Universidade de São Paulo USP Escola de Engenharia de Lorena - EEL Operações Unitárias Experimental II Experimento: Filtro Prensa Alunos:
1 - Introdução 1.1 - Histórico do Filtro Prensa Os Filtros-prensa foram introduzidos por volta do século XIX e foram utilizados por muitos anos principalmente na separação de lamas servidas. Eles eram considerados máquinas de trabalho intensivo, conseqüentemente não encontraram muita aceitação nas indústrias de processos sofisticados e altamente automatizados. Isto ocorreu até meados dos anos 60 quando esta imagem mudou pela introdução de mecanismos avançados, orientados para obter bolos de baixa umidade que descarregam automaticamente e permitem a lavagem do pano ao término do ciclo de filtração. 1.2 - Definição Equipamento composto basicamente de um conjunto moto-bomba, conjunto filtrante (placas, papel filtrante, válvula de segurança e manômetro), parte elétrica blindada e à prova de explosão com a finalidade de efetuar a filtragem e desidratação de óleos combustíveis, hidráulicos, lubrificantes industriais e isolantes. (Portaria Inmetro 103/98). Figura 1 - Filtro Prensa Figura 2 - Filtro Prensa
Filtro Prensa é um equipamento para separação sólido-líquido, consiste em uma estrutura de aço carbono maciço e um conjunto de placas filtrantes com alta resistência mecânica. Os elementos filtrantes permeáveis recobrem essas placas, gerando uma passagem forçada de soluções com resíduos. Esta composição forma um equipamento industrial robusto, destinado a separar líquidos e sólidos por pressão. 1.3 - As Placas As placas filtrantes, colocadas seqüencialmente, formam uma câmara de recesso, onde o sólido será separado (chamado aqui de torta, pelo aspecto do seu molde). Estas placas são revestidas por elementos filtrantes que retêm os sólidos no interior das câmaras e permite a passagem do líquido. Figura 3 - Placas do Filtro Prensa As placas tipo câmara de recesso são os mais conhecidos, possuem espaço em cada uma das duas faces rachuradas, onde é separado o material retido pelo elemento filtrante. Há ainda placas tipo câmara de recesso com diafragma. No início deste processo a operação do sistema é similar ao do tipo câmara de recesso, porém, com os diafragmas não se é necessário aguardar a saturação total das tortas para obter-se uma melhor desidratação. As câmaras de filtração são preenchidas com os sólidos até certo ponto, em seguida os diafragmas das placas são inflados, o que causa uma prensagem e desaguamento mecânico do material retido. 1.4 - Aplicações O Filtro Prensa é considerado uma das principais alternativas de desidratação mecânica do lodo gerado em Estações de Tratamento de Água (ETA) e Efluente (ETE), por exemplo. Com diversos tamanhos e número de placas, o Filtro Prensa é empregado em processos industriais diversos e deságüe de lodo gerado nessas estações de tratamento, reduzindo ao máximo o volume final do resíduo gerado.
Normalmente, o equipamento é aplicado em soluções com maior concentração de sólidos, onde o volume a ser retirado necessita de um sistema que permita uma fácil extração dos materiais retidos, com baixo índice de umidade. Destaca-se, entre essas aplicações: Meio ambiente: para efluentes industriais e lodos sanitários; Lodos de tratamento de água potável e industrial: lodos de águas subterrâneas, águas de superfície e do tratamento de águas de rios; Minérios, Minerais: argila, bentonita, caulim, cerâmica, lodos de minérios flotados e carvão; Metalurgias: extração química e úmida de titânio, chumbo, níquel, entre outros; Química: pigmentos e corantes, silicatos, lixívias, carbonato de cálcio, entre outros; Indústria alimentícia: amido, farinha de arroz, mandioca, mosto, fermento, óleos vegetais, gordura animal, gelatina, entre outros; Indústria de bebidas; Indústria farmacêutica. 1.5 - Benefícios As vantagens do filtro prensa são muitas, os fabricantes destacam: O particulado é removido em forma de tortas compactas e consistentes, o que facilita o manuseio e transporte; As altas pressões de filtração compactam o material retido, reduzindo consideravelmente o volume final, o que proporciona grande economia tanto na armazenagem quanto no transporte e no descarte do material, principalmente em se tratando de materiais não reaproveitáveis (efluentes industriais, entre outros);
Com seu princípio de funcionamento, é um dos processos de filtração que permite a maior desidratação do material retido, gerando tortas com concentração de até 70% de sólidos, aproximadamente; O filtrado é extraído com baixo índice de impurezas, podendo ser inclusive reaproveitado em alguns casos; Seu manuseio é relativamente simples, dispensando a necessidade de mão-de-obra especializada; Diminuição sensível no consumo de energia, ar comprimido e produtos químicos; Menor custo de Transporte e Armazenagem; O equipamento normalmente apresenta grande robustez construtiva, baixo índice de manutenção e longa vida útil, fazendo com que o custo operacional e o de manutenção sejam baixos. 2 - Materiais e Métodos Neste experimento foram utilizadas duas provetas ( 2L e 60L) em uma suspensão de 3 Kg de CaCO3 para 4,0 L de água, um cronômetro, um filtro prensa contendo um quadro e filtro de tecido e uma bomba centrífuga a pressão constante. Foi utilizada ainda uma balança, uma folha de papel, uma tesoura e um lápis para a medição da área transversal do filtro. Para o cálculo da área foi circundada sobre uma folha de papel o formato da área de secção da placa. Depois disso a folha foi pesada e recortada sob a forma da área de secção transversal da placa do filtro-prensa. O recorte foi também pesado e como era conhecida a área da folha inteira, por proporção foi possível calcular a área de secção da placa. O conjunto foi montado adequadamente no suporte e através de uma bomba centrífuga a solução foi injetada no filtro-prensa. O processo de filtração foi realizado a pressão constante nas pressões de 5, 10, 15 e 20 kgf/cm2, onde foram marcados os tempos de filtração de 500 em 500 ml(até 4,0 L). No procedimento experimental foi utilizada apenas uma placa porém, poderiam ter sido utilizadas mais placas.
3 - Resultados e discussões: 3.1 - Cálculo da área total de filtração (At) No dia do experimento, mediu-se a área da placa filtrante: A= 0,02523 m 2 Cálculo da área total de filtração: At= 0,02523 x 2 At = 0,05046 m 2 3.2 - Volume Total da torta (Vt) Vt = A x espessura Vt = 0,02523 x 0,011 Vt = 2,7753x10-4 m 3 3.3 - Determinação da massa da torta Considerou-se uma filtração perfeita de uma solução de 3,0 Kg de CaCO3 para 600 L de água, logo: W= 50 Kg/m 3 Considerou-se a viscosidade como, µ= 1,2x10-3 Kg/m.s 3.4 - Determinação dos parâmetros α e Rm: V (L) ΔP = 5 psi ΔP = 10 psi ΔP = 15 psi ΔP = 20 psi t(s) t(s) t(s) t(s) 0,5 44 26 56 12 1 187 69 72 30 1,5 270 128 98 58 2 439 202 154 92 2,5 619 284 211 131 3 830 393 279 181 3,5 1087 506 365 234 4 1339 639 456 297 Tabela 1 - Valores de tempo obtidos experimentalmente
Através da equação: dt = α µw (V+Vo) dv A 2 ΔP Δt = k p V + β Kp = α µw e β = α µw Vo ΔV onde A 2 ΔP A 2 ΔP ΔP = 5 psi ΔP = 10 psi ΔP = 15 psi ΔP = 20 psi V médio Δt/ΔV Δt/ΔV Δt/ΔV Δt/ΔV 2,5x10-4 88.000 52.000 112.000 24.000 7,5x10-4 286.000 86.000 32.000 36.000 1,25x10-3 166.000 118.000 52.000 56.000 1,75x10-3 338.000 148.000 112.000 68.000 2,25x10-3 360.000 164.000 114.000 78.000 2,75x10-3 422.000 218.000 136.000 100.000 3,25x10-3 514.000 226.000 172.000 106.000 3,75x10-3 504.000 266.000 182.000 126.000 Tabela 2 - Valores de Δt/ΔV para diferentes pressões Através da tabela 2 são obtidos os gráficos de Δt/ΔV versus V médio para os valores de ΔP. Segue gráfico em anexo. Onde: α = k p A 2 ΔP e Rm = βa ΔP µw µ
Pressão (Pa) α Rm 34480 1,687x10 11 1,5105x10 11 68968 1,75x10 11 1,1592x10 11 103452 1,5094x10 11 1,968x10 11 137936 1,6808x10 11 9,7568x10 10 Tabela 3 Valores de Pressão, α e Rm 3.5 - Determinação dos parâmetros α 0 e S: α = α 0 ΔP s Aplicando logaritmo temos: log α = log α 0 + S log ΔP log ΔP log α 4,538 11,227 4,839 11,243 5,015 11,788 5,139 11,226 Tabela 4 Valores de log ΔP e log α Através da regressão linear obtemos a seguinte equação da reta: log α = 9,617 0,359 log ΔP Onde: α 0 = 4,139x10 9 m/kg S= -0,359
3.6 - Estimativa do tempo total de filtração para um filtro com 10 Quadros e ΔP=100kPa: t = 1 kpv 2 + β v 2 α=4,139x10 9 x100.000-0,359 α= 6,636x10 7 Kp = α µw =1,5637x10 4 A 2 ΔP t = 1 x 1,5637x10 4 V 2 + ΒV 2 4 - Conclusão Pode-se dizer que os resultados obtidos foram satisfatórios, uma vez que se conseguiu obter, com a aplicação dos conhecimentos teóricos aprendidos em classe e com o emprego adequado do procedimento experimental proposto, os parâmetros da torta e o tempo com o qual essa filtração se processa. É importante observar que, com a variação das pressões (vazão), consegue obter diferentes parâmetros para as variáveis determinadas, ou seja, é um processo muito sensível a variação, E que com o estudo adequado, pode-se otimizar um processo industrial onde se empregue um filtro prensa, que PE uma operação unitária extremamente comum na indústria química. 5 - Referências Bibliográficas - PROCEDIMENTO DE FISCALIZAÇÃO DA OBSERVÂNCIA DA ADEQUAÇÃO DAS ELETROBÓIAS NOS FILTROS PRENSA - PORTARIA INMETRO 103/98 - http://www.ufrnet.ufrn.br/~lair/pagina-opunit/filterpress.htm - http://www.meiofiltrante.com.br/materias.asp?action=detalhe&id=283 - Foust, A.S.; Princípios das Operações Unitárias; Guanabara Dois S.A., Rio de Janeiro, 2ª edição, 1982. - hhttp://www.ufrnet.ufrn.br - hhttp://pt.wikipedia.org