Filtro a Vácuo - Filtração à Pressão Constante - Prática 3 PDF

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Relatório sobre filtração...

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FILTRO

A

VÁCUO:

FILTRAÇÃO

À

PRESSÃO

CONSTANTE

RESUMO: Na filtração, é importante saber as características da suspensão a ser processada e do filtro que será empregado, para que a separação entre a fase particulada e a fase fluida ocorra da melhor maneira. Para determinar essas características, foi utilizado um equipamento de filtração a vácuo, à pressão constante, e realizou-se o ensaio de filtração com a suspensão desejada, e calculou-se a resistência específica da torta, cujo valor foi 9.73E+10 [m.kg-1] e a resistência do meio filtrante, que foi 1.61E+11 [m-1]. PALAVRAS-CHAVE: Filtração; Resistência; Vácuo; Suspensão. ______________________________________________________________________ 1. INTRODUÇÃO A separação mecânica utilizada em uma suspensão na qual estão presentes as fases particulada e fluida, é chamada filtração. Nesse método de separação, há um meio poroso, também chamado de filtro ou de meio filtrante, que é permeável à fase fluida e que segura a fase particulada. Quando a fase particulada acumula no filtro, ela atua também como meio filtrante, e é chamada de torta de filtração. Os filtros, podem ser classificados como filtros de pressão e de filtração a vácuo. No segundo caso, a suspensão pode ser alimentada ao equipamento no topo ou no fundo. Nesse tipo de filtração, a força propulsora é o vácuo, a fim de aumentar a taxa de fluxo (CREMASCO, 2012). Essa prática tem como objetivo determinar os parâmetros e as características da torta de filtração formada no processo, bem como da filtração a vácuo, tais como o gráfico t/V versus V, resistência específica da torta e resistência do meio filtrante.

2. MATERIAIS E MÉTODOS Foram colocados 15 litros de água filtrada no reservatório de suspensão, além de 250 gramas de carbonato de cálcio dissolvidos em 1 litro de água (Figura 1). Em

seguida, colocou-se o meio filtrante (papel) sobre o suporte e molhou-se com água limpa para completa aderência e colocou-se o conjunto sobre o topo do módulo de coleta.

Figura 1 - Equipamento para experimento de filtração à pressão constante 1- Reservatório (de 20 litros) para preparo da suspensão; 2- Bomba centrífuga; 3- Módulo de filtração, que recebe a alimentação da suspensão; 4- Conexão e suporte do meio filtrante; 5- Módulo de coleta graduado, onde se mede o volume do líquido filtrado; 6- Frasco “trap”, para evitar eventuais vazamentos de líquidos para o sistema de vácuo; 7- Coluna de sílica-gel, para evitar umidades excessivas para o sistema de vácuo; 8- Bomba de vácuo; 9- Vacuostato, mede e regula o vácuo de se deseja trabalhar; 10- Válvula solenoide, comandada pelo vacuostato; 11- Manômetro de tubo em “U”, contendo mercúrio metálico, como fluido manométrico, para eventual aferição do vacuômetro; 12- Reservatório de filtrado, para posterior descarte; 13- Painel de controle;

VB1- Válvula para alimentação rápida da suspensão em (3); VB2- Válvula de regulagem para recirculação e agitação hidráulica em (1); VB3- Válvula para alimentação à regulada a vácuo da suspensão em (3); VA1- Válvula de alívio de pressão de (3); VA2- Válvula de alívio de pressão de (5); VF- Válvula de fundo, para escoamento do filtrado de (5) par (12) e posterior descarte; VB4 e VB5- Válvulas de bloqueio da bomba; VL- Válvula auxiliar para limpezas do circuito.

Acoplou-se o módulo de filtração sobre o módulo de coleta, sendo que a válvula de alívio do módulo de filtração foi deixada, inicialmente, aberta. Com as válvulas VB2, VB4 e VB5 abertas e as válvulas VB1, VB3, VA2 e VF fechadas, ligou-se a bomba centrífuga. Em seguida, abriu-se a válvula VB1 e deixou-se o líquido encher o módulo de filtração até atingir o nível indicado, ao atingir esse nível fechou-se as válvulas VB1 e VA1. Logo após, marcou-se o nível inicial do módulo de coleta e abriu-se imediatamente a válvula VB3 e a bomba de vácuo foi ligada. A cada 100 mL de aumento no nível da água no módulo de coleta, foi marcado o tempo. Ao fim do experimento, a válvula VA1 foi aberta e fechou-se a válvula VB3 e toda a água que estava no módulo de filtração foi escoada. Em seguida, a bomba de vácuo foi desligada e deixou-se a pressão no módulo de coleta entrar em equilíbrio com a atmosférica. Então, abriu-se a válvula VF para esvaziar o módulo de coleta. Por fim, as manípulas foram desapertadas e subiu-se o módulo de filtração para poder ter acesso e retirar o meio filtrante com a torta. A=

A área da torta foi medida usando a Equação 1.

πD ² 4

(1) Em que: A: área da torta [m²]; D: diâmetro da torta [m]. A espessura da torta também foi medida. Após isso, transferiu-se a torta para um béquer e pesou a massa, depois o béquer foi colocado em uma estufa a 110 ºC por duas horas e pesou-se a massa seca.

A relação entre massa de torta úmida e massa de torta seca pode ser determinada através da Equação 2. M=

msu mss

(2) Em que: M: relação entre a massa de torta úmida com a massa de torta seca; msu: massa de torta úmida [g]; mss: massa de torta seca [g]. A fração mássica de sólidos na alimentação pode ser calculada pela Equação 3. S=

mss ρV +mssM

(3) Em que: S: fração mássica na alimentação; ρ: massa específica do filtrado [kg/m³]; V: volume de filtrado [m³]. Assim, pode-se calcular a concentração de sólidos na suspensão pela Equação 4. ρS C= 1−MS (4) C: concentração de sólidos na suspensão [kg/m³]. Agora, é possível calcular os valores da resistência específica da torta e da resistência do meio filtrante, fazendo uma regressão linear de volume x (tempo/volume) e relacionando o resultado com a Equação 5. t =K 1 V + K 2 V (5)

K 1=

µαC 2 A (− ΔP T ) 2

(6) K 2=

µ Rm A (− ΔPT )

(7) Em que: t: tempo [s]; µ: viscosidade absoluta do filtrado [Pa.s]; (-ΔPT): queda de pressão da torta [Pa]; α: resistência específica da torta [m/kg]; Rm: resistência do meio filtrante [m-1]. Por fim, pode-se determinar a porosidade da torta pela Equação 8. mss =ρP Az (1−ε ) (8) Em que: ρP: massa específica do carbonato de cálcio [kg/m³]; z: espessura da torta [m]; ε: porosidade da torta.

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Como o experimento foi realizado à temperatura ambiente do laboratório, podese obter os valores para a viscosidade e massa específica da água. Para os cálculos, foram utilizados 0,001 (Pa s) e 997 (kg m-3), respectivamente (GREEN et al., 1999). A queda de pressão do experimento foi de – 0,34 bar, considerada igual nos três experimentos. A concentração inicial da suspensão foi de 250 g em 15 L, ou seja, aproximadamente 16,67 kg m-3. Como este valor é inferior a 50 kg m-3, pode-se

considerar que o parâmetro C é igual à concentração inicial. A massa específica do cálcio utilizada nos cálculos foi de 2730 kg m-3. O experimento foi realizado em triplicata, sendo os resultados apresentados na Tabela 1 (para os pares tempo e volume de filtrado) e Tabela 2 (para os dados das tortas de filtração). Tabela 1 – Dados obtidos para tempo e volume de filtrado. Experimento Volume [mL] 100 200 300 400 500 600 700 800

1 113 292 515 742 1006 1278 1600 2090

2 Tempo [s] 97.5 253.5 445.5 646 862 1106 1347 1611

3 89.2 170.3 278.6 445.7 565.4 733.1 915.1 1051.7

Tabela 2 – Dados obtidos através das tortas de filtração. Experimento Massa úmida [g] Massa seca [g] Diâmetro [m] Espessura [m]

1 34.87 14.81 0.077 0.005

2 36.65 15.2 0.075 0.005

3 32.67 13.65 0.076 0.004

Utilizando os dados das tortas, foi possível calcular a área de filtração (A) a relação M e a porosidade da torta (ε), utilizando, respectivamente, as equações 1, 2 e 8. Os valores calculados estão na Tabela 3.

Tabela 3 – Valores calculados para A, M e ε. Experimento A [m2] M [-] ε [-]

1 0.00466 2.35449 0.767

2 0.00442 2.41118 0.74794

3 0.00454 2.39341 0.72445

Através dos valores calculados, obteve-se um valor médio de 0.7465 para a porosidade da torta.

Já com os valores de tempo e volume, foi plotado um gráfico de (tempo/volume) versus volume. Os gráficos de cada experimento estão dispostos nas figuras 2, 3 e 4.

Experimento 1 3000000 2500000 2000000

t/V 1500000 1000000 500000 0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

V

Figura 2 – Gráfico (tempo/volume) versus volume do experimento 1.

Experimento 2 2500000 2000000 1500000

t/V 1000000 500000 0

0

0

0

0

0

0

0

0

V

Figura 3 - Gráfico (tempo/volume) versus volume do experimento 2.

0

0

Experimento 3 1400000 1200000 1000000 800000

t/V

600000 400000 200000 0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

V

Figura 4- Gráfico (tempo/volume) versus volume do experimento 3.

Utilizando o intervalo de (tempo/volume) e volume que se comporta de forma linear, que é o intervalo que se considera queda de pressão constante, obtém-se os valores de K1 e K2, de acordo com as equações 6 e 7. A partir dos valores de K1 e K2, foram calculadas a resistência da torta (α) e a resistência do meio filtrante (Rm). Os valores de R2, K1, K2 e das resistências calculadas são apresentados na Tabela 4. Com os valores de resistência calculados, foram feitas médias simples, também apresentadas na Tabela 4. Tabela 4 – Valores calculados através da regressão linear. Experimento R2 K1 K2 α [m kg-1] Rm [m-1]

1 0.9972 1.40E+09 1.30E+06 1.24E+11 2.06E+11

2 0.9989 1.18E+09 1.13E+06 9.43E+10 1.70E+11

3 0.9997 8.82E+08 6.91E+05 7.41E+10 1.07E+11

Média 9.73E+10 1.61E+11

4. CONCLUSÃO A partir da prática foi possível entender o mecanismo da filtração à pressão constante, através do funcionamento do filtro a vácuo. Os valores de R 2 encontrados foram muito satisfatórios, pelo fato de estarem muito próximos de 1 (valor obtido para a reta ideal), porém, alguns erros experimentais causaram uma pequena alteração nos dados, como se pode perceber ao fazer uma comparação dos valores obtidos nos três

experimentos. Dentre esses erros, pode-se citar o erro ao tentar enxergar se o volume havia atingido o valor desejado, tendo em vista que o filtrado estava caindo a uma vazão considerável, o que dificultava a leitura do volume; o erro do cronômetro, tendo em vista que ele possui uma incerteza e o erro ao marcar o tempo. Esses erros devem ser minimizados para que um resultado mais preciso seja alcançado.

5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS CREMASCO,

M.A.

Operações

Unitárias

em Sistemas

Particulados

e

Fluidomecânicos. 2ª Ed., Blucher, São Paulo, 2012. GREEN, D. W.; PERRY, R. H. Perry’s Chemical Engineers Handbook. McGrawHill Handbooks. 1999....