Universidade Federal de São João Del Rei

Departamento de Engenharia Química e Estatística

Laboratório de Engenharia Química II

Relatório

FILTRO PRENSA

Bryann Mota

Lucas Vilano

Pedro Drumond

Raphael Vilela

Vinicius Lagares

Ouro Branco, Agosto de 2013

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ........................................................................................................................ 1

2. OBJETIVOS ............................................................................................................................. 2

3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA .......................................................................................... 3

4. METODOLOGIA EXPERIMENTAL ................................................................................... 7

4.1. Materiais ........................................................................................................................... 7

4.2. Métodos ............................................................................................................................. 7

5. RESULTADOS E DISCUSSÃO ............................................................................................. 8

6. CONCLUSÃO ........................................................................................................................ 11

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 12

8. ANEXOS ................................................................................................................................. 13

8.1. Memória de Cálculo ....................................................................................................... 13

1

1. INTRODUÇÃO

O termo filtração pode ser utilizado para processos de separação dos sólidos de

suspensões líquidas e, também para separação de partículas sólidas de gases, como por

exemplo, a separação das poeiras arrastadas pelos gases utilizando tecidos.[1]

O objetivo da operação é separar mecanicamente as partículas sólidas de uma

suspensão líquida com o auxílio de um leito poroso. 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 e cuja espessura vai aumentando no decorrer da operação. O líquido

que passa através do leito é chamado de filtrado. [2]

A filtração é uma das aplicações mais comuns do escoamento de fluidos através de

leitos compactos. A operação industrial é análoga às filtrações realizadas em um

laboratório que utilizam papel de filtro e funil. [2]

A filtração industrial difere da filtração de laboratório somente no volume de

material operado e na necessidade de ser realizada a baixo custo. A maioria dos

equipamentos industriais opera mediante a diminuição da resistência ao escoamento,

fazendo com que a área filtrante seja a maior possível, sem que as dimensões globais do

filtro aumentem proporcionalmente. [4]

Diversos são os fatores que devem ser considerados para especificar um filtro. Em

primeiro lugar estão os fatores associados com a suspensão: vazão, temperatura, tipo e

concentração dos sólidos, granulometria, heterogeneidade, e forma das partículas. Vêm

depois as características da torta: quantidade, compressibilidade, valor unitário,

propriedades físico químicas, uniformidade e estado de pureza desejado. Há, também,

fatores associados com o filtrado: vazão, viscosidade, temperatura, pressão de vapor e grau

de clarificação desejado. E finalmente o problema dos materiais de construção. [4]

2

2. OBJETIVOS

Entender o funcionamento de um filtro prensa e calcular parâmetros de projeto:

resistência do meio filtrante, resistividade da torta, tempo de ciclo e volume de torta. Para

tanto, utilizou-se uma mistura de cal e água que foi submetida à filtração no filtro-prensa.

Cuja finalidade é a separação do sólido do fluido que o carreia, para posterior análise dos

parâmetros de projeto.

3

3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

A filtração de suspensões sólido-líquido pode ocorrer de diversas formas, uma delas

se dá de modo que as partículas se acumulam no exterior do meio filtrante, resultando na

formação da torta. A suspensão escoa por ação da pressão contra o meio filtrante,

resultando a separação dos produtos filtrado e torta. A maior parte do líquido da suspensão

constitui o filtrado e as partículas sólidas formam uma torta saturada com o líquido. O

meio filtrante tem como função reter as partículas no início da operação, em seguida essa

tarefa é realizada pela própria torta, que sofre um aumento da sua espessura com o

tempo.[5]

Os elementos do filtro prensa são os quadros e as placas separadas entre si pelo

meio filtrante, a suspensão sólido-líquido alimenta simultaneamente o conjunto de quadros,

formando-se a torta junto ao meio filtrante, o filtrado percola o meio filtrante, escoa pelas

ranhuras dos quadros e é conduzido para fora do filtro. A etapa de filtração está concluída

quando a torta ocupa todo o espaço oferecido pelos quadros. O filtro prensa pode ser

utilizado tanto para a filtração quanto para a lavagem da torta. Em seguida, o filtro é aberto

e a torta descarregada, sendo a operação do filtro prensa caracteristicamente conduzida em

batelada. Um esquema representando do filtro prensa é mostrado na Figura 1. [2]

Figura 1 – Representação de um filtro prensa

4

O filtro-prensa de placas e quadros é, há muito tempo, o dispositivo de filtragem

mais comum na indústria. Algumas vantagens de sua utilização são: [5]

Construção simples, robusta e econômica;

Grande área filtrante por unidade de área de implantação;

Flexibilidade (pode-se aumentar ou diminuir o número de elementos para variar a

capacidade);

Não têm partes móveis;

Os vazamentos são detectados com grande facilidade;

Trabalham sob pressões até 50 kg/cm2;

A manutenção é muito simples e econômica: apenas substituição periódica das

lonas.

Entre as desvantagens, pode ser citado:

Operação intermitente. A filtração deve ser interrompida, o mais tardar, quando os

quadros estiverem cheios de torta;

O custo da mão-de-obra de operação, montagem e desmontagem é elevado;

A lavagem da torta, além de ser imperfeita, pode durar várias horas e será tanto

mais demorada quanto mais densa for a torta. Suspensões de granulometria

uniforme dão tortas homogêneas e, portanto mais fáceis de lavar. Partículas finas

tendem a produzir tortas de lavagem difícil. O uso de auxiliares de filtração

melhora as condições de lavagem, mas não resolve completamente o problema.

A teoria da filtração permite estabelecer a relação entre a capacidade do

equipamento e as variáveis área, tempo e pressão de filtração e, essa relação por sua vez

depende das propriedades da torta resultante do processo de filtração. A partir desses

5

fatores fundamentais obtém-se uma expressão envolvendo constantes que podem ser

determinadas experimentalmente. [1]

Para determinação dos coeficientes linear (b) e angular (a) que descrevem a

equação da curva

em função do , pode-se utilizar as equações 1 e 2 :

Em que , K1 e K2 são constantes, que dependem respectivamente da torta e do meio

filtrante, e P é a pressão de operação.

A fração de vazios pode ser determinada pela equação 3:

Para a determinação do volume de vazios, pode-se utilizar a equação 4 :

(4)

O volume total da torta pode ser determinado pela equação 5:

(5)

A resistência especifica do meio filtrante pode ser determinada pela equação 6:

Para determinar a resistência especifica da torta, pode-se utilizar a equação 7:

6

A fração mássica de sólido pode ser determinada pela equação 8:

(8)

A relação entre a massa de torta úmida e torta seca pode ser determinada pela

equação 9:

A espessura da torta de resistência equivalente ao meio filtrante ao meio filtrante

pode ser determinada pela equação 10:

A capacidade do filtro pode ser calculada pela equação 11:

7

4. METODOLOGIA EXPERIMENTAL

4.1. Materiais

- Carbonato de cálcio (CaCO3)

- Água

- Cronômetro

- Filtro prensa

- Termômetro

- Trena

- Balança

- Proveta

- Estufa.

4.2. Métodos

Para cálculo da densidade aparente do carbonato de cálcio, pesou-se em uma

balança analítica uma quantidade do sólido e mediu-se o seu volume em uma proveta. Em

seguida, adicionou-se carbonato de cálcio em um tanque contendo água. Agitou-se

constantemente a mistura para evitar depósitos de sólidos no fundo do tanque. Mediu-se a

temperatura da suspensão antes da operação. Mediu-se as dimensões das placas usadas no

filtro prensa e calculou-se a sua área de filtração. Ligou-se o filtro prensa com a válvula do

filtro fechada, para reciclo da solução. Em seguida abriu-se a válvula do filtro e regulou-se

a válvula de reciclo para se obter uma pressão constante. Realizou-se a filtração anotando-

se o tempo decorrido em um intervalo de volume de líquido filtrado. Anotou-se o tempo

total de filtração. Em seguida, realizou-se a retirada da torta, limpeza e remontagem do

equipamento, anotando-se o tempo decorrido nessa operação. Pesou-se a torta úmida e

colocou-se em uma estufa até que houvesse a secagem total do sólido. Após secagem,

realizou-se a pesagem da torta seca.

8

5. RESULTADOS E DISCUSSÃO

Para a realização do experimento, utilizou-se uma massa de 1130 gramas de

carbonato de cálcio, o qual foi misturado a 40 litros de água. Com a operação do

equipamento anotou-se o tempo decorrido a cada 2 litros de suspensão filtrada. Os valores

do tempo e volume de filtrado estão dispostos na Tabela 1.

Tabela 1 – Valores de volume, tempo e relação volume/tempo obtidos a partir da realização

do experimento.

Volume (L) Tempo (min) Tempo/Volume (min/L)

2 0,033 0,0753

4 0,067 0,0811

6 0,100 0,0834

8 0,133 0,0888

10 0,167 0,0906

12 0,200 0,0965

14 0,233 0,1005

16 0,267 0,1079

18 0,300 0,1153

20 0,333 0,1257

22 0,367 0,1355

24 0,400 0,1450

26 0,433 0,1544

28 0,467 0,1646

30 0,500 0,1749

32 0,533 0,1856

34 0,567 0,1963

36 0,600 0,2096

38 0,633 0,2267

Para a plotagem do gráfico necessitou-se calcular o valores de Tempo/Volume que

estão dispostos na Tabela 1. A partir dos valores tabelados pode-se plotar a curva de

Tempo/Volume versus Volume no gráfico disposto na Figura 2.

9

Figura 2 – Gráfico Tempo/Volume versus Volume

A partir da linearização da curva obteve a equação de reta y = 0,0041x + 0,052 com

fator de correlação R² = 0,9652. Com isso, pode-se calcular o valor de

e

.

Para a realização do cálculo da fração de vazios necessitou-se a medição da

temperatura da água para obtenção do valor da densidade da mesma. O valor medido da

temperatura foi de 18ºC e a densidade utilizada nos cálculos foi de 0,999 g/cm³. A fração

de vazios, que representa a porcentagem total não ocupada do volume da torta obtida após

a filtração, obteve-se um valor de . Esse valor mostra que 21% em volume da

torta não foi preenchido por material filtrado.

No cálculo da resistência especifica do meio filtrante, utilizou-se a viscosidade de

, relativa a temperatura da suspensão medida no experimento. A resistência

específica do meio filtrante foi de . Enquanto a resistência específica da

torta foi de

. A partir desses resultados obteve-se um valor para a espessura

da torta de resistência equivalente ao meio filtrante de .

y = 0,0041x + 0,052 R² = 0,9652

0,0000

0,0500

0,1000

0,1500

0,2000

0,2500

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Tem

po

/Vo

lum

e (

min

/L)

Volume filtrado (L)

10

A partir dos valores encontrados para K1, K2 e as consequentes resistências

específicas da torta e do meio filtrante são possíveis à realização da ampliação de escala e

análise de filtros industriais e pilotos.

A filtração de 38 litros de suspensão foi operada num tempo de 540 segundos e o

tempo de limpeza, manutenção e remontagem do filtro prensa foi de 300 segundos. A

partir desses valores calculou-se a capacidade de filtração do experimento, que foi de

É importante ressaltar que o tempo da retirada da torta, limpeza e remontagem do

equipamento pode facilmente ser reduzido, através de uma maior experiência dos

operadores, o que leva a um aumento significativo na capacidade de filtração. Em adição,

vale ressaltar a importância de embutir o tempo morto no cálculo da capacidade de

filtração, já que o rendimento real do equipamento em funcionamento não pode ser

estimado sem que se contabilize o tempo necessário para manutenção das placas. Além do

mais, para análise de filtros industriais o tempo morto relacionado poderá ser bem maior,

visto que em filtros industriais há maior labor envolvido na troca de placas, sendo fator

preponderante no cálculo da eficiência do filtro.

11

6. CONCLUSÃO

O equipamento, mantido em pressão constante, proporcionou resultados

satisfatórios para a elaboração da curva e posterior determinação dos valores de K1 e K2.

Em adição, os valores dessas constantes possibilitaram o cálculo dos parâmetros de projeto

desejados.

Conclui-se que a operação foi bem sucedida e promoveu uma separação

satisfatória, visto que 93,27% do sólido adicionado à água foi retido pelo filtro. Além

disso, permitiu aos alunos um melhor entendimento do funcionamento de um filtro prensa

de placas e quadros. A organização de uma equipe é de fundamental importância para uma

maior eficiência no processo, visto que o tempo de manutenção e remontagem do

equipamento influencia diretamente na capacidade de produção do mesmo.

12

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] BENETT, C.O.; MYERS, J.E. Fenômenos de transporte, quantidade de

movimento, calor e massa. Trad. E. W. Lesser, G.C. Kachan, G.A. Silva e J.L. Magnani.

São Paulo: McGraw Hill, 1978. 822p.

[2] FOUST, Alan S. et al Principles of unit operations, 2ª ed. Singapure, John

Wiley & Sons, 1980.

[3] PERRY, R.H. & GREEN, D. Perry´s chemical engineers: Handbook, 7ª ed.

New York: McGraw-Hill, 1997. 2603p.

[4] MASSARANI, G. Fluidodinâmica em sistemas particulados. Rio de Janeiro:

e-papers, 1985

[5] FRANÇA, S.C.A. Separação sólido-líquido. Disponível em:

<http://www.cetem.gov.br/publicacao/CTs/CT2002-146-00.pdf>. Acesso em: 27 julho.

2013.

13

8. ANEXOS

8.1. Memória de Cálculo

- Cálculo da constante K1

De acordo com a equação obtida a partir do gráfico da Figura 2 pode-se calcular o

valor de K1 a partir da equação 1:

Pela manipulação da equação 1 tem-se:

Como

[

]

[

]

- Cálculo da constante K2

De acordo com a equação obtida a partir do gráfico da Figura 2 pode-se calcular o

valor de K1 a partir da equação 2 :

Pela manipulação da equação 2 tem-se:

14

Como

[

]

[

]

- Cálculo da fração de vazios

A fração de vazios foi calculada a partir da equação 3. Necessitou-se calcular o

volume de vazios pela equação 4 e volume total da torta pela equação 5:

- Cálculo da resistência específica do meio filtrante Rm

A resistência especifica do meio filtrante foi calculada pela equação 6:

15

- Cálculo da resistência específica da torta

A resistência específica da torta foi calculada pela equação 7. Necessitou-se

calcular a fração mássica de sólidos na suspensão a partir da equação 8 e a relação entre a

massa de torta úmida e de torta seca a partir da equação 9:

- Cálculo da espessura da torta de resistência equivalente ao meio filtrante

A espessura da torta de resistência equivalente ao meio filtrante foi calculada pela

equação 10:

- Cálculo da capacidade do filtro

A capacidade do filtro foi calculada pela equação 11: