Filtração - Operações Unitárias

Prévia do material em texto

peneiração 
adsorção 
FILTRAÇÃO 
 A filtração é um processo no qual partículas sólidas são separadas de um líquido ou gás 
através da passagem dos mesmos por um material permeável. O meio poroso permeável que 
separa as partículas do líquido é conhecido como filtro ou meio filtrante. As partículas 
separadas formam a torta e o líquido obtido forma o filtrado. O termo clarificação é aplicado 
quando a quantidade de sólidos não ultrapassa 1,0% da formulação e quando o filtrado é o 
produto principal. 
 
 A filtração industrial e a laboratorial são muito semelhantes, porém a grande diferença 
consiste no volume de suspensão a ser filtrada e no custo dessa filtração, o que irá influenciar 
na escolha do equipamento e das dimensões do meio filtrante. 
Fundamentos da filtração 
 A filtração pode ocorrer por diferentes mecanismos, como peneiramento (ou 
oclusão) e adsorção. O processo de peneiramento se dá quando os poros do meio filtrante são 
menores que as partículas a serem separadas e estes meios filtrantes são geralmente do tipo 
de membrana. Enquanto o processo de adsorção é quando as partículas da suspensão são 
menores que os poros do meio filtrante, porém apresentam carga, ficando presas ao longo do 
filtro e estes meios filtrantes são geralmente de profundidade. 
 
 As partículas podem ser classificadas quanto a sua capacidade de deformação como não-
deformáveis e deformáveis. As partículas não-deformáveis são os cristais e os precipitados 
não-deformáveis deformáveis 
finos. Eles formam caminhos entre as partículas da torta que facilitam a filtração. Já as 
partículas deformáveis são materiais biológicos, proteínas, gomas, que achatam e formam um 
filme obstruindo os poros do meio filtrante, dificultando a filtração. 
 
 
 A velocidade de filtração ou taxa de filtração é a relação entre o volume de filtrado obtido e 
o tempo (dV/dt). Essa taxa de filtração será dada pela razão entre a força motriz da 
filtração pela resistência causada pelo meio filtrante e pela torta. 
 
𝑡𝑎𝑥𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑎çã𝑜 =
𝑓𝑜𝑟ç𝑎
𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎
 
 A força motriz que será diretamente proporcional com a taxa de filtração é a diferença de 
pressão entre a superfície da suspensão e o filtrado. Essa diferença de pressão pode ser obtida 
pela ação da força da gravidade, por centrifugação ou prensagem ou vácuo. 
 O grande desafio quando se trata das teorias de filtração é o fato de que a taxa de filtração 
tende a reduzir já que com o aumento do acúmulo dos materiais sólidos na superfície do meio 
filtrante, ocorre um aumento da resistência causada pela torta. 
Meios filtrantes 
 Os meios filtrantes podem ser classificados em: 
♥ Leitos granulares soltos; 
♥ Leitos rígidos; 
♥ Telas metálicas; 
♥ Tecidos; 
♥ 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. 
Pressão 
(força) 
Resistência 
da torta 
Resistência do 
meio filtrante 
 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. Utilizam-se também nos filtros mais 
simples que existem, os “nutsch”, e nos rotativos. 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. 
Adjuvantes de filtração 
 A resistência causada pela formação da torta é um fator limitante do processo de filtração. 
Para aumentar a velocidade de filtração, podemos utilizar substâncias que vão reduzir esse 
efeito, os adjuvantes de filtração. 
 Os adjuvantes de filtração podem ser adicionados diretamente à suspensão ou adicionados 
ao meio filtrante. Quando um adjuvante é adicionado diretamente a suspensão ele leva ao 
aumento da porosidade da torta e, consequentemente, minimiza sua resistência aumentando 
a taxa de filtração. Já os adjuvantes adicionados ao meio filtrante têm o objetivo de diminuir 
a adesão de partículas gelatinosas, consequentemente reduzem a obstrução dos poros do 
meio filtrante gerando filtrados mais límpidos. 
 Os adjuvantes de filtração devem ser materiais inertes, incompressíveis e não podem reagir 
quimicamente com o material de interesse. 
Tipos de adjuvantes de filtração 
 Terra de diatomáceas 
♥ Composição química: sílica. 
♥ Vantagens: variedade de tamanho disponível; pode ser utilizada em filtrações muito finas. 
♥ Desvantagem: levemente solúvel em ácidos e bases. 
 Perlita expandida 
♥ Composição química: sílica e aluminosilicato. 
♥ Vantagem: variedade de tamanho disponível. 
♥ Desvantagens: mais solúvel em ácidos e bases; não é capaz de uma retenção fina. 
 Asbestos 
♥ Composição química: aluminosilicato. 
♥ Vantagem: geralmente utilizados com diatomáceas; 
♥ Desvantagem: composição química similar as perlitas. 
 Celulose 
♥ Composição química: celulose. 
♥ Vantagens: alta pureza; excelente resistência química. 
♥ Desvantagem: alto preço. 
 Carvão 
♥ Composição química: carbono. 
♥ Vantagem: pode ser utilizado em solução de bases fortes. 
♥ Desvantagens: alto preço; alta granulometria. 
Teorias da filtração 
 A teoria da filtração, mesmo com seus modelos matemáticos, ainda apresenta deficiências. 
Isso se dá pela dificuldade de estimar a resistência de fluxo de um filtro limpo, no entanto é 
impossível estimar com precisão quando o filtro começa a ficar bloqueado com sólidos. Porém, 
utiliza-se esses modelos matemáticos para tomada de decisão e seleção de equipamentos e 
técnicas de filtração. A regra básica da teoria da filtração é que a energia perdida na filtração 
é proporcional a taxa de fluxo por unidade de área. Por isso, alguns fatores influenciam na taxa 
de filtração de um líquido como a área do filtro, a diferença de pressão entre o filtrante e o 
filtrado, a viscosidade do líquidoe a resistência do filtro e do resíduo, conforme mostra a 
equações baixo. 
𝑡𝑎𝑥𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑎çã𝑜 =
á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑜 𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑜 𝑥 𝑑𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛ç𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜
𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑥 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑜 𝑐𝑎𝑘𝑒 𝑒 𝑑𝑜 𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑜
 
 Uma das principais teorias de filtração e que origina as demais é a Lei de Poiseuille. Essa 
teoria se fundamenta nas seguintes condições: 
1. As partículas em suspensão devem ser não-deformáveis formando uma torta incompressível; 
2. O fluxo de filtração deve ser laminar; 
3. Os poros do meio filtrante devem ter o diâmetro menor que a sua espessura; 
4. Não há aumento na velocidade de filtração, ela é mantida constante. 
 Sendo respeitadas essas condições a Lei de Poiseuille se dá pela equação abaixo. 
− 
∆𝑝
𝐿
= 
32𝜇𝑣
𝐷2
 
∆p é a pressão (N/m2); 
v é a velocidade no tubo (m/s); 
D é o diâmetro (m); 
L é o comprimento (m); 
µ é a viscosidade (Pa.s). 
 Levando em conta que a presença de uma torta incompressível é praticamente impossível, 
algumas outras variáveis devem ser levadas em consideração ao estudar um processo de 
filtração. Foi então que foi desenvolvida a Equação de Carman-Kozeny, que passa a levar em 
consideração a porosidade da torta, ou seja, sua resistência. A porosidade da torta pode ser 
definida como a razão entre o volume do leito que não está ocupado com material sólido e o 
volume total do leito. 
− 
∆𝑝𝑐
𝐿
= 
𝑘1𝜇𝑣(1 − 𝜀)
2𝑆0
2
𝜀3
 
k1 é uma constante para partículas de 
tamanho e forma definida; 
µ é a viscosidade do filtrado (Pa.s); 
v é a velocidade linear (m/s); 
ε é a porosidade da torta; 
L é a espessura da torta (m); 
S0 é a área superficial específica expressa 
(m2/ m3); 
∆Pc é a diferença de pressão na torta 
(N/m2). 
 Sendo assim, chega-se a Equação Geral da Filtração, que relaciona a taxa de filtração com 
as resistências tanto da torta quanto do meio de filtração. 
𝑑𝑉
𝐴 𝑑𝑡
= 
−∆𝑝
𝜇 (
𝛼𝐶𝑠𝑉
𝐴
+ 𝑅𝑚)
 
V é o volume de filtrado; 
A é a área transversal do meio filtrante; 
t é o tempo de filtração; 
-∆P é a diferença de pressão entre a 
suspensão e o filtrado; 
µ é a viscosidade do filtrado; 
α é a resistência específica da torta; 
Cs é a massa de sólidos depositada por 
unidade de volume filtrado; 
Rm é resistência do meio filtrante. 
 Se ∆𝑃 = ∆𝑃𝑡𝑜𝑟𝑡𝑎 + ∆𝑃𝑚𝑒𝑖𝑜, pode-se deduzir a seguinte fórmula e chegar a uma relação linear 
entre o dt/dV versus V. 
 
 
 
Equipamentos de filtração 
 A filtração pode ser realizada em pequena escala (laboratorial) ou larga escala (industrial). 
Dependendo do volume e a concentração de partículas da suspensão a ser filtrada deve-se 
escolher os equipamentos adequados. A filtração laboratorial pode ser realizada de 
forma simples, utilizando somente a ação da gravidade, ou podemos utilizar vácuo para 
aumentar sua eficiência. 
 Quando se trata de uma grande quantidade de suspensão a ser filtrada, é preciso utilizar 
equipamentos maiores e mais potentes. Pode-se citar o filtro de leito poroso, o filtro prensa, 
o filtro de folhas, o filtro de tambor a vácuo e o filtro contínuo de discos rotativos. 
 O filtro de leito poroso é o tipo de filtro mais simples e se usa no tratamento de água potável, 
quando se tem grandes volumes de líquido e pequenas quantidades de sólidos. A camada de 
fundo é composta de cascalho grosso que descansa em uma placa perfurada ou com 
ranhuras. Acima do cascalho é colocada areia fina que atua realmente como filtro. 
 
 Outro tipo de filtro industrial muito utilizado é o filtro prensa. Ele é formado de placas e 
marcos colocados de forma alternada e utiliza-se uma tela (tecido de algodão ou materiais 
sintéticos) para cobrir ambos os lados dessas placas. A alimentação é bombeada à prensa e 
flui pelas armações e os sólidos acumulam-se como torta dentro dessas armações. Então, 
o filtrado flui entre o filtro de tecido e a placa pelos canais de passagem e sai pela parte inferior 
de cada placa. A filtração prossegue até que o espaço interno da armação esteja 
completamente preenchido com sólidos. E nesse momento a armação e as placas são 
separadas e a torta retirada. Depois o filtro é remontado e o ciclo se repete. 
entrada do líquido 
defletor 
placa metálica 
perfurada ou 
com ranhuras 
fluido clarificado 
partículas grossas 
partículas finas 
partículas sólidas separadas 
 
 O filtro de folhas foi projetado para grandes volumes de líquido e 
para ter uma lavagem eficiente. Cada folha é uma armação de metal 
oca coberta por um filtro de tecido. Elas são suspensas em um tanque 
fechado. A alimentação é introduzida no tanque e passa pelo tecido 
a baixa pressão, onde a torta se deposita no exterior da folha. Já 
o filtrado flui para dentro da armação oca e, após a filtragem, ocorre 
a limpeza da torta. O líquido de lavagem entra e segue o mesmo 
caminho que a alimentação. A torta é retirada por uma abertura do 
casco. 
 Os filtros de tambor a vácuo funcionam filtrando, lavando e descarregando a torta de forma 
contínua. O tambor é recoberto com um meio de filtração conveniente e uma válvula 
automática no centro do tambor ativa o ciclo de filtração, secagem, lavagem e retirada da 
torta. O filtrado sai pelo eixo de rotação e, além disso, existem passagens separadas para o 
filtrado e para o líquido de lavagem. Há também uma conexão com ar comprimido que se 
utiliza para ajudar a raspadeira de facas na retirada da torta. 
 
filtro de tecido 
alimentação 
filtrado 
marco 
torta 
placa 
secagem 
secagem 
descarga 
suspensão 
carga 
ciclo de lavagem 
válvula automática 
formação da torta 
 
 Por fim, temos o Filtro Contínuo de Discos Rotativos, que nada mais é que um conjunto de 
discos verticais que giram em um eixo de rotação horizontal. Este filtro combina aspectos do 
filtro de tambor rotativo a vácuo e do filtro de folhas. Cada disco (folha) é oco e coberto com 
um tecido e é em parte submerso na alimentação. A torta é lavada, secada, e raspada 
quando o disco gira.