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Filtración

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Esquema singelo do mecanismo de separação por filtración tangencial, um método especial de filtración no que um médio filtrante, habitualmente uma membrana polimérica, permite dividir uma corrente de fluído e sólidos (feed), em outra de fluído limpo (permeate) e uma mistura concentrada (retentate). Este tipo de mecanismos é utilizado, por exemplo, na purificación de água para consumo humano ou na fabricação de vinhos e cervejas.

A filtración é um processo de separação de fases de um sistema heterogéneo, que consiste em passar uma mistura através de um médio poroso ou filtro, onde se retém da maior parte dos componentes sólidos da mistura. Dita mistura são fluídos, que podem conter sólidos e líquidos (como também gases).

As aplicações dos processos de filtración são muito extensas, encontrando-se em muitos âmbitos da actividade humana, tanto na vida doméstica como da indústria geral, onde são particularmente importantes aqueles processos industriais que requerem das técnicas de engenharia química.

A filtración desenvolveu-se tradicionalmente desde um estádio de arte prático, recebendo uma maior atenção teórica desde o século XX. A classificação dos processos de filtración e as equipas é diverso e em general, as categorias de classificação não se excluem umas de outras.

A variedade de dispositivos de filtración ou filtros é tão extensa como as variedades de materiais porosos disponíveis como médios filtrantes e as condições particulares da cada aplicação: desde singelos dispositivos, como os filtros domésticos de café ou os embudos de filtración para separações de laboratório, até grandes sistemas complexos de elevada automação como os empregados nas indústrias petroquímicas e de refino para a recuperação de catalizadores de alto valor, ou os sistemas de tratamento de água potable destinada ao fornecimento urbano.

Conteúdo

Classificação

O padrão de classificação dos processos de filtración é diverso, e segundo obras de referência,[1] pode-se realizar em função dos seguintes critérios:

Em general, estas categorias não se excluem mutuamente e os processos de filtración costumam se classificar principalmente de acordo ao mecanismo, à força, ao ciclo e a seguir segundo os demais factores adicionais.

Teoria da filtración

A filtración tem evoluído como uma arte prática desde aplicações primitivas, como a tradicional filtración em leito de areia empregado desde a antigüedad para a extracção de água potable, recebendo uma maior atenção teórica durante o século XX a partir dos trabalhos[2] de P. Carman em 1937 [3] e B. Ruth em 1946 [4] estudos que foram progressivamente ampliados em trabalhos com meios porosos,[5] por Heertjes e colaboradores em 1949 e 1966[6] e Tiller[7] entre 1953 e 1964. Anteriormente, vários autores têm revisado o estado dos conhecimentos em filtración tanto desde uma perspectiva prática nos trabalhos de Cain em 1984 [8] e Kiefer, em 1991 [9] como em seus princípios teóricos com as publicações de Bear, 1988.[10] e Norden em 1994 [11]

Ainda que a teoria da filtración não se emprega em exclusiva para o desenho de filtros em aplicações concretas, é frequentemente empregada para a interpretação de resultados a escala de laboratório, a optimização de aplicações ou a predição de mudanças nas condições de trabalho. Sua principal limitação reside no facto de que as características da mistura a tratar de partículas sólidas e fluído, às vezes telefonema lechada, por sua complexidade e interacção podem ser muito variáveis nos diferentes casos reais.

O princípio teórico da filtración fundamenta-se na cuantificación da relação básica de velocidade um fluído ou volume:

velocidad=\frac {{F}}{{R}}

onde a força impulsora (F) que pode ser a força de gravidade, o empurre de uma bomba de pressão ou de succión, ou a força centrífuga, enquanto a resistência (R) é a soma da oferecida pelo médio filtrante e a torta de sólido formada sobre o mesmo.

A velocidade do fluído vê-se condicionada pelo facto de que tem que atravessar um médio irregular constituído pelos canais pequenos formados nos intersticios da torta e o médio filtrante, de maneira que se pode aplicar a fórmula adaptada fluidodinámica da lei de Hagen-Poiseuille:

\frac{dV}{Ad\theta}=\frac{P}{\mu \left [\alpha \frac{W}{A} + r \right ]}

onde a velocidade diferencial ou instantânea, isto é, o volume (V) filtrado por tempo (θ) e por unidade de superfície (A), se relaciona com a força impulsora ou queda total de pressão (P) sobre o produto da viscosidade do filtrado (μ) pela soma da resistência da torta e a do médio de filtración (r). A resistência da torta expressa-se pela relação entre o peso (W) e a área em função de uma constante (α) média característica da cada torta.[2]

Por sua vez, se considera-se a aproximação de que a torta é incompresible ou compactada de maneira uniforme, a massa da torta filtrante (W) se relaciona com o volume de filtrado (V) mediante um singelo balanço de matéria:

W= \omega V= \frac{\rho c}{1 - m c}V

onde a massa de sólidos por unidade de volume filtrado (ω) é função da densidade do filtrado (ρ), a fracção de sólidos na corrente de contribua ou concentração (c) e a relação de massas entre a torta húmida e a seca.

A constante de resistência específica da torta (α) relaciona-se com a pressão pela fórmula:

\alpha = \alpha ^\prime P^s

onde α' é outra constante que depende do tamanho das partículas que conformam a torta e s, uma constante de compresibilidad que varia de 0, para tortas incompresibles como diatomeas e areia fina, a 1, para as muito compresibles.

Estudos experimentales

Os estudos de filtración em laboratório ou a escala pequena frequentemente permitem obter de maneira experimental e com uma singela montagem medidas da variação com o do tempo de de o volume filtrado (velocidade) e a pressão, em função de três tipos de fluxo:

Nos ensaios de filtración a pressão constante o fluído é bombeado por um gás ou ar comprimido que se mantém à mesma pressão. Nestas condições, a equação adaptada de Hagen-Poiseuille simplifica-se à equação linear:

\frac {\theta }{\left ( \frac {V}{A} \right )} =K \frac {W}{A} + C=K^'_p \left ( \frac {V}{A} \right ) + C

onde K, K'p e C são constantes para as condições dadas.

Nos experimentos de filtración a volume constante empregam-se bombas de deslocação positivo para medir a diferença de pressão inicial e final à que deve se restar a pressão diferencial do médio filtrante, de maneira que a equação de filtración devém:

\frac {\theta }{\left ( \frac {V}{A} \right )} =\frac {\mu \alpha}{P-P_1} \frac {W}{A}

onde P1 é a queda do médio filtrante:

P_1 =\mu r \left ( \frac {V}{A \theta} \right )

equações que permitem chegar à seguinte expressão simplificada para a velocidade de filtración:

P\frac {V}{A}=\frac {P}{K_r} + C^'

sendo Kr e C', constantes características para as condições dadas.

No caso geral de filtración a pressão e velocidade variáveis a solução matemática à equação geral devém complexa, Tiller tem proposto um modelo de integração satisfatório a condição de conhecer a curva característica da bomba.

Limitações e conclusões do modelo

Aparte da premisa prévia pela que o modelo da equação geral de filtración só é aplicável no caso de fluídos líquidos aos que se possa aplicar a lei de Hagen-Poiseuille, os resultados experimentales têm demonstrado que o modelo sozinho é aplicável no caso de meios filtrantes que formam torta, sem que possa empregar para a renderização daqueles casos de filtración onde não se forma torta como no caso das aplicações de fluídos de baixa concentração de sólidos e com meios filtrantes muito porosos, onde as partículas são retidas no interior dos canais.[12]

No entanto, a equação de filtración tem permitido entender a relação entre as variáveis mais importantes na maioria dos casos práticos de maneira que naqueles casos onde a torta formada é rígida, como as formadas por partículas granulares grandes, o constante s se considera nula e se conclui com:

\frac{dV}{d\theta}=\frac {AP} {\mu \alpha^' \left (\frac{W}{A} \right )}

Isto é, a velocidade de filtración é directamente proporcional à pressão aplicada e à área, enquanto é inversamente proporcional à viscosidade da corrente de fluído, a quantidade de torta formada e ao tamanho das partículas que a formam.

Em mudança, quando a torta é muito compresible como nos casos nos que o sólido é muito macio ou deformable, a resolução da equação leva à conclusão de que a velocidade de filtrado é independente da pressão aplicada e unicamente proporcional à área de filtración grande:

\frac{dV}{d\theta}=\frac {A} {\mu \alpha^' \left (\frac{W}{A} \right )}

Efeitos práticos das variáveis de filtración

O efeito da cada uma das variáveis incluídas nas equações resolvidas de filtración pode-se constatar na maioria dos casos práticos e das aplicações, sendo seu conhecimento e controle de importância particular para os processos industriais.

Pressão

Na maioria dos casos,[2] a compresibilidad da torta de filtración encontra-se entre valores de 0,1 e 0,8 de maneira que a maior parte do aumento da perda de ónus do fluído é consequência do médio filtrante. Em general, se o aumento de pressão implica um aumento significativo do volume ou velocidade de filtración, é um indício da formação de uma torta granulada. Em mudança, para as tortas espessas ou muito finas, um aumento da pressão de bombeo não resulta em um aumento significativo do volume de filtrado. Em outro caso, a torta caracteriza-se por uma pressão crítica acima da qual, a velocidade de filtración inclusive diminui. Na prática, prefere-se operar a uma velocidade constante, começando a baixa pressão, ainda que pelo emprego generalizado de sistemas de bombeo centrífugos, as condições habituais são de pressão e volume variáveis.

Torta de filtración

A teoria assinala que, considerando aparte as características do médio filtrante, o volume média é inversamente proporcional à quantidade da torta e directamente proporcional ao quadrado da área filtrante. Como resultado de dois variáveis conjuntas, para uma mesma quantidade de fluído a filtrar observar-se-á que seu volume é inversamente proporcional ao quadrado da espessura da torta ao final do processo. Esta observação implica que a máxima produtividade se atinge teoricamente com aquelas tortas de espessura muito fino cuja resistência supera à do médio mesmo filtrante. No entanto, outros factores como o tempo para regenerar a torta, sua dificuldade de descarga e o custo de uma superfície filtrante mais ampla explica que na prática se prefira trabalhar em condições de tortas espessas.

Viscosidade e temperatura

O efeito da viscosidade é como o indicam as equações de velocidade; a velocidade de fluxo de filtrado em qualquer instante é inversamente proporcional a viscosidade de filtrado.

O efeito da temperatura sobre a velocidade de filtración de sólidos incompresibles é evidente, sobretudo, mediante seu efeito sobre a viscosidade.

Tamanho de partículas e concentração

O efeito do tamanho das partículas sobre a resistência da torta e a teia é muito notável. Afectam ao coeficiente na equação para a resistência da torta, e as mudanças maiores afectam a compresibilidad s. Diagrama de partículas visíveis e invisíveis

Médio filtrante

Meios filtrantes

O médio filtrante é o elemento fundamental para a prática da filtración e sua eleição é habitualmente a consideração mais importante para garantir o funcionamento do processo.

Em general, entre os principais critérios de selecção do material de médio filtrante podem-se destacar:

A variedade de tipos de médios porosos utilizados como médios filtrantes é muito diversa,[13] em forma de teias e fibras tecidas, fieltros e fibras não tecidas, sólidos porosos ou perfurados, membranas poliméricas ou sólidos particulados, ao que se soma a grande variedade de materiais: fibras naturais, fibras sintéticas, materiais metálicos, materiais cerámicos e polímeros.

Materiais de precapa, ajuda filtros (filter-aids)

Adicionalmente, algumas aplicações de especial dificuldade pela baixa velocidade do fluído, complexidade da mistura ou qualidade não satisfatória de clarificación, requerem o emprego de ayudafiltros [14] materiais de prefiltración ou materiais de precapa.

Estas são substâncias granuladas ou fibrosas que permitem a formação sobre o médio filtrante de uma torta prefiltrante adicional de maior permeabilidad e maior profundidade, onde ficam retidas as fases heterogéneas em forma de flóculos deformables ou massas de maior viscosidade e conteúdo em sólidos finos. Exemplos de substâncias frequentemente empregadas para a ajuda de filtración são:[15]

Em general, estas substâncias caracterizam-se por sua baixa densidade, sua facilidade para recobrir a superfície do médio filtrante, seu compresibilidad, sua baixa tendência a sedimentarse e sua inércia química com o fluído. No caso do yeso e do carvão, só se empregam em casos muito específicos devido a sua baixa eficácia, ainda que no caso deste último, é frequente o empregar baixo forma de carvão activo, em combinação com as diatomeas para acrescentar uma função de adsorción .

Critérios de selecção de equipas de filtración

A selecção de uma equipa de filtración em general requer um estudo das especificações e objectivos do processo junto com uma avaliação da capacidade e características da equipa de filtración nas que as considerações sobre o médio filtrante são importantes.

Os factores a considerar relativos do processo que costumam se citar são:[2]

Por sua vez, os critérios da equipa de filtración a estudar costumam ser:

Na estimativa de custos, com frequência consideram-se:

Habitualmente, as características do fluído a tratar tais como volume e pressão, contido de sólidos e natureza, em especial granulométrica, propriedades químicas e temperatura são determinantes na selecção de um filtro de torta ou um filtro de clarificación, frequentemente de cartuchos.

A complexidade de factores a considerar e a contradição que podem causar alguns deles, têm levado a autores como Tiller[16] ou Purchas[17] a propor tabelas de ajuda à decisão em base ao parámetro fundamental da velocidade de formação da torta e o resultado de provas de campo adicionais singelas.

Quanto ao regime de funcionamento, em general, os filtros contínuos são recomendados em aplicações de processos em regime permanente, ainda que podem resultar mais convenientes os intermitentes naqueles casos que requeiram flexibilidade ou uma pressão mais elevada. O material a utilizar no desenho de um filtro pode várias desde um simples recipiente de plástico até o mais tecnológico, o importante é poder apreciar a maneira em que se dá este fenómeno surpreendente.

Referências

  1. ↑ Perry, Robert H. Manual do engenheiro químico,3ª ed. 1992, vol. 2,ISBN 970-10-0013-7
  2. ↑ a b c d Perry op. cit.
  3. ↑ Carman, P. (1937), "Fluuam Flow Through Granular Beds," Trans. Institution of Chem. Eng., pp. 150-166.
  4. ↑ Ruth, B. (1946), "Correlating Filtration Theory with Industrial Practice" em Industrial and Engineering Chemistry, 38:6, pp. 564-571.
  5. ↑ US Patent 30 de março de 2004Perlite products with controlled particle size distribution em [1].
  6. ↑ # Heertjes, P. M. and H. v.d. Haas (1949)."Studies in filtration. Part I" Recueil 68:361-383. Heertjes, P. M. and Lerk, C. F. (1966)."Filter blocking, filter média and filter aids" Chapter 2 in Solid-Liquid Separation (London: Her Majesty's Stationery Office), pp. 37-43.
  7. ↑ Tiller, F. M. (1953) "The role of porosity in filtration. Numerical methods for constant rate and constant pressure filtration based on Kozeny's law" Chemical Engineering Progress 49(9):467-479. Tiller, F. M. and Cooper, Harrison (1962)"The role of porosity in filtration: Part V. Porosity variation in filter cakes" A.I.Ch.E. Journal 8(4):445-449. Tiller, F. M. and Shirato, Mompei (1964)."The role of porosity in filtration: VI. New definition of filtration resistance" A.I.Ch.E. Journal 10(1):61-67.
  8. ↑ Cain, C.W., Jr. (1984) "Filter aid, use in filtration" Chapter 21, "Expanders to Finned Tubes, Selection of" em Encyclopedia of Chemical Processing and Design (New York: Marcel Dekker, Inc.) pp. 348-372.
  9. ↑ Kiefer, J. (IV/1991)."Kieselguhr filtration" Brauwelt International pp. 300-302, 304-309.
  10. ↑ Bear, Jacob (1988) "Derivations of Darcy's Law" in Chapter 5 "The Equation of Motion of a Homogeneous Fluuam" in Dynamics of Fluids in Porous Média, 2nd edition, (Dover Publications, Inc., New York) pp. 161-176. Norden, 1994)
  11. ↑ Norden, Harry V. and Kauppinen, Petteri (1994)."Application of volume balanços and the differential diffusion equation to filtration" Separation Science and Technology 29(10):1319-1334.
  12. ↑ Hermans e Bredée, J. Soc. Chem. Ind., 55T, 1 (1936)
  13. ↑ Purchas e col. Industrial Filtration fo Liquids, CRC Press, 1967
  14. ↑ (Perri 1992, 19-81)
  15. ↑ Schweitzer, Handbook of Separation Techniques for Chemical Engineers, p 4-12, 1979.McGraw-Hill 007055790X
  16. ↑ Tiller, Chem. Eng., 81 (9), 118 (1974)
  17. ↑ Purchas (ed.) Solid-Liquid Separation Equipment Scale-up, Upland Press, Croydon, England, 1977
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