ESTUDO DA POROSIDADE DE TORTAS DE FILTRAÇÃO DE GASES EM FILTROS DE TECIDO

VIII Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica

27 a 30 de julho de 2009 Uberlândia, Minas Gerais, Brasil

ESTUDO DA POROSIDADE DE TORTAS DE FILTRAÇÃO DE GASES EM FILTROS DE

TECIDO

1 _{Karina Matugi}, 2_{Isabela Martinatti,} 3_{Amélia Giovana Fargnoli,} 4_{Mônica Lopes Aguiar}

1

Aluna de Iniciação Científica PET/DEQ-UFSCar, discente do curso de Engenharia Química

2

Aluna de Iniciação Científica DEQ-UFSCar, discente do curso de Engenharia Química

3

Aluna de Mestrado, CNPq/UFSCar, discente do curso de Engenharia Química

4

Professora do Departamento de Engenharia Química da Universidade Federal de São Carlos/SP

1,2,3,4

Departamento de Engenharia Química da Universidade Federal de São Carlos. Rodovia Washington Luis, km 235, Caixa Postal 676, CEP 13565-905, São Carlos – SP

e-mail: mlaguiar@ufscar.br

RESUMO - Este trabalho visou investigar a porosidade das tortas de filtração de gases ao longo do tempo, tornando o procedimento de formação e de deposição de partículas finas no meio filtrante mais bem compreendidos e possibilitando o projeto de filtros mais eficientes e econômicos. Para tanto, foram realizados quatro ensaios de filtração tendo como meio filtrante um filtro de tecido em escala piloto, tendo como variante a queda de pressão (100, 300, 600 e 900 mmH2O). Outros parâmetros relacionados aos materiais e equipamentos utilizados foram

mantidos constantes. A velocidade superficial de filtração empregada foi de 10 cm/s. O material pulverulento utilizado foi o concentrado fosfático e o meio filtrante utilizado foi um feltro de poliéster tratado, gramatura 600 g/m2. Utilizando uma correlação da literatura, obtiveram-se valores de porosidade média (0,54, 0,50, 0,46 e 0,50; respectivamente para cada queda de pressão escolhida) razoáveis se comparados aos preditos pela literatura (Ito, 2002; Negrini, 2000). Concluiu-se que a porosidade diminui com o tempo de filtração, mas a porosidade média diminui e volta a aumentar com o tempo, resultado também obtido por Negrini et al., (2000). Palavras-Chave: filtração de gases, queda de pressão, porosidade das tortas de filtração.

INTRODUÇÃO

O processo de filtração de gases consiste numa importante operação utilizada na separação gás-sólido. Neste processo uma corrente gasosa, contendo o material particulado, passa por um meio filtrante onde as partículas são depositadas formando uma camada de pó conhecida como torta de filtração de gases.

Alguns dos meios filtrantes mais emprega-dos na separação gás-sólido são os filtros de te-cido (filtros de manga). Esses são utilizados por serem financeiramente viáveis, de fácil operação e altamente eficientes na remoção de partículas, chegando a atingir valores superiores a 99%, em uma ampla faixa granulométrica (Ito, 2002).

Para aperfeiçoar e melhorar o processo de filtração faz-se necessária uma compreensão mais detalhada das características estruturais das tortas de filtração de gases. Dentre essas caracte-rísticas encontra-se a porosidade das tortas de filtração que é responsável pela queda de pressão no filtro durante a operação de filtração e pela frequência de limpeza do mesmo. Salientando-se que a queda de pressão no filtro é determinante do gasto energético do equipamento e também da eficiência do processo de filtração, torna-se

im-prescindível a compreensão mais aprofundada da porosidade de tortas de pó. Contudo, a obtenção dos valores de porosidade é complexa dada à fragilidade da camada de pó que pode ser altera-da durante seu manuseio.

Dessa forma, Coury (1983) desenvolveu um método para estimar a porosidade das tortas de filtração baseado em equações da literatura, as quais descrevem a resistência de um meio poroso ao escoamento de um fluido para quedas de pressão medidas na camada de pó para uma determinada vazão de gás e conhecendo-se a massa total da torta. A este método deu-se a no-menclatura de Método Indireto.

prever a porosidade da mesma (Cheng e Hsian, 2009).

Ito (2009) determinou a porosidade de tor-tas formadas por amido de milho, polvilho doce e concentrado fosfático utilizando uma adaptação do método criado por Aguiar e Coury (1995). Nes-se estudo um microscópio óptico foi empregado no lugar de um MEV.

Negrini et al. (2000), usando como material pulverulento o concentrado fosfático (rocha fosfá-tica) de densidade 2,940 g/cm3 e diâmetro médio de partícula de 18 µm, verificou que, com a varia-ção da velocidade de filtravaria-ção, a porosidade das tortas de pó era menor na interface tecido-torta e maior na interface torta-ar e que ela diminui com o aumento da espessura da torta. Estes resultados são próximos daqueles encontrados por Aguiar e Coury (1996) na investigação da porosidade de tortas formadas por calcário dolomítico.

Em vista do que foi apresentado, este tra-balho teve como objetivo estimar a porosidade de tortas de filtração de gases ao longo do tempo, mantendo-se a velocidade superficial de filtração constante e variando-se a queda de pressão atra-vés do método indireto proposto por Coury (1983).

MATERIAIS E MÉTODOS

Os experimentos foram realizados no labo-ratório de Controle Ambiental do Departamento de Engenharia Química na Universidade Federal de São Carlos.

Materiais

Neste estudo foi utilizado como material pulverulento um concentrado fosfático com densi-dade de partícula (ρp) igual a 3,2 g/cm3 e diâmetro

médio de partícula (diâmetro de Stokes) dp igual a

5,6 µm. O valor de densidade do pó foi medido usando um picnômetro de hélio, através do equi-pamento AccyPyc 1330 da MICROMETRICS, en-quanto o diâmetro da partícula foi medido usando um equipamento caracterizador de partículas, Sedigraf da MICROMETRICS modelo 5000d, do Departamento de Engenharia de Materiais da UFSCar. A distribuição granulométrica do pó en-contra-se na Figura 1.

Figura 1 – Distribuição granulométrica do pó.

O meio filtrante utilizado foi o feltro de poli-éster tratado, gramatura 600 g/m2 fornecido pela empresa Gino Cacciari.

Os materiais utilizados e suas especifica-ções encontram-se na Tabela 1.

Tabela 1 – Dados dos materiais utilizados. Parâmetros da filtração Dados

Filtro Poliéster Área do filtro (m2) 0,0249 Partícula Concentrado fosfático Diâmetro da partícula(m) 5,60x10-6 Densidade da partícula (kg/m3) 3,20x10 3 Gás filtrado Ar Densidade do gás (kg/m3) 1,17 Viscosidade do gás (kg/m.s) 1,80x10-5 Equipamento

A Figura 2 mostra o esquema do equipamento utilizado nos ensaios de filtração que inclui o alimentador de pó, a caixa de filtração, o soprador e o sistema de aquisição de dados.

Sistema de aquisição de dados Caixa de alimentação e desumidificação Placa de orifício Suporte do filtro Ar comprimido Colunas de desumidificação Sistema de filtração Caixa de filtração

Figura 2 – Esquema geral do equipamento de filtração e limpeza.

Procedimento experimental

Ensaios de Filtração: Durante a filtração, o material pulverulento era disperso no ar, a uma vazão constante controlada pelo alimentador de pó.

nas fibras do tecido formava a torta de pó. O ar “limpo” que saía do filtro tinha sua vazão e sua queda de pressão medidas por uma placa de ori-fício. Esse ar passava pelo soprador e era descar-tado na atmosfera. A filtração era realizada até se atingir o valor de queda de pressão estipulado.

A velocidade superficial de filtração foi mantida constante durante toda a formação da torta em todos os ensaios, sendo de 10 cm/s.

Foram realizados quatro ensaios de filtra-ção, até a queda de pressão atingir 100, 300, 600 e 900 mmH2O, respectivamente, formando-se

quatro tortas de diferentes espessuras.

Estimativa da Porosidade Média da Torta de Filtração: A clássica equação de Ergun (1952) pode ser utilizada para estimar a queda de pres-são através de um meio poroso composto por partículas de um determinado diâmetro. Essa e-quação foi originalmente desenvolvida para partí-culas na faixa de tamanho de 102 a 104 µm, poro-sidade do leito entre 0,1 e 0,75 e número de Rey-nolds da partícula maior que a unidade (Negrini et al., 2000). Esta equação foi empregada para o escoamento através da torta de filtração, apesar deste estudo utilizar partículas menores (1 a 10 µm).

Dessa forma, para uma torta de espessura L, formada pela deposição de partículas na super-fície de um filtro de manga, a equação de Ergun toma a forma da Equação 1:

(

)

(

)

p f g p f d V d V L P 2 3 2 3 2 _. . 1 . 75 , 1 . . 1 . 150 ρ ε ε µ ε ε − + − = ∆ (1) em que, ∆P é queda de pressão na torta, ε a po-rosidade média da torta, µ e ρg a viscosidade e a

densidade do gás, respectivamente, dp o diâmetro

médio das partículas, Vf a velocidade superficial

do fluido e L a espessura do meio. (RODRIGUES, 2006). A massa de partículas depositada no filtro é dada pela Equação 2:

) 1 .( . . . = ρ −ε =Qt LA p M (2)

onde Q é a vazão mássica de pó, A a área super-ficial da torta, ρp a densidade das partículas e t o

tempo de filtração. Isolando-se L na Equação 2 e substituindo-o na Equação (1), temos a Equação 3, que é a equação de Ergun modificada:

(

)

p f g p p f p d V A Q d QV A t P 2 3 2 3 1,75 1 150 ρ ρ ε µ ρ ε ε + − = ∆ (3) A Equação 3 pode ser utilizada para esti-mar a porosidade das tortas de filtração a partir de dados de ∆P vs. t (SILVA, et al., 1999). No presente estudo, essa equação foi empregada para determinar a porosidade média das tortas de filtração.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Ensaios de Filtração

A Figura 3 ilustra as curvas de filtração pa-ra as quatro quedas de pressão estipuladas neste trabalho, para a velocidade superficial de filtração de 10 cm/s.

Nessa figura, verifica-se que uma maior queda de pressão significa maior tempo de filtração e de massa de pó depositada na superfície do meio filtrante. Pode-se notar a superposição das curvas o que permite supor que cada torta seja representativa de um estágio anterior da torta mais espessa. Essa figura permite, ainda, observar que após a etapa de deposição das primeiras camadas de pó no filtro, as curvas apresentam um comportamento praticamente linear, o que também foi observado por Negrini et al. (1999).

Figura 3 - Queda de pressão versus tempo de Filtração para as quatro quedas de pressão avaliadas.

Obtenção dos Valores de Porosidade

A Figura 4 mostra a variação da porosidade com o tempo de filtração.

Observa-se, nessa figura, que a porosidade estimada pela Equação 3 diminui com o tempo de filtração, variando de 0,66 a 0,44. Nota-se que todos os pontos tendem a se agrupar em uma mesma tendência, porém ocorreu um desvio em relação à espessura da torta. Esse desvio pode ter sido causado pela influência da umidade relativa do ar, por alguma variação da vazão do pó, uma vez que as tortas foram obtidas em dias diferentes.

Os valores de porosidade média estimados pela Equação 3 para as quatro quedas de pressão em questão estão representados na Figura 5, onde pode-se verificar que a porosidade média decresceu inicialmente com a massa de pó depositada (variou de 0,54 a 0,46) e depois aumentou para 0,50. Esse comportamento também foi observado por Negrini et al. (2001) que verificou que a porosidade média, estimada pela equação de Ergun modificada, diminuía e depois aumentava para as velocidades superficiais de filtração de 6,8 cm/s e 8,9 cm/s. Ito (2002), utilizando a mesma equação empregada neste trabalho, verificou um valor de porosidade média de 0,40 para uma torta de concentrado fosfático para a mesma velocidade deste estudo.

Figura 5 – Comportamento da porosidade média calculada pela Equação 3 em função da massa de pó depositada na superfície do filtro.

CONCLUSÕES

De acordo com os dados experimentais, conclui-se que:

o experimento mostrou ser reprodutível através da coincidência dos pontos obtidos para cada queda de pressão máxima estipulada;

os valores de porosidade para tortas de filtração formadas pelo concentrado fosfático variaram de 0,46 a 0,54;

a porosidade diminui com o tempo (ou seja, com o aumento da massa de pó acumulada na superfície do filtro), mas a porosidade média diminui e depois aumenta com o aumento da massa de pó acumulada.

NOMENCLATURA

A – Área superficial de filtração, [m2] ρg – Densidade das partículas, [kg/m 3

] ρg – Densidade do gás, [kg/m

3

]

dp - Diâmetro médio das partículas, [m]

L – Espessura do meio, [m] ε – Porosidade da torta

∆P – Queda de pressão na torta, [N/m2] t – Tempo de filtração, [s]

Q – vazão mássica de pó, [kg/s] µ – Viscosidade do gás, [kg/m.s]

Vf – Velocidade Superficial do Gás, [m/s]

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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RODRIGUES, K. B., 2006. Filtração de gases: Estudo da deposição de diferentes tortas de filtração em diferentes meios filtrantes. PPGEQ/UFSCar, São Carlos-SP. (Tese de Doutorado).

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AGRADECIMENTOS