Relatório Filtração

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE LAVRAS
ENGENHARIA DE ALIMENTOS
ENSAIOS DE FILTRAÇÃO
Alunos
Ana Eugênia Ávila Borges
Cecília Cordeiro
Welbert Freitas
Professora
		 Joyce Maria Gomes da Silva
LAVRAS
MINAS GERAIS - BRASIL
2012�
INTRODUÇÃO
	A filtração é uma das aplicações mais comuns do escoamento de fluidos através de leitos compactos, sendo uma técnica que consiste na separação de uma fase sólida de uma fase fluida (liquida ou gasosa), passando esta última através de um meio permeável e poroso. O meio poroso e permeável chama-se filtro e retém o resíduo sólido formando um depósito que se denomina torta e cuja espessura vai aumentando no decorrer da operação, já o fluido que passa através do filtro designa-se filtrado. 
	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.
	Quando se força a suspensão através do leito, o sólido da suspensão fica retido sobre o meio filtrante.	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.
O estudo da filtração do ponto de vista da Engenharia de Alimentos tem como finalidades decidir sobre o tipo de filtro a ser usado, dimensionar o filtro, estabelecer as condições de operação do filtro, predizer as consequências da variação nas condições na operação do filtro. 
	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.
	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. 
	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.
Seja qual for o tipo de equipamento usado acumula-se gradualmente um bolo de filtração sobre o meio filtrante e a resistência do fluxo progressivamente aumenta durante a operação. No que se refere à variação de pressões no decorrer da filtração, podemos ter: filtração à pressão constante, filtração à vazão constante, filtração em regime misto.
No 1o caso a vazão vai diminuindo à medida que cresce a espessura da torta, sendo utilizado para precipitados pouco compressíveis. Quando se trata de um precipitado compressível, é preferível começar a filtrar a pressão pequena para não tornar o precipitado pouco permeável, sendo a pressão aumentada à medida que aumenta a espessura da torta (e, portanto a resistência à filtração), mantendo-se a vazão do filtrado constante.
Os bolos de filtração podem dividir-se em duas classes: bolos compressíveis e incompressíveis. No caso de um bolo incompressível, a resistência ao fluxo de um dado volume não é apreciavelmente afetado, quer pela diferença de pressão do bolo, quer pela velocidade de deposição do material. Com um bolo compressível o aumento da diferença de pressão causa a formação de um bolo mais denso com maior resistência.
Para bolos incompressíveis a partir de equações de movimento para a torta e o meio filtrante chegamos para a filtração à pressão constante que:
 	(1)
Onde: Rm=resistência de meio filtrante, (= resistência específica da torta
 (= viscosidade do filtrado, w=massa do sólido na suspensão/massa de líquido na suspensão
Para tortas compressíveis, a porosidade e a resistência específica variam com a posição no interior da torta, devido às tensões mecânicas que tendem a comprimir a torta.
As correlações obtidas experimentalmente para ((( e (E( são do tipo: ((( = (0 ( p n						 (2)
 (E( = E0 ( p m						 (3)
Podemos, então, aplicar a equação (1) mesmo para tortas compressíveis fazendo (=(((.
Tipos de Filtração:
* Filtração por Gravidade
	Consiste em introduzir o líquido pela parte superior do recipiente filtrante e deixá–lo escoar através das camadas filtrantes por ação da gravidade. Bastante econômico operacionalmente, é um filtro de ação relativamente lenta, cuja velocidade de filtração depende essencialmente da altura da coluna d’água acima do elemento filtrante, (normalmente areia é utilizada para esta finalidade), da granulometria do mesmo e, claro da quantidade de material em suspensão no líquido que, ao ser retirado, vai gradualmente “entupindo” o filtro, exigindo limpezas periódicas.
	Por sua praticidade e baixo custo, esse tipo de filtro é utilizado largamente em estações de tratamento de água para consumo humano, onde filtração em larga escala se torna necessária. A sua ação é basicamente física, retirando do líquido a matéria sólida em suspensão (detritos). Um outro exemplo bastante simples e corriqueiro deste tipo de filtro é o filtro de café, feito com um funil de papel ou coador de pano.
* Filtração por Circulação Forçada
	Este tipo de filtração consiste em “forçar” a passagem do líquido através das camadas filtrantes por meio de bombeamento, para aumentar a velocidade da operação. Este é o principal método utilizado em aquários, onde é necessário uma boa capacidade de filtração em pouco espaço, com equipamentos de porte relativamente pequeno, e também uma boa facilidade de controlar ou intervir no filtro a qualquer momento.
	A capacidade final de filtração obtida por este processo depende do poder de compressão da bomba ou estação de bombeamento para gerar o fluxo do líquido, da altura da coluna d’água, e da permeabilidade total da(s) camada(s) de filtração utilizada(s).
* Filtração Física (ou Mecânica)
	A Filtração Física consiste em retirar as impurezas macroscópicas (orgânicas e inorgânicas) existentes em suspensão na água pelo método simples de passá–la através de um “coador”. Este tipo de filtração não é capaz de retirar bactérias e plâncton de reduzidas dimensões, e muito menos substâncias químicas dissolvidas na água.
	Esta é normalmente, a primeira etapa de um processo de filtração,sendo o produto da mesma (água livre de detritos), “entregue” às demais etapas, que assim não correm o risco de sofrer entupimentos físicos.
	Diversos materiais podem ser utilizados nessa etapa, tais como esponjas, cartuchos de papel ou fibra, e mantas de material sintético.
*Filtração Química
	É a remoção de substâncias dissolvidas na água a nível molecular. Estas substâncias, quanto à sua natureza, podem ser polarizadas (íons) e não polarizadas (moléculas). O método mais empregado para este tipo de filtração consiste em passar a água por uma camada de Carvão Ativado (CA), que é mais eficiente para a remoção de moléculas, mas que funciona também com alguns íons.
*Filtração Biológica
	É a denominação que se dá às ações nitrificante e desnitrificante proporcionadas por colônias de bactérias. Existem na Natureza vários tipos de bactérias capazes de decompor a amônia em compostos menos tóxicos (Nitritos e Nitratos). Elas existem naturalmente no meio ambiente (substrato, plantas, água, etc.)
	As colônias de bactérias necessitam essencialmente de: um local para se fixarem, e nutrientes (Nitrogênio e Oxigênio) para viver. A filtragem biológica é normalmente feita após a filtragem física, dessa maneira as colônias de bactérias receberão uma água já livre de detritos, para “trabalhar”.
	
2. OBJETIVO
Pretende-se determinar as características do bolo formado durante a filtração de suspensão de CaCO3 com 100g de CaCO3 em 1000ml de H2O e a área de um filtro industrial que opera com vazo de filtração de 10.000 l/h.
3. MATERIAL E MÉTODOS
	Preparou-se uma suspensão de 10% de CaCO3, em 200 mL e 700 mL de água. Os ensaios foram realizados a vácuo (bomba de vácuo - manômetro diferencial), com o auxílio de um kitassato, Funil de Buckner, proveta graduada, paquímetro (mais preciso para as medições desejadas), termômetro. Utilizou-se papel de filtro número 2. 
	Antes de iniciar a filtração deve-se borrifar o filtro com água para diminuir a pressão e assim, a resistência não ser tão grande inicialmente.
Através do paquímetro, obtivemos as seguintes medidas do Funil de Buckner utilizado: 
- diâmetro externo: 14,3 cm
- espessura: 0,6 cm
- diâmetro interno: 13,1 cm
- raio: 7,55 cm
Logo, a área (πr²) da superfície do funil é 179,08 cm²
Registrou-se o volume de filtrado em função do tempo. Então, mediu-se o volume total filtrado ao final da operação e a sua respectiva pressão.
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
	A Tabela 1 e 2 apresentam os resultados do volume de filtrado em função do tempo.
Tabela 1- Resultados do volume de filtrado em função do tempo para preparo de 700 mL de suspensão de CaCO3.
	t (s)
	V (m3) x10-6
	Ϫt
	ϪV x10-6
	Ϫt/ ϪV x106
	10
	25
	10
	25
	0,4
	20
	75
	10
	50
	0,2
	30
	100
	10
	25
	0,4
	40
	105
	10
	05
	2,0
	50
	130
	10
	25
	0,4
	60
	150
	10
	20
	0,5
	70
	180
	10
	30
	0,3
	80
	190
	10
	10
	1,0
	90
	193
	10
	03
	3,3
	100
	198
	10
	05
	2,0
	110
	201
	10
	03
	3,3
	120
	210
	10
	09
	1,1
	130
	230
	10
	20
	0,5
	140
	260
	10
	30
	0,3
	150
	290
	10
	30
	0,3
	160
	300
	10
	10
	1,0
	170
	305
	10
	05
	2,0
	180
	308
	10
	03
	3,3
	190
	315
	10
	07
	1,4
	200
	320
	10
	05
	2,0
	210
	330
	10
	10
	1,0
	220
	350
	10
	20
	0,5
	230
	370
	10
	20
	0,5
	240
	380
	10
	10
	1,0
	250
	390
	10
	10
	1,0
	260
	395
	10
	05
	2,0
	270
	398
	10
	03
	3,3
	280
	400
	10
	02
	5,0
	290
	400
	10
	0
	
Grafico 1 – Ϫt/ ϪV versus V (m3) para preparo de 700 mL de suspensão de CaCO3.
 
Logo, a equação da reta obtida é:
	Y = 4x109 X + 411813
 
Sendo que essa equação corresponde a expressão:
	∆t = αωμ V + μRm
 ∆V gc∆PA2
Assim,
 αωμ = 4x109
 g∆PA2
μRm = 411813
Dados:
∆P = 550 mm Hg = 73323,556859 Pa
Temperatura da água = 22,5oC
Tem-se que
μ = 1Cp = 1.10-3 kg/m.s (Apêndice 9)
ω = 10,01 kg/m3
Di = 0,131 m
A = 0,017908 m²
Podendo-se assim calcular:
 α 10,01x0,001 = 4x109
 73323,556859 x (0,017908)2
 
α = 9,405842x1010 m2/kg
μRm = 411813
Rm = 411813000 s2/kg.m2
Tabela 2- Resultados do volume de filtrado em função do tempo para preparo de 200 mL de suspensão de CaCO3.
	t (s)
	V (m3) x10-6
	Ϫt
	ϪV x10-6
	Ϫt/ ϪV x106
	10
	30
	10
	30
	0,3
	20
	60
	10
	20
	0,5
	30
	80
	10
	20
	0,5
	40
	100
	10
	10
	1,0
	50
	110
	10
	10
	1,0
	60
	120
	10
	05
	2,0
	70
	125
	10
	05
	2,0
	80
	130
	10
	05
	2,0
	90
	135
	10
	02
	5,0
	100
	137
	10
	01
	10,0
	110
	138
	10
	02
	5,0
	120
	140
	10
	02
	5,0
	130
	142
	10
	00
	
	140
	142
	10
	03
	3,3
	150
	145
	10
	00
	
	160
	145,5
	10
	0,5
	20,0
Grafico 2 – Ϫt/ ϪV versus V (m3) para preparo de 200 mL de suspensão de CaCO3.
Logo, a equação da reta obtida é:
	Y = 6x1010 X - 4000000
 
Sendo que essa equação corresponde a expressão:
	∆t = αωμ V + μRm
 ∆V gc∆PA2
Assim,
 αωμ = 6x1010
 g∆PA2
μRm = -4000000
Dados:
∆P = 545 mm Hg = 72656,979069 Pa
Temperatura da água = 22,5oC
Tem-se que
μ = 1Cp = 1.10-3 kg/m.s (Apêndice 9)
ω = 10,01 kg/m3
Di = 0,131 m
A = 0,017908 m²
Podendo-se assim calcular:
 α 10,01x0,001 = 6x1010
 72656,979069 x (0,017908)2
 
α = 1,398050x1012 m2/kg
μRm = 4000000
Rm = 4000000000 s2/kg.m2
5. CONCLUSÃO
	
	Podemos observar que quando a suspensão se encontra em um volume maior a mesma apresenta velocidade de filtração maior do que a de menor volume.
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
FOUST, A. L. Princípios das Operações Unitárias - 2. ed. Rio de Janeiro: LTC – Livros Técnico e Científicos Editora SA, 1982.
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