Comportamento De Meios Filtrantes Durante 100 Ciclos De Filtração E Limpeza
Por Vanessa Moreira Osório, Débora
Edição Nº 46 - Setembro/Outubro de 2010 - Ano 9
O aumento na poluição do ar nas últimas décadas também fez crescer a preocupação com o monitoramento e o controle de emissões de material particulado na atmosfera, visando minimizar os problemas causados ao meio ambiente e à saúde humana.
O aumento na poluição do ar nas últimas décadas também fez crescer a preocupação com o monitoramento e o controle de emissões de material particulado na atmosfera, visando minimizar os problemas causados ao meio ambiente e à saúde humana. Particularmente, o comportamento de partículas nanométricas no ar necessita atenção especial. Uma maneira de remover partículas é utilizando filtros fibrosos, pois apresentam alta eficiência de remoção. Neste trabalho utilizou-se filtro de celulose, com porosidade de 0,92%, da marca VECO, onde suas fibras tem diâmetro de 0,3 a 2,35 .10-6m, para reter partículas nanométricas de Na Cl, geradas a partir de um gerador de partículas Electrospray Aerosol Generator, modelo 3480, produzido pela TSI. As partículas apresentaram tamanhos de 8,6; 17,9; 27,3; 36,6; 45,9; 55,3; 92,7 nm, sendo analizados em programa Image Pro Plus.
O dispositivo de filtração foi construído em acrílico com área de filtração de 0,4m. A eficiência do filtro foi obtida através da contagem de partículas antes e depois do filtro, utilizando um contador de partículas, da TSI, modelo 3007. Os testes foram realizados nas velocidades de 10 e 5 cm/s. Os resultados experimentais mostraram que o filtro de celulose apresenta eficiência elevada para ambas as velocidades. Para as partículas nanométricas, o mecanismo de coleta que mais tem influência é o difusional.
A filtração é uma importante operação na separação gás/sólido, sendo um dos métodos mais antigos e mais utilizados para remoção de materiais particulados contidos em fluxos gasosos (Dullien 1989 STRAUSS, 1975). Na filtração, o gás carregado de partículas é forçado a passar através de filtros contendo um meio filtrante e a coleta se dá através de vários mecanismos, sendo eles: coleta por difusão, inercial, interceptação direta e gravitacional (Spurny, 1997).
As partículas que são coletadas no meio filtrante formam uma fina camada de pó, chamada de torta de filtração. Estas partículas podem ser coletadas na superfície do meio filtrante, denominada de filtração superficial, ou dependendo do meio filtrante, as partículas podem penetrar no interior do meio filtrante, chamando de filtração de profundidade.
Os meios filtrantes podem ser fabricados de fibras sintéticas ou fibras naturais. Como fibras sintéticas, temos o poliéster, polipropileno, sendo estes encontrados nos filtros manga. Como fibras naturais, tem-se o algodão, o cetim e a celulose. Os meios filtrantes de fibras de celulose são produzidos em sua maioria com celulose derivada de pinus e passam por um processo de impregnação com resina, dando ao meio filtrante a característica de alta resistência mecânica.
Os meios filtrantes de celulose são muito utilizados nas indústrias farmacêuticas e alimentícias, no monitoramento do ar, no campo automotivo e, atualmente, tem sido bastante utilizados nas indústrias para purificação do gás natural.
A queda de pressão total no filtro (Delta PT) é um parâmetro importante no estágio de filtração, sendo definida como a soma das quedas de pressão através do meio filtrante e da torta formada, como mostra a equação 1.
Sendo que Vf é a velocidade superficial de filtração, W é a massa de pó depositada por unidade de área, K1 é a resistência específica do meio filtrante e K2 é a resistência específica da torta (Aguiar, 1991).
O valor de K2 pode ser estimado a partir de medidas experimentais, de queda de pressão
(Delta P2 - Delta P1) e aumento de massa (M2 - M1), e calculado conforme a equação 2:
Onde: A= área do meio filtrante.
O objetivo deste trabalho foi investigar o comportamento de dois meios filtrantes de fibras de celulose, Rad Plus e Rad Mais, durante 100 ciclos de filtração e limpeza.
A célula experimental consiste de uma caixa de filtração, de um alimentador de pó, de um sistema de controle e de aquisição de dados composto de um microcomputador, de um soprador, de ar comprimido, de micromanômetros digitais e de meios filtrantes, conforme mostra a Figura 2. O material pulverulento utilizado no experimento foi o concentrado fosfático de Patos de Minas – MG, fornecido pela Fosfértil S.A. O material não filtrado possui massa específica igual a 2,99 g/cm3, determinado pelo Picnômetro a Hélio, e diâmetro volumétrico de 8,34 µm, determinado no Malvern Mastersizer. Este material particulado foi escolhido para ser utilizado nesse estudo porque se encontrava disponível e já vem sendo empregado em vários trabalhos de filtração realizado no Laboratório de Controle Ambiental, do Departamento de Engenharia Química da UFSCar. Os ensaios de filtração foram realizados baseados na norma alemã VDI 3926, 2003. Os meios filtrantes utilizados no experimento foram os meios filtrantes de fibras de celulose, Rad Mais e Rad Plus, fornecidos pela Empresa Alhstrom Louveira.
Durante o processo de filtração, o ar "sujo" era forçado a passar, a uma vazão constante, através de um suporte de filtro, onde se localizava o elemento filtrante de fibras de celulose sendo as partículas retidas em sua superfície, formando a torta de filtração. O método de limpeza utilizado foi o fluxo de ar reverso, que consiste em soprar o ar no sentido inverso ao da filtração. Após a filtração desligava-se o compressor e invertia-se o fluxo de ar. Deixava-se passar o ar por 1 minuto, para provocar o desprendimento da torta. Foi registrada a queda de pressão total no filtro e a massa de pó de cada filtração, sendo que a massa retida no filtro, após a remoção da torta, e a massa removida, eram obtidas por meio de pesagem. A umidade relativa do ar foi mantida em torno de 10 a 15% durante todo processo. A velocidade de filtração foi de 10 cm/s, a queda de pressão máxima de filtração foi de 200 mmH2O. A remoção da torta foi realizada nas velocidades de 13 cm/s e de 18 cm/s.
As características dos meios filtrantes fornecidos pelo fabricante estão apresentadas na Tabela 1.
Além das características informadas pelo fabricante foi determinada, para caracterização do meio filtrante, a porosidade através do porosímetro, marca Quantachrome Instruments Poremaster 33.
A vazão de alimentação mássica foi medida obtendo valores de 0,04 g/s para velocidade de filtração de 10 cm/s e de
0,03 g/s, sendo mantida constante durante todo o processo de filtração para a velocidade de filtração investigada.
A porosidade também foi determinada para os dois meios filtrantes, utilizando o porosímetro da Quantachrome Instruments Poremaster 33. Os valores da porosidade encontrados foram 0,71 para o meio filtrante Rad Mais e 0,70 para o Rad Plus.
As curvas do primeiro ciclo de filtração nas mesmas condições experimentais para os dois meios filtrantes, foram traçadas para uma melhor observação do comportamento inicial de filtração e estão apresentadas na Figura 3.
Observa-se que o meio filtrante Rad Mais apresenta um maior período de filtração interna em relação ao meio filtrante Rad Plus. Esta característica permite que as partículas penetrem mais no interior do meio filtrante, dificultando a remoção da torta durante a limpeza. A curva para o meio filtrante Rad Plus apresenta-se de forma linear conferindo ao meio filtrante a característica de filtração superficial, ou seja, as partículas são coletadas mais na superfície do meio filtrante, tornando mais fácil sua remoção.
A evolução da queda de pressão para os meios filtrantes Rad Plus e Rad Mais estão apresentadas na Figura 4, em função da massa coletada acumulada por unidade de área durante 100 ciclos de filtração e limpeza.
Observa-se na Figura 4a que o meio filtrante Rad Mais, para a velocidade de limpeza (Vl) de 13 cm/s, obteve uma maior massa acumulada, de 0,55 g/cm2, enquanto para a velocidade de limpeza de 18 cm/s, a massa acumulada foi de 0,25 g/cm2. Nota-se ainda que para a velocidade de limpeza de 18 cm/s, os tempos de filtração dos ciclos foram menores, contribuindo para a formação de torta menos espessa.
Na Figura 4b, para o meio filtrante Rad Plus, verifica-se que para a velocidade de limpeza de 13 cm/s, apesar de terem ocorrido ciclos de filtração mais curtos, acumulou uma maior quantidade de massa, formando uma torta 0,42 g/cm2 de espessura. Para a velocidade de limpeza de 18 cm/s, o meio filtrante acumulou 0,30 g/cm2.
Outras características do processo de filtração, como: massa retida acumulada, perda de carga residual, eficiência de remoção do filtro, porosidade da torta de filtração e resistência específica da torta, também são apresentadas para uma melhor investigação do comportamento dos meios filtrantes de celulose, no processo de filtração de gás.
Nota-se na Figura 5 que, para a Vl de 18 cm/s, o meio filtrante Rad Mais reteve maior massa de pó quando comparado com o meio filtrante Rad Plus. Este comportamento pode ser explicado devido ao maior período de filtração interna do meio filtrante Rad Mais, conforme apresentado na Figura 3, e também devido a sua maior permeabilidade.
A Figura 6 apresenta os valores de perda de carga residual em função do número de ciclos. As partículas retidas no meio filtrante após a remoção, tendem a aumentar a perda de carga residual durante o processo de filtração.
Observa-se na Figura 6 que os meios filtrantes Rad Plus e Rad Mais para Vl de 13 cm/s, apesar de terem alcançado valores diferentes de massa retida, obtiveram o mesmo comportamento de curva, não ocorrendo variação considerável da perda de carga residual. Já para a
Vl de 18 cm/s, o meio filtrante Rad Mais obteve valores menores de perda de carga residual, uma vez que a massa retida foi maior para este meio filtrante.
Comparando o meio filtrante Rad Mais nas duas Vl, nota-se que para a Vl de 18 cm/s, o meio filtrante reteve menor massa e obteve maior perda de carga residual. Este comportamento não era esperado, uma vez que com o aumento das partículas retidas, a perda de carga residual tende a aumentar. Para uma melhor avaliação deste resultado, traçou-se à curva de porosidade para estas condições. A Figura 7 apresenta os valores de porosidade para o meio filtrante Rad Mais com f de 10 cm/s e Vl de 13 cm/s e 18 cm/s.
O dispositivo de filtração foi construído em acrílico com área de filtração de 0,4m. A eficiência do filtro foi obtida através da contagem de partículas antes e depois do filtro, utilizando um contador de partículas, da TSI, modelo 3007. Os testes foram realizados nas velocidades de 10 e 5 cm/s. Os resultados experimentais mostraram que o filtro de celulose apresenta eficiência elevada para ambas as velocidades. Para as partículas nanométricas, o mecanismo de coleta que mais tem influência é o difusional.
A filtração é uma importante operação na separação gás/sólido, sendo um dos métodos mais antigos e mais utilizados para remoção de materiais particulados contidos em fluxos gasosos (Dullien 1989 STRAUSS, 1975). Na filtração, o gás carregado de partículas é forçado a passar através de filtros contendo um meio filtrante e a coleta se dá através de vários mecanismos, sendo eles: coleta por difusão, inercial, interceptação direta e gravitacional (Spurny, 1997).
As partículas que são coletadas no meio filtrante formam uma fina camada de pó, chamada de torta de filtração. Estas partículas podem ser coletadas na superfície do meio filtrante, denominada de filtração superficial, ou dependendo do meio filtrante, as partículas podem penetrar no interior do meio filtrante, chamando de filtração de profundidade.
Os meios filtrantes podem ser fabricados de fibras sintéticas ou fibras naturais. Como fibras sintéticas, temos o poliéster, polipropileno, sendo estes encontrados nos filtros manga. Como fibras naturais, tem-se o algodão, o cetim e a celulose. Os meios filtrantes de fibras de celulose são produzidos em sua maioria com celulose derivada de pinus e passam por um processo de impregnação com resina, dando ao meio filtrante a característica de alta resistência mecânica.
Os meios filtrantes de celulose são muito utilizados nas indústrias farmacêuticas e alimentícias, no monitoramento do ar, no campo automotivo e, atualmente, tem sido bastante utilizados nas indústrias para purificação do gás natural.
A queda de pressão total no filtro (Delta PT) é um parâmetro importante no estágio de filtração, sendo definida como a soma das quedas de pressão através do meio filtrante e da torta formada, como mostra a equação 1.
Sendo que Vf é a velocidade superficial de filtração, W é a massa de pó depositada por unidade de área, K1 é a resistência específica do meio filtrante e K2 é a resistência específica da torta (Aguiar, 1991).
O valor de K2 pode ser estimado a partir de medidas experimentais, de queda de pressão
(Delta P2 - Delta P1) e aumento de massa (M2 - M1), e calculado conforme a equação 2:
Onde: A= área do meio filtrante.
O objetivo deste trabalho foi investigar o comportamento de dois meios filtrantes de fibras de celulose, Rad Plus e Rad Mais, durante 100 ciclos de filtração e limpeza.
A célula experimental consiste de uma caixa de filtração, de um alimentador de pó, de um sistema de controle e de aquisição de dados composto de um microcomputador, de um soprador, de ar comprimido, de micromanômetros digitais e de meios filtrantes, conforme mostra a Figura 2. O material pulverulento utilizado no experimento foi o concentrado fosfático de Patos de Minas – MG, fornecido pela Fosfértil S.A. O material não filtrado possui massa específica igual a 2,99 g/cm3, determinado pelo Picnômetro a Hélio, e diâmetro volumétrico de 8,34 µm, determinado no Malvern Mastersizer. Este material particulado foi escolhido para ser utilizado nesse estudo porque se encontrava disponível e já vem sendo empregado em vários trabalhos de filtração realizado no Laboratório de Controle Ambiental, do Departamento de Engenharia Química da UFSCar. Os ensaios de filtração foram realizados baseados na norma alemã VDI 3926, 2003. Os meios filtrantes utilizados no experimento foram os meios filtrantes de fibras de celulose, Rad Mais e Rad Plus, fornecidos pela Empresa Alhstrom Louveira.
Durante o processo de filtração, o ar "sujo" era forçado a passar, a uma vazão constante, através de um suporte de filtro, onde se localizava o elemento filtrante de fibras de celulose sendo as partículas retidas em sua superfície, formando a torta de filtração. O método de limpeza utilizado foi o fluxo de ar reverso, que consiste em soprar o ar no sentido inverso ao da filtração. Após a filtração desligava-se o compressor e invertia-se o fluxo de ar. Deixava-se passar o ar por 1 minuto, para provocar o desprendimento da torta. Foi registrada a queda de pressão total no filtro e a massa de pó de cada filtração, sendo que a massa retida no filtro, após a remoção da torta, e a massa removida, eram obtidas por meio de pesagem. A umidade relativa do ar foi mantida em torno de 10 a 15% durante todo processo. A velocidade de filtração foi de 10 cm/s, a queda de pressão máxima de filtração foi de 200 mmH2O. A remoção da torta foi realizada nas velocidades de 13 cm/s e de 18 cm/s.
As características dos meios filtrantes fornecidos pelo fabricante estão apresentadas na Tabela 1.
A vazão de alimentação mássica foi medida obtendo valores de 0,04 g/s para velocidade de filtração de 10 cm/s e de
0,03 g/s, sendo mantida constante durante todo o processo de filtração para a velocidade de filtração investigada.
A porosidade também foi determinada para os dois meios filtrantes, utilizando o porosímetro da Quantachrome Instruments Poremaster 33. Os valores da porosidade encontrados foram 0,71 para o meio filtrante Rad Mais e 0,70 para o Rad Plus.
As curvas do primeiro ciclo de filtração nas mesmas condições experimentais para os dois meios filtrantes, foram traçadas para uma melhor observação do comportamento inicial de filtração e estão apresentadas na Figura 3.
A evolução da queda de pressão para os meios filtrantes Rad Plus e Rad Mais estão apresentadas na Figura 4, em função da massa coletada acumulada por unidade de área durante 100 ciclos de filtração e limpeza.
Na Figura 4b, para o meio filtrante Rad Plus, verifica-se que para a velocidade de limpeza de 13 cm/s, apesar de terem ocorrido ciclos de filtração mais curtos, acumulou uma maior quantidade de massa, formando uma torta 0,42 g/cm2 de espessura. Para a velocidade de limpeza de 18 cm/s, o meio filtrante acumulou 0,30 g/cm2.
Outras características do processo de filtração, como: massa retida acumulada, perda de carga residual, eficiência de remoção do filtro, porosidade da torta de filtração e resistência específica da torta, também são apresentadas para uma melhor investigação do comportamento dos meios filtrantes de celulose, no processo de filtração de gás.
Nota-se na Figura 5 que, para a Vl de 18 cm/s, o meio filtrante Rad Mais reteve maior massa de pó quando comparado com o meio filtrante Rad Plus. Este comportamento pode ser explicado devido ao maior período de filtração interna do meio filtrante Rad Mais, conforme apresentado na Figura 3, e também devido a sua maior permeabilidade.
A Figura 6 apresenta os valores de perda de carga residual em função do número de ciclos. As partículas retidas no meio filtrante após a remoção, tendem a aumentar a perda de carga residual durante o processo de filtração.
Vl de 18 cm/s, o meio filtrante Rad Mais obteve valores menores de perda de carga residual, uma vez que a massa retida foi maior para este meio filtrante.
Comparando o meio filtrante Rad Mais nas duas Vl, nota-se que para a Vl de 18 cm/s, o meio filtrante reteve menor massa e obteve maior perda de carga residual. Este comportamento não era esperado, uma vez que com o aumento das partículas retidas, a perda de carga residual tende a aumentar. Para uma melhor avaliação deste resultado, traçou-se à curva de porosidade para estas condições. A Figura 7 apresenta os valores de porosidade para o meio filtrante Rad Mais com f de 10 cm/s e Vl de 13 cm/s e 18 cm/s.
Pode-se concluir que o filtro utilizado apresenta alta eficiência de remoção (99,8% para partículas de 8,6 a 92,7 nm nas velocidades de 6,4 a 25,6cm/s, o que indica que o filtro pode ser utilizado para remover partículas finas de ambientes.
Também verificou-se que o programa Image Pro Plus mostrou-se satisfatório para obtenção dos diâmetros de partículas geradas e diâmetros das fibras.
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