Filtração - Apostilas - Engenharia_Parte1, Notas de estudo de Engenharia Química. Universidade Estadual do Norte Fluminense (UENF)
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GloboTV7 de Março de 2013

Filtração - Apostilas - Engenharia_Parte1, Notas de estudo de Engenharia Química. Universidade Estadual do Norte Fluminense (UENF)

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Apostilas de Engenharia Química e de Alimentações sobre o estudo da Filtração, auxiliares de filtração, meio filtrante, tipos de torta.
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Microsoft Word - Filtracao.doc

UFSC – Universidade Federal de Santa Catarina Depto De Eng. Química e de Eng. De Alimentos EQA 5313 – Turma 645 – Op. Unit. de Quantidade de Movimento

FILTRAÇÃO A filtração é uma das aplicações mais comuns do escoamento de fluidos

através de leitos compactos. A operação industrial é análoga às filtrações realizadas em um laboratório que utilizam papel de filtro e funil.

O termo filtração pode ser utilizado para processos de separação dos sólidos de suspensões líquidas e, também para separação de partículas sólidas de gases, como por exemplo, a separação das poeiras arrastadas pelos gases utilizando tecidos.

O objetivo da operação é separar mecanicamente as partículas sólidas de uma suspensão líquida com o auxílio de um leito poroso. Quando se força a suspensão através do leito, o sólido da suspensão fica retido sobre o meio filtrante, formando um depósito que se denomina torta e cuja espessura vai aumentando no decorrer da operação. O líquido que passa através do leito é chamado de filtrado.

Em princípio a filtração compete com a decantação, a centrifugação e a prensagem. Seu campo específico é:

a separação de sólidos relativamente puros de suspensão diluídas; a clarificação total (e às vezes até o branqueamento simultâneo) de

produtos líquidos encerrando pouco sólido; a eliminação total do líquido de uma lama já espessada.

Em certas situações a filtração não compete com outras operações. Por

exemplo, se o líquido for o produto e o sólido constituir o resíduo, como no caso do óleo existente nas tortas de algodão ou amendoim, a prensagem é o processo mais indicado. Porém, quando o objetivo é a clarificação de suspensões de média e elevada concentração, a centrifugação compete com a filtração.

A filtração industrial difere da filtração de laboratório somente no volume de material operado e na necessidade de ser realizada a baixo custo. Assim para se ter uma produção razoável, com um filtro de dimensões moderadas, deve-se aumentar a queda de pressão, ou diminuir a resistência ao escoamento, a fim de aumentar a vazão.

A maioria dos equipamentos industriais opera mediante a diminuição da resistência ao escoamento, fazendo com que a área filtrante seja a maior possível, sem que as dimensões globais do filtro aumentem proporcionalmente. A escolha do filtro depende em grande parte da economia do processo, porém as vantagens econômicas são variáveis de acordo com o seguinte:

Viscosidade, densidade e reatividade química do fluido; Dimensões da partícula sólida, tendência à floculação e deformabilidade; Concentração da suspensão de alimentação; Quantidade do material que deve ser operado; Valores absolutos e relativos dos produtos líquido e sólido;

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Grau de separação que se deseja realizar; Custos relativos da mão-de-obra, do capital e da energia.

Um filtro funciona como indicado na Fig. 1. Há um suporte do meio

filtrante sobre o qual vai se depositando a torta à medida que a suspensão passa através do filtro. A força propulsora da operação varia de um modelo de filtro para outro, podendo ser:

próprio peso da suspensão, como no caso da figura; pressão aplicada sobre o líquido; vácuo; força centrífuga.

Ao contrário do que se pensa comumente, os poros do meio filtrante não

precisam ser necessariamente menores do que o tamanho das partículas. De fato, os canais do meio filtrante são tortuosos, irregulares e mesmo que seu diâmetro seja maior do que o das partículas, quando a operação começa algumas partículas ficam retidas por aderência e tem início a formação da torta, que é o verdadeiro leito poroso promotor da separação. Tanto isso é verdade, que as primeiras porções do filtrado são geralmente turvas.

Figura 1. Princípio de funcionamento de um filtro Em muitas situações o meio filtrante é previamente recoberto com um

material inerte que se destina a reter os sólidos contaminantes da suspensão, isto consiste o pré-revestimento. O sólido empregado é denominado auxiliar de filtração, ou ainda, coadjuvante de filtração.

Os auxiliares de filtração são bastante utilizados para acelerar a filtração ou ainda para possibilitar a coleta mais completa das partículas mais finas da suspensão. Estes coadjuvantes são sólidos finamente divididos, com estrutura rígida, que formam tortas abertas, não compressíveis. Portanto, outra função do auxiliar de filtração é diminuir a compressibilidade da torta. Ele desempenha o papel de “esqueleto” da torta. A adição tem por finalidade impedir a compactação da torta que vai se formando durante a filtração, mantendo-a porosa durante todo o ciclo.

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Os auxiliares de filtração mais comuns são: terras de infusórios; terra fuller; areia fina; diatomita ou kieselguhr; polpa de celulose; carbonato de cálcio; gesso; amianto; perlita; carvão.

A quantidade a empregar varia com uma série de fatores. Como regra recomenda-se 1 a 2 kg de auxiliar de filtração por kg de contaminante, mas há uma quantidade ótima. Quantidades menores aumentam o ciclo, porque o meio filtrante entope, enquanto que maiores quantidades contribuem para aumentar a perda de carga através da torta sem remover o contaminante.

Auxiliares de filtração

Diatomáceas: As diatomáceas ou terras diatomáceas são rochas sedimentares formadas por esqueletos silíceos microscópicos de algas de origem marinha ou lacustre, de formas muito variadas e cujas dimensões variam de 5 a 100 µm. São submetidos a trituração seguida de secagem, sendo que os coadjuvantes calcinados são submetidos a um tratamento complementar em um forno rotatório com a finalidade de aumentar as dimensões das partículas por aglomeração. Os coadjuvantes sinterizados são calcinados em presença de um sal de sódio que aumenta o efeito de aglomeração.

Perlita:Trata-se de uma rocha vítrea de origem vulcânica que se expande a alta temperatura. Como as terras diatomáceas, a perlita é essencialmente sílica sendo também rica em alumínio, que a deixa quimicamente neutra.

Celulose:Se emprega em forma de farinha de madeira para dar forma a uma pré-capa ou para aerar uma capa de alimentação. Também pode empregar- se em forma de pasta de papel dividida por uma pré-capa e em forma de pó de celulose obtido a partir do pó de madeira mediante a dissolução de lignina e purificação das fibras.

Carvão ativo: Obtido a partir dos sub-produtos da fabricação de papel, é importante pelas suas propriedades absorventes.

Meio filtrante Tão grande é a variedade de meios filtrantes utilizados industrialmente

que seu tipo serve como critério de classificação dos filtros: leitos granulares soltos, leitos rígidos, telas metálicas, tecidos e membranas.

Os leitos granulares soltos mais comuns são feitos de areia, pedregulho, carvão britado, escória, calcáreo, coque e carvão de madeira, prestando-se para clarificar suspensões diluídas.

Os leitos rígidos são feitos sob a forma de tubos porosos de aglomerados de quartzo ou alumina (para a filtração de ácidos), de carvão poroso (para soluções de soda e líquidos amoniacais) ou barro e caulim cozidos a baixa temperatura (usados na clarificação de água potável). Seu grande inconveniente é a fragilidade, não podendo ser utilizados com diferença de pressão superiores a 5 kg/cm2.

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Telas metálicas são utilizadas nos “strainers” instalados nas tubulações de condensado que ligam os purgadores às linhas de vapor e que se destinam a reter ferrugem e outros detritos capazes de atrapalhar o funcionamento do purgador. Utilizam-se também nos filtros mais simples que existem, os “nutsch”, e nos rotativos. A importância das telas metálicas na filtração vem crescendo ultimamente. Podem ser chapas perfuradas ou telas de aço carbono, inox, níquel ou monel.

Os tecidos são utilizados industrialmente e ainda são os meios filtrantes mais comuns. Há tecidos vegetais, como o algodão, a juta (para álcalis fracos), o cânhamo e o papel; tecidos de origem animal, como a lã e a crina (para ácidos fracos); minerais: amianto, lã de rocha e lã de vidro, para águas de caldeira; plásticos: polietileno, polipropileno, PVC, nylon, teflon, orlon, saran, acrilan e tergal. O inconveniente é que a duração de um tecido é limitada pelo desgaste, o apodrecimento e o entupimento. Por este motivo, quando não estiverem em operação, os filtros devem ficar cheios de água para prolongar a vida do mesmo. Por outro lado, o uso de auxiliares de filtração diminui o entupimento dos tecidos, prolongando sua vida útil.

Membranas semi-permeáveis, como o papel pergaminho e as bexigas animais, são utilizadas em operações parecidas com a filtração, mas que na realidade são operações de transferência de massa: diálise e eletro-diálise.

Os critérios de escolha do meio filtrante devem incluir:

a capacidade de remoção da fase sólida; a possibilidade de uma elevada vazão de líquido para uma dada queda

de pressão; a resistência mecânica; a inércia química frente a suspensão a ser filtrada e a qualquer líquido

de lavagem. Como é natural, cada uma destas considerações deve ser contra

balanceada com os aspectos econômicos, de modo que o operador do filtro escolha o meio filtrante que satisfaça aos padrões da filtração e que resulte em um custo global da operação o mais baixo possível.

Tipos de torta As características da torta produzida variam de uma operação para outra.

Sólidos cristalinos formam tortas abertas que facilitam o escoamento do filtrado. Já os precipitados gelatinosos, como os hidróxidos de ferro e alumínio, produzem tortas pouco permeáveis. De um modo geral o tipo de torta depende:

da natureza do sólido, da granulometria e da forma das partículas, do modo como a filtração é conduzida, do grau de heterogeneidade do sólido.

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Uma torta com uma dada espessura oferece uma resistência bem definida ao escoamento do filtrado. Quando a vazão de filtrado aumenta, também a resistência aumenta e, como o escoamento no interior da torta é laminar, a queda de pressão deve ser, em princípio, proporcional à velocidade. Se a vazão dobrar, a queda de pressão ficará duas vezes maior. Algumas tortas cristalinas comportam-se dessa forma. Outras, porém, acarretam quedas de pressão que aumentam mais rapidamente com a vazão e, assim sendo, quando se duplica a vazão, a queda de pressão resulta mais do que o dobro. É evidente, neste segundo caso, que a resistência da torta ao escoamento do filtrado aumenta com a pressão. Tortas deste tipo denominam-se compressíveis, em contraste com as outras, que são incompressíveis.

Uma torta compressível comporta-se como uma esponja. Pressionada, a esponja oferece maior resistência ao escoamento de líquidos pelo seu interior porque os canais fecham-se e alguns até deixam de existir. É evidente, portanto, que a filtração de uma suspensão que produz torta compressível é mais difícil do que se a torta for incompressível. Como foi dito anteriormente, uma das funções do auxiliar de filtração é diminuir a compressibilidade da torta, sendo que ele desempenha o papel de “esqueleto” da torta.

Portanto, a torta é compressível quando a resistência específica, ou permeabilidade, é função da diferença de pressão através da mesma. Com relação a compressibilidade esta pode ser dividida em:

reversível, quando a torta é elástica; irreversível, quando a torta é inelástica

A reversibilidade da torta quanto à compressão está relacionada e

atribuída à elasticidade das partículas, enquanto na torta filtrante inelástica a maior resistência ao escoamento se deve ao maior grau de empacotamento das partículas formadoras da torta filtrante. A resistência da torta inelástica é correspondente ao valor da maior pressão aplicada. Logo, em processos com esse tipo de torta formada, a pressão nunca deve exceder um máximo permitido.

Tipos de operação Embora o mecanismo seja sempre o mesmo, uma filtração pode visar

objetivos bem diferentes. Um “strainer”, por exemplo, visa reter escamas de ferrugem, fios, etc., enquanto que certos filtros têm por finalidade clarificar do modo mais perfeito possível certos líquidos, como águas e bebidas. Nestes exemplos o sólido é o refugo da operação, mas em outras filtrações ele constitui o produto, como no caso da filtração de cristais, pigmentos e outros produtos sólidos valiosos.

O filtro funciona para produzir torta que na maioria das vezes é lavada e drenada para purificar e separar os sólidos no estado mais seco possível. Há também situações nas quais, tanto o sólido quanto o filtrado são produtos, sendo a nitidez da separação um requisito da operação. Em outros casos, uma

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separação parcial já é satisfatória. Neste caso o filtro é um espessador e sua função é produzir uma lama espessa a partir de uma suspensão.

No geral, quando o sólido na suspensão a filtrar for menos que 0,1% a operação poderá ser considerada como clarificação. Quando a concentração superar bastante este valor a operação poderá ser vista como uma extração: do sólido, quando este for o produto, do líquido ou de ambos.

Tipos de filtro Diversos são os fatores que devem ser considerados para especificar um

filtro. Em primeiro lugar estão os fatores associados com a suspensão: vazão, temperatura, tipo e concentração dos sólidos, granulometria, heterogeneidade, e forma das partículas. Vêm depois as características da torta: quantidade, compressibilidade, valor unitário, propriedades físico-químicas, uniformidade e estado de pureza desejado. Há, também, fatores associados com o filtrado: vazão, viscosidade, temperatura, pressão de vapor e grau de clarificação desejado. E finalmente o problema dos materiais de construção.

A seleção é feita a partir desses fatores mencionados, porém alguns fatores são dominantes em certos casos, como a escala de operação ou a facilidade de remoção da torta, a perfeição da lavagem ou a economia de mão de obra. O tipo mais indicado para uma dada operação é aquele que, além de satisfazer aos requisitos de operação, também satisfaz quanto ao custo total de operação.

A classificação dos diversos modelos pode ser feita com base nos seguintes critérios:

Força propulsora: gravidade, pressão (com ar ou bomba), vácuo, vácuo-

pressão e força centrífuga; Material que constitui o meio filtrante: areia, tela metálica, tecido, meio

poroso rígido, papel; Função: “strainers”, clarificadores, filtros para torta e espessadores; Detalhes construtivos: filtros de areia, placas e quadros, lâminas e

rotativos; Regime de operação: batelada e contínuos; Às vezes a classificação é feita em grupos caracterizados pelos tipos de

maior tradição: Kelly, Vallez, Oliver, Moore, Sweetland. O inconveniente de adotar um critério isolado como base de classificação é

que existem modelos de um mesmo tipo de filtro que acabam ficando em classes diferentes. É o que acontece quando se adota o primeiro critério como único, pois haverá filtros de lâminas entre os filtros a vácuo e os de pressão.

Adotando os detalhes construtivos como critério principal e fazendo a combinação dos outros critérios, os modelos seguem a distribuição abaixo:

1. Filtros de leito poroso granular 2. Filtros prensa

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de câmaras de placas e quadros 3. Filtros de lâminas Moore Kelly Sweetland Vallez Tipos variantes 4. Filtros contínuos rotativos Tambor Disco Horizontais 5. Filtros especiais

1. Filtros de leito poroso granular

Os filtros industriais mais simples são os de meio filtrante granulado, constituídos por uma ou mais camadas de sólidos particulados, suportados por um leito de cascalho sobre uma grade, através do qual o material a ser filtrado flui por gravidade ou por pressão.

São empregados geralmente para retirar pequenas quantidades de sólidos de grandes volumes de líquidos, nas quais nem o sólido nem o líquido possuem alto valor unitário, e quando o produto sólido não deve ser recuperado. Por isto, constituem o suporte principal dos sistemas de purificação de águas. Sua principal vantagem é o baixo custo de instalação, operação e manutenção. O inconveniente é a grande área requerida, em virtude da baixa velocidade de filtração.

O modelo mais simples é uma caixa com fundo falso perfurado e sobre o qual é colocado um leito poroso granular, geralmente pedregulho e areia. O líquido turvo é alimentado sobre o leito e o filtrado sai pelo fundo da caixa. Há caixas de concreto (Fig 2a) e tanques cilíndricos de aço. Neste último caso é possível trabalhar sob pressão para aumentar a capacidade (Fig 2b). Há um tipo variante que funciona a vácuo.

Figura 2a e Figura 2b. Filtros de leito poroso

A Fig. 3 mostra um filtro de meio filtrante granulado, construído para

operar sob pressão.

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Figura 3. Corte de um filtro de leito vertical granulado Os meios filtrantes duplos permitem operação mais prolongada no ciclo de

filtração, antes de ser necessária a lavagem em corrente inversa, pois as partículas, ou os flocos, maiores ficam retidos no leito mais aberto. Porém, chega-se a um ponto em que a vazão cai ou em que a queda de pressão se torna excessiva. Então a filtração cessa e o leito tem que ser limpo, mediante uma lavagem com corrente invertida de água, seguida possivelmente por uma lavagem com ar. A lavagem reversa pode ser bastante rápida para fluidizar o leito granulado.

2. Filtros-prensa

O princípio de funcionamento de um filtro-prensa pode ser entendido facilmente com base nas operações dos funis de Gooch e de Büchner de laboratório. Se dois destes funis com papéis de filtro forem unidos pelas bordas, sendo a suspensão alimentada na câmara formada, a filtração será realizada através dos dois papéis. A diferença é que no filtro-prensa várias câmaras são justapostas e em geral a filtração não é realizada a vácuo, mas sob a ação de uma pressão exercida sobre a suspensão no interior das câmaras. A suspensão é bombeada diretamente para os compartimentos do filtro onde a torta é recolhida. Nos modelos comerciais os papéis de filtro são substituídos por um tecido que chamamos genericamente de lona, muito embora qualquer um dos tecidos mencionados possa ser usado.

Um filtro-prensa é fornecido sob a forma de uma série de placas que são apertadas firmemente umas das outras, com uma lona sobre cada lado de cada placa. Vem daí a denominação filtro-prensa de placas. Há placas circulares e placas quadradas, horizontais ou verticais e com depressões ou planas. As placas com depressões, quando justapostas formam o filtro-prensa de câmaras. Quando as placas são planas os compartimentos de alimentação da torta são formados por meio de quadros que separam as diversas placas. Este tipo é chamado filtro- prensa de placas e quadros.

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a) Filtro-prensa de câmaras Tem este nome porque as placas, sendo rebaixadas na parte central,

formam câmaras quando justapostas (Fig. 4). Cada placa tem um furo central. Quando a prensa está montada os furos formam um canal através do qual a suspensão é alimentada nas diversas câmaras. As placas são revestidas com lonas que também apresentam furos centrais correspondentes aos furos das placas. Anéis metálicos de pressão prendem as lonas às bordas do furo central das placas e ao mesmo tempo servem para vedar a passagem da suspensão pelo espaço entre a lona e a placa. As faces das placas têm pequenos ressaltos com a forma de troncos de pirâmide quadrados e que, em seu conjunto, formam uma verdadeira rede de canais por onde vai escoando o filtrado até chegar às aberturas que se comunicam com as torneiras de saída. Cada placa tem uma torneira, de modo que, se o filtrado de uma dada placa sair turvo, a torneira correspondente poderá ser fechada e essa placa deixará de funcionar. De cada lado da placa há uma orelha de suspensão que serve para apoio nos tirantes de suporte. Em uma das extremidades da prensa há um cabeçote fixo e, na outra, um cabeçote móvel que serve para prensar o conjunto por meio de um parafuso resistente operado por um volante. Outras vezes as placas são prensadas por meio de um sistema hidráulico.

Figura 4. Filtro-prensa de câmaras A seqüência de operação é a seguinte: a prensa é montada, começa-se a

alimentar a suspensão e prossegue-se até que as câmaras estejam cheias de torta ou quando a pressão exceder um valor pré-fixado. Abre-se a prensa, retira- se a torta e monta-se novamente o conjunto.

A principal vantagem oferecida pelos filtros-prensa de câmaras é o baixo custo. As desvantagens são: o custo elevado de operação (a montagem consome muito tempo) e o desgaste excessivo das lonas. Além disso, não se pode lavar a torta. Por estas razões os filtros de câmaras foram quase completamente substituídos pelos de placas planas ou de placas e quadros.

b) Filtro-prensa de placas e quadros O filtro-prensa de placas e quadros é, há muito tempo, o dispositivo de

filtragem mais comum na indústria. Embora esteja sendo substituído, nas

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