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TA 631 – OPERAÇÕES UNITÁRIAS I Aula 19: 31/05/2012 Filtração 1.

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1 TA 631 – OPERAÇÕES UNITÁRIAS I Aula 19: 31/05/2012 Filtração 1

2 FILTRAÇÃO Nas 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) 2

3 FILTRAÇÃO 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. 3

4 Filtrado Alimentação Meio poroso Torta Ele separa as partículas em uma fase sólida (“torta”) e permite o escoamento de um fluido claro (“filtrado”).FILTRAÇÃO 4

5 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.FILTRAÇÃO 5

6 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 6

7 FILTRAÇÃO Os fatores mais importantes para a seleção de um filtro são: a) resistência específica do meio poroso de filtração; 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. 7

8 FILTRAÇÃO O meio de filtração pode ser: leito poroso leito poroso de materiais sólidos inertes, placas, marcos e telas conjunto de placas, marcos e telas em uma prensa folhas duplas conjunto de folhas duplas dentro de um tanque, cilindro rotativo cilindro rotativo mergulhado na suspensão discos rotativos discos rotativos mergulhados na suspensão bolsas ou cartuchos bolsas ou cartuchos dentro de uma carcaça. por membranas, por membranas, microfiltração osmose reversa 8

9 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 separadas Entrada do líquido Fluido clarificado Placa metálica perfurada ou com ranhuras Defletor Partículas grossas Partículas finas 9

10 Filtro prensa Um 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 Torta Marco Placa Alimentação Filtrado 10

11 Filtro-Prensa 11

12 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 12

13 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. 13

14 Filtros de folhas 14

15 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 Secagem Ciclo de lavagem Descarga Válvula automática Formação da torta Suspensão 15

16 Filtro de tambor a vácuo, rotativo e contínuo. 16

17 Filtro de tambor a vácuo, rotativo e contínuo. 17

18 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 18

19 Teoria Básica de Filtração 19

20 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 (m 2 ), e a velocidade linear do filtrado na direção L é v (m/s) Alimentação da suspensão Filtrado Meio filtrante Incremento da torta 20

21 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: Onde: ∆p é a pressão (N/m 2 ) v é a velocidade no tubo (m/s) D é o diâmetro (m) L é o comprimento (m) µ é a viscosidade (Pa.s) 21

22 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 da porosidade e do diâmetro de partícula em leitos porosos. 22

23 23 Porosidade Em um leito poroso existem vazios (zonas sem partículas). 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.

24 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: Onde: k 1 é uma constante para partículas de tamanho e forma definida µ é a viscosidade do filtrado em Pa.s v é a velocidade linear em m/s ε é a porosidade da torta L é a espessura da torta em m S 0 é a área superficial específica expressa em m 2 / m 3 ∆P c é a diferença de pressão na torta N/m 2 24

25 Velocidade linear : Onde: A é a área transversal do filtro (m 2 ) V é o volume coletado do filtrado em m 3 até o tempo t (s). A espessura da torta (L) depende do volume do filtrado V e se obtém por um balanço de materiais. 25

26 Onde: ρ p é a densidade de partículas sólidas na torta em kg/m 3 Se: c s = kg de sólidos/m 3 do filtrado, então o balanço será : 26 Massa sólidos suspensão = Massa sólidos do filtrado e do meio poroso

27 Onde α é a resistência específica da torta (m/kg) definida como: Para a resistência da tela filtrante (suporte), podemos usar a Equação de Darcy: Onde: R m é a resistência ao fluxo no suporte (m -1 ) ∆P f é a queda de pressão no suporte do leito poroso Para a resistência do leito temos: 27

28 Como as resistências da torta e do meio filtrante estão em série, podem ser somadas, temos: Onde ∆p = ∆p c (torta) + ∆p f (filtro ) 28 Equação fundamental da filtração

29 A equação anterior pode ser invertida para dar: Onde K p está em s/m 6 e B em s/m 3 : 29

30 Para pressão constante e α constante (torta incompressível), V e t são as únicas variáveis. Dividindo por V: Onde V é o volume total do filtrado (m 3 ) reunido em t (s) Integração para obter o tempo da filtração t em (s): Filtração à pressão constante, incompressível 30

31 Para saber o tempo de filtração é necessário conhecer α e R m. Para isso, pode-se utilizar a equação dividida por V: E traçar um gráfico de t/V versus V usando dados experimentais 31

32 São necessários os dados de volume coletado (V) em tempos diferentes de filtração. Y = A.X + B t / V V 32

33 Com K p e B pode-se determinar diretamente o tempo de filtração. K p = coeficiente angular da reta B = coeficiente linear da reta O cálculo de  (resistência específica da torta) e de R m (resistência do meio filtrante) permite obter a equação do tempo de filtração em termos dos parâmetros básicos da operação: 33

34 Temos dados da filtração em laboratório de uma suspensão de CaCO 3 em água a 298,2 K (25°C) realizada a uma pressão constante (-∆p) de 338 kN /m 2. Dados: Exercício Exemplo: Avaliação das Constantes para Filtração à Pressão Constante em um Leito Incompressível - Área do filtro prensa de placa-e-marco: A = 0,0439 m 2 - Concentração de alimentação: c s = 23,47 kg/m 3 (a)Calcule as constantes α e R m a partir dos dados experimentais de volume de filtrado (m 3 ) versus tempo de filtração (s). (b)Estime o tempo necessário para filtrar 1m 3 da mesma suspensão em um filtro industrial com 1m 2 de área. (c)Se o tempo limite para essa filtração fosse de 1h, qual deveria ser a área do filtro? 34

35 Tempo (s)Volume (m 3 ) 4,40,498 x ,51,000 x ,31,501 x ,62,000 x ,72,498 x ,13,002 x ,03,506 x ,64,004 x ,44,502 x ,35,009 x A = 0,0439 m 2 c s = 23,47 kg/m 3 µ = 8,937 x Pa.s (água a 298,2 K) (-∆p) = 338 kN/m 2 35

36 Dados são usados para obter t/V Solução: t V x (t/V) x ,40,4988,84 9,51,0009,50 16,31,50110,86 24,62,00012,30 34,72,49813,89 46,13,00215,36 59,03,50616,83 73,64,00418,38 89,44,50219,86 107,35,00921,42 36

37 Dados são usados para obter t/V (a) Calculo de α e R m B = 6786 s/m 3 Kp/2 = 3,00 x 10 6 s/m 6 Kp = 6,00 x 10 6 s/m 6 37

38 (b): Cálculo do tempo de filtração de 1m 3 : 38

39 (c): Cálculo da área (1m 3 em 1 hora) A = 1 m 2 t =1,68h A = 0,5 m 2 t =6,58h A = 1,5 m 2 t =0,77h y = 1,6831x -1,964 1 = 1,6831x -1,964 x = 1,3 m 2 39

40 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 m 2 cada uma. Na filtração há uma queda de pressão de 350 kN/m 2 constante e a variação da quantidade do filtrado com o tempo é dada pela tabela abaixo: Tempo (min) Massa (kg) Calcule a resistência específica da torta, a resistência do meio filtrante e o tempo necessário para recolher 10 m 3 do filtrado. Dados: μ água =1,2x10 -3 Pa.s ρ água = 1010 kg/m 3 40 Respostas: t(s) = 92,53 V ,43 V α = 3,45x10 11 m/kg R m = 3,67x10 11 m -1

41 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. 41

42 Produto Filtrados Corte transversal de um Cartucho Elemento filtrante Vedação Representação de filtração em Cartuchos : Filtro de Cartuchos Existem 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. 42

43 : 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

44 : Filtro de Cartuchos é necessária a vazão necessária no processo Para o dimensionamento desse tipo de filtro, é necessária a vazão necessária no processo. A partir daí se calcula o número a cartuchos necessários de acordo com a especificação do fabricante. 44

45 Filtro de Cartuchos Outra forma de apresentação de filtros, pode ser em forma de bolsas. maiores vazões Retém os mesmos tipos de partículas que as de cartucho de profundidade. A vantagem desse filtro é que possibilita operações que necessitam de maiores vazões. 45

46 Filtro de Cartuchos Coalescentes Ao 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. 46

47 Filtro de Cartuchos Coalescentes Por fim, essas gotículas passam para o lado externo do tubo do elemento filtrante, onde são agrupadas e drenadas pela ação da gravidade. 47

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

49 3º Estágio 2º Estágio 1º Estágio G3 F3 FLUXO DO AR A3 G3 Esquema de Filtração em Estágios para ar Sendo : G (grossa) – Partículas acima de 10 μ F (Fina)– particulas de 1 a 10 μ A ( 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

50 Filtração de Ar Ambiente 50

51 Filtração Centrífuga centrifugação Outra forma de separação de sólidos insolúveis em líquido é a operação de centrifugação. 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. 51

52 Exemplo de Filtração Centrífuga 52 Aplicação na produção de azeite de oliva

53 FILTRAÇÃO MEMBRANA A 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. 53

54 FILTRAÇÃO MEMBRANA Na indústria de alimentos os processos de maior interesse são: -Osmose Reversa - Ultrafiltração - Microfiltração 54

55 FILTRAÇÃO MEMBRANA Osmose Na osmose, coloca-se uma membrana semipermeável e de um lado temos o solvente (água) e de outro um soluto. pressão osmótica equilíbrio quando o potencial químico se iguala. 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 osmótica, na qual ocorre o equilíbrio quando o potencial químico se iguala. 55

56 FILTRAÇÃO MEMBRANA Osmose 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. 56

57 FILTRAÇÃO MEMBRANA Osmose Reversa 57

58 FILTRAÇÃO MEMBRANA Osmose Reversa 58

59 FILTRAÇÃO MEMBRANA Osmose Reversa 59

60 FILTRAÇÃO MEMBRANA Ultrafiltração É um processo de filtração por membrana muito similar à osmose reversa. pressão é usada para obter uma separação de moléculas A pressão é usada para obter uma separação de moléculas utilizando uma membrana polimérica semipermeável, que separa solutos de alto peso molecular como proteínas, polímeros. 60

61 FILTRAÇÃO MEMBRANA Ultrafiltração 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. 61

62 FILTRAÇÃO MEMBRANA Diferença entre os processo de osmose reversa e ultrafiltração 62

63 FILTRAÇÃO MEMBRANA Microfiltração o fluido passa pela membrana sob pressão Nesse processo, o fluido passa pela membrana 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. 63

64 FILTRAÇÃO MEMBRANA 64

65 FILTRAÇÃO MEMBRANA 65


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