COMPARAÇÃO ENTRE DOIS FILTROS SINTÉTICOS SUBMETIDOS À VIBRAÇÃO
MECÂNICA EM PROCESSOS DE FILTRAÇÃO GÁS-SÓLIDO
1
Lucas Camargos Borges, 1 João Mauro Lima, 2 Aline Marques Moraes Arouca, 3 Fábio de Oliveira Arouca, 3 Luiz Gustavo Martins Vieira e 3 João Jorge Ribeiro Damasceno
1
Discente do curso de Engenharia Química
2
Aluna de Doutorado em Engenharia Química
3
Professor da Faculdade de Engenharia Química da UFU/MG
1, 2, 3
Endereço dos autores (ex: Faculdade de Engenharia Química da Universidade Federal de Uberlândia. Av João Naves de Ávila, 2121, Bloco 1K, Campus Santa Mônica, Uberlândia - MG, CEP 38408-100)
e-mail: damasceno@feq.ufu.br
RESUMO - Frente ao crescimento generalizado da preocupação com a emissão de poluentes, os
estudos com filtros de tecido ou de manga, com seu baixo custo de operação e instalação, ga-nharam destaque. Os filtros de material sintético apresentam melhores resultados comparados aos de tecido de fibra natural, com uma eficiência maior que 99% para a maioria dos materiais particulados, além de maior vida útil do tecido. Assim, buscou-se comparar o efeito da vibração mecânica sobre dois filtros sintéticos, o poliéster (PE) e o polipropileno (PP), utilizando rocha fos-fática moída como material pulverulento. O aparato experimental consiste em uma unidade bási-ca de filtração (bási-caixa de alimentação, bási-caixa de filtração, manômetros, soprador e compressor) com o acoplamento de um motor excêntrico à caixa de filtração, o qual provoca a vibração do sis-tema. Os resultados mostraram que a filtração no PP é superficial, enquanto que a etapa de fil-tração de profundidade no PE se mostrou mais acentuada.
Palavras-Chave: filtração, vibração, filtro sintético.
INTRODUÇÃO
O homem, desde o início das primeiras civi-lizações, sempre procurou dominar a natureza e utilizá-la a seu favor, seja no período neolítico, usando a pedra com material de defesa, ou na idade moderna, utilizando o carvão como fonte de energia. Assim, com o passar do tempo, o ho-mem cada vez mais se apoderava dos recursos naturais, e acreditava estar tendo o poder sobre a natureza. Porém, o uso desenfreado trouxe uma série de mudanças.
Por exemplo, o carvão, ora utilizada nas primeiras indústrias, teve como conseqüência a emissão de resíduos gasosos. Anos futuros, os resíduos emitidos por ele, aliados aos resíduos emitidos por outras fontes de energia, como o petróleo, descobriu-se serem poluentes, por con-terem partículas prejudiciais à saúde humana.
Nesse contexto, as indústrias passaram a investir recursos em pesquisas que visam o au-mento da eficiência dos processos de separação de partículas do ar, ao mesmo tempo em que buscam uma redução nos gastos com o proces-so. Assim a utilização de meios capazes de reter materiais particulados ganhou destaque.
Considera-se como material particulado disperso no ar qualquer substância, a exceção da água pura, que existe como sólido ou líquido na atmosfera e tem dimensões microscópicas ou submicroscópicas, porém maiores que as dimen-sões moleculares (LORA, 2002, apud AGUIAR, 2009).
Assim, com o objetivo de reter essas partí-culas, um método que a muito já era utilizado pelo homem em outras atividades, ganhou uma nova função: a filtração. Segundo HINDS (1999, apud AGUIAR, 2009), a filtração é um dos métodos mais comuns na coleta de material particulado, já que utiliza equipamentos de grande eficiência e pouco sensível às mudanças nas condições ope-racionais.
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
A filtração de gases utilizando filtros de te-cido ou filtros de manga, industrialmente conheci-dos, apresenta uma aplicação há muitos anos na separação de partículas em suspensão, sendo que, sua aplicação tem se predominado a partir da criação de filtros de tecidos sintéticos devido a algumas de suas características físicas, tais co-mo, alta eficiência de coleta, baixo custo, alta
re-sistência mecânica e química, menor diâmetro de fibras e devido suportar elevadas temperaturas (DONOVAN, 1985 apud NUNES, 2011).
Esses filtros de tecido têm como finalidade evitar a emissão de partículas ao meio ambiente, assim como, dependendo do material do filtro, recuperar grande parte do material particulado, caso este tenha algum valor econômico agrega-do.
Os filtros de material sintético possuem alta eficiência na retenção das partículas presentes no ar, podendo chegar a até 99,2% numa ampla fai-xa granulométrica (LORA, 2002 apud AGUIAR, 2009) além de uma facilidade de operação e bai-xo custo de implantação. Porém, segundo SILVA (1999, apud AGUIAR, 2009), esses filtros, com o passar do tempo, atingem um ponto de resistên-cia considerável ao fluxo do gás, devido à forma-ção de uma torta de pó em sua superfície, ele-vando a perda de carga do processo. Uma espé-cie de saturação do filtro. Assim, é necessário remover a camada de pó depositada através de algum processo de limpeza.
Devido a essa necessidade de limpeza do filtro, a qual dependeria de uma paralisação da linha produtiva de uma empresa, por exemplo, fez-se o uso da vibração mecânica como forma de limpeza do filtro.
Segundo NUNES (2011), a vibração mecâ-nica é uma das formas de limpeza mais antigas utilizada em processos de separação gás-sólido em meios filtrantes. Essa técnica consiste na vi-bração de um motor excêntrico, sendo necessária uma parada de 1 a 5 minutos para que ocorra a vibração, segundo COOPER (2002, apud NU-NES, 2011).
Assim, este presente trabalho, tem como objetivo aplicar a vibração mecânica simultânea ao processo de filtração, com o objetivo de se conhecer os efeitos da vibração mecânica na va-riável “Massa de pó acumulada por unidade de área” (W), em relação ao aumento da queda de pressão, em diferentes meios filtrantes.
MATERIAIS E MÉTODOS
O trabalho foi realizado na Unidade de Pesquisa do Segismundo Pereira da Faculdade de Engenharia Química da Universidade Federal de Uberlândia. A Figura 1 apresenta um esquema do aparato experimental utilizado.
Figura 1 – Aparato experimental Materiais:
Material pulverulento: rocha fosfática moída com diâmetro médio de 2,28 µm (diâmetro de Sauter), com densidade de partícula de 3,05 g/m³. Caixa de alimentação de pó: a caixa de fil-tração é feita de acrílico com apenas uma tampa móvel utilizada para inserir e retirar materiais da caixa. A superfície inferior desta era preenchida com sílica gel para diminuir a umidade dentro de-la. Na superfície superior há conectado um man-gueira, acoplada a um manômetro de tubo em U. Há uma luva de borracha ligada à caixa para que seja possível manusear equipamentos dentro da caixa durante o processo, sem a sua abertura. Dentro da caixa há um prato giratório acoplado a um sugador do tipo Venturi. Há ainda dois termô-metros, sendo um deles com a parte inferior úmi-da para que através de uma relação entre as du-as marcações obtivesse a umidade relativa do ar. Para a completa vedação da caixa, foi utilizado silicone.
Alimentador de pó: o pó, rocha fosfática, é alimentado ao sistema através de um prato girató-rio, com um controlador de velocidade de rotação. Junto a ele foi acoplado um sugador do tipo Ven-turi com uma vazão mássica de alimentação de pó de 0, 183 g/s, com a finalidade de enviar pó ao meio filtrante.
Desumidificadores: na parte externa da cai-xa de filtração foram colocadas duas colunas con-tendo sílica em gel. O controle da umidade é es-sencial para que o material pulverulento seja su-gado de forma efetiva. Assim, foi mantida a umi-dade dentro da caixa na faixa de 10% - 20% de umidade relativa do ar para que se realizasse o processo.
Soprador: O soprador foi utilizado para a fil-tração e também para o processo de limpeza do meio filtrante.
Manômetros: foram utilizados manômetros do tipo U, tendo com líquido manométrico a água.
Inversor de freqüência: o inversor de fre-quência utilizado é o CFW-10, software 2.XX da marca WEQ. As freqüências usadas nos ensaios foram 0Hz e 13Hz.
Caixa de filtração: duas porções de tubos de acrílico, sendo colocado o filtro de tecido entre os dois e vedado com borracha. Este era conec-tado ao inversor de frequência para a vibração do
sistema. Cada metade do tubo foi conectada uma mangueira acoplada a um manômetro de tubo em U, para a medição da variação de pressão advin-da advin-da passagem pelo filtro.
Meio filtrante: foram utilizados dois meios filtrantes, o filtro de tecido 100% poliéster e o filtro de tecido 100% polipropileno. O filtro de poliéster do tipo 1016P foi fornecido pela empresa Gino Cacciari, com 2mm de espessura, 82% de volume de poros. O filtro de polipropileno do tipo 3006PP foi fornecido pela empresa Gino Cacciari, com espessura de 2,1mm e 82% de volume de poros. Os filtros foram cortados em forma circular com uma área de filtração de 0, 0153 m².
Variáveis e condições operacionais: a velo-cidade de filtração foi mantida a 10cm/s e a visco-sidade do ar de 1,87x10-5 kg/ms.
Placa de orifício: utilizada para a medição da velocidade. Na filtração era utilizada uma placa de 8mm de diâmetro e na limpeza, uma com diâ-metro de 10mm.
Método
Inicialmente, ar proveniente das colunas preenchidas com sílicas em gel, é adicionado à caixa de filtração, para que se pudesse diminuir a umidade dentro da caixa. Quando a umidade a-tingia a casa de 10% a 20% já era possível iniciar o ensaio de filtração.
Neste momento, a rocha fosfática que ha-via permanecido em uma estufa a 100°C para a retirada de umidade, era colocada dentro da caixa de filtração. Através da luva de borracha, uma pessoa tinha a função de alimentar o prato girató-rio com o pó.
Enquanto isso, uma pessoa fica encarrega-da de controlar o soprador para que ele atingisse e mantivesse a velocidade constante durante o processo, em um valor pré-definido. Outra pessoa era encarregada de ligar (ou não, no caso do ex-perimento de 0Hz) o inversor de freqüência, cro-nometrar o tempo e marcar a pressão de 5 em 5 segundos. Quando a pressão atingia a queda máxima de pressão correspondente a 50 cmH2O, parava-se o tempo no cronômetro.
Após isso, o filtro era retirado cautelosa-mente, pra que não danificasse a torta. Este era pesado.
Depois de medida sua massa, o filtro era recolocado na linha de processo pra ser feito o processo de limpeza, sendo cronometrado o tem-po de um minuto para o andamento do ensaio. O filtro era novamente pesado e a massa de pó que caiu da torta também era pesada para que se pu-desse calcular a massa de pó removida.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os resultados obtidos, de massa acumula-da por uniacumula-dade de área em caacumula-da ensaio realizado, estão apresentados em gráficos, em função da queda de pressão. Para cada frequência testada, foram realizados três testes (tréplicas).
A Figura 2 mostra a massa média acumu-lada por unidade de área (W) em relação à queda de pressão, para os testes com vibração de 13 Hz e para o teste sem vibração, nas tortas formadas no filtro de poliéster.
Figura 1 – Massa acumulada por unidade de área (W) por queda de pressão (DP) em filtro
de poliéster.
Pode-se observar, na Figura 2, que o sis-tema submetido à vibração apresentou, até uma massa acumulada de aproximadamente 0,15kg/m², maior queda de pressão do que a torta do sistema sem vibração, para uma mesma carga mássica. No entanto, nota-se que nos últimos três pontos experimentais do gráfico, esse comporta-mento mudou, e a torta do sistema submetido à vibração passou a apresentar menor queda de pressão, para uma mesma carga mássica, quan-do comparada à torta quan-do sistema sem vibração.
A Figura 3 mostra a massa média acumu-lada por unidade de área (W) em relação à queda de pressão, para os testes com vibração de 13 Hz e para o teste sem vibração, nas tortas formadas no filtro de polipropileno.
Figura 2 – Massa acumulada por unidade de área (W) por queda de pressão (DP), em filtro
de polipropileno.
Pode-se observar, na Figura 3, que o sis-tema submetido à vibração apresentou, até uma massa acumulada de aproximadamente 0,15kg/m², maior queda de pressão do que a torta do sistema sem vibração. Observa-se também que para os dois primeiros pontos, essa diferença na queda de pressão não foi tão acentuada, indi-cando que os experimentos com vibração segui-ram a mesma tendência dos experimentos sem vibração. Nos dois últimos pontos, observa-se que o sistema sobre vibração acumulou maior massa por unidade de área que o sistema sem vibração.
A Figura 4 apresenta a comparação entre os resultados obtidos para o sistema sem vibrar nos dois filtros testados.
Figura 3 – Comparação dos testes sem vibrar nos dois filtros.
Nota-se, na Figura 4, que as tortas forma-das no tecido de polipropileno atingiram a queda de pressão máxima determinada com uma menor massa depositada por unidade de área, quando comparadas com as tortas no filtro de poliéster. Isso é consequência da estrutura dos meios
fil-trantes, que são diferentes entre si. De acordo com Nunes (2011), o filtro de polipropileno apre-senta menor abertura superficial que o filtro de poliéster, o que leva o filtro a atingir maiores que-da de pressão em menores tempos de filtração. Por essa razão, a massa acumulada sobre o filtro de polipropileno se apresentou menor que a mas-sa acumulada no filtro de poliéster, para uma mesma queda de pressão.
A comparação entre os valores de massa acumulada por unidade de área, para os sistemas submetidos à vibração mecânica, em ambos os meios filtrantes estudados, é apresentada na Fi-gura 5.
Figura 4 – Comparação dos testes com vibra-ção nos dois filtros.
Nota-se, na Figura 5, que as tortas forma-das no tecido de polipropileno atingiram a queda de pressão máxima determinada com uma menor massa depositada por unidade de área, quando comparadas com as tortas no filtro de poliéster, assim como no sistema sem vibração. Para uma queda de pressão de até 3500 Pa, o filtro de poli-propileno apresentou maior variação em sua que-da de pressão, para uma certa variação na massa acumulada por unidade de área, enquanto o poli-éster parece seguir um padrão, para um certa variação na queda de pressão, há uma variação quase constante na massa acumulada por unida-de unida-de área. Nota-se também que a partir unida-de 4000 Pa, os dois sistemas passam a apresentar menor variação na queda de pressão, para uma também menor variação na massa acumulada.. Para a queda de pressão máxima do sistema, o filtro de poliéster acumula maior massa por unidade de área que o filtro de polietileno.
CONCLUSÃO
Os resultados dos ensaios realizados mos-tram que a vibração mecânica sobre o filtro de
poliéster provocou aumento da queda de pressão, para uma mesma massa de pó acumulada por unidade de área, em relação ao sistema estático. Já no filtro de polipropileno, não foi observada uma diferença significativa entre o comportamen-to do sistema de filtração com vibração e o siste-ma sem vibração. Em relação aos filtros, observa-se que na filtração em poliéster há maior coleta de partículas que nos filtros de polipropileno. A frequência de vibração aumentou a massa de pó depositada por unidade de área no filtro de poli-propileno. Isso sugere que a frequência de vibra-ção exerce alguma influência na estrutura das tortas, interferindo na acomodação das partículas no interior do meio filtrante.
NOMENCLATURA
P – Queda de pressão [Pa].W – Massa acumulada por unidade de área [kg/m²].
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