Relatório 1

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Laboratório de Engenharia Química II - ENG1820
Operação do Filtro Prensa
Jonathan Melo - 1420482
Mariana Passos - 1620833
João Paulo Barbosa- 1711718
Professores: Maria Isabel e Brunno Ferreira
31 de Abril de 2021
Resumo
Um aparato formado por um filtro prensa e uma bomba foi utilizado para separar
partículas sólidas de CaCO3 de um um líquido (água). Tal suspensão possuía uma
concentração de 10 g/L. Com os dados obtidos de tempo, volume de filtrado e pressão de
operação, foi possível plotar um gráfico de θ/V em função de V, e com isso obter os
parâmetros de 𝛼 (resistência específica da torta) e Rm (resistência do meio filtrante) a partir
do coeficiente angular e linear do gráfico, respectivamente. Com os dados da massa de torta
seca e úmida também foi possível determinar a fração de líquido retido na torta e a fração de
vazios da torta.
Introdução
No contexto das operações unitárias na engenharia química, filtração se refere ao
processo no qual um meio poroso é utilizado para separar mecanicamente uma suspensão do
tipo sólido-líquido, de tal forma que a fase sólida fique retida e a fase fluida escoe através do
seu leito.
Diversos são os equipamentos que podem ser utilizados para realizar a filtragem,
como filtros rotativos, filtros prensa, entre outros. Da mesma forma, diversos são as forças
motrizes que podem ser empregadas em cada equipamento, como a força centrífuga, um
sistema a vácuo, bombas, etc. [1]
O filtro do tipo prensa é configurado por uma série de placas, quadros e um meio
filtrante entre cada placa e quadro. Para manter a estrutura firme é utilizado um sistema de
prensa, sendo esse o motivo do nome do filtro. A força motriz desse tipo de filtro é um
sistema de bombeamento, responsável por forçar a suspensão através do meio filtrante.
O filtro prensa apresenta algumas vantagens e desvantagens com relação a outros
tipos de filtros. Como vantagens, pode-se citar que é preciso uma área de implantação
comparativamente menor que alguns outros como o filtro de tambor rotativo. Outra vantagem
é que as tortas resultantes apresentam baixo conteúdo de umidade. Como desvantagem, há o
fato de que a eficiência é sensível às variações de características do efluente, a lavagem e a
manutenção do meio filtrante podem ser complicadas e também que as placas podem sofrer
fissuras ou romper-se com os esforços. [2]
Equações utilizadas:
Os parâmetros 𝛼 (resistência específica da torta) e Rm (resistência do meio filtrante)
podem ser obtidas do gráfico de θ/V vs V, ao se utilizar a equação 2, que é resultado da
integração mostrada na equação 1.
(1)
(2)
Nessas equações:
C = fração de sólidos na alimentação; ρ = densidade do líquido;
P = pressão de operação; A = área de filtração;
θ = tempo de filtração; μ = viscosidade do fluido;
A porosidade foi calculada mediante o uso da equação 3.
(3)
Onde: Mtu = massa da torta úmida; Mts = Massa da torta seca.
Objetivo
Esta prática tem como principais objetivos determinar os parâmetros α (resistência da
torta) e Rm (resistência do meio filtrante) através dos dados experimentais de θ e V obtidos.
Além disso, busca-se também determinar a fração de líquido retido na torta e a fração de
vazios da torta.
Materiais
- Meios filtrantes
- Filtro Prensa
- Placa de filtração
- Água
- Reservatório
- Quadro
-Tanque de Alimentação
- CaCO3
- Proveta 1000ml
-Mangueira de sucção
-Bomba
-Cronômetro
- Estufa
- Balança
Métodos
Antes de iniciar o experimento, foi utilizado ao longo da elaboração do procedimento
experimental os materiais de segurança: Jaleco, óculos de segurança, máscara de respiração e
luvas de borracha.
Inicialmente identificou-se e pesou-se os meios filtrantes e em seguida foi introduzido
40 litros de água no reservatório e em seguida o filtro prensa foi montado com quatro placas,
obedecendo a ordem de alternar uma placa e um quadro e inserindo o meio filtrante nos dois
lados da placa, comprimindo bem. Posteriormente certificou-se que as aberturas do meio
filtrante coincidissem com as aberturas nas placas e nos quadros para circular as soluções.
Para verificar que não havia vazamento, o filtro foi ligado, retornou a saída de filtrado ao
tanque de alimentação e o filtro foi desligado.
A próxima etapa foi realizar a suspensão, foi acrescentado CaCO3 suficiente para
poder realizar a suspensão com uma concentração de 10 g/L. Em seguida, a proveta foi
inserida na saída de filtrado e a mangueira de sucção foi colocada na solução de CaCO3 e
agitada constantemente. A bomba foi ligada e o cronômetro foi acionado assim que chegou o
primeiro filtrado na saída. Os pontos de tempo, volume de filtrado e pressão de operação
foram registrados a cada 500 ml de filtrado e a operação foi interrompida quando a vazão
caiu muito, por exemplo para 1 gota por segundo ou então quando a pressão subia muito.
O filtro foi desmontado com cautela e o meio filtrante foi retirado com a torta das
placas. A torta úmida obtida foi pesada junto com o meio filtrante e em seguida foi colocada
na estufa para secar até atingir o peso constante. A massa de torta seca obtida foi pesada e
registrada e em seguida foi determinada a área de cada placa de filtração e o volume interno
dos quadros. Limpou-se o filtro e removeu ele e o tempo consumido devido a desmontagem,
limpeza e remontagem do filtro foi medido.
Resultados e discussão
Foram obtidos os dados do tempo, volume e pressão durante a passagem da solução
pelo filtro prensa. A teoria prevê que ao plotar o gráfico de tempo sobre volume em função
do volume será obtida uma reta. Tal fato se confirmou, a figura 1 mostra a curva obtida a
partir dos valores experimentais.
Figura 1 - Gráfico de t/V em função de V
Conforme pode ser observado, a equação teórica funciona bem para uma faixa de
valores do filtro prensa, representada pelos pontos em laranja. A equação de reta obtida foi de
y = 338174x+16613, o ajuste apresentou um R2 alto de 0,9871, sendo, portanto uma boa
descrição desta faixa de dados.
Comparando os coeficientes angular e linear do gráfico com a curva do modelo, é
possível obter os valores de α e Rm a partir das equações abaixo:
α = 2𝑃𝐴
2(𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑎𝑟) 
µρ𝐶 
Rm =
𝑃𝐴(𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎𝑟)
µ
A área dos quadros, a concentração, a pressão de operação, a densidade e a
viscosidade são valores conhecidos os valores dos parâmetros do filtro são mostrados na
tabela 1.
α(m/kg) Rm
1,296 x 106 3,979 x 106
Tabela 1 - Valores calculados dos parâmetros do filtro
Os dados experimentais mostraram também o peso da torta seca e úmida, com isso é
possível determinar os valores de filtrado na torta, bem como da fração de massa de líquido
retida e de vazios na torta. A operação recuperou uma massa de 211,9 g de filtrado e a torta
reteve uma fração úmida de 65%. A porosidade média calculada a partir dos dados
experimentais dos 8 quadros para uma área de 10 cm2 de meio filtrante foi de 0,501. Com
esses dados foi possível determinar um volume de filtrado de 0,0135 m3 e um tempo de
filtração de 286 s.
Como foi utilizada a equação da teoria simplificada do filtro prensa, considerou-se
que a resistência da torta é uma grandeza constante, fato que implica que tais tortas formadas
na superfície do meio filtrante se comportam como meios incompressíveis. Tal consideração
pode ser considerada uma fonte de erro de cálculo, pois é conhecido que esse comportamento
quase nunca ocorre na prática, pois conforme as partículas de carbonato dispersas na água se
acumulam no meio filtrante elas empurram as partículas que já estavam depositadas no meio,
de forma que em algum nível ocorre uma deformação da torta. Contudo para a simplicidade
do experimento e facilitar o dimensionamento tal a resistência da torta pode ser aproximada
como constante e uniforme.
Considerando os valores encontrados no experimento, seria possível utilizar esse filtro
com uma área de 2 m2 para 1 m3 da mesma solução. O tempo gasto em tal operação pode ser
calculado pela equação da teoria simplificada substituindoa área e o volume de filtrado pelos
novos valores, o tempo gasto seria de aproximadamente 0,33 horas.
Na hipótese de que, durante a filtração, ocorresse uma queda de pressão à volume
constante, o dimensionamento do filtro deveria ser feito considerando a pressão como
variável de integração ao contrário do volume. Como a pressão está no denominador da
equação diferencial do tempo de filtração o perfil seria próximo à uma variação logarítmica
do tempo de filtração.
O experimento poderia ser melhorado com a adição de mais quadros e meios filtrantes
ao filtro prensa, de forma que aumente a capacidade de filtração. O dimensionamento
matemático poderia ser feito considerando a resistividade da torta como variável ao invés de
constante de forma que a descrição do fenômeno físico fosse mais precisa. A utilização de
uma solução mais concentrada em carbonato de cálcio permitiria resultados mais precisos e
próximos do descrito pela teoria simplificada.
Conclusão
Através do experimento de filtro prensa foi possível se familiarizar com os aspectos
operacionais do filtro prensa e definir os parâmetros em escala piloto para projetar um filtro
prensa industrial, como a resistência do meio filtrante e a resistência específica da torta .
Através dos valores experimentais foi possível obter uma reta ao plotar o gráfico de tempo
sobre volume em função do volume validando o que foi visto na teoria. A equação da reta
obtida foi de y = 338174x+16613 sendo que o ajuste apresentou um R2 alto de 0,9871, sendo,
portanto uma boa descrição desta faixa de dados. Foi possível encontrar a resistência da torta
α = 1,296 x 106 m/kg e resistência do meio filtrante Rm = 3,979 x 106m. A fração do líquido
retido na torta foi de 65% e a fração de vazios na torta foi de 50% foi encontrado um
volume de filtrado de 0,0135 m3 e um tempo de filtração de 286 s.
As principais fontes de erro foram devido às variações nos valores de vazão e volume
obtidos, a falta de sincronismo ao acionar o cronômetro na medição da vazão, erro de
paralaxe na leitura dos volumes filtrados, possíveis respingamentos de filtrado para fora da
proveta, pode ter ocorrido vazamento pela malha do meio filtrante, perdas de massa retida
durante a transferência para pesagem. Ademais, equação da teoria simplificada do filtro
prensa ,considera que a resistência da torta é uma grandeza constante, fato que implica que
tais tortas formadas na superfície do meio filtrante se comportam como meios
incompressíveis, tal consideração pode ser considerada uma fonte de erro de cálculo pois esse
acontecimento dificilmente ocorre na prática. Porém apesar dos possíveis erros mencionados,
a reta traçada no gráfico 1 gerou um coeficiente de determinação próximo de 1 (R2 =0,9871).
Pode-se concluir que o procedimento adotado é apropriado para a obtenção de parâmetros,
tanto da resistividade específica da torta quanto da resistividade do meio.
Referências
[1] Peçanha, R. P., Sistemas Particulados: Operações Unitárias Envolvendo Partículas e
Fluidos. 2014
[2] Cremasco, M. A. Operações unitárias em sistemas particulados e fluidomecânicos; Rio de
Janeiro: Blucher, 2014.