Estudo De Formação E Remoção De Tortas De Filtração Em Não Tecidos
Por Me. Deivid Nunes, Felipe F
Edição Nº 58 - Setembro/Outubro de 2012 - Ano 11
O objetivo deste trabalho foi o de construir um sistema de filtração de gases e estudar a influência das variáveis operacionais na formação e remoção das tortas de filtração, particulado fosfático.
O objetivo deste trabalho foi o de construir um sistema de filtração de gases e estudar a influência das variáveis operacionais na formação e remoção das tortas de filtração, particulado fosfático, em filtros de não tecidos de acrílico, poliéster e polipropileno. Os ensaios foram realizados com o intuito de verificar o desempenho dos meios filtrantes na formação e remoção das tortas de filtração, em relação à variação da queda de pressão máxima e da velocidade de filtração.
Atualmente, diversos estudos sobre as características da formação e remoção de tortas de filtração de gases e suas propriedades, tal como, a porosidade das tortas e das variáveis na operação de filtração de gases, vêm sendo desenvolvidos como fator de maior importância para utilização de filtros de não tecidos; com o intuito de tornarem a operação de filtração de gases cada vez mais simples, econômica e altamente eficiente. O esperado é uma otimização em relação à regeneração dos meios filtrantes, minimização dos custos (transformados em energia) e menor impacto ao meio ambiente (emissão de material particulado).
A escolha do não tecido a ser utilizado nas operações de filtração é uma decisão fundamental para a obtenção de alta eficiência de coleta de partículas no filtro e seu desprendimento. Com isso, a seleção dos tecidos depende da compatibilidade com o material particulado (concentração, distribuição de tamanhos, abrasividade, energia de absorção), com o gás transportador (temperatura, umidade, alcalinidade e acidez) e com o custo relativo do material (BARNETT, 2000). Outros fatores importantes que devem ser levados em consideração são: a resistência mecânica, estabilidade e a flexibilidade do não tecido, pois, são responsáveis em determinar sua capacidade de resistir ao desgaste provocado pela abrasão, ou seja, o contato das fibras do tecido com as partículas do material pulverulento ou entre as fibras adjacentes. A flexibilidade do não tecido é uma propriedade que deve ter uma atenção especial, pois, pode facilitar a sua limpeza, melhorando a condição do material filtrante, como também pode facilitar a degradação do mesmo, reduzindo sua vida útil (BARROS, 2010).
A operação de filtração de gases consiste na passagem de um fluxo gasoso carregado com material particulado através de um meio filtrante que tem como finalidade reter as partículas presentes na corrente gasosa, resultando na saída de um fluxo gasoso limpo. Com o decorrer da filtração, essas partículas se acumulam sobre o tecido e umas sobre as outras, tornando uma camada porosa mais espessa (torta de filtração) que passa a desempenhar a função de meio filtrante. Torna-se necessária a remoção, da torta, pois ela aumenta progressivamente a queda de pressão no meio filtrante incrementando os custos energéticos da indústria (DONOVAN, 1985). Os parâmetros de projeto na filtração de gases mais importantes são apresentados na Tabela 1, com seus respectivos valores, segundo MATTESON (1987) apud SILVA (2008).
Outros dois parâmetros que são bastante importantes no projeto de filtros de gases são a porosidade das tortas de filtração e a temperatura. Segundo SILVA NETO et al. (2002), a porosidade da torta tem grande influência na queda de pressão do sistema durante a operação de filtração bem como na força necessária para remoção da torta na operação de limpeza.Com relação ao efeito da temperatura, FREITAS et al.(2004), comprovou que na filtração de 25ºC a 700ºC, a eficiência global de coleta diminuiu com o aumento da temperatura, devido a provocar alterações nas propriedades do gás (diminuição da densidade e aumento da viscosidade), interferindo na capacidade de remoção da torta de filtração. Outra constatação foi que o aumento da temperatura pode provocar uma pequena mudança estrutural do meio filtrante, devido à expansão térmica, o que pode afetar consideravelmente a operação de remoção da torta de filtração.
O processo de formação das tortas de filtração acontece em três distintos estágios nos ciclos de filtração, sendo: filtração de profundidade, etapa de transição e filtração superficial com distribuição uniforme da torta (KANAOKA et al.,2006).
No primeiro estágio da formação da torta de filtração, denominada filtração de profundidade, para um filtro nunca utilizado antes, as partículas de pó penetram intensamente no não tecido e permanecem retidas nos interstícios das fibras. Esse estágio só ocorre na superfície limpa ou após a limpeza do filtro, até que a carga de pó estabelecida seja completamente retida ou acumulada na superfície do não tecido. Assim, a intensidade de penetração das partículas tende a diminuir em função do tempo de filtração e aumentar a eficiência de coleta das partículas e, consequentemente, a queda de pressão. Ao atingir o valor da queda de pressão máxima pré-estabelecida, têm-se a necessidade de fazer a limpeza do meio filtrante (WALSH, 1996). A figura 1 representa a etapa de filtração em profundidade e superficial.
Na etapa de transição, ocorre aglomeração de partículas no interior do não tecido, formando os chamados dendritos que serão os novos meios de coleta das partículas (RODRIGUES, 2006). Segundo BERGMAN et al.,1980, a aglomeração dessas partículas ou o entupimento do não tecido(modelo combinado) ocorre por vários estágios distintos de deposição, conforme visualizado na figura 2.
O início da formação da torta de filtração é demarcado através de um valor experimental linear, que estabelece o ponto em que a torta se forma (ROCHA, 2010). Esse ponto é denominado de ponto de colmatação que é representado na figura 3, que consiste no lugar geométrico obtido para o cruzamento da assíntota da curva com o eixo das abscissas em que é obtida a massa de pó necessária, g/m2, para a formação da torta.
Após a formação da torta de filtração tem-se a última etapa, denominada de filtração superficial, em que o não tecido atua como suporte para a torta de filtração, isso devido às fibras do não tecido ficar saturado. A torta é que desempenha o principal meio como coletor de partículas, sendo possível a captura das mais finas partículas presentes na corrente de gás, aumentando a eficiência do processo de filtração (BARROS, 2010).
A unidade experimental utilizada para a execução dos experimentos de filtração e limpeza pertence ao Laboratório de Processos de Separação (LabSep) da Faculdade de Engenharia Química da Universidade Federal de Uberlândia (UFU). A figura 4 apresenta o sistema experimental construído para a realização dos experimentos, onde os materiais filtrantes foram cortados de acordo com a caixa de filtração que possui
20 cm de diâmetro e área de filtração de 314,16 cm2.
Os experimentos de filtração foram realizados com uma umidade relativa do ar de 8 a 12% com velocidades superficiais de filtração de 0,05; 0,075 e 0,10 m/s,
para cada queda de pressão máxima estabelecida de 1000, 2000, 3000 e 4000 Pa para cada filtro de não tecido. Para a remoção das tortas de filtração aplicou-se o mecanismo de fluxo de ar reverso e velocidade de limpeza de 0,15 m/s, mantida constante durante 60 segundos.
Para os ensaios de filtração e limpeza foram selecionados três tipos de não tecidos (polipropileno, poliéster e acrílico) empregados na fabricação de filtros de mangas industriais.
Os tecidos sofreram tratamentos de chamuscagem e calandragem em um de seus lados com o intuito de facilitar o desprendimento das tortas de filtração durante o processo de limpeza. A Tabela 2 apresenta as principais características destes não tecidos.
A caracterização dos meios filtrantes por MEV foi realizada no Centro de Microscopia Eletrônica da Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul (PUCRS). As microfotografias dos não tecidos de polipropileno, poliéster e acrílico são apresentadas na figura 5.
O particulado utilizado nos experimentos foi de rocha fosfática da empresa FOSFÉRTIL - Fertilizantes Fosfatados S.A., Patos Minas (MG), com densidade de 2,89±0,01 g/cm3. A distribuição granulométrica, figura 6, com diâmetro médio volumétrico de 12,72 µm, foi obtida pela técnica de difração de raios laser, utilizando o equipamento MalvernMastersizerMicroplus MAF 5001® do laboratório de caracterização da UFU.
As figuras 7, 8 e 9 apresentam os gráficos dos três meios filtrantes que relaciona as massas retida e removida (kg) em função da queda de pressão (Pa), em três diferentes velocidades de filtração.
Para os três meios filtrantes, com maiores velocidades superficiais de filtração obtiveram-se uma maior massa retida e uma menor massa removida. Isso pode ser explicado devido o aumento da velocidade superficial de filtração, que proporciona maior empacotamento da torta, diminuindo a distância entre as partículas e aumentando a tensão de remoção do aglomerado, o que dificulta a remoção das tortas.
Percebe-se que as curvas de filtração para acrílico e poliéster apresentaram um comportamento não-linear na filtração dos gases, diferente do observado para o polipropileno com comportamento praticamente linear. A não-linearidade apresentada pelo acrílico indica a predominância da filtração interna, demonstrando que este meio filtrante coletou maior quantidade de material particulado no seu interior em relação aos demais.Tal fato foi ocasionado por razão deste meio filtrante apresentar uma maior permeabilidade, conforme mostrado na Tabela 2 e que filtros mais permeáveis possuem um incremento de queda de pressão menos elevado e, consequentemente, maior ponto de colmatação.
O poliéster apresentou uma estrutura superficial mais fechada que o acrílico, vinculada à menor permeabilidade, interferindo na penetração das partículas no interior do não tecido.
O polipropileno apresentou uma baixa deposição de partículas em relação aos não tecidos de poliéster e acrílico, sendo que, o acrílico foi o que apresentou maior deposição das partículas e o poliéster tratado uma deposição intermediária. A deposição de partículas no interior do polipropileno ocorreu mais próxima da superfície, resultando na obstrução dos poros mais rapidamente e gerando tortas mais finas que os demais.
BARNETT, T. Improving the performance of fabric filter dry dust collection equipment. FiltrationandSeparation, p. 28-32, 2000.
BARROS, P. M. de. Estudo da força de adesão de tortas de filtração de gases em diferentes condições operacionais. (Dissertação de Mestrado em Engenharia Química), Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2010.
BERGMAN, W. A. H.; HEBARD, H. D.; LUM, B. Y.; KUHL, W. D. Electrostatic air filters generated by electric fields. Lawrence Livermore National Laboratory. Fine Particle Society Fall Meeting, September 18 – 19, 1980, University of Maryland, College Park, Maryland, January 27, 1980.
DONOVAN, R. P. Fabric filtration for combustion sources. New York, Marcel Dekker. Inc. 1985.
FREITAS, N. L.; MANIERO, M. G., COURY, J. R. Filtração de aerossóis em altas temperaturas utilizando filtros cerâmicos de dupla camada: influência do diâmetro de partículas na eficiência de coleta. Cerâmica, v. 50, n. 316, p. 355 – 361, 2004.
KANAOKA, C.; MAO, N.; OTANI, Y.; YAO, Y. Modeling the filtration process with a flat-type fabric filter.Original paper. AdvancedPowderTechnol., vol. 17, nº 3, p. 237 – 256, 2006.
ROCHA, S. M. S. Limpeza de gases em filtros manga: estudo da influência da velocidade e dos ciclos de filtração na formação da torta. (Tese de Doutorado em Engenharia Química), Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2010.
RODRIGUES, K. B. Filtração de gases: estudo da deposição de diferentes tortas de filtração em diferentes meios filtrantes. (Dissertação de Mestrado em Engenharia Química), Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2006.
SILVA, G. M. C. Desempenho de filtros cerâmicos na filtração de gases a altas temperaturas. (Dissertação de Mestrado em Engenharia Química), Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2008.
SILVA NETO, O. G.; AGUIAR, M. L.; COURY, J. R. Filtração de gás em filtro de manga: estudo da porosidade. Revista Universidade Rural, Série Ciências Exatas e da Terra, v. 21 (1), p. 187 – 195, 2002.
WALSH, D. C. Recent advances in the understanding of fibrous filter behaviour under solid particle load. FiltrationandSeparation, June 1996, p. 501 – 506.
Atualmente, diversos estudos sobre as características da formação e remoção de tortas de filtração de gases e suas propriedades, tal como, a porosidade das tortas e das variáveis na operação de filtração de gases, vêm sendo desenvolvidos como fator de maior importância para utilização de filtros de não tecidos; com o intuito de tornarem a operação de filtração de gases cada vez mais simples, econômica e altamente eficiente. O esperado é uma otimização em relação à regeneração dos meios filtrantes, minimização dos custos (transformados em energia) e menor impacto ao meio ambiente (emissão de material particulado).
A escolha do não tecido a ser utilizado nas operações de filtração é uma decisão fundamental para a obtenção de alta eficiência de coleta de partículas no filtro e seu desprendimento. Com isso, a seleção dos tecidos depende da compatibilidade com o material particulado (concentração, distribuição de tamanhos, abrasividade, energia de absorção), com o gás transportador (temperatura, umidade, alcalinidade e acidez) e com o custo relativo do material (BARNETT, 2000). Outros fatores importantes que devem ser levados em consideração são: a resistência mecânica, estabilidade e a flexibilidade do não tecido, pois, são responsáveis em determinar sua capacidade de resistir ao desgaste provocado pela abrasão, ou seja, o contato das fibras do tecido com as partículas do material pulverulento ou entre as fibras adjacentes. A flexibilidade do não tecido é uma propriedade que deve ter uma atenção especial, pois, pode facilitar a sua limpeza, melhorando a condição do material filtrante, como também pode facilitar a degradação do mesmo, reduzindo sua vida útil (BARROS, 2010).
A operação de filtração de gases consiste na passagem de um fluxo gasoso carregado com material particulado através de um meio filtrante que tem como finalidade reter as partículas presentes na corrente gasosa, resultando na saída de um fluxo gasoso limpo. Com o decorrer da filtração, essas partículas se acumulam sobre o tecido e umas sobre as outras, tornando uma camada porosa mais espessa (torta de filtração) que passa a desempenhar a função de meio filtrante. Torna-se necessária a remoção, da torta, pois ela aumenta progressivamente a queda de pressão no meio filtrante incrementando os custos energéticos da indústria (DONOVAN, 1985). Os parâmetros de projeto na filtração de gases mais importantes são apresentados na Tabela 1, com seus respectivos valores, segundo MATTESON (1987) apud SILVA (2008).
Outros dois parâmetros que são bastante importantes no projeto de filtros de gases são a porosidade das tortas de filtração e a temperatura. Segundo SILVA NETO et al. (2002), a porosidade da torta tem grande influência na queda de pressão do sistema durante a operação de filtração bem como na força necessária para remoção da torta na operação de limpeza.Com relação ao efeito da temperatura, FREITAS et al.(2004), comprovou que na filtração de 25ºC a 700ºC, a eficiência global de coleta diminuiu com o aumento da temperatura, devido a provocar alterações nas propriedades do gás (diminuição da densidade e aumento da viscosidade), interferindo na capacidade de remoção da torta de filtração. Outra constatação foi que o aumento da temperatura pode provocar uma pequena mudança estrutural do meio filtrante, devido à expansão térmica, o que pode afetar consideravelmente a operação de remoção da torta de filtração.
O processo de formação das tortas de filtração acontece em três distintos estágios nos ciclos de filtração, sendo: filtração de profundidade, etapa de transição e filtração superficial com distribuição uniforme da torta (KANAOKA et al.,2006).
No primeiro estágio da formação da torta de filtração, denominada filtração de profundidade, para um filtro nunca utilizado antes, as partículas de pó penetram intensamente no não tecido e permanecem retidas nos interstícios das fibras. Esse estágio só ocorre na superfície limpa ou após a limpeza do filtro, até que a carga de pó estabelecida seja completamente retida ou acumulada na superfície do não tecido. Assim, a intensidade de penetração das partículas tende a diminuir em função do tempo de filtração e aumentar a eficiência de coleta das partículas e, consequentemente, a queda de pressão. Ao atingir o valor da queda de pressão máxima pré-estabelecida, têm-se a necessidade de fazer a limpeza do meio filtrante (WALSH, 1996). A figura 1 representa a etapa de filtração em profundidade e superficial.
Na etapa de transição, ocorre aglomeração de partículas no interior do não tecido, formando os chamados dendritos que serão os novos meios de coleta das partículas (RODRIGUES, 2006). Segundo BERGMAN et al.,1980, a aglomeração dessas partículas ou o entupimento do não tecido(modelo combinado) ocorre por vários estágios distintos de deposição, conforme visualizado na figura 2.
O início da formação da torta de filtração é demarcado através de um valor experimental linear, que estabelece o ponto em que a torta se forma (ROCHA, 2010). Esse ponto é denominado de ponto de colmatação que é representado na figura 3, que consiste no lugar geométrico obtido para o cruzamento da assíntota da curva com o eixo das abscissas em que é obtida a massa de pó necessária, g/m2, para a formação da torta.
Após a formação da torta de filtração tem-se a última etapa, denominada de filtração superficial, em que o não tecido atua como suporte para a torta de filtração, isso devido às fibras do não tecido ficar saturado. A torta é que desempenha o principal meio como coletor de partículas, sendo possível a captura das mais finas partículas presentes na corrente de gás, aumentando a eficiência do processo de filtração (BARROS, 2010).
A unidade experimental utilizada para a execução dos experimentos de filtração e limpeza pertence ao Laboratório de Processos de Separação (LabSep) da Faculdade de Engenharia Química da Universidade Federal de Uberlândia (UFU). A figura 4 apresenta o sistema experimental construído para a realização dos experimentos, onde os materiais filtrantes foram cortados de acordo com a caixa de filtração que possui
20 cm de diâmetro e área de filtração de 314,16 cm2.
Os experimentos de filtração foram realizados com uma umidade relativa do ar de 8 a 12% com velocidades superficiais de filtração de 0,05; 0,075 e 0,10 m/s,
para cada queda de pressão máxima estabelecida de 1000, 2000, 3000 e 4000 Pa para cada filtro de não tecido. Para a remoção das tortas de filtração aplicou-se o mecanismo de fluxo de ar reverso e velocidade de limpeza de 0,15 m/s, mantida constante durante 60 segundos.
Para os ensaios de filtração e limpeza foram selecionados três tipos de não tecidos (polipropileno, poliéster e acrílico) empregados na fabricação de filtros de mangas industriais.
Os tecidos sofreram tratamentos de chamuscagem e calandragem em um de seus lados com o intuito de facilitar o desprendimento das tortas de filtração durante o processo de limpeza. A Tabela 2 apresenta as principais características destes não tecidos.
A caracterização dos meios filtrantes por MEV foi realizada no Centro de Microscopia Eletrônica da Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul (PUCRS). As microfotografias dos não tecidos de polipropileno, poliéster e acrílico são apresentadas na figura 5.
O particulado utilizado nos experimentos foi de rocha fosfática da empresa FOSFÉRTIL - Fertilizantes Fosfatados S.A., Patos Minas (MG), com densidade de 2,89±0,01 g/cm3. A distribuição granulométrica, figura 6, com diâmetro médio volumétrico de 12,72 µm, foi obtida pela técnica de difração de raios laser, utilizando o equipamento MalvernMastersizerMicroplus MAF 5001® do laboratório de caracterização da UFU.
As figuras 7, 8 e 9 apresentam os gráficos dos três meios filtrantes que relaciona as massas retida e removida (kg) em função da queda de pressão (Pa), em três diferentes velocidades de filtração.
Para os três meios filtrantes, com maiores velocidades superficiais de filtração obtiveram-se uma maior massa retida e uma menor massa removida. Isso pode ser explicado devido o aumento da velocidade superficial de filtração, que proporciona maior empacotamento da torta, diminuindo a distância entre as partículas e aumentando a tensão de remoção do aglomerado, o que dificulta a remoção das tortas.
Percebe-se que as curvas de filtração para acrílico e poliéster apresentaram um comportamento não-linear na filtração dos gases, diferente do observado para o polipropileno com comportamento praticamente linear. A não-linearidade apresentada pelo acrílico indica a predominância da filtração interna, demonstrando que este meio filtrante coletou maior quantidade de material particulado no seu interior em relação aos demais.Tal fato foi ocasionado por razão deste meio filtrante apresentar uma maior permeabilidade, conforme mostrado na Tabela 2 e que filtros mais permeáveis possuem um incremento de queda de pressão menos elevado e, consequentemente, maior ponto de colmatação.
O poliéster apresentou uma estrutura superficial mais fechada que o acrílico, vinculada à menor permeabilidade, interferindo na penetração das partículas no interior do não tecido.
O polipropileno apresentou uma baixa deposição de partículas em relação aos não tecidos de poliéster e acrílico, sendo que, o acrílico foi o que apresentou maior deposição das partículas e o poliéster tratado uma deposição intermediária. A deposição de partículas no interior do polipropileno ocorreu mais próxima da superfície, resultando na obstrução dos poros mais rapidamente e gerando tortas mais finas que os demais.
Foi observado um aumento linear na queda de pressão em função da velocidade superficial de filtração para os três meios filtrantes, polipropileno, poliéster e acrílico, indicando preponderância das forças viscosas sobre as inerciais.
Para maiores velocidades de filtração tem-se maior filtração interna e para menores velocidades ocorre maior filtração superficial, pois a força de arraste exercida nas partículas para maiores velocidades de filtração é maior e possibilita uma maior força de adesão das partículas no interior dos não tecidos.
Os resultados demonstraram que o acrílico foi o não tecido que apresentou uma estrutura superficial mais aberta com maior permeabilidade, seguido do poliéster e polipropileno. A diferença na estrutura dos meios filtrantes proporcionou ao meio mais permeável, uma maior coleta de partículas de rocha fosfática para as quatro quedas de pressão máxima estabelecida e maior período de filtração interna para as três velocidades estudadas, diferentemente, do polipropileno em que prevaleceu a filtração superficial.
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BARNETT, T. Improving the performance of fabric filter dry dust collection equipment. FiltrationandSeparation, p. 28-32, 2000.
BARROS, P. M. de. Estudo da força de adesão de tortas de filtração de gases em diferentes condições operacionais. (Dissertação de Mestrado em Engenharia Química), Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2010.
BERGMAN, W. A. H.; HEBARD, H. D.; LUM, B. Y.; KUHL, W. D. Electrostatic air filters generated by electric fields. Lawrence Livermore National Laboratory. Fine Particle Society Fall Meeting, September 18 – 19, 1980, University of Maryland, College Park, Maryland, January 27, 1980.
DONOVAN, R. P. Fabric filtration for combustion sources. New York, Marcel Dekker. Inc. 1985.
FREITAS, N. L.; MANIERO, M. G., COURY, J. R. Filtração de aerossóis em altas temperaturas utilizando filtros cerâmicos de dupla camada: influência do diâmetro de partículas na eficiência de coleta. Cerâmica, v. 50, n. 316, p. 355 – 361, 2004.
KANAOKA, C.; MAO, N.; OTANI, Y.; YAO, Y. Modeling the filtration process with a flat-type fabric filter.Original paper. AdvancedPowderTechnol., vol. 17, nº 3, p. 237 – 256, 2006.
ROCHA, S. M. S. Limpeza de gases em filtros manga: estudo da influência da velocidade e dos ciclos de filtração na formação da torta. (Tese de Doutorado em Engenharia Química), Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2010.
RODRIGUES, K. B. Filtração de gases: estudo da deposição de diferentes tortas de filtração em diferentes meios filtrantes. (Dissertação de Mestrado em Engenharia Química), Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2006.
SILVA, G. M. C. Desempenho de filtros cerâmicos na filtração de gases a altas temperaturas. (Dissertação de Mestrado em Engenharia Química), Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2008.
SILVA NETO, O. G.; AGUIAR, M. L.; COURY, J. R. Filtração de gás em filtro de manga: estudo da porosidade. Revista Universidade Rural, Série Ciências Exatas e da Terra, v. 21 (1), p. 187 – 195, 2002.
WALSH, D. C. Recent advances in the understanding of fibrous filter behaviour under solid particle load. FiltrationandSeparation, June 1996, p. 501 – 506.
