Modelagem e simulação de hidrociclone para reutilização de óleo de encimagem

Abstract

The textile industry stands as a cornerstone of the national economy and ranks as the second largest employer within the industrial transformation sector. However, despite its significant economic benefits, it faces challenges stemming from the generation of waste resulting from its extensive production. Among these, the spin finish oil, an oil and water emulsion responsible for lubricating fibers during their formation, was the focus of this study. The commonly adopted method to handle this residue involves its concentration through ultrafiltration membrane and subsequent incineration, which poses both economic and environmental impacts. Thus, this study aimed to simulate the reutilization of spin finish oil in the process through the utilization of a hydrocyclone, an equipment responsible for oil and water separation, by modeling it using Computational Fluid Dynamics (CFD), and to analyze the economic benefits by reducing the raw material purchase cost. A spin finish production of 11.67 tons/day was adopted, and by conducting a mass balance of the base process, a residue flowrate of 3.78 tons/day and mass fractions of 6% oil and 94% water were determined, chosen as they reflect values from a real industry. The hydrocyclone spin finish referenced Young et al.'s study (1994) for water-oil separation and was simulated using CFD. The Ansys Fluent software was used, employing a surface mesh with element sizes of 0.002 m. An oil concentration of 6% (v/v) at the inlet and a uniform velocity profile of 20 m/s were set based on simulation data from Araújo et al. (2020). The overflow diameter ranged from 0.1 to 0.9 inches, at intervals of 0.2, to study its influence on separation efficiency. For smaller diameters, overflow flow was minimal with almost negligible concentration; however, increasing the diameter yielded an oil concentration of 6.98%, achieving 16.3% efficiency, with an overflow rate of 5.80 kg/s. Thus, a 10.0% reduction in oil consumption was attained, resulting in a monthly raw material cost saving of R$ 32,322.96 and eliminating incineration expenses of R$ 4,668.48. Considering an initial investment in key equipment, including the hydrocyclone and a centrifugal pump, estimated at R$ 55,005.64, the payback period is 1 month and 16 days. In summary, simulating the reuse of spin finish oil in the process showcased both economic and environmental benefits.

A indústria têxtil é um dos pilares da economia nacional e figura como o segundo maior empregador no setor de transformação industrial. No entanto, apesar de seus benefícios econômicos significativos, enfrenta desafios decorrentes da geração de resíduos resultantes de sua volumosa produção. Dentre estes, o óleo de encimagem, emulsão de óleo e água responsável pelo processo de lubrificação das fibras durante a sua formação, foi o foco de estudo deste trabalho. O método comumente adotado para lidar com esse resíduo é a sua concentração por meio de uma membrana de ultrafiltração e a posterior incineração, que gera impactos tanto econômicos quanto ambientais. Sendo assim, este estudo teve por objetivo simular a reutilização do óleo de encimagem no processo por meio da utilização de um hidrociclone, equipamento responsável pela separação do óleo e água, através de sua modelagem em CFD e analisar os benefícios econômicos com a redução do custo de compra com matéria-prima. Foi adotada uma produção de encimagem de 11,67 ton/dia e através da realização de um balanço de massa do processo base, determinou-se a vazão de 3,78 ton/dia de resíduo e as frações mássicas de 6 % de óleo e 94 % de água, sendo utilizados como base por serem os valores de uma indústria real. Para o dimensionamento do hidrociclone foi utilizado como referência o estudo de Young et al. (1994) que faz a separação de água e óleo, e, assim, realizada a simulação por CFD. Para isso, foi utilizado o software Ansys Fluent e criado um mesh superficial com tamanho dos elementos de 0,002 m. Foram definidos a concentração de óleo na entrada em 6 % (v/v) e um perfil de velocidade uniforme de 20 m/s, utilizando como referência os dados de simulação utilizados por Araújo et al. (2020). O diâmetro do overflow foi alterado de 0,1 a 0,9 polegadas, com um intervalo de 0,2, para um estudo da influência dessa variável para a determinação da eficiência de separação. Para diâmetros menores, a vazão no overflow era muito baixa e a concentração em geral quase nula, mas com o aumento foi possível obter uma concentração de óleo de 6,98 %, tendo uma eficiência de 16,3 %, com uma vazão de 5,80 kg/s no overflow. Assim, foi obtido uma redução de 10,0 % no consumo de óleo, que acarretaria uma economia mensal de R$ 32.322,96 de matéria-prima e a supressão dos gastos com incineração de R$ 4.668,48. Considerando um investimento inicial com os principais equipamentos, sendo o hidrociclone e uma bomba centrífuga, estimado em R$ 55.005,64, o tempo de retorno é de 1 mês e 16 dias. Em suma, foi possível simular a reutilização do óleo de encimagem no processo, tendo benefícios tanto econômicos quanto ambientais.