AULA 19 FILTRAÇÃO

TA 631 – OPERAÇÕES UNITÁRIAS ITA 631 – OPERAÇÕES UNITÁRIAS I

Aula 19: 31/05/2012

FiltraçãoFiltração

1

FILTRAÇÃOFILTRAÇÃONas indústrias de alimentos e bebidas, a filtração aparece na produção de suco de frutas, óleos vegetais, leite e derivados, entre outros produtos. Os sistemas de filtração pode ser:•Sólido-líquido (sucos de frutas)•Sólido-gás (chaminés);•Gás-líquido (ar comprimido)•Ar (grau farmaceutico)

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FILTRAÇÃOFILTRAÇÃO

As partículas sólidas podem ser:• grossas ou finas,

• rígidas ou plásticas, • redondas ou planas

• individualmente separadas ou agrupadas

Basicamente é processo de separar um sólido particulado de um fluido, fazendo com que o sólido fique retido num meio poroso, e o fluido passe através desse meio.

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Filtrado

Alimentação

Meio porosoTorta

Ele separa as partículas em uma fase sólida (“torta”) e permite o escoamento de um fluido claro (“filtrado”).


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A força motriz do processo é uma diferença de pressão (P), através desse meio.

Os filtros podem funcionar:

por ação da gravidade, o líquido flui devido a existência de uma

coluna hidrostática;

por ação de força centrífuga;

por meio da aplicação de pressão ou vácuo para aumentar a taxa de

fluxo.


5

O princípio da filtração industrial e o do equipamento de laboratório é o mesmo, 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 Kitasato conectado a uma bomba de vácuo.

Bomba de vácuo

Filtro de Papel

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Os fatores mais importantes para a seleção de um filtro

são:

7


O meio de O meio de filtração pode filtração pode

ser:ser:

conjunto de placas, marcos e telasplacas, marcos e telas em uma prensa

cilindro rotativo cilindro rotativo mergulhado na suspensão

bolsas ou cartuchos bolsas ou cartuchos dentro de uma carcaça.

por membranas, por membranas, microfiltração osmose reversa

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Filtro de leito Poroso (intermitente)

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.

Partículas sólidas separadasEntrada do líquido

Fluido clarificado

Placa metálica perfurada ou com ranhuras

Defletor

Partículas grossas

Partículas finas

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Filtro prensaUm dos tipos mais usados na industria.Usam placas e marcos colocados em forma alternada. Utiliza-se tela (tecido de algodão ou de materiais sintéticos) para cobrir ambos lados das placas.

Filtro de tecido

TortaMarco

Placa

Alimentação

Filtrado

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Filtro-Prensa

http://www.youtube.com/watch?v=6Nxkb-iEaBc&feature=related 11

http://www.youtube.com/watch?v=6Nxkb-iEaBc&feature=related

A alimentação é bombeada à prensa e flui pelas armações.

A filtração prossegue até o espaço interno da armação esteja completamente preenchida com sólidos.

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.

Nesse momento a armação e as placas são separadas e a torta retirada. Depois o filtro é remontado e o ciclo se repete.

Filtro de tecido

Placa Marco Torta

Alimentação

Filtrado

Filtro-Prensa

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Filtros 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.

A torta se deposita no exterior da folha.

O filtrado flui para dentro da armação oca.

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.

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Filtros de folhas

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Ele filtra, lava e descarrega a torta de forma contínua.

O tambor é recoberto com um meio de filtração conveniente. Uma válvula automática no centro do tambor ativa o ciclo de filtração, secagem, lavagem e retirada da torta.

Filtro de tambor a vácuo, rotativo e contínuo.

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.

Carga

SecagemSecagem

Ciclo de lavagem

Descarga

Válvula automáticaFormação da tortaSuspensão

15


16


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É 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.

Filtro contínuo de discos rotativos

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Teoria Básica de Filtração

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1. Queda de pressão de fluido através da torta

A figura mostra uma seção de um filtro em um tempo t (s) medido a partir do início do fluxo. A espessura da torta é L (m). A área da seção transversal é A (m2), e a velocidade linear do filtrado na direção L é v (m/s)

Alimentaçãoda suspensão Filtrado

Meio filtrante

Incremento da torta

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A equação de Poiseuille explica o fluxo de um fluido em regime laminar em um tubo, que usando o sistema internacional de unidades (SI) pode ser descrito como:

2

32D

vLP

Onde:∆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)

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Podemos agora imaginar as variáveis que atuam no escoamento de um fluido newtoniano dentro de um leito de partículas sólidas rígidas.

Precisamos de uma equação para descrever como varia a diferença de pressão a ser aplicada com a distância percorrida (altura do leito) e a velocidade e a viscosidade do fluido e, também em função daporosidade e dodiâmetro de partículaem leitos porosos. 22

23

PorosidadePorosidadeEm um leito poroso existem vazios (zonas sem partículas).

leitodototalVolumevazioVolume

Fluido

Leito poroso

v

vc LL’

A porosidade () é definida como a razão entre o volume do leito que não está ocupado com material sólido e o volume total do leito.

No caso de fluxo laminar em um leito empacotado de partículas se usa a equação de Carman-Kozeny. Ela tem sido aplicada à filtração com sucesso:

3

20

21 )1(

Svk

Lpc

Onde: k1 é uma constante para partículas de tamanho e forma

definida µ é a viscosidade do filtrado em Pa.sv é a velocidade linear em m/s ε é a porosidade da tortaL é a espessura da torta em mS0 é a área superficial específica expressa em m2 / m3

∆Pc é a diferença de pressão na torta N/m2

2

32D

vLP

24

Velocidade linear :

AdtdVv /

Onde: A é a área transversal do filtro (m2) V é o volume coletado do filtrado em m3 até o tempo t (s).

A espessura da torta (L) depende do volume do filtrado V e se obtém por um balanço de materiais.

suspensãodatotalsp Vcm 25

)()1( LAVcLA sp

Onde:ρp é a densidade de partículas sólidas na torta em kg/m3

AVcSk

pdtA

dV

s

p

c

3

201 )1(

3

20

21 )1(

Svk

Lpc

p

s

ALAVcL

)1(

)(

A

dtdVv /

VAcp

dtAdV

s

c

Se: cs = kg de sólidos/m3 do filtrado, então o balanço será :

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Massa sólidos suspensão = Massa sólidos do filtrado e do meio poroso

3

201 )1(

p

Sk Onde α é a resistência específica

da torta (m/kg) definida como:

m

f

Rp

dtAdV

Para a resistência da tela filtrante (suporte), Para a resistência da tela filtrante (suporte), podemos usar a Equação de Darcy:podemos usar a Equação de Darcy:

Onde: Rm é a resistência ao fluxo no suporte (m-1)∆Pf é a queda de pressão no suporte do leito poroso

Acp

dtAdV

sV

c

Para a resistência do leito temos:Para a resistência do leito temos:

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Como as resistências da torta e do meio filtrante estão em série, podem ser somadas, temos:

ms R

AVc

pdtA

dV

Onde ∆p = ∆pc (torta) + ∆pf (filtro)

m

f

Rp

dtAdV

Acp

dtAdV

sV

c

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Equação Equação fundamentalfundamentalda filtraçãoda filtração

A equação anterior pode ser invertida para dar:

ms R

pAV

pAc

dVdt

)()(2

Onde Kp está em s/m6 e B em s/m3:

)(2 pAc

K sp

)( pA

RB m

ms R

AVc

pdtA

dV

BVKdVdt

p

29

Para pressão constante e α constante (torta incompressível), V e t são as únicas variáveis.

t v

p dVBVKdt0 0

)( BVVK

t p 2

2

Dividindo por V:

BVK

Vt p

2

Onde V é o volume total do filtrado (m3) reunido em t (s)

Integração para obter o tempo da filtração t em (s):

Filtração à pressão constante, incompressível

ms R

pAV

pAc

dVdt

)()(2

BVK

dVdt

p

30

Para saber o tempo de filtração é necessário conhecer α e Rm.

BVVK

t p 2

2

)(2 pAc

K sp

)( pAR

B m

Para isso, pode-se utilizar a equação dividida por V:

E traçar um gráfico de t/V versus V usando dados experimentais

BVK

Vt p

2

31

BVK

Vt p

2

São necessários os dados de volume coletado (V) em tempos diferentes de filtração.

Y = A.X + B

t / V

V

)(21

2 2 pAcK sp

)( pAR

B m

32

Com Kp e B pode-se determinar diretamente o tempo de filtração.

BVK

Vt p

2

Kp = coeficiente angular da reta

B = coeficiente linear da reta

)(21

2 2 pAcK sp

)( pA

RB m

BVVK

t p 2

2O cálculo de (resistência específica da torta) e de Rm

(resistência do meio filtrante) permite obter a equação do tempo de filtração em termos dos parâmetros básicos da operação:

VpA

RVpAc

t m

s

)(2)( 2

2

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Temos dados da filtração em laboratório de uma suspensão de CaCO3 em água a 298,2 K (25°C) realizada a uma pressão constante (-∆p) de 338 kN /m2. Dados:

Exercício Exemplo: Exercício Exemplo: Avaliação das Constantes para Filtração à Pressão Avaliação das Constantes para Filtração à Pressão Constante em um Leito IncompressívelConstante em um Leito Incompressível

- Área do filtro prensa de placa-e-marco: A = 0,0439 m2

- Concentração de alimentação: cs = 23,47 kg/m3

(a) Calcule as constantes α e Rm a partir dos dados experimentais de volume de filtrado (m3) versus tempo de filtração (s).

(b) Estime o tempo necessário para filtrar 1m3 da mesma suspensão em um filtro industrial com 1m2 de área.

(c) Se o tempo limite para essa filtração fosse de 1h, qual deveria ser a área do filtro? 34

Tempo (s) Volume (m3)4,4 0,498 x 10-3

9,5 1,000 x 10-3

16,3 1,501 x 10-3

24,6 2,000 x 10-3

34,7 2,498 x 10-3

46,1 3,002 x 10-3

59,0 3,506 x 10-3

73,6 4,004 x 10-3

89,4 4,502 x 10-3

107,3 5,009 x 10-3

)(2 pAc

K sp

)( pAR

B m

A = 0,0439 m2

cs = 23,47 kg/m3

µ = 8,937 x 10-4 Pa.s (água a 298,2 K)

(-∆p) = 338 kN/m2

VpA

RVpAc

t m

s

)(2)( 2

2

35

Dados são usados para obter t/V

Solução:

t V x 10-3 (t/V) x 103

4,4 0,498 8,84

9,5 1,000 9,50

16,3 1,501 10,86

24,6 2,000 12,30

34,7 2,498 13,89

46,1 3,002 15,36

59,0 3,506 16,83

73,6 4,004 18,38

89,4 4,502 19,86

107,3 5,009 21,42

36

Dados são usados para obter t/V

(a) Calculo de α e Rm

B = 6786 s/m3 Kp/2 = 3,00 x 106 s/m6

Kp = 6,00 x 106 s/m6

kgmx

x x

pAcxK s

p

/10863,1

)10338()0439,0()47,23()()10937,8(

)(1000,6

11

32

4

26

110m

3m

4m

m10x11,27R

)10x(338 0,0439))(R10x(8,937

Δp)A(μR6786B

3000000ΔXΔY

BX10 x 3Y 6

37

(b): Cálculo do tempo de filtração de 1m3:

VpA

RVpAc

t m

s

)(2)( 2

2

1)10 338(1

)10 27,11)(10 937,8(12

)10 338(1)47,23()10 x 863,1()10 x 937,8(

3

1042

32

11-4

xxxxt

horassegundost 68,1 56,6078 38

(c): Cálculo da área (1m3 em 1 hora)

A = 1 m2 t =1,68h

VpA

RVpAc

t m

s

)(2)( 2

2

A = 0,5 m2 t =6,58h

A = 1,5 m2 t =0,77h

y = 1,6831x-1,964

1 = 1,6831x-1,964

x = 1,3 m2

AAt 2985780

2

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Exercício

Uma solução aquosa que contém 10 kg de sólidos por metros cúbico de solução é filtrada em um filtro prensa com 10 placas de 0,8 m2 cada uma. Na filtração há uma queda de pressão de 350 kN/m2 constante e a variação da quantidade do filtrado com o tempo é dada pela tabela abaixo:

Tempo (min) 8 18 31 49 70 95Massa (kg) 1600 2700 3720 4900 6000 7125Calcule a resistência específica da torta, a resistência do meio filtrante e o tempo necessário para recolher 10 m3 do filtrado.

Dados: μágua=1,2x10-3 Pa.sρágua = 1010 kg/m3

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Respostas: t(s) = 92,53 V2 + 157,43 Vα = 3,45x1011 m/kgRm = 3,67x1011 m-1

Filtro de Cartucho

Este tipo de filtro de cartucho é de operação contínua e limpeza automática. É composto de uma carcaça onde se colocam cartuchos (ou bolsas).O gás “sujo” é forçado a passar através dos cartuchos, em cuja superfície as partículas são retidas.O gás limpo é conduzido à parte interna do filtro e em seguida ao exaustor. O processo de limpeza do cartucho é feito automaticamente através de pulsos de ar comprimido.

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Produto Filtrados

Corte transversal de um Cartucho Elemento filtrante

Vedação

Representação de filtração em Cartuchos

:

Filtro de CartuchosExistem filtros de cartuchos cujo mecanismo de filtração é por profundidade. Possuem um aspecto fibroso, que pode ser um emaranhado de fibras ou mantas sobrepostas.A retenção depende do fluxo e pressão.

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:

Filtro de Cartuchos

O fluido a ser filtrado é colocado sob pressão dentro de uma carcaça e as partículas de 5 a 15 micras ficam retidas. O controle de Troca de filtros é por diferencial de pressão na entrada e saída do filtro. Muito utilizado para filtração de água na indústria alimentícia.

43

:

Filtro de Cartuchos

Para o dimensionamento desse tipo de filtro, é necessária a vazão é necessária a vazão necessária no processonecessária no processo.

A partir daí se calcula o número a cartuchos necessários de acordo com a especificação do fabricante.

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Filtro de Cartuchos

Outra forma de apresentação de filtros, pode ser em forma de bolsas.

Retém os mesmos tipos de partículas que as de cartucho de profundidade. A vantagem desse filtro é que possibilita operações que necessitam de maiores vazõesmaiores vazões. 45

Filtro de CartuchosCoalescentesAo contrário dos filtros convencionais de linha, os filtros coalescentes direcionam o fluxo de ar de dentro para fora. Os contaminantes são capturados na malha do filtro e reunidos em gotículas maiores através de colisões com as microfibras de borosilicato.

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Filtro de CartuchosCoalescentes

Por fim, essas gotículas passam para o lado externo do tubo do elemento filtrante, onde são agrupadas e drenadas pela ação da gravidade.

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Corte transversalFiltro de malha Grossa

Figura 14: Representação de um Sistema de Filtração

Filtração de Ar Na indústria alimentícia é crescente a aplicação de aplicação de filtração do ar para o filtração do ar para o ambiente das áreas ambiente das áreas produtivas e de produtivas e de manipulação e embalagem manipulação e embalagem de alimentosde alimentos.

Esse tipo de filtração normalmente se dá em estágios, dependendo do grau de pureza do ar. E os filtros se classificam de acordo com a necessidade retenção de partículas. 48

3º Estágio 2º Estágio 1º Estágio

G3F3

FLUXO DO ARA3

A3 G3

Esquema de Filtração em Estágios para ar

Sendo :G (grossa) – Partículas acima de 10 μF (Fina)– particulas de 1 a 10 μA ( Absoluta)– Partículas menores 1 μ

E elas são classificadas como 1, 2 e 3 de acordo com o grau de retenção que se exige.

Filtração de Ar Ambiente

49

Filtração de Ar Ambiente

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Filtração Centrífuga

Outra forma de separação de sólidos insolúveis em líquido é a operação de centrifugaçãocentrifugação.

Nesse caso a força motriz da filtração é centrifugação, onde o fluxo uma suspensão e colocado em um câmara rotatitva com paredes perfuradas alinhadas com o meio filtrante.

O filtrado passa e a torta fica presa ao meio filtrante através da força centrífuga.

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Exemplo de Filtração Centrífuga

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Aplicação na produção de azeite de oliva

FILTRAÇÃO MEMBRANAFILTRAÇÃO MEMBRANAA membrana age como uma barreira semipermeável e o fluido passa por a ela através de pressão.

A filtração por membrana é uma técnica utilizada para separações de solutos (partículas) de diferentes pesos moleculares da solução.

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FILTRAÇÃO MEMBRANAFILTRAÇÃO MEMBRANA

Na indústria de alimentos os processos de maior interesse são:

-Osmose Reversa

- Ultrafiltração

- Microfiltração

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FILTRAÇÃO MEMBRANAFILTRAÇÃO MEMBRANAOsmoseOsmose

Na osmose, coloca-se uma membrana semipermeável e de um lado temos o solvente (água) e de outro um soluto.

Ocorre um transporte espontâneo de um solvente para um soluto; onde o solvente flui para o soluto sob a pressão exercida pelo soluto conhecida como pressão osmóticapressão osmótica, na qual ocorre o equilíbrio quando o potencial químico se equilíbrio quando o potencial químico se iguala. iguala.

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FILTRAÇÃO MEMBRANAFILTRAÇÃO MEMBRANAOsmose ReversaOsmose Reversa

Reverter o fluxo da solução para o solvente é chamado de OSMOSE REVERSA. Neste processo a membrana impede a passagem de partículas de soluto de baixo peso molecular, ou seja aquele soluto que difundiu em um solvente por osmose. Na osmose reversa a pressão diferencial reversa é colocada de forma que causa o fluxo de solvente inverso, como em um processo de dessalinização da água do mar.

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http://www.youtube.com/watch?v=02rkp8sqezo&feature=related

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http://www.youtube.com/watch?v=02rkp8sqezo&feature=related


Osmose ReversaOsmose Reversa

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FILTRAÇÃO MEMBRANAFILTRAÇÃO MEMBRANAUltrafiltraçãoUltrafiltração

É um processo de filtração por membrana muito similar à osmose reversa.

A pressão é usada para obter uma pressão é usada para obter uma separação de moléculas separação de moléculas utilizando uma membrana polimérica semipermeável, que separa solutos de alto peso molecular como proteínas, polímeros.

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FILTRAÇÃO MEMBRANAFILTRAÇÃO MEMBRANAUltrafiltraçãoUltrafiltração

As membranas de Ultrafiltração são muito mais porosas que na osmose reversa e onde ocorre uma rejeição na osmose reversa, freqüentemente nesse caso é chamado de retenção.

Um exemplo de aplicação na indústria alimentícia é em alguns processos de queijo.

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FILTRAÇÃO MEMBRANAFILTRAÇÃO MEMBRANADiferença entre os processo de osmose reversa e ultrafiltração

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FILTRAÇÃO MEMBRANAFILTRAÇÃO MEMBRANAMicrofiltração

Nesse processo, o fluido passa pela o fluido passa pela membrana sob pressãomembrana sob pressão, com o objetivo de separar partículas de tamanho mícron, ou seja, aquelas que são maiores que as separadas na ultrafiltração, como bactérias, bolores e leveduras e em alguns casos pigmentos de tinta.

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Documents

AULA 19 FILTRAÇÃO