Filtração. Operações Unitárias. Colégio Técnico de Lorena - COTEL. Prof. Lucrécio Fábio. Departamento de Engenharia Química

Transcrição

1 Colégio Técnico de Lorena - COTEL Operações Unitárias Filtração Prof. Lucrécio Fábio Departamento de Engenharia Química Atenção: Este roteiro destina-e exclusivamente a servir como base de estudo. Figuras e tabelas de outras fontes foram reproduzidas estritamente com fins didáticos.

2 FILTRAÇÃO A operação unitária de filtração se refere à separação mecânica entre as fases particulada (sólida) e fluida (líquida ou gasosa), presentes em uma determinada suspensão, utilizando-se um meio poroso, o qual retém a fase particulada e é permeável à fase fluida. 2

3 FILTRAÇÃO É uma operação unitária largamente encontrada em diversos tipos de processamento nas indústrias químicas e correlatas. Exemplos: - Tratamento de água e efluentes; - Indústria de papel e celulose; - Indústria sucroalcooleira; - Indústria de alimentos (óleos vegetais, sucos, bebidas, dentre outras); - Indústria farmacêutica (filtração esterilizante de meios líquidos e ar); 3

4 FILTRAÇÃO O objetivo da operação é separar mecanicamente as partículas sólidas de uma suspensão líquida com o auxílio de um leito poroso (meio filtrante). 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 (ou bolo) e cuja espessura vai aumentando no decorrer da operação. O líquido que passa através do leito é chamado de filtrado. 4

5 FILTRAÇÃO Alimentação Torta Meio poroso Filtrado Separa as partículas em uma fase sólida ( torta ) e permite o escoamento de um fluido claro ( filtrado ). 5

6 FILTRAÇÃO A escolha do equipamento filtrante depende em grande parte da economia do processo, mas as vantagens econômicas serão variáveis de acordo com o seguinte: Concentração da suspensão de alimentação; Quantidade do material que deve ser processado; Valores dos produtos líquidos e sólidos; Grau de separação que se deseja efetuar; Custos do equipamento e de sua operação; Características dos fluidos (viscosidade, densidade e reatividade); Características do meio filtrante (resistência específica do meio poroso de filtração); Características das partículas sólidas (dimensões da partícula sólida, distribuição granulométrica, forma da partícula, tendência a floculação e deformidade). 6

7 FILTRAÇÃO Para que ocorra filtração é necessário que exista uma força motriz no processo (uma diferença de pressão - P), para que o filtrado atravesse o meio filtrante. 7

8 O princípio da filtração industrial é o mesmo do equipamento de laboratório, apenas muda a quantidade de material a ser filtrado. O aparelho de filtração de laboratório mais comum é denominado filtro de Büchner. O líquido é colocado por cima e flui por ação da gravidade e no seu percurso encontra um tecido poroso (um filtro de papel). Como a resistência à passagem pelo meio poroso aumenta no decorrer do tempo, usa-se um vaso Kitassato conectado a uma bomba de vácuo. Bomba de vácuo Filtro de Papel 8

9 Filtro de leito Poroso Entrada do líquido Partículas sólidas separadas Defletor Placa metálica perfurada ou com ranhuras Partículas finas Partículas grossas Fluido clarificado É o tipo de filtro mais simples. 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. 9

10 CLASSIFICAÇÃO quanto a força motriz Para que ocorra filtração é necessário que exista uma força motriz no processo (uma diferença de pressão - P), para que o filtrado atravesse o meio filtrante. Os filtros podem funcionar por ação da gravidade, o líquido flui devido à existência de uma coluna hidrostática; por meio da aplicação de pressão ou vácuo para aumentar a taxa de fluxo. por ação de força centrífuga. 10

11 CLASSIFICAÇÃO quanto ao meio filtrante Devido à diversidade de meios filtrantes utilizados industrialmente, o tipo de meio filtrante serve como critério de classificação dos filtros. Podem ser divididos em: leitos granulares soltos, leitos rígidos, telas metálicas, tecidos e membranas. Areia Tela metálica Lona Filtro de espuma cerâmica Membranas 11

12 CLASSIFICAÇÃO quanto ao meio filtrante Os leitos granulares soltos mais comuns são feitos de areia, pedregulho, carvão britado, escória, calcário e carvão de madeira, utilizado 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). Areia Filtro de espuma cerâmica Os tecidos são os meios filtrantes mais utilizados industrialmente. Há tecidos de origem vegetal (como o algodão, a juta, o papel); tecidos de origem animal (como a lã e a crina); origem mineral (amianto, lã de rocha e lã de vidro); materiais plásticos (polietileno, polipropileno, PVC, nylon, teflon, etc). Lona

13 FILTRAÇÃO a) resistência específica do meio poroso de filtração; Os fatores mais importantes para a seleção de um filtro são: b) a quantidade de suspensão a ser filtrada; c) a concentração de sólidos na suspensão; d) a facilidade de descarregar a torta formada no processo de filtração. 13

14 CLASSIFICAÇÃO quanto a forma de operação Filtração contínua Modo de operação Filtração descontínua 14

15 Filtros de operação contínua 1. Filtro de tambor rotatório 2. Filtro de disco rotatório 3. Filtro rotatório horizontal 4. Filtro de esteira 15

16 1.Filtros de tambor rotatório (contínua) Uma válvula automática no centro do tambor ativa o ciclo de filtração, secagem, lavagem e retirada da torta. vídeo 16

17 1.Filtros de tambor rotatório (contínua) 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. Existem passagens separadas para o filtrado e para o líquido de lavagem. Há uma conexão com ar comprimido que se utiliza para ajudar a raspadeira de facas na retirada da torta. 17

18 2. Filtros de disco rotatório (contínua) É composto por 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. 18

19 2. Filtros de disco rotatório (contínua) 19

20 3. Filtros rotatório horizontal (contínua) 20

21 3.Filtros rotatório horizontal (contínua) Rosca sem fim 21

22 3.Filtros de bandeja inclinável (contínua) 22

23 3.Filtros de bandeja inclinável (contínua) 23

24 4.Filtros de esteira (contínua) 24

25 Filtros de operação descontínua 25

26 5.Filtros de meio filtrante granulado (descontínua) É o tipo de filtro mais simples. Se usa no tratamento de água potável, quando se tem grandes volumes de líquido e pequenas quantidades de sólidos. A filtração pode ocorrer por ação da gravidade (coluna hidrostática) ou pressão positiva. 26

27 5.Filtros de meio filtrante granulado (descontínua) 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 como filtro. 27

28 6.Filtros de folha vertical (descontínua) São projetados para grandes volumes de líquido e para ter uma lavagem eficiente. 28

29 6.Filtros de folha vertical (descontínua) Cada folha é uma armação de metal oca coberta por um filtro de tecido. Elas são suspensas em um tanque fechado. 29

30 6.Filtros de folha vertical (descontínua) A alimentação é introduzida no tanque e passa pelo tecido a baixa pressão. A torta se deposita no exterior da folha. O filtrado flui para dentro da armação oca. 30

31 6.Filtros de folha vertical (descontínua) 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. 31

32 7.Filtros de folha horizontal (descontínua) 32

33 7.Filtros de folha horizontal (descontínua) 33

34 7.Filtros de folha horizontal (descontínua) 34

35 8.Filtros prensa (descontínua) Um dos tipos mais usados na indústria. vídeo Usam placas e quadros colocados em forma alternada. Utiliza-se lona (tecido de algodão ou de materiais sintéticos) para cobrir ambos lados das placas, e servir de meio filtrante. 35

36 8.Filtros prensa (descontínua) A alimentação é bombeada à prensa e flui pelas armações. Os sólidos acumulam-se como torta dentro da armação. O filtrado flui entre o filtro de tecido e a placa pelos canais de passagem e sai pela parte inferior de cada placa. Filtro de tecido Alimentação A filtração prossegue que até o espaço interno da armação esteja completamente preenchido com sólidos. Marco Torta Placa Filtrado Nesse momento, a armação e as placas são separadas e a torta retirada. Depois o filtro é remontado e o ciclo se repete. 36

37 8.Filtros prensa (descontínua) 37

38 8.Filtros prensa (descontínua) 38

39 8.Filtros prensa operação do filtro O método mais simples de operar um filtro prensa é aplicar uma pressão inicial e fazer seu controle conforme a necessidade do processo. Se a pressão inicial é alta, as primeiras partículas retidas no tecido podem ser compactadas numa massa de baixa permeabilidade, resultando numa pequena velocidade de filtração no resto do ciclo. Por outro lado, uma baixa pressão no início, pode fazer com que o primeiro filtrado não seja claro, pois a torta é formada com uma estrutura mais aberta. Entretanto, isto permite uma maior velocidade de filtração com uma torta mais separada do tecido, e a turbidez inicial do filtrado desaparece com o crescimento adequado da torta quando a pressão é aumentada para um valor constante que é mantido através do equilíbrio da corrida. Assim, o método comum de operar filtros prensa é filtrar a uma vazão constante do fluxo de filtrado durante o início do ciclo. Logo que o tecido esteja bem coberto com a torta e o filtrado esteja claro, a pressão é aumentada para o máximo e a filtração contínua é completada sob pressão constante. 39

40 9.Filtração Centrífuga (descontínua) A força motriz da filtração é proporcionada pela centrifugação. O fluxo de suspensão entra em um câmara rotativa com paredes perfuradas, o filtrado líquido sai, e a torta fica retida no interior da câmara. 40

41 9.Filtração Centrífuga (descontínua) 41

42 Equipe de alunos Confecção de um filtro 42

43 Atividade para entregar na próxima aula Equipe de três alunos, manuscrito. Pesquisar uma aplicação industrial para os seguintes tipos de filtros: 1 Filtro de tambor rotatório 2 Filtro de disco rotatório 3 Filtro rotatório horizontal 4 Filtro de esteira 5 Filtro de meio filtrante granulado 6 Filtro de folha vertical 7 Filtro de folha horizontal 8 Filtro prensa 9 Filtração centrífuga Pesquisar uma indústria que utilize uma das filtrações listadas acima e responder às seguintes questões baseando-se no processo de filtração utilizado: - Especificar aos menos 1 exemplo prático de uma indústria escolhida. Explicar o princípio de funcionamento do filtro detalhadamente; explicar se é contínuo ou descontínuo, qual é o meio filtrante, quais acessórios existem na filtração; força motriz da filtração. E outras informações que forem pertinentes. 43