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Operações Unitárias
Tipologia: Notas de estudo
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C U R S O T É C N I C O E M Q U Í M I C A
A P O S T I L A 3 º M Ó D U L O
2ºSEMESTRE - 2009
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A operação de filtração se realiza da seguinte forma:
FormaçãoFormaçãoFormaçãoFormação dadadada prépréprépré----capacapacapacapa. Prepara-se em um tanque separado uma suspensão de coadjuvante em água (eventualmente outro líquido) que é feito passar através do filtro. Nessa operação, o coadjuvante fica retido na tela, formando um bolo chamado de "pré-capa".
Filtração.Filtração.Filtração.Filtração. Uma vez formada a pré-capa, se procede à filtração da suspensão que interessa. Como a tela já tem uma pré-capa, as partículas ficarão retidas na mesma, pois não poderão passar pelos interstícios existentes entre as diminutas partículas que formam o coadjuvante (pois o mesmo tem uma elevada área específica, o que significa que as partículas são muito pequenas). O uso de coadjuvantes está indicado quando se quer aproveitar o líquido, pois o sólido ficará irremediavelmente contaminado com o coadjuvante.
A filtração consiste das seguintes fases, quando não há formação de pré-capa:
PréPréPréPré----filtraçãofiltraçãofiltraçãofiltração, de alguns segundos de duração, durante a qual se forma uma pequena camada de bolo sobre a tela, suficiente para reter as partículas que virão depois.O líquido produzido durante esta primeira fase chamado de primeiro fi1trado é turvo e não pode ser utilizado. Ele deve ser recirculado para misturar-se com o líquido que ainda deve filtrar.
FiltraçãoFiltraçãoFiltraçãoFiltração, durante a qual as partículas ficam retidas no bolo previamente formado. O líquido sai límpido e pode ser aproveitado. As partículas retidas no bolo vão aumentando a sua espessura, e conseqüentemente a perda de carga. A fase dura até a perda de carga atingir um valor previamente estipulado como máximo admissível.
Lavagem do boloLavagem do boloLavagem do boloLavagem do bolo. Terminada a filtração é preciso lavar o bolo. A lavagem tem o seguinte objetivo: o Eliminar o resto de líquido mãe ainda presente no bolo, se o que se pretende aproveitar é o sólido; o Aproveitar o resto de líquido mãe ainda presente no bolo, se o que se pretende aproveitar é o líquido.
Remoção dos sólidos e lavagem da tela filtrante.Remoção dos sólidos e lavagem da tela filtrante.Remoção dos sólidos e lavagem da tela filtrante.Remoção dos sólidos e lavagem da tela filtrante. Qualquer que seja a porção que se pretende aproveitar, é preciso remover o bolo e lavar a tela filtrante para recomeçar o ciclo. A tela é lavada geralmente com água, a não ser que exista incompatibilidade com o líquido filtrado.
TIPOS DE TORTATIPOS DE TORTATIPOS DE TORTATIPOS DE TORTA
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 executada e do nível de heterogeneidade do sólido. Conforme a espessura da torta existe uma variação da resistência ao escoamento do filtrado. Esta resistência varia com a alteração da pressão de passagem do filtrado gerando dois tipos de tortas: 1)Compressíveis1)Compressíveis1)Compressíveis1)Compressíveis 2)In2)In2)In2)Incompressíveiscompressíveiscompressíveiscompressíveis
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Podem ser classificados nos seguintes critérios:
Força propulsora: gravidade, pressão, vácuo, força centrífuga Material que constitui o meio filtrante: areia,tecido, tela metálica, papel Função: clarificadores e espessadores Detalhes construtivos: de areia, prensa, lâminas, rotativos Regime de operação: batelada ou contínuo
Normalmente a classificação dos filtros industriais segue pelo menos dois dos critério acima citados. Existe uma grande variedade de filtros industriais. Poucos operam por gravidade. A grande maioria opera sob pressão ou sob vácuo. No primeiro caso, a pressão, da ordem de alguns kg/cm^2 (centenas de kilo Pascal) e fornecida por uma bomba, é exercida sobre a face da tela em contato com o material a filtrar. No segundo caso, o vácuo, da ordem de 600-650 mm Hg (isto é, correspondentes a uma pressão absoluta de 100-150 mm Hg) e produzido por uma bomba de vácuo ou um ejetor, é exercido sobre a face da tela em contato com o líquido filtrado. Neste último caso, obviamente. a força que ajuda a filtração é a pressão atmosférica existente do outro lado. Embora exista uma grande variedade de filtros industriais nos limitaremos a falar naqueles que ainda hoje são os mais utilizados. Embora tenham sido inventados nos começos do século. A escolha do equipamento filtrante depende, em grande parte, da economia do processo, mas as vantagens econômicas serão variáveis de acordo com o seguinte: 1.Viscosidade, densidade e reatividade química do fluido; 2.Dimensões da partícula sólida, distribuição granulométrica, forma da partícula, tendência à floculação e deformabilidade; 3.Concentração da suspensão de alimentação; 4.Quantidade de material que deve ser operado; 5.Valores absolutos e relativos dos produtos líquido e sólido; 6.Grau de separação que se deseja efetuar; 7.Custos relativos da mão-de-obra, do capital e da energia.
Na escolha de um filtro para um processo específico, os fatores relacionados à finalidade do serviço devem ser comparados aos associados às características do equipamento e do meio filtrante.
Fatores Importantes Relacionados com a Finalidade do Serviço
Tipo de suspensão a manusear; Volume a ser produzido; Condições do processo; Exigências de desempenho; Materiais aceitáveis para a construção do filtro.
Fatores Importantes Relacionados com o Equipamento:
Tipo do ciclo (em batelada / contínuo) Força motriz; Taxa de produção das maiores e das menores unidades
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5.25.25.25.2 Filtros dFiltros dFiltros dFiltros de Pressãoe Pressãoe Pressãoe Pressão Filtros de pressão, com a exceção do Filtro de Pressão de Tambor Rotativo, são máquinas do tipo semi-contínuas que incluem uma lavagem e um modo de descarga do bolo ao término do ciclo de filtração. O ciclo de filtração pode se estender de 5-10 minutos em aplicações de filtração de bolo e até 8 horas ou mais horas para polimento de líquidos. Considerando que a operação é em bateladas, e que estes filtros normalmente são alimentados de (e descarregam para) um processo contínuo, um tanque de estocagem é requerido a montante do filtro, e a jusante para a coleta parcial do bolo. A coleta de filtrado depende do modo operacional do filtro que pode ser a vazão constante, a pressão constante, ou ambas, com pressão aumentando e a taxa de fluxo diminuindo como quando se utiliza uma bomba centrífuga. São disponíveis Filtros de Pressão que operam continuamente, mas, devido a dificuldade para a remoção do bolo, eles são mecanicamente complexos e caros; assim, se aplicam principalmente em processos de química fina, onde o valor agregado ao produto é alto. Há dois fatores restringentes que determinam a duração do ciclo de filtração: Para filtração de bolo é o volume disponível para formação de bolo e uma vez que o volume está cheio o ciclo tem que terminar até mesmo se a pressão permissível ainda não foi alcançada; Para polimento, ou quando os sólidos saturam o meio rapidamente, o ciclo tem que terminar quando a pressão permissível for alcançada independentemente da espessura do bolo. A taxa de filtração é influenciada, em condições amplas, pelas propriedades da suspensão. A tendência, é que a taxa cresça com: O aumento da pressão; Partículas mais grossas; Distribuição de partícula com alta uniformidade; Sólidos não-enlodados ou não-gelatinosos; Bolos incompressíveis; Mais baixa viscosidade do líquido e; Temperaturas mais altas. Auxiliar de Filtração e PréAuxiliar de Filtração e PréAuxiliar de Filtração e PréAuxiliar de Filtração e Pré----CapaCapaCapaCapa Auxiliar de filtração e pré-cobertura são mencionados freqüentemente com relação à filtração sob pressão e a diferença na sua aplicação é: O auxiliar de filtração é usado quando a suspensão tem baixo conteúdo de sólidos com partículas finas e enlodadas que são de filtração difícil. Para aumentar a filtração, sólidos grossos com grande área de superfície são adicionados à suspensão e servem como um corpo- auxiliar que captura e prende em seus interstícios as partículas de filtração lenta e produz uma matriz de torta porosa. A quantia adicionada depende da natureza dos sólidos e varia de Y, para sólidos não-compressíveis e até 5 vezes para sólidos gelatinosos. A pré-cobertura do meio filtrante é obtido pela deposição de sólidos sobre o tecido, formando um meio poroso de 2-3mm de espessura e permeabilidade conhecida; sua aplicação requer habilidade, pois eleva o volume efetivo do bolo, prolonga o tempo do ciclo, e um consumo elevado pode ser bastante caro. A pré-capa, antecedendo a filtração, serve para dois propósitos principais: Quando os contaminantes são gelatinosos e pegajosos eles formam uma barreira que evita entupimento do pano. Igualmente a interface entre a pré-capa e o pano separa-se facilmente e assim o bolo descarrega deixando um pano limpo. Quando um filtrado claro é requerido imediatamente depois de iniciado o ciclo de filtração; caso contrário a recirculação deve ser empregada até que um filtrado claro seja obtido.
Os seguintes materiais servem como auxiliares-de-filtração ou para formar a pré-capa: Terra diatomácea (também chamada Diatomita) que consiste de silicatos formados por restos de esqueletos de minúsculas plantas unicelulares aquáticas (diátomos).
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Perlita que consiste de triturado vítreo e termo-expandido de rocha de origem vulcânica. Celulose que consiste de fibras de peso leve. Uma madeira especial está se tornando popular nos anos recentes, já que é combustível e reduz o alto custo de obtenção. Há fabricantes atualmente que moem, lavam e classificam uma madeira especial até permeabilidades que podem ajustar-se a uma grande faixa de aplicações.
Todo o material que serve como auxiliar-de-filtração ou para formar pré-capa é produzido sob especificação, em um processo controlado. Porém, para aplicações que não requerem qualidade alta, qualquer outro sólido que esteja prontamente disponível, e tenha propriedades semelhantes, pode ser usado como auxiliar.
Os tamanhos padrões para os equipamentos estão discriminados a seguir: Filtro-prensa até 1000 m^2 e 20 m^3 de torta. Filtro de Placa Horizontal até 60 m^2 e 4 m^3 de capacidade de bolo. Filtro Folha Vertícal até 100 m^2 e 7 m^3 capacidade de bolo em vasos de pressão verticais e até 300 m^2 e 20 m^3 de capacidade de bolo em vasos horizontais. Filtro Nutsche até 16 m^2 e 8 m^3 de capacidade de bolo. Filtro Automático até 120 m^2. Filtro de Velas até 120 m^2. As vantagens e desvantagens dos filtros de pressão, comparadas com outros métodos de separação são: VantagensVantagensVantagensVantagens São obtidos bolos com conteúdo de umidade muito baixo. Os bolos podem ser colocados e aplainados em capas, contanto que eles não sejam tixotrópicos e suficientemente estáveis para suportar um trator. Podem ser alcançadas: recuperação intensiva de solúveis ou remoção de contaminantes do bolo. Filtrados limpos podem ser produzidos através de recirculação do filtrado durante 1- minutos, ou através de pré-capa, se um filtrado claro é requerido logo desde o começo. Soluções podem ser polidas a um alto grau de claridade. Com exceção do Filtro-prensa, é possível uma construção ajustada para uso de gás. Com exceção do Filtro-prensa, é possível revestir os tanques com uma camisa de vapor, se a preservação de calor é requerida. Isto é de importância particular para salmouras saturadas. Os corpos e interiores do filtro podem ser construídos de uma variedade larga de ligas que incluem materiais sintéticos para filtros-prensa. Os Filtros de Pressão estão disponíveis com um grande nível de automatização, para trabalho intensivo controlado por operador e até máquinas completamente automáticas. DesvantagensDesvantagensDesvantagensDesvantagens A lavagem do pano é difícil e, se os sólidos são pegajosos, uma pré-capa de uns 3mm de diatomita ou perlita é necessária. Isto soma outra etapa antes da filtração e se não for feita cuidadosamente, uma pré-cobertura muito fina é formada, podendo deixar áreas com o pano exposto que irão saturar rapidamente. Reciprocamente, se uma pré-capa muito espessa é formada, pois o operador sempre procura ter a sua "margem de segurança", irá consumir o volume efetivo disponível para o bolo. O operador quase não pode ver o bolo se formando, e fica impossibilitado de fazer inspeção enquanto o filtro está em operação. Os interiores são difíceis limpar e este pode ser um problema nas aplicações envolvendo alimentos ou matérias-primas para indústria farmacêutica.
6.16.16.16.1 Filtro PrensaFiltro PrensaFiltro PrensaFiltro Prensa
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uma porta de alimentação central que atravessa toda a extensão do filtro prensa, de forma que todas as câmaras do conjunto de placas estão interconectadas.
Do mesmo modo, quatro aberturas de canto conectam todas as placas e coletam os filtrados- mãe e de lavagem em uma "descarga fechada" para saídas que são localizadas no mesmo lado que a entrada de alimentação. Alguns filtros prensa têm placas que dispõem de torneiras no seu lado mais inferior, de forma que o filtrado flui em uma "descarga aberta" para uma calha e serve como "mostrador" da condição do pano filtrante, pela claridade do filtrado que atravessa cada câmara. A desvantagem deste arranjo é que não pode ser usado com filtrados que são tóxicos, inflamáveis ou voláteis.
Atualmente, a maioria dos filtros-prensa é equipada com características que habilitam operação completamente automática controladas por CLP. Para as aplicações onde o bolo é o produto, não podem ser usados précobertura nem auxiliares de filtração pois eles se misturam e descarregam junto com o bolo
Critérios de SeleçãoCritérios de SeleçãoCritérios de SeleçãoCritérios de Seleção Os Filtros-prensa se aplicam melhor nas seguintes circunstâncias: Quando é requerido um conteúdo muito baixo de umidade, para a secagem térmica da torta ou incineração. Quando é requerida alta claridade do filtrado, para aplicações de polimento. Quando é requerida a liberação da torta auxiliada por compressão. Quando o bolo é disposto como enchimento de terra, para esparramar com um trator, desde que ela seja dura o bastante para agüentar seu peso. Quando grandes áreas de filtração são requeridas, num espaço limitado.
Eles devem ser selecionados com cuidado: Na filtração de salmouras saturadas, porque as placas esfriam durante a descarga da torta, requerendo aquecimento prévio para alimentar a polpa do processo. Para tais salmouras, filtros autoclavados como os de Placas Horizontais, Folha Vertical ou Filtros de Velas se adaptam melhor, à medida que eles podem ser cobertos com uma camisa de vapor. Quando há um risco de contaminação ambiental por bolos tóxicos, inflamáveis ou voláteis, quando as placas são abertas para descarga, ao término de cada ciclo. Novamente, os filtros autoclavados são melhor adaptados.
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Quando uma lavagem eficiente é requerida, pois com a câmara cheia de torta, a água de lavagem pode não alcançar toda sua superficie, causando um deslocamento desigual. Porém, isto não apresenta nenhum problema quando permanece um espaçamento entre os bolos formados dentro de uma câmara, de forma que a água de lavagem é distribuída uniformemente em cima do bolo e alcança toda a sua superficie. As tortas podem ser descarregadas em caixas, que são transportadas em caminhão ou por um transportador de correias.
6.26.26.26.2 Filtro de Pressão de Placa HorizontalFiltro de Pressão de Placa HorizontalFiltro de Pressão de Placa HorizontalFiltro de Pressão de Placa Horizontal Os Filtros de Placas Horizontais, a pressão, se aplicam comumente às indústrias de processos de química fina como antibióticos, pesticidas, ou pigmentos, quando a carga de impurezas insolúveis é baixa e o polimento é exigido para obter uma alta claridade do produto. Porém, nos anos recentes, eles podem ser vistos cada vez mais em indústrias mais pesadas, corno as de fertilizantes ou de metais preciosos, quando o produto é o bolo e são requeridas uma lavagem eficiente e baixa umidade. Os filtros de placas horizontais também são muito bem aceitos para manusear materiais inflamáveis, tóxicos e corrosivos, desde que eles sejam autoclavados e projeta dos para ambientes perigosos, quando se requer pressão alta e operação segura. Além disso, eles podem ser facilmente recobertos para aplicações onde temperaturas quentes ou frias precisam ser preservadas. Estas características não são possíveis nos filtros-prensa, que requerem a abertura das placas à atmosfera e um mecanismo intermitente externo para descarga do bolo ao término de cada ciclo. A estrutura do filtro consiste em uma pilha de placas, presas a um eixo oco montado dentro de um vaso de pressão, com cada prato recoberto com um meio filtrante adequado.
A polpa é alimentada sob pressão no vaso e o bolo, retido pelo meio filtrante, formase no topo de cada prato, enquanto o filtrado passa através do eixo oco e segue para o processo. Os tamanhos do filtro podem variar, mas geralmente a área máxima de filtração é 60m2 e são projetados para uma pressão de operação de 6bar.
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Critérios De SeleçãoCritérios De SeleçãoCritérios De SeleçãoCritérios De Seleção
Polpas com sólidos que não tendem a sedimentar rapidamente e permanecerão em suspensão uniforme sob agitação delicada. Tortas que não requerem períodos de secagem longos. Quando um único estágio de lavagem for suficiente para remover os contaminantes residuais do bolo ou produzir a recuperação máxima de filtrado, Filtrado que geralmente não requer uma separação afiada entre o filtrado matriz e filtrado da lavagem, Filtrados nos quais é aceitável com uma quantidade baixa de finos que passam pela malha do pano filtrante nos primeiros segundos da formação do bolo. Geralmente, e dependendo do tamanho da partícula e da permeabilidade do pano, o filtrado pode conter 1000 a 5000 ppm de insolúveis.
.. .. .. 6.46.46.46.4 Filtro de MesaFiltro de MesaFiltro de MesaFiltro de Mesa..
Os Filtros de Mesa pertencem ao grupo de alimentação pelo topo e apresentam um cinto de
borracha na borda, que gira junto com as celas, mas é removido da mesa logo após deixar a
zona de lavagem final e secagem, e antes de alcançar a calha de descarga de bolo.
O beiral fica então afastado da mesa e retoma logo que ela pasSa pela calha de água de
lavagem e entra na zona de secagem do pano. Cilindros especiais desviam o beiral e uma
tensão levantando o rolo assegura que o cinto fica apertado contra a mesa e sela a
circunferência contra vazamentos.
A área de filtração de Filtros de Mesa grandes é mais que 200m2 e tendo poucas partes
móveis pode girar em um tempo de ciclo de 2 minutos.
Estes filtros podem manipular bolos espessos e podem ser operados a altos níveis de vácuo.
Critérios de SeleçãoCritérios de SeleçãoCritérios de SeleçãoCritérios de Seleção
Os critérios para escolha de um Filtro de Mesa são:
Quando a etapa seqüencial do processo requer um bolo desaglomerado uma vez que o
parafuso desintegra os torrões de sólido enquanto os transporta à periferia.
Quando os sólidos sedimentam rapidamente e não podem ser mantidos como uma
mistura homogênea em filtros de alimentação pelo fundo ou lateral como os filtros de
Tambor ou Discos.
Quando são requeridos tempos de ciclo muito pequenos para bolos de enxugamento
rápido como polpas de fosfato.
Quando um filtrado claro é requerido desde o começo uma boa prática é formar um
resíduo fino que serve como meio filtrante sobre o pano exposto. Isto é obtido ou por "saída
de líquido turvo" que é reciclado ou, se sólidos sedimentam rapidamente, alocando uma
porção da mesa depois do compartimento de secagem do pano e antes da entrada na zona de
vácuo para agir como uma "piscina" de sedimentação.
Quando uma lavagem intensiva do bolo é requerida.
Quando uma grande área de filtração é requerida, mas um Filtro de Correia Horizontal
não se ajusta no layout.
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A vazão do elutriador deve ser constante(Q=constante), logo se aumentarmos o diâmetro do tubo a velocidade do fluido(u) diminui e o diâmetro das partículas retidas no fundo do elutriador (Dp) também diminuirá. Portanto:
Se D 4 >D 3 >D 2 >D 1 e u 1 >u 2 >u 3 >u 4
temos: v 4 u partículas no fundo do elutriador Quando vt < u partículas levadas ao tubo seguinte Quando vt = u partículas em suspensão, pois a ∑ F = 0
8 .8. 8 .8. C Á L C U L O D A V E L O C I D A DC Á L C U L O D A V E L O C I D A D E TE R M I N A L E M E L U T R IC Á L C U L O D A V E L O C I D A DC Á L C U L O D A V E L O C I D A DE TE R M I N A L E M E L U T R IE TE R M I N A L E M E L U T R IE TE R M I N A L E M E L U T R I A D O RA D O RA D O RA D O R E SE SE SE S
Normalmente o regime de escoamento dos fluidos é o regime de STOKES onde Rep <1, logo
μ
ρ ρ
. .( ) 2 s m t
g Dp v
μ
ρ ρ
. .( )
2 s m t
g Dst v
2
1
0 , 065
0 , 843 *log
φ
Dp
Dst
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A separação dos sólidos de um líquido por Decantação por ação da gravidade possui vestígios para
os primeiros dias de civilização. A prática normal nesses momentos era usar frascos ou poços principalmente para a clarificação dos
líquidos extraídos, como vinho e azeite de contaminantes insolúveis.
Os principais objetivos estão em concentrar uma suspensão de sólidos, conhecida como
Esquema de um sedimentador
A sedimentação pode ser: natural (livre) ou forçada (quando se utiliza floculantes- substâncias com
propriedades de aglomeração de partículas).
O aumento do tamanho de partículas aumenta a velocidade de sedimentação. É possível aumentar o
tamanho das partículas antes da decantação com adição de floculantes ou polieletrólitos. Os floculantes ou os polieletrólitos tem a função de se unir ao sólido em suspensão e formar uma
partícula maior. Esta união se dá por meio das cargas elétricas de sinal contrário entre as partículas
sólidas e o agente de floculação
Os fatores que controlam a velocidade de decantação (vt): densidade do sólido( ), densidade do líquido( ) , diâmetro da partícula (Dp), forma das partículas e viscosidade do meio ( )
μ
ρ ρ
. .( )
2 − =
s t
g Dp v
ρ s ρ μ
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1 2 .1 2 .1 2 .1 2. T I P O S D E E S P E S S A D O R E ST I P O S D E E S P E S S A D O R E ST I P O S D E E S P E S S A D O R E ST I P O S D E E S P E S S A D O R E S
Espessadores convencionais estão geralmente incorporados em aplicações industriais quando a densidade de lodo é alta e são exigidos torques significativos para carregar os sólidos resolvidos da periferia para a saída central por bombear fora. Igualmente, Espessadores são freqüentemente usados para armazenamento facilitar a alimentação contínua da jusante filtros ou centrífugas.
Basicamente há dois grupos de Espessadores que difere no tipo de seus mecanismos motrizes:
Dirigido CentralmenteDirigido CentralmenteDirigido CentralmenteDirigido Centralmente
Há dois métodos de apoiar o passeio pesado com seu cabo e braços de limpeza:
a) O tipo ponte
b) O tipo coluna
