O ciclo de limpeza tem grande importância no comportamento do meio filtrante, por isso, os estudos com respeito à operação de filtração de gases tem concentrado esforços para compreender os mecanismos específicos de cada técnica (RODRIGUES, 2006; ROCHA, 2010). As técnicas mais comuns para remoção da torta são: agitação ou vibração mecânica, fluxo de ar reverso e pulso de ar reverso (SILVA et al., 1999; TIENI, 2005; BARROS, 2010).

Atualmente, a tecnologia do filtro de manga com sistema de limpeza por pulso de ar reverso é a mais utilizada, em diversos processos industriais, por apresentar as maiores taxas de filtração, ser compacto e mais econômico (LAVRINI, 2013). A limpeza por essa técnica ocorre em direção oposta à operação de filtração, em que o ar limpo é pulsado em forma de um jato até as mangas, causando a expansão das mesmas e desprendendo assim, a torta (TANABE et al., 2011). Normalmente, utilizam-se os feltros agulhados como meio filtrante, para possibilitar maior relação ar-tecido durante a limpeza periódica dos meios filtrantes. Deste modo, o sucesso da limpeza depende das características do meio filtrante, da porosidade e da resistência específica da torta e da distribuição do material particulado por unidade de área (SALEEM et al., 2011).

Dentro deste contexto, este trabalho apresenta um estudo comparativo entre dois meios filtrantes, feltros agulhados, aplicados à técnica de limpeza por pulso de ar reverso e análise da influência dos parâmetros operacionais, como a queda de pressão no meio filtrante e o tempo de pulso durante a remoção da torta.

O material particulado empregado foi o concentrado fosfático fornecido pela Fosfertil S.A. Os meios filtrantes foram os feltros agulhados de fibra de polipropileno e de acrílico, com tratamento e acabamento calandrado e chamuscado em um dos lados do filtro, de gramatura 600 g/m², fornecido pela empresa Gino Cacciari.

A caracterização do material particulado foi realizada no Laboratório de Controle Ambiental I, do Departamento de Engenharia Química e, no Laboratório de Caracterização Estrutural, da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar). Obteve-se a massa específica da partícula por Picnometria a Hélio, o diâmetro médio volumétrico por meio do equipamento Malvern Mastersizer Microplus e a composição química através da micro análise por Raio X.

Entretanto, a caracterização dos meios filtrantes foi obtida através de imagens da superfície por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), no Laboratório de Caracterização Estrutural, da UFSCar. Essas imagens foram utilizadas na determinação do diâmetro médio das fibras e na porcentagem de espaços vazios, por meio do programa computacional de análise de imagens Image Pro Plus 7.0, através da calibração da imagem de acordo com a escala fornecida por cada figura do MEV.

A permeabilidade é uma propriedade dos meios filtrantes muito importante e foi determinada no Laboratório de Controle Ambiental I, do Departamento de Engenharia Química, da UFSCar. Para isso, foram realizados ensaios em triplicatas em cada meio filtrante, com ar comprimido, sem adição de material particulado, variando-se as velocidades superficiais do sistema entre 1,7 a 6,0 cm/s. Com os valores de queda de pressão (ΔP) em função da velocidade superficial do gás foi possível determinar a permeabilidade dos meios filtrante aplicando-se a equação proposta por Darcy (KUROSE et al., 2003):

em que L é a espessura do meio filtrante,  é a viscosidade do fluido e k₁ é a constante de permeabilidade do meio poroso.

O experimento foi conduzido no equipamento de filtração de gases, construído baseado nas Normas VDI 3926, do Laboratório de Controle Ambiental I, do Departamento de Engenharia Química, da UFSCar. Na figura 1 está apresentada a unidade experimental utilizada para a realização dos ensaios experimentais de filtração, que consiste de um alimentador de partículas, um suporte para o meio filtrante de área de 227 cm², um sistema de limpeza por pulso de ar reverso, uma placa de orifício e um sistema de aquisição de dados, que permite o registro da queda de pressão em função do tempo de filtração.

O alimentador de partículas é composto por um prato giratório, um sistema de sucção do material particulado tipo Venturi, um nivelador de pó que garante a mesma quantidade de material particulado em todo sulco semicircular no prato giratório e um reservatório de pó. Antecedendo a entrada na caixa de alimentação de pó, o ar comprimido passa por duas colunas contendo sílica gel, para garantir a baixa umidade do ar, de aproximadamente 20% de umidade, já que a umidade acima de 20%, causa o empastamento do meio filtrante, devido o concentrado fosfático ser um material higroscópico.

Durante a operação de filtração, a velocidade superficial do gás foi mantida constante em 4 cm/s. Para avaliar o efeito da queda de pressão e do tempo de pulso, durante o desprendimento da camada de material particulado formado após um ciclo de filtração, estabeleceu-se a queda de pressão máxima no meio filtrante de 100 a 300 Pa e o tempo de pulso de limpeza de 200 a 1.000 ms.

Para melhor observação do desempenho da limpeza por pulso de ar reverso, a fração de massa removida é um parâmetro importante obtido pela equação (CALLÉ et al. 2002):

em que f_MR é a fração de massa removida; M_D é a massa desprendida na limpeza; e M_T é a massa total de pó no filtro, após a filtração.

O material particulado utilizado foi o concentrado fosfático, cuja massa específica da partícula correspondeu a 3,03 g/cm³, obtida pela média de três análises (Picnometria a Hélio). A composição química do material em termos percentuais foram: Oxigênio (74,14), Magnésio (0,22), Alumínio (2,86), Silício (8,73), Fósforo (5,13), Potássio (0,64), Cálcio (7,62), Titânio (0,08) e Ferro (0,56), como apresentada na figura 2. O diâmetro médio volumétrico desta partícula foi de 9,63 μm (Malvern Mastersizer Microplus), conforme a figura 3.

Observa-se na figura 3, a presença de partículas grandes (maiores que 15 μm) que quando inaladas não ultrapassam as vias respiratórias superiores, sendo removidas no nariz e na garganta. Entretanto, foi verificado que existem partículas abaixo de 10 μm, compreendendo a faixa de partículas de tamanho de preocupação, porque quando inaladas podem alcançar o sistema respiratório inferior, atingindo aos alvéolos pulmonares.

Na figura 4 (a) e (b) são apresentadas as micrografias das amostras dos meios filtrantes, geradas no Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV), com ampliação de 50 vezes. Por meio destas figuras e do programa de análise de imagens Image Pro Plus 7.0, obteve-se o diâmetro médio entre as fibras dos meios filtrantes. O meio filtrante de fibras de polipropileno apresentou 19,4 μm (±2,49) e o de fibra de acrílico apresentou 24 μm (±4,59).

Outra característica importante determinada foi a permeabilidade dos meios filtrantes virgens. Na figura 5 está apresentada a curva média dos três experimentos realizados, da queda de pressão (ΔP) em função da velocidade superficial do gás. Assim, pelo ajuste dessas curvas e da Equação (1), obteve-se a permeabilidade Darciana do meio filtrante de fibras de polipropileno (9,8 x10^-8 m²) e de acrílico (1,7 x10^-7 m²). O meio filtrante de fibras de polipropileno apresentou menor permeabilidade quando comparado ao de fibras de acrílico, mostrando uma maior dificuldade de escoamento do gás sobre o meio filtrante.

A deposição das partículas de concentrado fosfático foi verificada com o acréscimo da queda de pressão, utilizando a velocidade superficial do gás de 4 cm/s. Na figura 6 está apresentada a queda de pressão máxima em função do tempo de filtração.

A análise da figura 6 revela que o meio filtrante de fibra de polipropileno apresentou menor tempo de filtração, para todos os valores de queda de pressão máxima avaliados, em relação ao meio filtrante de fibra de acrílico. Uma vez que, utilizando o meio filtrante de fibra de polipropileno, foram necessários 74 s e 196 s, para atingir a queda de pressão de 100 Pa e de 300 Pa, respectivamente. E, utilizando a fibra de acrílico, o tempo de filtração foi de 96 s e de 298 s, para atingir os mesmos valores de queda de pressão. Isso pode ser atribuído, devido ao meio filtrante de acrílico ser mais permeável quando virgem, como mostrado no item (3.1.2). Proporcionando assim, maior deposição de partículas em seu interior e maior tempo para atingir o ponto de saturação, ocasionado pela filtração de profundidade, conforme mostra a figura 7. Foi observado também uma maior quantidade de massa retida por unidade de área no meio filtrante de fibra de acrílico, para todos os valores de queda de pressão máxima, em relação ao meio filtrante de fibra de polipropileno.

Na figura 8 são mostradas as imagens dos meios filtrantes, geradas no MEV, com ampliação de 2.000 vezes, submetido às quedas de pressões máximas (100 e 300 Pa) avaliadas. No meio filtrante de fibra de polipropileno, figura 8 (a), é mostrado o comportamento de filtração de profundidade e uma menor quantidade de partículas aderidas às fibras em relação ao apresentado na figura 8 (b), onde se pode observar a formação dos dendritos nas fibras de polipropileno, característico da filtração superficial.

Para o meio filtrante de fibras de acrílico também é possível observar que os aglomerados de concentrado fosfático mostraram-se em menor concentração a 100 Pa, como mostrou a figura 8 (c). Entretanto, os aglomerados de concentrado fosfático sobre as fibras de acrílico, figura 8 (d), apresentaram em maior concentração em relação à quantidade de material particulado sobre as fibras de polipropileno, como mostra a figura 8 (b).

Foram realizados os ensaios de filtração com o aumento nos valores de tempo de pulso, de 200 a 1.000 ms e, desta forma, observou-se a massa retida até completar a queda de pressão pré-determinada (200 Pa) em função do tempo de pulso, como apresentado na figura 9.

Verifica-se na figura 9 a redução da massa retida após a limpeza com o aumento do tempo de pulso na operação de limpeza do meio filtrante. Notou-se assim que os maiores tempos de pulso facilitaram a remoção das partículas aderidas no meio filtrante durante a filtração, para os dois meios filtrantes avaliados. Porém, o meio filtrante de fibra de acrílico apresentou maior quantidade de massa retida em relação ao meio filtrante de fibra de polipropileno.

Na figura 10 são apresentados os resultados do tempo de pulso em função da queda de pressão residual.

O meio filtrante de fibra de polipropileno apresentou maior queda de pressão residual para todos os tempos de pulso utilizados na limpeza, em relação ao meio filtrante de fibra de acrílico. Isso é atribuído porque esse meio filtrante apresenta filtração mais superficial. No entanto, observou-se que, ao utilizar o tempo de pulso de 1.000 ms, menor foi a queda de pressão residual para os dois meios filtrantes analisados.

Notou-se assim, como era esperado, que os maiores tempos de pulso, facilitaram a remoção das partículas aderidas ao filtro durante a filtração.

Para melhor observação do desempenho da limpeza por pulso de ar reverso, a fração de massa removida é um parâmetro importante a ser considerado, obtido pela Equação (2). Os valores de fração de massa removida em função do tempo de pulso de limpeza estão apresentados na figura 11.

Conforme pode ser visto na figura 11, o meio filtrante de fibras de polipropileno apresentou 58% de remoção de pó no tempo de pulso de 200 ms e no tempo de pulso de 1.000 ms este valor apresentou um aumento significativo, com uma limpeza em torno de 77%. Entretanto, para o meio filtrante de fibra de acrílico, 50% de remoção foi observada no tempo de pulso de 200 ms, já para o tempo de pulso de 1.000 ms este valor aumentou para 71%.

Desta forma, os resultados mostraram que o meio filtrante de fibra de acrílico apresentou uma tendência para a filtração de profundidade e uma maior adesão das partículas na fibra, devido à dificuldade de serem removidas do interior do meio filtrante, em relação ao meio filtrante de fibras de polipropileno.

Na figura 12 são apresentadas as imagens da superfície dos meios filtrantes, geradas no MEV, submetidos ao tempo de pulso de 200 ms e de 1.000 ms. Nota-se, na figura 12, que para um tempo de pulso de 200 ms, observou-se maior quantidade de partículas retidas na superfície do meio filtrante em relação à exposição a um tempo 1000 ms. Consta-se, portanto, que um maior tempo de pulso pode contribuir para superar a ação das forças de adesão entre as partículas e remover uma maior quantidade de material particulado.

HATA et al. (2004) avaliaram a interferência do acréscimo do tempo de pulso na quantidade de massa retida após a limpeza, utilizando tempos de pulso entre 10 a 180 ms durante a limpeza do filtro de cerâmica. Eles obtiveram resultados semelhantes aos encontrados neste trabalho, apresentando menor quantidade de pó retido após a limpeza utilizando maior tempo de pulso submetido, à velocidade de filtração de 5 cm/s e à queda de pressão 3.600 Pa.

Conclusões
Os meios filtrantes avaliados apresentaram as maiores regenerações, quando foi aplicado o maior tempo de pulso de limpeza e, uma remoção satisfatória de material particulado da corrente gasosa a temperatura ambiente. No meio filtrante de fibras de acrílico observou-se a menor queda de pressão residual e o maior tempo de filtração, o que proporciona um maior tempo de utilização desse meio filtrante, em relação ao meio filtrante de fibras de polipropileno. No entanto, o meio filtrante de fibra de acrílico apresentou menor remoção de material particulado (71% de fração removida) aplicando o maior tempo de pulso (1.000ms), comparado ao meio filtrante de fibra de polipropileno que mostrou 77% de fração removida durante a limpeza por pulso de ar reverso. Isto foi devido a uma maior quantidade de massa retida por unidade de área no meio filtrante de fibra de acrílico (filtração de profundidade) em relação ao meio filtrante de fibra de polipropileno (filtração de superfície). 

 

Samirys Sara Rodrigues Cirqueira e Profa Dra Mônica Lopes Aguiar Universidade Federal de São Carlos, Departamento de Engenharia Química Eduardo Hiromitsu Tanabe Universidade Federal de Santa Maria, Departamento de Engenharia Química