Filtracao Engenharia Quimica

UNIVERSIDADE DE RIBEIRÃO PRETO – UNAERP

CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS, NATURAIS E DE TECNOLOGIA

CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA

Filtração

LABORATÓRIO DE ENGENHARIA QUÍMICA II

Prof. Dr. Pisani

Bianca Chieregato Maniglia 800501

Bruno Fazanaro Cunha 754979

Tamires Carmo 784866

RIBEIRÃO PRETO - SP

Dezembro de 2011



Sumário

1- INTRODUÇÃO 3

2- OBJETIVO 6

3- MATERIAL E MÉTODOS 6

4- RESULTADOS E DISCUSSÃO 10

5- CONCLUSÃO 12

6- REFERÊNCIAS 13

INTRODUÇÃO

A filtração é uma operação unitária que pode ser utilizada 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 aprensagem. 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;

Grau de separação que se deseja realizar;

Custos relativos da mão-de-obra, do capital e da energia.

No filtro 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.

Um dos filtros muito utilizados é o filtro-prensa que é fornecido sob a forma de uma serie de placas que sao apertadas firmemente umas das outras, com uma lona sobre cada lado de cada placa. Vem dai a denominação filtro-prensa de placas. Ha placas circulares e placas quadradas, horizontais ou verticais e com depressões ou planas. As placas com depressões, quando justapostas formam o filtro-prensa de camaras. Quando as placas sao planas os compartimentos de alimentacao da torta sao formados por meio de quadros que separam as diversas placas. Este tipo e chamado filtro prensa de placas e quadros (figura-1).

Figura 1 - Modelo de filtro prensa de placas e esquema de funcionamento de um filtro prensa com sistema de lavagem do pano.

Este tipo de filtro apresenta placas quadradas, com faces planas e bordas levemente ressaltadas. Entre duas placas sucessivas da prensa há um quadro que serve como espaçador das placas. De cada lado de um quadro há uma lona que encosta-se à placa correspondente. Assim, as câmaras onde será formada a torta ficam delimitadas pelas lonas. A estrutura de suporte do conjunto tem barras laterais que servem de suporte para as placas e os quadros. O aperto do conjunto é feito por meio de um parafuso ou sistema hidráulico. Nos filtros prensa existe uma seqüência de placas metálicas perfuradas e alternadas entre si. Há um vão livre entre duas placas que permite a passagem da mistura heterogênea.

Cada placa é coberta com um elemento filtrante e sobre ele começa a se depositar o sólido separado, formando uma torta que pode ser compressível ou incompressível. Há duas classes de filtros-prensa de placas e quadros: os que permitem lavar a torta, denominados filtros-prensa lavadores, e os não-lavadores. Como exemplo do emprego de filtros prensa em indústrias alimentícias, se obtém o refino de óleos vegetais, e na produção de molho shoyu, na purificação do xarope para a produção de refrigerantes, indústria de sucos na separação do bagaço da polpa, etc.

OBJETIVO

O objetivo deste experimento é operar um filtro de placas e quadros a pressão constante, determinando-se a resistência específica da torta e a resistência do meio filtrante, a partir dos dados coletados.

PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

Os materiais utilizados para o experimento de filtração foram os seguintes:

- Filtro prensa de 3 placas e 2 quadros, constituído por um conjunto de placas para escoar o filtrado, e de quadros para reter a torta, demonstrado pela Figura 2;

- Equipamento acoplado ao filtro, munido de dois tanques (ambos com sistemas a reciclo e apenas um com chicanas), tubulações e válvulas, por onde segue o fluxo da solução;

- Calha para coleta do filtrado;

- Filtrado utilizado, composto por uma solução de calcário dolomítico em água, com características especificadas na tabela 1;

- Bomba radial ou centrífuga;

Foram utilizados alguns materiais de apoio também para o experimento como balança, paquímetro, trena e cronômetro.

As placas e os quadros estão representados na figura 2.

Figura 2 - Principais componentes de um filtro prensa de placa e quadros.

Tabela 1 – Características da solução aquosa de calcário dolomítico.

Parâmetro Valor

Concentração (kg/m3) 100

Porosidade 0,38

Densidade do calcário puro (kg/m3) 2650

Para realizar a filtração e obter os dados necessários para o posterior cálculo da resistência do filtro, realizaram-se os seguintes procedimentos experimentais:

- Medição da área do quadro.

- Montagem do filtro.

- Medição da temperatura da suspensão.

- Filtração, garantindo a manutenção da pressão constante durante o processo.

- Anotação do tempo de filtração.

- Desmontagem e limpeza do sistema.

Na figura 3 há a representação do sistema a ser trabalhado para facilitar o entendimento do procedimento a ser tomado durante a realização do experimento.

Válvula 3

Válvula 7

Tanque 1

Tanque 2

Válvula 6

Válvula 5

Válvula 1

Válvula 4

Válvula 2

Figura 3 - Sistema para filtração com destaque para os tanques e as válvulas utilizadas.

Para iniciar a filtração, foram fechadas todas as válvulas do sistema. Adicionou-se o fluido no tanque 1, abriram-se as válvula 1 e 3 e ligou a bomba. Até aqui, temos apenas a recirculação do fluido.

O próximo passo é abrir as válvulas 5 e 6, e ajustar a 1 regulando a vazão para pressão constante de 0,5 kgf/cm2. Na medida em que os sólidos ficam retidos, a queda de pressão aumenta, para manter a pressão constante, deve-se ajustar gradativamente as válvulas 6 e 1 para corrigir a pressão na linha e forçar a passagem da solução pelo meio filtrante.

As Figuras 4 e 5 mostram a diferença entre a solução de calcário antes e depois de passar pelo filtro.

Figura 4 - Solução de calcário dolomítico dentro do tanque 1 durante a filtração.

Figura 5 - Foto tirada durante o processo de filtração, mostrando a saída da solução filtrada.

Quando o ajuste destas válvulas já não for o suficiente no controle da perda de carga, deve-se iniciar o processo de limpeza dos filtros. Para este processo, realiza-se a seguinte seqüência: as válvula 5 e 6 são fechadas, a válvula 2 e 4 são abertas, e por fim as válvulas 1 e 3 são fechadas. O sistema ficará recirculando apenas no tanque 2. O próximo passo é abrir a válvula 5 e 7 para iniciar a limpeza do filtro. A torta é então removida pela passagem do fluido.

RESULTADOS

Tabela 2 – Massa e volume da solução filtrado em função do tempo, pontuais e acumulado, e tempo dividido por volume acumulado (t/Va).

Tempo (s) Massa (kg) Massa acumulada

(kg) Volume preenchido

(L) Volume acumulado

(L) Tempo/Volume acumulado

(s/L)

31 3,49 3,49 3,52 3,52 8,81

245 3,18 6,67 3,21 6,73 36,41

441 1,86 8,53 1,88 8,60 51,25

636 1,39 9,92 1,40 10,01 63,56

839 1,23 11,15 1,24 11,25 74,59

1019 0,89 12,04 0,90 12,15 83,90

1195 0,67 12,71 0,68 12,82 93,20

1382 0,56 13,27 0,56 13,39 103,24

1560 0,43 13,7 0,43 13,82 112,88

1737 0,37 14,07 0,37 14,19 122,38

1917 0,3 14,37 0,30 14,50 132,24

2100 0,26 14,63 0,26 14,76 142,29

Com os valores obtidos, plotou-se o gráfico t/Va x Va.

Figura 4 - Gráfico de t/Va em função do Va.

A linha de tendência traçada resultou na seguinte equação da reta:

y = 11,224x - 41,561

Com coeficiente de correlação R² = 0,9443

Lembrando da equação para filtração com queda de pressão constante:

E fazendo uma analogia com a equação da reta, onde tf/Vf corresponde a y e Vf corresponde a x, percebe-se que:

= 11,224;

= -41,561.

O valor da perda total de pressão através do filtro é -0,5 kgf/cm², ou -4,9.104 Pa. Logo:

Kp = 1,100.106 kg.m-7.s-1.

B = 2,037.106 kg.m-4.s-1.

Determinados os valores das constantes Kp e B, é possível obter a resistência

específica da torta (α) e a resistência do meio filtrante (Rm).

e

A concentração de sólidos na solução é de 100 kg/m³, a porosidade é de 0,38 e a área de filtração medida foi de 1,65.10-2 m2. Buscou-se na literatura a viscosidade da água para a temperatura do experimento, de 31,5 ºC, que corresponde a 0,77625 kg.m-1.s-1.

Com base nesses dados, pôde-se calcular a resistência específica da torta (α):

α = 3,858 m/kg

E em seguida calculou-se a resistência do meio filtrante (Rm):

Rm = 4,329.104 m-1

CONCLUSÃO

O experimento forneceu dados satisfatórios para a determinação das variáveis em questão. Realizando medições do volume de filtrado ao longo do tempo, pôde-se construir uma curva que se mostrou linear, e gerou a equação de uma reta. Com essa equação pôde-se determinar o valor das constantes Kp e B, por meio de uma analogia com o coeficiente angular e linear da reta de ajuste. Com o valor dessas constantes, foi possível a determinação da resistência específica da torta e da resistência do meio filtrante.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

GOMIDE, R. (1980). “Operações Unitárias”, vol. 3 – Ed do Autor, São Paulo.

SHREVE, R. N.; BRINK Jr, J. A. (1980) “Indústrias de Processos Químicos”– Ed. Guanabara Dois S.A., Rio de Janeiro – RJ, 4ª edição.

http://www.enq.ufsc.br/disci/eqa5313/ acesso em 03 de Dezembro de 2011