Apostila Filtracao - Alunos

Prévia do material em texto

UTFPR – CAMPUS DE CAMPO MOURÃO
DISCIPLINA: Operações Unitárias 
PROFESSORA: Camila Ortiz Martinez
Filtração
1. Introdução
	A filtração é uma das mais importantes operações unitárias da indústria de larga aplicabilidade. Seu objetivo essencial é a separação de sólidos suspensos em fluidos.
	Em linhas gerais a ideia da filtração nada mais é do que um processo de escoamento de fluidos em meios porosos, com suas equações constitutivas vindas do estudo prévio do transporte de quantidade de movimento nesses mesmos meios.
	Numa primeira análise poderíamos dizer que a filtração pode ou não ocorrer a formação de uma subcamada de material filtrante, a comumente chamada torta que é um elemento fundamental no estudo da maioria dos processos de filtração de interesse da engenharia.
	Um exemplo simples de formação da chamada torta seria imaginando um escoamento vertical de uma suspensão sólido-líquido dentro de uma coluna em duas situações distintas:
	1. 	A suspensão passa por um meio filtrante, disposto como um recheio dentro da coluna (Figura 1).
Figura 1 – filtração sem formação de torta – “deep bed filtration”.
 Neste caso as partículas sólidas da suspensão são retidas no recheio da coluna, de forma que essencialmente só o líquido (filtrado) sai da coluna.
	2. 	A mesma suspensão passando por um outro tipo de filtro que possui uma superfície filtrante chamada de meio filtrante ou septum. Este pode ser feito de materiais como papel, feltro, etc. Esse meio filtrante é disposto horizontalmente na altura h do filtro (figura 2).
Figura 2 – Filtração com Formação de Torta – Cake Filtration.
 Neste caso as partículas do sólido ficam retidas na superfície filtrante, de modo que essencialmente só o líquido (filtrado) chega ao fundo da coluna.
	Conforme o andamento do processo, no 2o caso existe um acúmulo de massa de sólidos acima da superfície filtrante formando uma subcamada. Esta subcamada ou torta cresce com o passar do tempo e auxilia durante boa parte deste tempo a própria eficiência da filtração, na medida em que se torna um novo meio filtrante ou seja, uma espécie de manta porosa filtrante.
	Filtração com Formação de tortas – qual a vantagem?
	Podemos dizer que a grande proporção de sólidos e ou seu depósito nas proximidades da superfície filtrante são fatores que auxiliam sua retirada quer seja por raspagem ou por outro método, isto vem de encontro com o interesse no aproveitamento dos sólidos. Por outro lado a filtração em leito fixo (Leito profundo ou clarificador) é interessante quando a quantidade relativa de sólidos é baixa na suspensão (ex: água potável já decantada) ou mesmo quando o objeto de interesse é a fase fluida.
Com essas informações podemos atribuir uma definição simplificada da filtração.
2. Definição:
	Separação de sólidos suspensos em fluidos através do uso de um meio poroso que retém partículas sólidas e permite a passagem do fluido.
	Esta definição pressupõe pelo menos duas condições.
1.	Porosidade do meio maior que o “tamanho” das partículas a serem filtradas.
2.	Formação “na maioria dos casos práticos da indústria” de uma torta filtrante.
	Esta mesma definição tem também de trazer a tona outras questões, como por exemplo:
		 Só líquido filtrado é o produto de interesse?
		 Quanto desse mesmo líquido fica retido junto ao sólido e ao meio filtrante?
		 A vazão de líquido filtrado é constante?
		 Qual a força motriz, ou quais são elas?
3. Utilização.
	As aplicações da filtração basicamente se dividem em:
i) 		Separação Sólido-Líquido.
ii) 		Separação Sólido-Gás.
	No primeiro caso as aplicações vão de grandes volumes de suspensão como no tratamento de águas e efluentes como para pequenos volumes tal qual na química fina.
	A segunda categoria está primordialmente representada pelos filtros e também pelo processamento de gases industriais.
`	A filtração com a formação de torta possui bastante aplicação quando se tem interesse nos sólidos, sendo muito empregada devido a facilidade de remoção de sólidos em comparação com a filtração em leitos profundos. Geralmente o objeto de interesse da indústria química são os sólidos, daí a grande importância dos processos de filtração com formação de torta.
	A filtração propriamente dita:
	A filtração “clássica”, ou seja, sem os processos com membranas dependem basicamente dos seguintes aspectos:
		Queda de pressão, ou seja, a diferença entre a pressão na cabeça de filtração (início da torta ou do meio poroso dependendo do tipo de filtração), e a pressão na saída do meio filtrante;
		Área do meio filtrante (área do filtro + área da torta, no caso de filtração com torta e área do meio poroso para a filtração – deep bed);
		Viscosidade do filtrado (consequentemente para suspensões, influência da temperatura e por vezes, da pressão);
		Resistência do filtro e das camadas iniciais de torta (lembrando! Para que ocorra a filtração é necessário que a força motriz supere a resistência);
		Resistência da torta propriamente dita (levando em conta que quase sempre há um limite na espessura da torta formada).
4. Tortas compressíveis e incompressíveis:
	Quase todas as tortas são compressíveis, dizemos que somente quando a compressibilidade é pequena é que temos uma torta incompressível, todavia, esse tipo de torta tem um tratamento teórico importante na formulação da teoria simplificada da filtração.
	A torta é compressível quando a resistência específica ou permeabilidade é função da diferença de pressão através da torta.
	Com relação à compressibilidade esta pode ser dividida em:
1. reversível, quando a torta é elástica;
2. irreversível, quando a torta é inelástica.
	A reversibilidade da torta quanto à compressão está relacionada e é atribuída a 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, daí termos que em processos com esse tipo de torta formada a pressão nunca deve exceder um máximo permitido.
EQUIPAMENTOS DE FILTRAÇÃO
Melhor equipamento melhor custo global
Custo Global = custo do equipamento + custo operacional
Custo do equipamento relacionado com a área de filtração.
Deseja-se sempre obter altas taxas de filtração
 taxas de filtração área de filtração custo
 altas pressões taxas de filtração sem aumento da área de filtração.
		Problemas:
		- com tortas compressíveis;
		- limitações mecânicas dos filtros quanto à pressão.
 Maior processamento de filtrado para uma dada área de filtração pode ser obtido em um filtro contínuo que num filtro batelada, mas por problemas de resistência da torta é muitas vezes necessário usar filtro batelada. Filtros contínuos funcionam geralmente a pressões reduzidas e a máxima pressão de operação é sempre limitada.
 Descarga de sólidos é fator importante na escolha de um filtro –
	- Facilidade de descarga de sólidos numa forma física conveniente ex: sólidos lavados, semi-seco, etc.
 Fatores mais importantes na seleção de filtro:
	- resistência específica da torta filtrante,
	- quantidade a ser filtrada,
	- concentração de sólidos.
TIPOS MAIS IMPORTANTES DE FILTROS
 FILTRO DE LEITO (descontínuo)
 FILTRO PRENSA (descontínuo)
 FILTRO FOLHA (descontínuo)
 FILTROS ROTATÓRIOS (contínuo).
	1. FILTRO DE LEITO
 Característica: partícula coletada no meio do meio filtrante;
 Usados para retirar pequenas quantidades de sólidos de grandes volumes de líquidos, por exemplo: tratamento de água potável e águas residuais (esgoto);
 Baixo custo de instalação;
 Grande área é necessária devido à baixa velocidade de filtração;
 Lavagem: reservas com ar e água (fluidização).
	2. FILTRO PRENSA
	Constitui de uma série de placas, que são apertadas firmemente umas contra as outras, com uma lona (meio filtrante) sobre cada lado de cada placa. As placas podem ser circulantes,quadradas, horizontais ou com depressões. As placas com depressões, quando justapostas formam os chamados filtros prensa de câmaras.
		2 Tipos: 	placa/quadros e placa/câmaras
2.1 Filtro Prensa de Placa e Quadros
	Neste tipo de filtro, as placas são quadradas, com faces planas e bordas levemente ressaltadas. Entre 2 placas sucessivas da prensa, há um quadro que nada mais é do que um espaçador das placas.
 Tempo de ciclo de operação: TCO = tempo (mont. + desmont.) + tempo de filtração
	Tempo (mont. + desmont) cte;
	Tempo filtração variável, regulado pela espessura da torta.
 Para obter máxima produção de filtrado o tempo de filtração deve ser um tanto maior que o tempo de montagem e desmontagem do filtro. Quanto menor a resistência da torta, maior será a espessura da torta que dará o tempo de ciclo ótimo.
	Este tipo de filtro prensa pode ou não permitir a lavagem da torta: filtros-prensa lavadores e não lavadores.
	O filtro prensa lavador é montado com placas filtrantes e lavadoras alternadas. A ordem é cabeçote fixo – quadro – placa lavadora – quadro – placa filtrante – etc.
Figura 1 – Placas e quadros utilizados na filtração.
	Similar ao de placa/moldura, mas as placas são rebaixadas na parte central. A câmara é formada quando as placas são unidas. Cada placa tem um furo central pelo qual a suspensão é alimentada nas diversas câmaras. Cada placa tem uma torneira por onde o filtrado escoa.
	A sequência de operação é a seguinte: a prensa é montada, alimenta-se a suspensão até que a pressão exceda a um valor, faz-se a prensagem do conjunto, abre-se a prensa, retira-se a torta e monta-se novamente o conjunto.
	O Filtro Prensa consiste em uma cabeça e seguidor que contêm entre si um pacote de placas retangulares verticais que são apoiadas pelo lado ou sobre vigas. A cabeça serve como um extremo fixo no qual os tubos de alimentação e filtrado são conectados e o seguidor move-se ao longo das vigas e comprime as placas juntas durante o ciclo de filtração por um mecanismo hidráulico ou mecânico (Figura 2).
 
Figura 2 – Ilustração do filtro-prensa de câmaras.
	Cada placa é revestida com um pano filtrante em ambos os lados e, uma vez apertadas lado a lado, elas formam uma série de câmaras que dependem do número de placas. As placas geralmente têm 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.
	VANTAGENS DOS FILTROS PRENSA:
 Devido sua simplicidade e versatilidade podem ser usados para uma larga faixa de materiais sob variadas condições de operação com a espessura da torta e pressão;
 Custo de manutenção é baixo;
 Possuem grande área filtrante por área de implantação (espaço no chão);
 Maioria de juntas são externas e vazamentos são facilmente detectados;
 Alta pressão de operação é usualmente possível;
 Flexibilidade (pode-se aumentar ou diminuir a área de filtração).
	DESVANTAGENS
 Operação intermitente: montagem / desmontagem podem estragar o meio filtrante (tecido);
 Mesmo com automatização da montagem / desmontagem o custo de mão de obra é elevado;
 Problemas com lavagem da torta dependendo da torta: tempo longo para partículas finas.
3. FILTRO FOLHA (descontínuo) ou FILTRO DE LÂMINAS
	Lâminas ou folhas ficam imersas na suspensão a filtrar, sendo feito vácuo para sucção de filtrado e / ou pressão na suspensão. Em ambos os casos a torta forma-se por fora das lâminas e o filtrado passa para o seu interior, de onde sai por um canal apropriado para o tanque de filtrado.
 Folhas podem ser retangulares, circulares, etc., meio filtrante podem ser fibras sintéticas, tecido, tela metálica e são suportados em uma tela de maior abertura. As saídas das folhas são conectadas para uma saída central.
 Filtros podem ser horizontais e verticais.
	Na Figura 3 é apresentado um exemplo de equipamento de filtro-folha de pressão, utilizado comercialmente.
 
Figura 3 – Ilustração de um sistema filtro-folha de pressão com tanque horizontal.
4. FILTROS ROTATÓRIOS (Contínuos)
	Filtros contínuos são aplicados quando:
 torta forma-se rapidamente (vazão de suspensão > 5L/min);
 grandes vazões de filtrado;
 viscosidade líquido < 100 cP para rápido fluxo através da torta.
	A saída do filtrado, a formação, a lavagem e a descarga da torta são realizadas automaticamente.
	4.1. FILTRO DE TAMBOR ROTATÓRIO
	É o tipo de filtro contínuo mais utilizado, existindo vários modelos com pressão e com vácuo, sendo a maior variação na forma de descarga dos sólidos. A operação é automática. À medida que o tambor gira, os diversos setores vão passando sucessivamente pela suspensão. Logo que o setor sair da suspensão e a torta estiver drenada, começa a lavagem. Depois de feitas quantas lavagens forem necessárias, a torta é soprada com ar comprimido e raspada por meio de uma faca. A retirada da torta nunca é total para não haver risco de rasgar a lona. A alimentação é feita com 35% da circunferência do tambor imerso. Um exemplo ilustrativo é apresentado na Figura 4.
 
			(a)						(b)
Figura 4 – Ilustração de (a) um sistema de filtro de tambor rotatório e (b) filtro de tambor rotatório a vácuo para celulose.