TA 631 OPERAES UNITRIAS I Aula 19: 31/05/2012Filtrao*

FILTRAONas indstrias de alimentos e bebidas, a filtrao aparece na produo de suco de frutas, leos vegetais, leite e derivados, entre outros produtos. Os sistemas de filtrao pode ser:Slido-lquido (sucos de frutas)Slido-gs (chamins);Gs-lquido (ar comprimido)Ar (grau farmaceutico)

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FILTRAO

As partculas slidas podem ser: grossas ou finas, rgidas ou plsticas, redondas ou planas individualmente separadas ou agrupadas

Basicamente processo de separar um slido particulado de um fluido, fazendo com que o slido fique retido num meio poroso, e o fluido passe atravs desse meio.*

Ele separa as partculas em uma fase slida (torta) e permite o escoamento de um fluido claro (filtrado).

FILTRAO*

A fora motriz do processo uma diferena de presso (P), atravs desse meio.

FILTRAO*

O princpio da filtrao industrial e o do equipamento de laboratrio o mesmo, apenas muda a quantidade de material a ser filtrado. O aparelho de filtrao de laboratrio mais comum denominado filtro de Bchner. O lquido colocado por cima e flui por ao da gravidade e no seu percurso encontra um tecido poroso (um filtro de papel). Como a resistncia passagem pelo meio poroso aumenta no decorrer do tempo, usa-se um vaso Kitasato conectado a uma bomba de vcuo.Bomba de vcuoFiltro de Papel*

FILTRAO*

FILTRAO*

Filtro de leito Poroso (intermitente) o tipo de filtro mais simples. Se usa no tratamento de gua potvel, quando se tem grandes volumes de lquido e pequenas quantidades de slidos. A camada de fundo composta de cascalho grosso que descansa em uma placa perfurada ou com ranhuras. Acima do cascalho colocada areia fina que atua realmente como filtro. Partculas slidas separadasEntrada do lquidoFluido clarificadoPlaca metlica perfurada ou com ranhurasDefletorPartculas grossasPartculas finas*

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

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

A alimentao bombeada prensa e flui pelas armaes. A filtrao prossegue at o espao interno da armao esteja completamente preenchida com slidos.Os slidos acumulam-se como torta dentro da armao. 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 armao e as placas so separadas e a torta retirada. Depois o filtro remontado e o ciclo se repete.Filtro de tecidoPlaca Marco TortaAlimentaoFiltradoFiltro-Prensa*

Filtros de folhasFoi projetado para grandes volumes de lquido e para ter uma lavagem eficiente. Cada folha uma armao de metal oca coberta por um filtro de tecido. Elas so suspensas em um tanque fechado. A alimentao introduzida no tanque e passa pelo tecido a baixa presso.A torta se deposita no exterior da folha. O filtrado flui para dentro da armao oca. Aps a filtragem, ocorre a limpeza da torta. O lquido de lavagem entra e segue o mesmo caminho que a alimentao. A torta retirada por uma abertura do casco. *

Filtros de folhas*

Ele filtra, lava e descarrega a torta de forma contnua. O tambor recoberto com um meio de filtrao conveniente. Uma vlvula automtica no centro do tambor ativa o ciclo de filtrao, secagem, lavagem e retirada da torta. Filtro de tambor a vcuo, rotativo e contnuo. O filtrado sai pelo eixo de rotao. Existem passagens separadas para o filtrado e para o lquido de lavagem. H uma conexo com ar comprimido que se utiliza para ajudar a raspadeira de facas na retirada da torta. CargaSecagemSecagemCiclo de lavagemDescargaVlvula automticaFormao da tortaSuspenso*

Filtro de tambor a vcuo, rotativo e contnuo. *

Filtro de tambor a vcuo, rotativo e contnuo. *

um conjunto de discos verticais que giram em um eixo de rotao horizontal. Este filtro combina aspectos do filtro de tambor rotativo a vcuo e do filtro de folhas. Cada disco (folha) oco e coberto com um tecido e em parte submerso na alimentao. A torta lavada, secada, e raspada quando o disco gira. Filtro contnuo de discos rotativos*

Teoria Bsica de Filtrao*

1. Queda de presso de fluido atravs da torta A figura mostra uma seo de um filtro em um tempo t (s) medido a partir do incio do fluxo. A espessura da torta L (m). A rea da seo transversal A (m2), e a velocidade linear do filtrado na direo L v (m/s)Alimentao da suspenso Filtrado Meio filtrante Incremento da torta*

A equao 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:Onde:p a presso (N/m2)v a velocidade no tubo (m/s) D o dimetro (m)L o comprimento (m) a viscosidade (Pa.s)*

Podemos agora imaginar as variveis que atuam no escoamento de um fluido newtoniano dentro de um leito de partculas slidas rgidas.Precisamos de uma equao para descrever como varia a diferena de presso a ser aplicada com a distncia percorrida (altura do leito) e a velocidade e a viscosidade do fluido e, tambm em funo da porosidade e do dimetro de partcula em leitos porosos.*

*PorosidadeEm um leito poroso existem vazios (zonas sem partculas). A porosidade () definida como a razo entre o volume do leito que no est ocupado com material slido e o volume total do leito.

No caso de fluxo laminar em um leito empacotado de partculas se usa a equao de Carman-Kozeny. Ela tem sido aplicada filtrao com sucesso:Onde: k1 uma constante para partculas de tamanho e forma definida a viscosidade do filtrado em Pa.sv a velocidade linear em m/s a porosidade da tortaL a espessura da torta em mS0 a rea superficial especfica expressa em m2 / m3Pc a diferena de presso na torta N/m2*

Velocidade linear :Onde: A a rea transversal do filtro (m2) V o volume coletado do filtrado em m3 at o tempo t (s). A espessura da torta (L) depende do volume do filtrado V e se obtm por um balano de materiais. *

Onde:p a densidade de partculas slidas na torta em kg/m3Se: cs = kg de slidos/m3 do filtrado, ento o balano ser : *Massa slidos suspenso = Massa slidos do filtrado e do meio poroso

Onde a resistncia especfica da torta (m/kg) definida como:Para a resistncia da tela filtrante (suporte), podemos usar a Equao de Darcy:Onde: Rm a resistncia ao fluxo no suporte (m-1)Pf a queda de presso no suporte do leito porosoPara a resistncia do leito temos:*

Como as resistncias da torta e do meio filtrante esto em srie, podem ser somadas, temos:Onde p = pc (torta) + pf (filtro) *Equao fundamentalda filtrao

A equao anterior pode ser invertida para dar:Onde Kp est em s/m6 e B em s/m3:*

Para presso constante e constante (torta incompressvel), V e t so as nicas variveis.Dividindo por V:Onde V o volume total do filtrado (m3) reunido em t (s)Integrao para obter o tempo da filtrao t em (s):Filtrao presso constante, incompressvel*

Para saber o tempo de filtrao necessrio conhecer e Rm.

Para isso, pode-se utilizar a equao dividida por V:E traar um grfico de t/V versus V usando dados experimentais*

So necessrios os dados de volume coletado (V) em tempos diferentes de filtrao. Y = A.X + B t / VV*

Com Kp e B pode-se determinar diretamente o tempo de filtrao.Kp = coeficiente angular da reta

B = coeficiente linear da retaO clculo de (resistncia especfica da torta) e de Rm (resistncia do meio filtrante) permite obter a equao do tempo de filtrao em termos dos parmetros bsicos da operao:*

Temos dados da filtrao em laboratrio de uma suspenso de CaCO3 em gua a 298,2 K (25C) realizada a uma presso constante (-p) de 338 kN /m2. Dados:Exerccio Exemplo: Avaliao das Constantes para Filtrao Presso Constante em um Leito Incompressvel- rea do filtro prensa de placa-e-marco: A = 0,0439 m2

- Concentrao de alimentao: cs = 23,47 kg/m3Calcule as constantes e Rm a partir dos dados experimentais de volume de filtrado (m3) versus tempo de filtrao (s). Estime o tempo necessrio para filtrar 1m3 da mesma suspenso em um filtro industrial com 1m2 de rea. Se o tempo limite para essa filtrao fosse de 1h, qual deveria ser a rea do filtro?*

A = 0,0439 m2

cs = 23,47 kg/m3

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

(-p) = 338 kN/m2*

Tempo (s)Volume (m3)4,40,498 x 10-39,51,000 x 10-316,31,501 x 10-324,62,000 x 10-334,72,498 x 10-346,13,002 x 10-359,03,506 x 10-373,64,004 x 10-389,44,502 x 10-3107,35,009 x 10-3

Dados so usados para obter t/VSoluo: *

tV x 10-3(t/V) x 1034,40,4988,849,51,0009,5016,31,50110,8624,62,00012,3034,72,49813,8946,13,00215,3659,03,50616,8373,64,00418,3889,44,50219,86107,35,00921,42

Dados so usados para obter t/V(a) Calculo de e Rm B = 6786 s/m3 Kp/2 = 3,00 x 106 s/m6Kp = 6,00 x 106 s/m6*

(b): Clculo do tempo de filtrao de 1m3:*

(c): Clculo da rea (1m3 em 1 hora) A = 1 m2t =1,68hA = 0,5 m2t =6,58hA = 1,5 m2t =0,77hy = 1,6831x-1,9641 = 1,6831x-1,964x = 1,3 m2*

Exerccio

Uma soluo aquosa que contm 10 kg de slidos por metros cbico de soluo filtrada em um filtro prensa com 10 placas de 0,8 m2 cada uma. Na filtrao h uma queda de presso de 350 kN/m2 constante e a variao da quantidade do filtrado com o tempo dada pela tabela abaixo:Calcule a resistncia especfica da torta, a resistncia do meio filtrante e o tempo necessrio para recolher 10 m3 do filtrado.

Dados: gua=1,2x10-3 Pa.sgua = 1010 kg/m3*Respostas:

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

Tempo (min)81831497095Massa (kg)160027003720490060007125

Filtro de CartuchoEste tipo de filtro de cartucho de operao contnua e limpeza automtica. composto de uma carcaa onde se colocam cartuchos (ou bolsas).O gs sujo forado a passar atravs dos cartuchos, em cuja superfcie as partculas so retidas.O gs limpo conduzido parte interna do filtro e em seguida ao exaustor. O processo de limpeza do cartucho feito automaticamente atravs de pulsos de ar comprimido. *

:Filtro de CartuchosExistem filtros de cartuchos cujo mecanismo de filtrao por profundidade. Possuem um aspecto fibroso, que pode ser um emaranhado de fibras ou mantas sobrepostas.A reteno depende do fluxo e presso.*

:Filtro de CartuchosO fluido a ser filtrado colocado sob presso dentro de uma carcaa e as partculas de 5 a 15 micras ficam retidas. O controle de Troca de filtros por diferencial de presso na entrada e sada do filtro. Muito utilizado para filtrao de gua na indstria alimentcia.*

:Filtro de CartuchosPara o dimensionamento desse tipo de filtro, necessria a vazo necessria no processo.

A partir da se calcula o nmero a cartuchos necessrios de acordo com a especificao do fabricante.*

Filtro de CartuchosOutra forma de apresentao de filtros, pode ser em forma de bolsas.

Retm os mesmos tipos de partculas que as de cartucho de profundidade. A vantagem desse filtro que possibilita operaes que necessitam de maiores vazes.*

Filtro de CartuchosCoalescentesAo contrrio dos filtros convencionais de linha, os filtros coalescentes direcionam o fluxo de ar de dentro para fora. Os contaminantes so capturados na malha do filtro e reunidos em gotculas maiores atravs de colises com as microfibras de borosilicato. *

Filtro de CartuchosCoalescentes

Por fim, essas gotculas passam para o lado externo do tubo do elemento filtrante, onde so agrupadas e drenadas pela ao da gravidade.

*

Filtrao de ArNa indstria alimentcia crescente a aplicao de filtrao do ar para o ambiente das reas produtivas e de manipulao e embalagem de alimentos.

Esse tipo de filtrao normalmente se d em estgios, dependendo do grau de pureza do ar. E os filtros se classificam de acordo com a necessidade reteno de partculas.*

Esquema de Filtrao em Estgios para arSendo :G (grossa) Partculas acima de 10 F (Fina) particulas de 1 a 10 A ( Absoluta) Partculas menores 1

E elas so classificadas como 1, 2 e 3 de acordo com o grau de reteno que se exige. Filtrao de Ar Ambiente*

Filtrao de Ar Ambiente*

Filtrao CentrfugaOutra forma de separao de slidos insolveis em lquido a operao de centrifugao.

Nesse caso a fora motriz da filtrao centrifugao, onde o fluxo uma suspenso e colocado em um cmara rotatitva com paredes perfuradas alinhadas com o meio filtrante.

O filtrado passa e a torta fica presa ao meio filtrante atravs da fora centrfuga.*

Exemplo de Filtrao Centrfuga*Aplicao na produo de azeite de oliva

FILTRAO MEMBRANAA membrana age como uma barreira semipermevel e o fluido passa por a ela atravs de presso.

A filtrao por membrana uma tcnica utilizada para separaes de solutos (partculas) de diferentes pesos moleculares da soluo.*

FILTRAO MEMBRANA Na indstria de alimentos os processos de maior interesse so:

Osmose Reversa

Ultrafiltrao

Microfiltrao*

FILTRAO MEMBRANAOsmose

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

Ocorre um transporte espontneo de um solvente para um soluto; onde o solvente flui para o soluto sob a presso exercida pelo soluto conhecida como presso osmtica, na qual ocorre o equilbrio quando o potencial qumico se iguala. *

FILTRAO MEMBRANAOsmose Reversa

Reverter o fluxo da soluo para o solvente chamado de OSMOSE REVERSA. Neste processo a membrana impede a passagem de partculas de soluto de baixo peso molecular, ou seja aquele soluto que difundiu em um solvente por osmose. Na osmose reversa a presso diferencial reversa colocada de forma que causa o fluxo de solvente inverso, como em um processo de dessalinizao da gua do mar.*

FILTRAO MEMBRANAOsmose Reversa*

FILTRAO MEMBRANAOsmose Reversahttp://www.youtube.com/watch?v=02rkp8sqezo&feature=related*

FILTRAO MEMBRANAOsmose Reversa*

FILTRAO MEMBRANAUltrafiltrao

um processo de filtrao por membrana muito similar osmose reversa.A presso usada para obter uma separao de molculas utilizando uma membrana polimrica semipermevel, que separa solutos de alto peso molecular como protenas, polmeros. *

FILTRAO MEMBRANAUltrafiltrao

As membranas de Ultrafiltrao so muito mais porosas que na osmose reversa e onde ocorre uma rejeio na osmose reversa, freqentemente nesse caso chamado de reteno.

Um exemplo de aplicao na indstria alimentcia em alguns processos de queijo.*

FILTRAO MEMBRANADiferena entre os processo de osmose reversa e ultrafiltrao*

FILTRAO MEMBRANAMicrofiltrao

Nesse processo, o fluido passa pela membrana sob presso, com o objetivo de separar partculas de tamanho mcron, ou seja, aquelas que so maiores que as separadas na ultrafiltrao, como bactrias, bolores e leveduras e em alguns casos pigmentos de tinta.*

FILTRAO MEMBRANA*

FILTRAO MEMBRANA*