ESTUDO DA INFLUÊNCIA DA VIBRAÇÃO MECÂNICA EM UM SISTEMA DE FILTRAÇÃO GÁS-SÓLIDO

ESTUDO DA INFLUÊNCIA DA VIBRAÇÃO MECÂNICA EM UM

SISTEMA DE FILTRAÇÃO GÁS-SÓLIDO

¹Gustavo Costa Gerkman, ²Carolina Menezes Nascimento, ³Aline Marques Moraes Arouca, 4_{Fábio de}

Oliveira Arouca, 4_{Luiz Gustavo Martins Vieira e} 4_{João Jorge Ribeiro Damasceno}

¹ Bolsista do Programa de Educação Tutorial do MEC, discente do curso de Engenharia Química. ² Discente do curso de Engenharia Química da UFU/MG.

³ Aluna do PPG-EQ, curso de Doutorado em Engenharia Química, Faculdade de Engenharia Química da UFU/MG.

4 _{Professor da Faculdade de Engenharia Química, UFU/MG.}

1,2,3,4 _{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 - O uso consagrado de sistemas de filtração gás-sólido nas indústrias, para separação

de material pulverulento disperso em correntes gasosas, se deve à sua facilidade de instalação e baixo custo operacional. Objetivando tornar tais sistemas ainda mais eficientes, o presente estudo se propõe a avaliar os efeitos da vibração mecânica contínua na linha operacional de filtração. O sistema experimental consiste em uma caixa de alimentação de pó, em um filtro acrílico, ao qual foi acoplado um motor excêntrico para provocar a vibração do sistema, um compressor, três manômetros diferenciais e um soprador de ar. O material particulado utilizado foi rocha fosfática moída, sendo o meio filtrante constituído de material sintético. Os resultados comparam as curvas de filtração do sistema operando com frequência de vibração de 0 Hz, 7 Hz e 19 Hz, bem como a massa de pó acumulada por unidade de área em cada condição de operação do sistema. Foi possível verificar que o teste executado com alta frequência de vibração, 19 Hz, fornece resultados semelhantes ao sistema estático, ao passo que a diferença dos resultados nas outras frequências é significativa, quando estes são comparados aos resultados do sistema convencional (frequência de vibração de 0 Hz).

Palavras-Chave: Vibração mecânica, filtração gás-sólido e limpeza de gases.

INTRODUÇÃO

A emissão de materiais particulados ao meio ambiente aumenta à medida que o crescimento industrial desordenado perpetua no mundo. Tal fato gera a necessidade de se desenvolver e aprimorar técnicas eficientes para a separação em sistemas gás-sólido, visto que, métodos ultrapassados não atingem resultados satisfatórios e viáveis.

Há diversos dispositivos desenvolvidos para a separação gás-sólido, sendo a filtração a operação mais comum a nível industrial, principalmente após o surgimento dos filtros denominados de sintéticos. A filtração de gases utilizando filtros de tecido ou filtros de manga, como são industrialmente conhecidos, é utilizada

há muitos anos na separação de partículas em suspensão, sendo que a aplicação de filtros sintéticos tem predominado devido a algumas características físicas, tais como, alta eficiência de coleta, baixo custo, alta resistência mecânica e química, menor diâmetro de fibras e o fato de suportar elevadas temperaturas (DONOVAN, 1985).

O princípio de funcionamento dos filtros de tecido consiste na separação mecânica das partículas pelo escoamento do material particulado através do tecido e após um determinado período, pela camada de pó depositada em sua superfície, denominada torta de filtração (DICKENSON, 1994). Em nível industrial, vários tipos de tecidos podem ser empregados como meios filtrantes na operação de filtração, como por exemplo, tecidos

de origem animal como a lã e a crina, tecidos de origem vegetal e tecidos sintéticos, como o polipropileno, poliéster, nylon, teflon e o acrílico.

Estudos e pesquisas no mundo inteiro estão sendo desenvolvidos com o intuito de aprimorar a técnica de filtração, tornando o processo cada vez mais simples e viável, do ponto de vista econômico, reduzindo principalmente o custo energético e elevando a eficiência operacional.

No decorrer do processo de filtração existem várias variáveis a serem observadas para uma melhor análise do sistema. A queda de pressão no meio filtrante é uma importante variável para a avaliação do desempenho dos meios filtrantes, pois aumenta à medida que a torta de filtração é formada, atingindo um valor máximo preestabelecido pelas condições de operação, tornando necessária a remoção periódica da camada de torta formada. Desta forma, vários estudos estão sendo desenvolvidos com o intuito de analisar a formação e remoção da torta de filtração. Diferentes processos como a vibração mecânica, podem interferir na formação da mesma.

Desta forma, o presente trabalho tem por objetivo principal levantar uma comparação entre operações de filtração que envolvem vibração mecânica do meio filtrante com frequências de vibrações de 0 Hz, 7 Hz e 19 Hz. Além disso, será discutido os valores de massa acumulada por unidade de área para cada frequência mencionada, analisando então, a relação entre a massa acumulada por unidade de área no meio filtrante e a queda de pressão no filtro.

O descarte de material particulado é economicamente inviável às indústrias, visto que, um alto valor agregado pode ser vinculado ao mesmo. Muitos materiais de interesse são emitidos, juntamente com o fluxo gasoso, para a atmosfera, podendo assim causar sérios danos ao meio ambiente e aos seres que ali estão presentes. Por isso, pesquisas no mundo inteiro são realizadas para tornar a filtração cada vez mais simples e eficiente, analisando assim, todos os parâmetros que possam interferir de alguma forma o resultado do processo.

FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

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, formando 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). Na operação de filtração existem importantes variáveis que devem ser analisadas com o intuito de aprimorar a análise, obtendo resultados confiáveis e satisfatórios. Na filtração utilizando tecidos como meio filtrante, um parâmetro bastante importante é a porosidade da torta de filtração. A formação da torta de filtração pode ser evidenciada na Figura 1.

Figura 1 – Esquema da formação da torta de Filtração (Fargnoli, 2010).

Outra importante variável que influencia de forma direta o resultado da operação de filtração é a queda de pressão do meio filtrante, pois a medida que a espessura da torta de filtração aumenta, a passagem do gás por entre o filtro se torna cada vez mais difícil, e consequentemente a variação de pressão também aumenta, até atingir um valor preestabelecido pelas condições de operação. Além das variáveis já mencionadas, outros parâmetros que interferem no processo de filtração são: velocidade de filtração, temperatura do sistema, umidade a qual o sistema está exposto, densidade do gás filtrado, tamanho das partículas e as características do meio filtrante, como sua porosidade, diâmetro das fibras, espessura e permeabilidade (Barros, 2010).

AGUIAR (1991) desenvolveu um método no qual é possível se conhecer a espessura da torta (L) em função do tempo de filtração (t), conforme se pode observar na Equação 1. As variáveis W, s e ɛ representam, respectivamente,

a massa de pó depositada por unidade de área por unidade de tempo, a densidade das partículas sólidas e a porosidade da torta de filtração ou fração de vazios da torta (NUNES, 2011).

L =

_{ρs .(1−ε)}W

(1)

A massa de pó depositada no filtro por unidade de área pode ser determinada através da Equação 2 (NUNES, 2011).

𝑊 =

𝑀𝑡 . 𝑇𝑖_{𝐴 .𝑇𝑡}

(2)

Na qual:

W : massa de pó depositada por unidade e área; Mt : massa da torta de filtração recolhida no tempo Ti;

Ti : tempo correspondente ao ponto calculado; Tt : tempo total de filtração;

A : área de filtração.

METODOLOGIA EXPERIMENTAL

Figura 2 - Esquema da Unidade Experimental.

A realização dos experimentos de filtração ocorreu na unidade experimental, a qual pertence ao Laboratório de Processos de Separação Sólido-Fluido (LabSep) da Faculdade de Engenharia

Química da Universidade Federal de Uberlândia. O Esquema da Unidade Experimental é

mostrado na Figura 1, o qual é constituído pelos seguintes dispositivos; compressor radial do tipo WEG Plus da marca IBRAM de 5,5 HP (7,5 cv); comando de válvulas gaveta do tipo DN 50 da marca Deca de 2 polegadas de diâmetro para ajuste de vazão de ar; placa de orifício de aço inoxidável para determinação da velocidade de ar; manômetros diferenciais utilizando água como líquido manométrico conectados à placa de orifício e à caixa de filtração e suporte; caixa de filtração com área de filtração de 0,0153 m² e suporte; colunas de desumidificação composta por sílicas em gel; caixa acrílica de desumidificação,

composta por um motor vibratório, prato giratório, cone de alimentação de pó, psicrômetro de bulbo seco e bulbo úmido, potes de sílicas em gel e um coletor de excesso de pó; linhas de ar comprido conectadas às colunas de sílicas em gel; filtro – processador de ar e regulador de pressão da marca CENTURIUM com entrada de 5/16 polegadas BSP femea e duas saídas de ar reguláveis de 5/16 polegadasBSP macho e manometro de 175 lbs/pol².

A velocidade do fluxo de gás usado foi de 10 cm/s, sendo a vazão mássica de 0,183 g/s, a densidade da partícula era de 3,05 g/m3_{, já o} diâmetro desta era de 2,28 µm, a viscosidade do ar foi de 1,87x10-5 _{kg/ms e o gás apresentava uma} densidade de 1,068643996 kg/m³.

A rocha fosfática fina é depositada e manuseada no sistema de alimentação. Para que o sugador de pó do tipo Venturi, responsável pela alimentação do processo, seja capaz de sugar o particulado, a umidade relativa do ar dentro da caixa de acrílico deve ser medida e mantida entre 10% e 20%. Essa medida foi feita utilizando-se um psicrômetro de bulbo seco e bulbo úmido, que era composto por dois termômetros previamente calibrados fixados sobre um mesmo suporte e presos por garras. Caso a umidade relativa do ar de dentro da caixa não fosse medida, aconteceria a aglomeração das partículas, ocasionando um fenômeno denominado de empastamento, resultando em maior obstrução da passagem do fluxo gasoso. Para que a umidade relativa dentro da caixa de acrílico reduza, antes do início da operação, um fluxo de ar passa por uma coluna preenchida com sílicas em gel. O experimento inicia-se somente quando a umidade relativa está na faixa estabelecida

A caixa de filtração era o local no qual acontecia a operação de filtração (coleta das partículas). O tecido era colocado e parafusado entre duas molduras de acrílico. No experimento no qual utilizou-se vibração, com o intuito de controlar e medir a frequência de vibração do motor, ligou-se o inversor de frequência acionando-se o motor, fazendo com que iniciasse a vibração da caixa de filtração.

A alimentação do sistema é realizada através do sugador de pó do tipo Venturi. O meio filtrante utilizado nos experimentos foi o tecido sintético de poliéster. Para a medição da queda de pressão total no filtro, utilizou-se manômetros do tipo U e água como fluido manométrico. As tomadas de pressão foram colocadas na entrada e na saída da caixa de filtração. Durante o processo de filtração, a leitura da pressão no interior da caixa de filtração foi medida de 5 em 5 segundos e

a filtração só é interrompida quando a queda de pressão máxima é atingida, valor fixado em 4903,19 Pa, pressão correspondente à 50 cmH2O. Já para a determinação da vazão do gás nesses processos, utilizou-se uma placa de orifício e um manômetro do tipo em U conectado entre a saída da caixa de filtração e o soprador.

A distribuição granulométrica do material utilizado nos experimentos pode ser vista pela Figura 3.

Figura 3 – Análise Granulométrica.

Pode-se observar que 50% das partículas têm diâmetros inferiores a 10 m, 75% das partículas têm diâmetro inferior a 22,5 um.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

O presente trabalho mostra a realização de testes de filtração envolvendo vibrações de 0 Hz, 7 Hz e 19 Hz, analisando como esse parâmetro pode interferir nos resultados da operação. Com a realização dos experimentos, foi possível a construção de gráficos que permitem uma melhor análise da interferência da vibração em parâmetros como a queda de pressão para uma mesma massa fixa. Após a primeira análise, posteriormente a avaliação será realizada em relação à máxima queda de pressão preestabelecida pelas condiçoes operacionais qual frequência de vibração fornece o maior acúmulo de massa. Foi preestabelecido um valor máximo de queda de pressão equivalente à coluna de 50 cm de água para a realização dos testes. Sob as mesmas condições operacionais de filtração, tréplicas foram realizadas com intuito de manter a confiabilidade dos dados coletados.

As curvas de filtração envolvendo parâmetros como a queda de pressão e o tempo de operação para os sistemas com vibração mecânica serão expostos à seguir.

Figura 4 – Curva de filtração para o sistema com 0 Hz de vibração.

Figura 5 – Curva de filtração para o sistema com 7 Hz de vibração.

Figura 6 – Curva de filtração para o sistema com 19 Hz de vibração.

Analisando a curva de filtração, nas Figuras 4 e 6, para o sistema com 0 Hz e 19 Hz, percebe-se que o comportamento é bastante semelhante, podendo-se concluir que vibrações responsáveis por elevadas frequências não interferem na operação. A queda de pressão máxima preestabelecida nas tréplicas de experimento foi equivalente a 50 cmH2O, sendo possível perceber que para essa mesma queda de pressão, tanto para o sistema vibrando com 19 Hz quanto sem vibração (0 Hz), obteve-se o mesmo tempo total de filtração, aproximadamente 30 segundos. Interpretando o gráfico construído a partir dos dados coletados com a vibração de 7 Hz, na Figura 5, percebe-se que a operação de filtração com frequência medianas conduz a um tempo total de experimento menor, em relação aos outros testes, sendo aproximadamente 25 segundos.

A Figura 7 apresenta a comparação entre os valores de massa acumulada por unidade de área para os testes realizados nas três frequências testadas (0, 7 e 19 Hz). Observa-se que, para a mesma massa acumulada, os testes realizados com frequência de vibração de 7 Hz apresentaram maior queda de pressão que os testes nas frequências de 0 e 19 Hz. Isso podeindicar que a frequência de 7 Hz provoque alterações no arranjo das partículas no interior do meio filtrante, aumentando seu empacotamento, uma vez que, com a mesma massa acumulada, a queda de pressão é maior quando o sistema vibra a 7 Hz.

Figura 7- Comparação entre os valores de massa acumulada por unidade de área (W) para os testes em 3 frequências (0, 7 e 19 Hz).

A Figura 8 mostra a relação entre a espessura das tortas de filtração e a massa acumulada por unidade de área, em cada frequência testada. Nota-se que, do início do experimento até o acúmulo médio de 0,2 kg/m² de massa sobre o meio filtrante, as tortas alcançaram a mesma espessura média. No entanto, com a continuação do experimento, observa-se que a torta formada no sistema sem vibração alcançou maiores espessuras, seguida pela torta formada no experimento de 19 Hz. Isso mostra a semelhança no comportamento dos sistemas sem vibrar e com vibração de 19 Hz.

Figura 8 – Relação entre a espessura e a massa acumulada por unidade de área (W),

CONCLUSÃO

O sistema de filtração, operando nas condições estabelecidas no experimento, mostrou uma relação muito próxima no comportamento do sistema sem vibrar em relação ao sistema vibrando a 19 Hz. Foi possível observar diferenças no comportamento do sistema vibrando a 7 Hz, em relação ao sistema estático. A vibração de 7 Hz provocou aumento na queda de pressão da torta, para uma mesma massa acumulada por unidade de área, em relação à torta formada no sistema sem vibrar, além de conduzir a ensaios com menores tempos de filtração e menor coleta de massa filtrada. Portanto, pode-se inferir que a frequência de 7 Hz provoca alteração no empacotamento das partículas no interior do meio filtrante, de maneira a tornar o processo de filtração menos eficiente nessa faixa de vibração.

NOMENCLATURA

L espessura da torta;

W massa de pó depositada por unidade de área por unidade de tempo;

ρs

densidade das partículas sólidas; ɛ porosidade da torta de filtração;

Mt massa da torta de filtração recolhida no tempo Ti;

Ti tempo correspondente ao ponto calculado;

Tt tempo total de filtração; A área de filtração.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

AGUIAR, M. L. Filtracao de ar em filtros de tecido. (Dissertacao de Mestrado em Engenharia Quimica) – Centro de

Ciencias Exatas e de Tecnologia, Universidade Federal de Sao Carlos,Sao Carlos, 1991.

BARROS, P. M. Estudo da força de adesão de tortas de filtração de gases em diferentes condições operacionais. (Dissertação de Mestrado em Engenharia Química) – Centro de Ciências Exatas e de Tecnologia,

Universidade Federal de São Carlos,São Carlos, 2010.

DICKENSON, C. Filters and Filtration Hand book. [S.I.]: 3, 1994.

DONOVAN, R. P. Fabric filtration for combustion sources. New York, Marcel Dekker. Inc. 1985.

FARGNOLI, A. G. Estudo da Compressibilidade de Tortas de Filtração de Gases em Filtros de Tecido. (Dissertação de Mestrado em Engenharia Química) – Centro de Ciências Exatas e de Tecnologia, Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2010. NUNES, D. M. Construção de um Sistema de

Filtração de Gases para o Estudo da Formação e Remoção de Tortas de Filtração. Dissertação de Mestrado. Uberlândia – UFU, 2011.