antes de os flocos subirem para o teto cônico.

• 1 O jato concentrado sem a placa — as bolhas se aglomeram em um único canal e disparam para cima.
• 2 A placa de crivo — montada atravessando a abertura do tronco de cone invertido; a corrente de bolhas em vórtice precisa passar por suas ranhuras.
• 3 A cortina de bolhas uniforme — a distribuição fica penteada de forma homogênea depois das ranhuras.
• 4 As ranhuras anulares (vista superior) — anéis concêntricos, com 20 mm de largura na concretização da patente, e o número de anéis definido conforme a flotação exige.

Nenhum dos três detalhes é exótico por si só. A forma da saída, a placa acima dela e o arranjo entre as duas são todos visíveis em um desenho, e juntos eles são a diferença entre uma cortina uniforme de bolhas e um único jato concentrado dentro de um tanque.

Quais números levar para uma comparação e quais deixar de fora

A maior parte do esforço de projeto de flotação por ar dissolvido que decide o resultado está no saturador, na taxa de recirculação e na zona de contato, e nada disso é visível na foto de um tanque ou em um desenho de implantação.

Dois números costumam ser citados primeiro: o volume do tanque e uma taxa de remoção, e nenhum dos dois viaja bem. Uma taxa de remoção pertence a um efluente, a uma temperatura e a uma carga de óleo específicos, então a mesma unidade declarada para uma corrente diferente é um número diferente. O volume do tanque, por sua vez, está mais para um número de pegada enquanto a zona de contato e o saturador por trás dela não estiverem especificados.

A única dimensão que este percurso toma da patente do removedor de óleo é a ranhura anular de 20 mm, e ela vem da seção de concretizações daquele documento. Tamanho de bolha, razão de recirculação e razão ar-sólidos não são deduzidos aqui da geometria do tanque, porque decorrem do efluente e não do projeto. Os números de saturação citados na seção seguinte são a exceção, e vêm do relatório descritivo da patente companheira do sistema de ar dissolvido: eles descrevem o que aquele sistema foi construído para fazer, e não o que uma corrente qualquer vai render. Leia qualquer número desse tipo como um método de partida e não como uma especificação, e peça o número confirmado ao fabricante para o seu efluente.

Como este projeto se compara aos sistemas DAF convencionais

Vale colocar três arranjos lado a lado: o tanque de saturação convencional que descarrega direto no tanque de flotação, o tanque retangular de flotação com raspador, e o projeto percorrido acima. As diferenças se concentram em dois pontos — onde e como as bolhas são produzidas, e por onde o óleo flutuante sai do tanque e quanta água leva consigo.

Coloque os três arranjos lado a lado e a vantagem deste projeto se concentra em um ponto: o controle da bolha. As bolhas se formam dentro de uma câmara isolada, em um vórtice, e são penteadas por uma placa de crivo antes de serem liberadas — e a mesma placa impede que o efluente bruto encontre a água com ar dissolvido cedo demais, que é o que evita que a população de bolhas seja danificada antes de terminar de se formar. Do lado do óleo, é o cone que faz a concentração, e nenhuma peça móvel toca a superfície da água. O que isso compra é um concentrado mais seco, menos água saindo com o óleo e um item de manutenção a menos do que com um raspador.

Erros comuns

• Comparar apenas por volume de tanque ou por pegada. Duas unidades com o mesmo contorno podem produzir volumes muito diferentes de lodo oleoso para destinação, e a diferença é invisível no desenho de implantação.
• Presumir que um mecanismo de remoção de óleo vale tanto quanto outro. Um raspador, uma ranhura de transbordamento e uma saída no ápice fazem coisas diferentes com a água que sai junto com o óleo, e a diferença chega na fatura de destinação.
• Comprar por uma taxa de remoção de óleo declarada. A porcentagem pertence a um efluente e ao ensaio que a produziu, e perguntar em que corrente ela foi medida é mais informativo do que o número em si.
• Nunca perguntar como as bolhas são geradas e distribuídas. Bolhas que coalescem antes de alcançar o óleo fazem o mesmo trabalho que as grossas, e é no desenho que isso aparece.
• Contar os motores tarde demais. Tudo o que se move sobre a superfície da água é um item de manutenção, e um projeto sem raspador de superfície tem um item a menos.

Autoverificação antes de comparar fornecedores

• Por onde o óleo sai do tanque, e o que o leva até lá? Peça o desenho da saída de óleo. Um separador de água e óleo por DAF que dependa de um raspador vai mostrá-lo; uma geometria autoconcentradora, não.
• Como as bolhas são geradas, distribuídas e protegidas enquanto se formam? Peça para ver o diagrama de flotação por ar dissolvido da zona de contato, não apenas o desenho de contorno do tanque.
• Quantas peças móveis tocam a água de processo ou a camada de óleo? Cada uma é um item de manutenção ao longo da vida da unidade, e cada uma é um ponto onde um acionamento pode falhar.
• Em que corrente a taxa de remoção declarada foi medida, e o que foi medido — óleo, graxa ou sólidos suspensos?
• O arranjo das saídas, o serviço do saturador e a geometria da zona de contato estão declarados para o seu efluente, ou copiados de uma tabela geral?

Três perguntas, então, e um desenho por trás de cada resposta. O projeto aqui descrito é coberto pelo modelo de utilidade CN206486308U, depositado em 27 de fevereiro de 2017 e público no Google Patents — uma das oito primeiras patentes do portfólio, todas com o mesmo inventor como primeiro autor. As figuras acima foram redesenhadas a partir do desenho da patente, e os números citados nesta nota vêm dos dois relatórios descritivos das patentes: a ranhura anular de 20 mm, da concretização do removedor de óleo, e os dados de saturação, do sistema de ar dissolvido companheiro. O que as mesmas perguntas retornam para a sua própria corrente — o arranjo das saídas, o serviço do saturador e a geometria da zona de contato na unidade cotada para você — é confirmado com o fabricante para o seu efluente, em vez de presumido a partir desta nota.