UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA AGRÍCOLA
EFEITO DAS CARACTERÍSTICAS GRANULOMÉTRICAS E
DA ALTURA DA CAMADA FILTRANTE NO PROCESSO DE
RETROLAVAGEM EM FILTROS DE AREIA
JUAN CAMILO SALCEDO RAMIREZ
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA AGRÍCOLA
EFEITO DAS CARACTERÍSTICAS GRANULOMÉTRICAS E
DA ALTURA DA CAMADA FILTRANTE NO PROCESSO DE
RETROLAVAGEM EM FILTROS DE AREIA
Dissertação de Mestrado submetida à Banca Examinadora para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Agrícola, na Área de Concentração em Água e Solo.
JUAN CAMILO SALCEDO RAMIREZ
ORIENTADOR: PROF. DR. ROBERTO TESTEZLAF
CAMPINAS DEZEMBRO DE 2010
FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA
BIBLIOTECA DA ÁREA DE ENGENHARIA E ARQUITETURA - BAE - UNICAMP
Sa31e
Salcedo Ramirez, Juan Camilo.
Efeito das características granulométricas e da altura da camada filtrante no processo de retrolavagem em filtros de areia / Juan Camilo Salcedo Ramirez. --Campinas, SP: [s.n.], 2010.
Orientador: Roberto Testezlaf.
Dissertação de Mestrado - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Agrícola.
1. Irrigação. 2. Filtração. 3. Leito fluidizado. I. Testezlaf, Roberto. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Agrícola. III. Título.
Título em Inglês: Effect of grain size and depth bed filtering characteristics in the backwash process of sand filters
Palavras-chave em Inglês: Irrigation, Filtration, Fluidized bed. Área de concentração: Água e Solo
Titulação: Mestre em Engenharia Agrícola
Banca examinadora: Alberto Colombo, Edson Eiji Matsura Data da defesa: 07/12/2010
Ofereço a Deus todo poderoso por ter me abençoado pela graça do espírito e iluminado de sabedoria.
Dedico a minha família: pai mãe, irmãos, sobrinha e Solita, pelos
conselhos recebidos e apoio
AGRADECIMENTOS
Essa etapa da minha vida durou dois anos e oito meses, tempo de muita dedicação à vida acadêmica longe de meu país, de escolhas difíceis, de algumas dificuldades, mas, sobretudo, foi um tempo bom, de realização pessoal na busca pelo amadurecimento científico. Gostaria de compartilhar esse título com muitas pessoas. Agradecer pelo incentivo e apoio que me foi oferecido, e que com certeza, teve um papel de suma importância para que eu conseguisse atingir esse objetivo.
Quero primeiro agradecer a DEUS, que me deu de presente esse tema. Agradecer pela força espiritual, pela consolação, pelo amor, e por colocar em minha vida todas essas pessoas que contribuíram na construção do meu caminho.
Meus pais, Gustavo por ter despertado em mim o gosto pelo trabalho, minha mãe, Gilma, obrigado, por me incentivar e apoiar meus estudos, sobre todas as coisas. Obrigado por me ensinarem a ter gratidão, a ter humildade, e por sua compreensão, e, sobretudo, por me mostrarem o valor da vida e a alegria de viver. Amo vocês.
Meus irmãos, Ronald, Monica, obrigado, por acreditar em mim, pelo orgulho que sinto de vocês.
Minha sobrinha, Daniela, obrigado por me cativar com sua ternura, e pelo grande amor que sinto por você.
Minha segunda mãe, Solita, pelos conselhos, pelo carinho, pela paciência, pelo amor, e por ter contribuído a ser a pessoa que sou.
Meus agradecimentos especiais a minha namorada, Luisa, por ter me apoiado, por ser meu motor, por me entender, e ficar sempre ao meu lado nos momentos mais difíceis.
Toda minha família, tios, primos, obrigado pelo grande carinho e por serem tão queridos e especiais.
Ao Professor Roberto Testezlaf, que me acompanhou durante todo esse trajeto e por ter me permitido a possibilidade e oportunidade de realizar minha pesquisa de mestrado, fico
imensamente grato pelos conselhos, palavras de apoio, incentivo, motivação. Obrigado por ter sido companheiro, amigo, e por ter me orientado.
Aos amigos, colegas e parceiros do laboratório que contribuíram positivamente para essa conquista: Conan, Márcio, Douglas, Rhuanito, Adriana, Monalisa, Danielle, Karol, Camila, Angel, Franciana, aos técnicos Gelson, Giovanni e Túlio.
Meus amigos colombianos que estudam na Unicamp, obrigado.
Meus melhores amigos da Colômbia: Alejandro (Lalo), Rafael, Leo, Fabian, Nelson, Carito, Cacao, Negro, por sua confiança e apoio, pois vocês me ajudaram imensamente, torcendo desde a Colômbia, e me enviando forças e boas energias. Muito obrigado por tudo.
Também gostaria de agradecer as empresas fornecedoras dos equipamentos de filtração Amanco do Brasil, Marbella do Brasil e Hidrosolo Indústria e Comercio.
Agradeço aos professores e funcionários da FEAGRI, pela transferência de conhecimento e colaboração intelectual.
À FAPESP, pelo apoio financeiro e ter me beneficiado com bolsa de mestrado em parte do tempo da pesquisa e ao CNPq pelo financiamento do projeto de pesquisa.
Por fim, agradeço ao BRASIL, país maravilhoso por ter me acolhido e brindado com essa oportunidade de estudo.
“Grande parte das dificuldades pelas que atravessa o mundo deve-se a que os ignorantes estão completamente seguros e os inteligentes cheios de dúvidas”
SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ... 19 2. OBJETIVOS ... 22 2.1 OBJETIVO GERAL ... 22 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 22 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 23
3.1 GENERALIDADES SOBRE SISTEMAS DE FILTRAGEM ... 23
3.2 FILTROS DE AREIA ... 24
3.3 FUNCIONAMENTO DOS FILTROS DE AREIA ... 26
3.3.1 Processo de filtração ... 27
3.3.2 Processo da retrolavagem ... 28
3.4 CARACTERÍSTICAS DOS MEIOS FILTRANTES ... 36
3.4.1 Propriedades das partículas ... 37
3.4.2 Propriedades da camada filtrante ... 44
3.5 PERDAS DE PRESSÃO DURANTE A RETROLAVAGEM ... 45
3.5.1 Perdas de pressão pela estrutura e componentes internos ... 46
3.5.2 Perdas de pressão do meio filtrante ... 48
3.6 EXPANSÃO DA CAMADA... 53
3.7 VELOCIDADE MÍNIMA DE FLUIDIZAÇÃO ... 59
4. MATERIAIS E MÉTODOS ... 63
4.1.AVALIAÇÃO DE FILTROS DE AREIA EM CAMPO ... 63
4.1.1 Questionário técnico de avaliação da retrolavagem ... 63
4.1.2 Visitas técnicas ... 64
4.1.3 Metodologia de avaliação do processo de retrolavagem em campo ... 64
4.1.4 Análises de amostras do material filtrante ... 65
4.2 ENSAIOS EXPERIMENTAIS ... 66
4.2.1 Local ... 66
4.2.2 Módulo de ensaio experimental ... 66
4.2.3 Sistema de aquisição de dados ... 69
4.2.4 Condições experimentais ... 72
4.2.5 Procedimentos experimentais ... 77
4.3 AVALIAÇÃO DOS RESULTADOS OBTIDOS ... 78
4.3.1 Caracterização dos regimes de fluidização na retrolavagem ... 78
4.3.2 Avaliação dos filtros na ausência de meio filtrante ... 78
4.3.3 Avaliação dos filtros com meio filtrante... 79
4.3.4 Avaliação do meio filtrante ... 79
4.4 COMPARAÇÕES E MODELAGENS MATEMÁTICAS DOS RESULTADOS OBTIDOS... 80
4.4.1 Modelagem dos filtros vazios ... 80
4.4.2 Comparação dos comportamentos teóricos com os dados experimentais na velocidade mínima de fluidização ... 80
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 81
5.1 AVALIAÇÃO DOS FILTROS DE AREIA EM CAMPO ... 81
5.1.1 Caracterização dos filtros avaliados em campo ... 81
5.1.2 Características físicas dos meios filtrantes ... 82
5.1.3 Avaliação do processo de retrolavagem ... 84
5.2 ENSAIOS EXPERIMENTAIS ... 90
5.2.1 Identificação dos regimes da retrolavagem. ... 90
5.2.2 Caracterização hidráulica dos filtros na retrolavagem ... 103
5.3 COMPARAÇÃO TEÓRICA DOS RESULTADOS ... 125
5.3.1 Modelagem do comportamento dos filtros vazios ... 125
5.3.2 Comparação da velocidade mínima de fluidização ... 127
6. CONCLUSÕES ... 130
7. RECOMENDAÇÕES ... 131
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS. ... 132
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Vazões recomendadas para retrolavagem (m3 h-1) e por unidade de área (L s-1
m-2) para diferentes diâmetros efetivos do meio filtrante e diâmetros de filtro ... 30
Tabela 2: Equivalência em mesh dos diâmetros efetivos típicos de meios filtrantes . ... 39
Tabela 3: Densidade em (kg m-3 ) de matérias filtrantes usados convencionalmente ... 41
Tabela 4: Exemplos de esfericidade (ψ) de alguns materiais com partículas não esféricas. ... 42
Tabela 5: Perda de pressão ao longo da altura da camada em camadas fluidizadas para diferentes meios filtrantes ... 52
Tabela 6: Valores de α e m para diferentes materiais usados como meio filtrante ... 56
Tabela 8: Caracterização das propriedades físicas das areias utilizadas nos ensaios ... 73
Tabela 9: Características técnicas gerais dos filtros avaliados. ... 73
Tabela 10: Alturas da camada filtrante ensaiadas para os filtros avaliados ... 75
Tabela 11: Características físicas dos filtros avaliados nas visitas ... 81
Tabela 12: Características físicas das areias utilizadas nos filtros avaliados. ... 83
Tabela 13: Parâmetros avaliados da retrolavagem nos equipamentos das propriedades visitadas. ... 86
Tabela 14: Determinação da porcentagem de remoção para os filtros avaliados nas visitas. ... 89
Tabela 15: Intervalos de velocidade superficial (mh-1) no regime de camada fixa para cada granulometria nos três filtros ensaiados ... 93
Tabela 16: Velocidades mínimas de fluidização (mh-1) no regime de fluidização mínima para cada granulometria nos três filtros ensaiados. ... 95
Tabela 17: Velocidades superficiais (mh-1) no regime da fluidização particulada para cada granulometria. ... 99
Tabela 18: Velocidades superficiais (mh-1) no regime da camada borbulhante para cada granulometria ensaiada. ... 101
Tabela 19: Valores de velocidade superficial (mh-1) e vazão (m3h-1) para a expansão mínima recomendada de 25% nos três filtros avaliados... 120
Tabela 20: Equações representativas do comportamento matemático dos filtros avaliados ... 126
Tabela 21: Velocidades mínimas de fluidização estimadas (ms-1) pela Equação WEN &
YU (1966) para os filtros avaliados. ... 127
Tabela 22: Comparação da velocidade mínima de fluidização experimental e estimada (ms-1) a partir da equação de WEN & YU (1966). ... 128
Tabela 23: Dados experimentais de perda de carga (kPa) em função da carga hidráulica (m³m-²h-¹) para o filtro F1 ... 139
Tabela 24: Dados experimentais de perda de carga (kPa) em função da carga hidráulica (m³m-²h-¹) para o filtro F2 ... 139
Tabela 25: Dados experimentais de perda de pressão (kPa)em função da carga hidráulica (m³m-²h-¹) para o filtro F3 ... 140
Tabela 26: Resultados médios obtidos da diferença de pressão (kPa) para o filtro F1 ... 141
Tabela 27: Resultados médios obtidos da diferença de pressão (kPa) para o filtro F2 ... 142
Tabela 28: Resultados médios obtidos da diferença de pressão (kPa) para o filtro F3 ... 143
Tabela 29: Valores médios de perda de carga experimental ΔP (kPa) calculada para o meio filtrante nos filtros avaliados ... 144
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Detalhes dos componentes de um filtro de areia ... 25
Figura 2: Esquema do processo da filtração em filtros de areia ... 27
Figura 3: Esquema do processo da retrolavagem nos filtros de areia ... 29
Figura 4: Relação dos parâmetros que afetam a fluidização ... 32
Figura 5: Esquema mostrando os regimes de fluidização. ... 34
Figura 6: Exemplos esquemáticos da distribuição de alguns tipos de crepinas em filtros de areia e os respectivos valores de perda de pressão ... 47
Figura 7: Gráfico do comportamento teórico na perda de pressão (ΔP) com o aumento da velocidade superficial (Vs) para leitos fluidizados. ... 48
Figura 8: Gráfico representativo da relação entre velocidade superficial e a porosidade de um meio granulométrico homogêneo ... 55
Figura 9: Gráfico representativo do ponto da velocidade mínima de fluidização (Vmf) ... 59
Figura 10: Seqüência fotográfica da determinação do conteúdo de matéria orgânica nas amostras de areia ... 66
Figura 11: Esquema da montagem do módulo experimental com filtro para análise do processo de retrolavagem ... 67
Figura 12: Medidor de vazão eletromagnético ... 68
Figura 13: Esquema para digitalização de sinal analógico (Fonte: MONTEIRO, 2005) ... 69
Figura 14: Esquema das ligações dos dispositivos de medição ... 70
Figura 15: Detalhe da tomada de pressão para os sensores ... 71
Figura 16: Interface do sistema de aquisição de dados utilizados nos ensaios... 71
Figura 17: Curvas granulométricas das areias ensaiadas ... 72
Figura 18: Detalhe dos filtros ensaiados com os visores de vidros ... 74
Figura 19: Esquema dos parâmetros de controle realizados em cada filtro ... 76
Figura 20: Detalhes dos filtros avaliados nas visitas ... 81
Figura 21: Curvas granulométricas das amostras de areia coletada das visitas... 82
Figura 22: Fotografia mostrando a presença de limo na camada de areia. ... 88
Figura 23: Comportamento do regime de camada estática para os filtros F1, F2 e F3 ... 92
Figura 24: Comportamento da fluidização minima para os filtros F1, F2 e F3 ... 94
Figura 26: Comportamento da camada no regime borbulhante para os filtros F1, F2 e F3 ... 101
Figura 27: Curvas da variação de perda de carga (kPa) em função da carga hidráulica (m3m-2h-1) e do número de Reynolds para os filtros avaliados vazios ... 103
Figura 28: Curvas da variação da perda de pressão (kPa) em função da velocidade superficial (mh-1) para diferentes granulometrias e alturas da camada filtrante para o filtro F1 ... 106
Figura 29: Curvas da variação da porcentagem de expansão (%) em função da velocidade superficial (mh-1), para diferentes granulometrias e alturas da camada filtrante para o filtro F1. ... 108
Figura 30: Curvas da variação da perda de pressão (kPa) em função da velocidade superficial (mh-1) para diferentes granulometrias e alturas da camada filtrante para o filtro F2 ... 110
Figura 31: Curvas da variação da porcentagem de expansão (%) em função da velocidade superficial (mh-1), para diferentes granulometrias e alturas da camada filtrante para o filtro F2 ... 112
Figura 32: Curvas da variação da perda de pressão (kPa) em função da velocidade superficial (mh-1) para diferentes granulometrias e alturas da camada filtrante para o filtro F3 ... 113
Figura 33: Detalhe do efeito do entupimento das crepinas na superfície da camada de areia após o termino do retrolavagem no filtro F3. ... 114
Figura 34: Curvas da variação da porcentagem de expansão (%) em função da velocidade superficial (mh-1), para as diferentes granulometrias e alturas de camada filtrante para o filtro F3 ... 116
Figura 35: Comportamento da porosidade da areia em função da expansão da camada para as granulometrias avaliadas ... 117
Figura 36: Curvas da variação da perda de pressão (kPa) em função da velocidade superficial (mh-1) referentes a contribuição do meio filtrante para os filtros avaliados ... 123
Figura 37: Curvas ajustadas ao comportamento experimental dos filtros vazios ... 126
Figura 40: Detalhe da estrutura física do filtro HIDROSOLO ... 146
Figura 41: Detalhe da distribuição das crepinas dentro do filtro HIDROSOLO... 147
Figura 43: Detalhe do disco componente da crepina do filtro HIDROSOLO... 149
Figura 44: Detalhe da estrutura física do filtro da MARBELLA ... 150
Figura 45: Detalhe da distribuição das crepinas dentro do filtro da MARBELLA ... 151
Figura 46: Detalhe da crepina do filtro da MARBELLA ... 152
Figura 47: Detalhe da estrutura física do filtro do AMANCO ... 153
Figura 48: Detalhe da distribuição das crepinas dentro do filtro AMANCO ... 154
LISTA DE SÍMBOLOS
g : Aceleração da gravidade [LT-2] H : Altura câmara filtrante [L] L : Altura da camada estática [L] Hcf : Altura do corpo do filtro [L]
A : Área da seção superficial do recipiente [L2] Sp : Área da superfície da partícula [L²]
CH : Carga hidráulica [L3L-2T-1] ΔPt : Perda de carga na tubulação [L]
n : Coeficiente de expansão R2 : Coeficiente de determinação CU : Coeficiente de Uniformidade CV : Coeficiente de Variação
k : Constante dependente da densidade, formato e diâmetro da partícula. Lt : Comprimento da tubulação [L]
ρ : Densidade do fluido [ML-3]
ρp : Massa especifica da partícula [M L-3]
σ : Desvio padrão da média
ΔP : Diferença de pressão [M L-1T-2] Dc : Diâmetro da coluna de ensaio [L]
Def : Diâmetro efetivo médio da partícula [L]
Deq : Diâmetro equivalente [L]
df : Diâmetro do filtro [L]
Dt : Diâmetro interno da tubulação [L]
D10 : Diâmetro do grão equivalente á malha da peneira que permite a passagem do 10%
de areia [L]
D60 : Diâmetro do grão equivalente á malha da peneira que permite a passagem do 60%
de areia [L]
Dp : Diâmetro da partícula [L] ψ : Esfericidade
L0 : Expansão da camada [L]
Ga : Numero de Galileu RE : Numero de Reynolds
REp : Numero de Reynolds da partícula
E : Percentagem de expansão (%) ε : Porosidade da camada fixa
ε
0 : Porosidade da expansãoε
mf : Porosidade mínima de fluidizaçãoβ,θ : Variáveis dependentes das características da partícula m, α : Variáveis dependentes das propriedades da partícula Qr : Vazão de retrolavagem [L3 T-1]
Qs : Vazão sistema [L3 T-1]
Vt : Velocidade média na tubulação [LT-1]
Vmf : Velocidade mínima de fluidização [LT-1]
Vi : Velocidade de sedimentação da partícula. [LT-1] Vs : Velocidade superficial [LT-1]
μc : Viscosidade cinemática do fluido [L² T-1]
RESUMO
O desempenho adequado de filtros de areia na irrigação localizada requer que os processos de filtração e retrolavagem sejam realizados de forma a reter as partículas em suspensão indesejadas e que a lavagem do meio filtrante retorne a operação do equipamento às suas condições originais de limpeza. A retrolavagem pode ser mais eficiente quando se atinge expansões homogêneas da camada com baixas perdas de pressão em função das características granulométricas da areia e da altura da camada filtrante. As faltas de experiência do produtor e de informações técnicas dos fabricantes determinam que a retrolavagem não seja realizada corretamente em campo, prejudicando a funcionalidade e eficiência dos filtros de areia. Neste contexto, o objetivo do presente trabalho foi desenvolver estudos sobre o comportamento das características hidrodinâmicas de pressão e vazão no processo da retrolavagem em filtros com variações nas características físicas da areia e nos componentes internos dos filtros. O trabalho foi dividido em três partes. Inicialmente, foi realizada, uma pesquisa de campo sobre os procedimentos e manejos utilizados pelos agricultores na execução da retrolavagem. Em uma segunda etapa, foi utilizada uma metodologia experimental para ensaios de laboratório em três filtros de areia convencionalmente usados no mercado brasileiro, para avaliar os efeitos de diferentes granulometrias da areia e diferentes alturas da camada filtrante sobre a perda de carga ao longo da camada e sobre o processo de fluidização do leito. Finalmente, na ultima parte, os resultados obtidos foram comparados com comportamento teóricos para estimativa da velocidade mínima de fluidização. Os procedimentos realizados pelos produtores demonstraram falta de conhecimento no processo da retrolavagem que é executado de forma empírica baseado em recomendações incorretas dos fornecedores. Experimentalmente, obteve-se que o processo de retrolavagem é afetado significativamente pela perda de pressão causada pelos componentes estruturais internos do filtro (crepina e difusor). As comparações dos resultados calculados a partir da equação de WEN & YU (1966) com os resultados experimentais, revelaram concordâncias explicitas para as granulometrias menores. A pesquisa permitiu concluir que a vazão da retrolavagem necessária para a expansão adequada do leito, aumenta proporcionalmente com as condições da altura da camada e da granulometria da areia.
ABSTRACT
The adequate sand filters performance in localized irrigation requires that filtration and backwash processes are capable to retain unwanted suspension particles and to wash properly the media depth, returning the equipment operation to its original condition of cleanliness. The backwash process can be more effective when it reaches bed uniform expansions with low head losses, which depends on the grain size and the depth of media bed. The lack of experience of farmers and technical information from the manufacturers determine that the backwash process has been performed incorrectly in the field, affecting adversely the functionality and efficiency of the sand filters. In this context, the objective of this study was to develop studies on the hydrodynamic behavior of the relationship of working pressure and flow rate in the backwash process of sand filters with variations in sand physical characteristics and the internal hydraulic components of the filters. This study was divided into three parts. Initially, a field survey on the farmers backwash procedures and management was performed. In a second step, an experimental methodology was developed to evaluate three commercial types of Brazilian sand filters to assess the effects of different grains diameters and media layer depths on the head losses and the process of layer fluidization. Finally, the experimental results of the minimum fluidization velocity were compared with estimated values using the theoretical behavior of the process. The results showed that the procedures performed by the producers showed a lack of knowledge in the backwash process, which is executed based on empirical basis, oriented by imprecise information of suppliers. The experimental part demonstrated that the backwash process is affected significantly by the head loss originated from the internal structural components of the filter (underdrain and diffuser). The mathematical comparisons of the experimental results with the values estimated by the equation & WEN YU (1966) showed explicit agreements for smaller particle size. The research allowed concluding that the values backwash flow rate required for an adequate expansion, increases proportionally with the depth and the particle size of sand layer.
1. INTRODUÇÃO
A área irrigada brasileira vem apresentando crescimento constante ao longo das últimas décadas, determinando uma participação importante no agronegócio nacional. O interesse pela irrigação emerge nas mais variadas condições edafoclimáticas e socioeconômicas do país, na busca pelo sistema mais adequado que permita atingir satisfatoriamente as condições e os interesses econômicos envolvidos.
Em comparação com outros métodos de irrigação, a aplicação localizada de água apresenta um elenco de vantagens potenciais, incluindo a economia de recursos hídricos, aumento na produtividade das culturas e redução nos custos de energia, gerando aceitação por produtores rurais que exploram culturas com bom valor agregado. Seus benefícios são decorrentes do princípio da distribuição “localizada” de água, fertilizante e outros produtos químicos, onde a aplicação ocorre somente próxima à região radicular das plantas, permitindo um melhor aproveitamento do recurso hídrico e com aumento potencial da produção por área cultivada. Adicionalmente, é um sistema que permite automação, possibilitando um menor emprego de mão de obra na operação e maior confiabilidade na atividade.
Dentre os métodos de irrigação localizada encontra-se o sistema de gotejamento, que aplica a água em forma pontual de gotas na superfície do solo, a baixas vazões, utilizando-se emissores de diferentes tipos que possuem seções transversais de saída de água com pequenas dimensões. Dessa forma, a presença de material sólido suspenso na água é um fator que pode afetar o desempenho desses sistemas de irrigação, devido ao entupimento dos emissores. O processo de obstrução dos gotejadores pode se tornar um sério problema para a operação e manutenção do sistema e significar um aumento no custo operacional. Uma das formas de melhorar a qualidade de água e reduzir o processo de obstrução dos emissores em projetos de irrigação localizada é a instalação de sistemas de filtragem.
Dentre os filtros utilizados na irrigação localizada, o filtro de areia se destaca por ser capaz de filtrar tanto material inorgânico como orgânico, removendo inclusive partículas menores do que o diâmetro de seus poros devido ao processo de retenção que ocorre entre as partículas filtradas e os grãos de areia. Esses filtros são mais recomendados na presença de contaminação orgânica e de algas e, o correto dimensionamento e operação desses equipamentos garantem o controle efetivo da qualidade da água de irrigação, reduzindo a
obstrução de emissores, a manutenção da uniformidade de aplicação de água e os custos de operação do sistema.
O processo de filtração utilizando filtros de areia ou granulares possui duas operações básicas de funcionamento: filtração, para a remoção de matéria em suspensão na água mediante a sua passagem pela areia, e a retrolavagem, etapa utilizada para a limpeza ou retirada da matéria ou impurezas acumuladas ao longo da camada filtrante. A determinação da capacidade de filtração e o entendimento do processo de retrolavagem são essenciais para a operação adequada e otimizada desses equipamentos.
As falhas que podem ocorrer na limpeza dos filtros de areia resultam na deterioração das condições físicas da camada filtrante, podendo prejudicar o desempenho do equipamento e comprometer o funcionamento do sistema de irrigação. Quando a retrolavagem não é bem realizada ocorre o entupimento ou a obstrução da camada de areia, causado pelo fechamento dos espaços porosos pela presença de materiais suspensos orgânicos ou inorgânicos. A correção desse processo de obstrução requer modificações nas condições hidráulicas do sistema para a realização da limpeza, gerando perdas de areia, uso maior de energia nos equipamentos de bombeamento e maior custo de manutenção.
Um dos problemas mais comuns que ocorrem na operação do sistema de filtragem é a falta de conhecimento e de treinamento dos agricultores na execução da retrolavagem dos filtros, que utilizam procedimentos empíricos no momento da limpeza, especialmente na definição da vazão correta e o tempo de retrolavagem. Aliado a essa questão, a pouca assistência técnica que os produtores têm, é fornecida pelas próprias empresas fornecedoras dos equipamentos que recomendam a operação e manutenção dos filtros de areia com pouco conhecimento teórico sobre os processos de filtragem e de retrolavagem. Adicionalmente, a inexistência de uma metodologia ou técnica que avalie a eficiência do processo de retrolavagem, impossibilita a padronização de procedimentos mais adequados. Dessa forma, a falta de uma metodologia padrão nas atividades de manutenção e operação dos filtros de areia, obriga os produtores a definir seus próprios procedimentos a partir da sua experiência e de suas limitações técnicas, induzindo a sérios problemas no uso da irrigação localizada.
A operação correta do processo de retrolavagem requer que a camada filtrante seja fluidizada, expandindo-se em conseqüência do fluxo reverso da água. A relação vazão-pressão recomendada para a fluidização do leito filtrante que permite a expansão adequada da camada
de areia, varia proporcionalmente com as características granulométricas da areia e da altura da camada do leito filtrante. Esse procedimento deve ser baseado em vazões predeterminadas e controladas para atingir a eficácia desejada da limpeza e impedir perdas de areia da camada. A determinação correta do valor da vazão de retrolavagem é crítico para o processo, pois a água deve fluir numa vazão diferente do que a vazão de filtragem. A utilização de valores de vazões de limpeza excessivos resultará na perda do meio filtrante, enquanto que o uso de valores abaixo do requerido determinará uma limpeza não adequada da camada de filtração. Portanto, valores de vazões e pressões apropriados de retrolavagem que determinem a expansão correta da camada de areia devem ser determinados baseados nas características do modelo de filtro utilizado, da granulometria dos grãos e da uniformidade da areia para que os objetivos do uso desses equipamentos sejam atingidos dentro das condições técnicas corretas.
Na literatura existem poucas referências bibliográficas sobre o projeto e manutenção de equipamentos de filtração utilizados na irrigação associada a informações dispersas de fabricantes. Consequentemente, não se dispõem ainda no Brasil de procedimentos e informações técnicas detalhadas sobre a operação dos filtros adequadas às nossas condições. Além disso, os procedimentos utilizados pelos agricultores no momento de fazer a retrolavagem são baseados na experiência dos operadores e com metodologias pouco convencionais, por exemplo: a utilização de pressões superestimadas, a definição inadequada dos tempos de retrolavagem e o uso de areias com granulometrias incorretas.
Portanto, a hipótese desse trabalho é que a relação vazão-pressão recomendada para a fluidização do leito filtrante durante a retrolavagem, que permite a expansão adequada da camada de areia, aumenta proporcionalmente com as características granulométricas da areia e da altura da camada do leito filtrante. Para a sua validação, pretende-se estudar o processo de retrolavagem pela aplicação da teoria dos leitos fluidizados, na determinação das condições operacionais ótimas para diferentes modelos comerciais de filtros de que possam ser recomendadas para se atingir um processo de retrolavagem eficiente nos equipamentos.
2. OBJETIVOS 2.1 Objetivo Geral
Desenvolver estudos com filtros de areia utilizados na irrigação localizada contribuindo com informações técnicas-científicas sobre o comportamento das características hidrodinâmicas de pressão e vazão no processo da retrolavagem com variações nas características físicas da areia e nos componentes internos dos filtros.
2.2 Objetivos Específicos
Avaliar a operação do processo de retrolavagem e o funcionamento de filtros de areia em propriedades agrícolas da região de Campinas;
Identificar as etapas ou fases do processo de fluidização de leitos filtrantes, caracterizando a ocorrência do processo de retrolavagem em filtros pressurizados;
Desenvolver os seguintes ensaios com os modelos de filtros comerciais:
o Determinação da perda de carga para diferentes estruturas internas sem leito filtrante durante a operação de reversão do fluxo de água;
o Determinação das curvas de perda de carga para diferentes granulometrias e altura da camada filtrante no processo de retrolavagem;
o Determinação da expansão do leito em função das velocidades superficiais durante o processo de retrolavagem;
Simular matematicamente o processo de retrolavagem em filtros pressurizados de meios porosos, buscando modelar o comportamento da velocidade mínima de fluidização a partir dos parâmetros físicos do meio filtrante.
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 Generalidades sobre sistemas de filtragem
A água utilizada nos sistemas de irrigação é principal fonte geradora de matérias contaminantes. Segundo PITTS et al. (1990) existem dois tipos de água utilizada na irrigação: água superficial e água subterrânea, sendo que cada uma delas pode produzir características especificas de entupimentos, por exemplo, problemas por crescimento de algas e bactérias, associados ao uso de águas superficiais, enquanto acumulações de minerais e precipitados químicos é mais comum de encontrar no uso de águas subterrâneas.
O entupimento físico de componentes de sistemas de irrigação pode ser causado por fatores físicos, químicos e biológicos (PITTS et al., 1990). Os componentes físicos incluem partículas inorgânicas (areia, silte argila etc.), os componentes biológicos como algas, bactérias e matéria orgânica em decomposição (principalmente resíduo vegetal e animal), e os componentes químicos como diferentes metais alcalino-terrosos, ânions e cátions de adubos ou elementos como ferro, cobre, zinco, manganês e fósforo. Esses materiais encontram-se associados ou suspensos na água utilizada para irrigar (NAKAYAMA & BUCKS, 1998).
A filtragem da água de irrigação constitui-se em uma medida eficaz na redução de bloqueios físicos dos emissores, e sua realização se facilita com múltiplos tipos de sistemas que existem como: filtro de tela, filtro de discos, filtro de areia, filtro de manta sintética não tecida, os quais em condições de uso individual ou agrupados podem melhorar a eficiência de remoção. Conforme GHEYI et al. (1999), os sistemas de filtragem são fundamentais em projetos de irrigação localizada, pois os emissores têm orifícios de dimensões reduzidas e ficariam obstruídos com o uso de água sem um grau de filtração adequado. Portanto, a obstrução desses acessórios afeta não somente a adequação da irrigação para as plantas, como também a uniformidade da aplicação da água do sistema.
A escolha do sistema de filtração deve ser realizada de acordo com a qualidade da água, vazão do sistema e do tipo de emissor. Recomenda-se que na filtragem a água passe por orifícios tão pequenos que as impurezas possam ser retidas, e que, em geral, esses orifícios possuam tamanho de 1/6 a 1/10 da menor passagem existente dentro dos emissores (GILBERT & FORD, 1986, BURT, 1994a; PIZARRO CABELLO, 1996).
Segundo BERNARDO et al. (2005), os sistemas de filtragem comumente utilizados nos sistemas são: filtros de tela, eficientes para reter partículas de diâmetros muito pequenos,
como areia fina, mais entopem rapidamente quando se usam para filtrar água com matéria orgânica e algas; filtros de disco, mais eficientes que os filtros de tela e mais fáceis de limpar onde a qualidade da filtragem vai depender da espessura das ranhuras; filtros de areia, que devido a sua constituição interna são responsáveis da filtração das partículas grosseiras e mais recomendados na presença de contaminação orgânica e de algas. KELLER & BLIESNER (1990) comentam que os filtros de areia são utilizados principalmente para reter cargas pesadas de areia muito fina e material orgânico e seu dimensionamento garante o controle efetivo da qualidade da água de irrigação, visando a redução da obstrução de emissores, a manutenção da uniformidade de aplicação de água e a evitar o aumento nos custos de operação do sistema.
LOPEZ et al. (1997) afirmam que os filtros de areia têm uma maior capacidade de filtração e é recomendável usá-los para remover contaminantes orgânicos e partículas de matéria em suspensão, por apresentarem uma maior superfície de filtragem. Entretanto, BRALTS (1986) considera que os filtros de areia podem entupir rapidamente, dependendo da quantidade de sólidos na água e da eficiência do filtro. Uma das formas de aumentar a eficiência desses equipamentos seria utilizar no mínimo dois filtros de areia em paralelo, de forma que se ocorrer o entupimento no meio filtrante de um dos filtros, será possível realizar o retrolavagem sem interromper o processo de filtração. Além disso, a capacidade de filtração com dois filtros é maior pela maior área de filtração disponível.
Em geral, a manutenção preventiva e constante constitui-se na melhor solução para reduzir ou eliminar as causas de entupimento. BERNARDO et al. (2005) consideram os filtros de areia como uma opção favorável para utilizar em sistemas de irrigação localizada pelas características próprias de sua funcionalidade e eficiência de remoção, mas, uma busca constante na pesquisa, aplicadas as condições existentes no Brasil em função do conhecimento de operação e otimização dos processo da filtração e retrolavagem é recomendado para ampliar as informações existentes desse equipamento (TESTEZLAF, 2008).
3.2 Filtros de areia
Segundo a ASABE (1994), os filtros de areia são dispositivos que utilizam uma camada de meio filtrante para remover partículas orgânicas e inorgânicas presentes na água para irrigação. Fabricados em chapas de aço de carbono na maioria das vezes com
externos de resinas para proteção aos raios ultravioletas (TESTEZLAF, 2008). BERNARDO et al. (2005), assinalam que este tipo de dispositivo normalmente é instalado no inicio do cabeçal de controle, seguido do injetor de fertilizantes.
A Figura 1 mostra os principais componentes de um filtro de areia. Esse equipamento é, geralmente, composto tubulações de entrada e saída, duas aberturas localizadas na parte superior e inferior para preenchimento e esvaziamento da areia, uma placa difusora para distribuição do fluido, uma camada de areia como meio filtrante, um sistema de drenagem constituído, na maioria das vezes, por crepinas localizadas na parte inferior da camada de areia e medidores de pressão para controle.
Figura 1: Detalhes dos componentes de um filtro de areia
Segundo MESQUITA (2010), os dois elementos estruturais internos mais importantes do filtro de areia são: o difusor de entrada e o sistema de drenagem. O primeiro prepara as condições internas de movimento do afluente para o leito filtrante e o segundo proporciona condições ideais para a lavagem da camada e permite a condução do efluente sem o arraste de impurezas e/ou material filtrante para o sistema de irrigação.
O difusor ou placa difusora é uma estrutura normalmente metálica, posicionada na extremidade superior interna do filtro, abaixo da tubulação de entrada da água, sendo responsável por distribuir uniformemente o afluente na superfície filtrante (MESQUITA, 2010). O difusor tem o objetivo de evitar a remoção e movimentação da areia pela incidência do jato de água que entra no filtro ao bater diretamente na superfície da camada (PIZARRO
CABELO, 1996). Os sistemas de drenagem (crepinas) suportam a camada de areia e, permitem a saída da água durante a filtração e entrada ao filtro durante a retrolavagem, sendo que durante esses processos contribuem com a limpeza da água filtrada evitando conjuntamente a perda do meio filtrante. Além disso, deve, durante o ciclo reverso da água, permitir a distribuição uniforme do fluxo através da camada, (BURT, 1994a).
MESQUITA (2010) avaliou três marcas de filtros mais utilizados no Brasil e determinou para a condição de filtros vazios, que os componentes internos do filtro em conjunto com cargas hidráulicas acima de 60 m3 m-2 h-1, alteraram a superfície do leito filtrante no processo da filtração. Entretanto, não se têm registros da influência desses componentes no processo da retrolavagem, e se estima que as perdas de pressão nesse caso sejam significativas e estão em função do tipo de componente, e do tipo de distribuição dentro do filtro. No caso dos drenos, tendo a distribuição é feita de acordo com as especificações e critérios dos fabricantes, não se tem uma norma padrão para regular os componentes, nem a quantidade de drenos necessários que permitam uma execução do processo efetivamente.
A escolha dos componentes internos apropriados eleva os níveis de eficiência nos sistemas de filtração permitindo funcionalidade na operação tanto da filtração como da retrolavagem, sendo que o comportamento dos componentes é função de requerimentos de hidráulicos dos equipamentos.
Os filtros de areia devem ser dimensionados de forma que possam assegurar a qualidade da água em condições máximas de conteúdo de sólidos suspensos de determinados lugares (HAMAN et al., 1994). O funcionamento desses filtros depende da qualidade da água, e para LOPEZ et al. (1997), utilizar vazão entre 50 e 70 m3 h-1 m-2, para uma queda máxima de pressão admitida de 60 kPa, é o intervalo recomendado como normal de vazão. LAWRENCE (2003) recomenda para os filtros de areia uma vazão de 35 a 60 m3 h-1 m-2 de área do leito filtrante, sendo que maiores valores de vazão podem ser utilizados quando os contaminantes da água sejam menor que 10 ppm de matéria em suspensão. Quando a água apresentar 100 ppm de matéria em suspensão, um valor menor vazão deve ser utilizado para evitar retrolavagens freqüentes nos filtros.
3.3 Funcionamento dos filtros de areia
3.3.1 Processo de filtração
A filtração é um processo no qual as partículas sólidas presentes no fluido em estado suspenso são retidas através da passagem da água por um meio poroso, cujas características granulométricas permitem reter partículas de maiores diâmetros que aos do meio. MATSURA et al. (1989), comentam que filtração reduz o entupimento dos emissores e a desuniformidade de distribuição de água nas culturas irrigadas.
A Figura 2 mostra o esquema do processo da filtração para filtros de areia. Esse processo se inicia com a entrada do efluente no filtro pelo difusor que distribui o fluxo sobre a camada filtrante. Após passar pelos espaços intersticiais da camada de areia e deixar retido os sólidos suspensos, chega até as crepinas que conduz o efluente pelas tubulações do sistema aos emissores de irrigação.
Figura 2: Esquema do processo da filtração em filtros de areia
Segundo DI BERNARDO (1984) a remoção das partículas suspensas presente na água é realizada pela ação conjunta de dois mecanismos distintos o transporte e aderência. . O mecanismo de transporte é um fenômeno físico e hidráulico que é influenciado principalmente pelos parâmetros que governam a transferência de massa, caracterizado pela condução das partículas para as regiões próximas da superfície dos grãos coletores (meio filtrante). O princípio da aderência ocorre pelo contato entre a partícula em suspensão e o grão do material filtrante ou entre sedimentos (PIZARRO CABELO, 1996). Esse mecanismo explica a capacidade dos filtros com meio filtrante para reter partículas com diâmetros inferiores
(diâmetros de 0,01 até 10 µm) que o tamanho dos poros (RICHTER & NETTO, 2000), sendo a sua eficácia influenciada principalmente pelos parâmetros físicos e químicos do meio filtrante.
DI BERNADO & DANTAS (2005) afirmam que a filtração em filtros lentos pode ocorrer com ação de profundidade ou com ação superficial. No caso da filtração com ação de profundidade, a retenção das impurezas ocorre em todo meio filtrante e a taxa de filtração é máxima. Com ação superficial, a retenção das impurezas ocorre somente na superfície (ou seja, nas primeiras camadas do meio filtrante), e a taxa de filtração é mínima. Para filtros de areia para irrigação localizada algumas características relacionadas com esse tipo de filtração são similares.
A eficiência da filtração esta relacionada com as características da água utilizada, as características granulométricas do meio filtrante, espessura da camada e pelas características hidráulicas do sistema (WAKEMAN, 2007). Para HAMAN et al. (1994), a eficiência de filtração dos filtros de areia é medida pela capacidade de remover partículas de um determinado tamanho, e seu valor aumenta com a redução da granulométrica do elemento. Por outro lado, a eficiência de remoção é inversamente proporcional à vazão do sistema, ou seja, quanto maior a vazão, menor será a retenção do meio filtrante.
3.3.2 Processo da retrolavagem
A ASABE (1994) define a retrolavagem como o procedimento de passagem da água através do filtro em sentido contrário ao fluxo de filtragem com o objetivo de remover partículas orgânicas e inorgânicas retidas no meio filtrante. Os sistemas de filtração com areia devem possuir um mecanismo para reverter a direção do fluxo da água para facilitar a sua limpeza, toda vez que houver um aumento da perda de carga através do filtro ou no final da irrigação das culturas de ciclo curto (BERNARDO et al., 2005).
A Figura 3 ilustra o processo da retrolavagem de um filtro de areia convencional. O efluente previamente filtrado entra em direção ascendente pelas crepinas que distribuem o fluxo ao longo da camada de areia. A passagem do fluído no sentido contrário determina uma expansão da camada filtrante ficando parte da camada de areia suspensa no fluído removendo as partículas aderidas. Essa remoção é feita pelas diferenças de densidades entre as partículas e o meio filtrante, sendo que as partículas com mais densidade ficam dentro do filtro, enquanto
as partículas de menor densidade serão expulsas. Normalmente, se utiliza água filtrada passada por um ou vários filtros para limpeza de outro filtro.
Figura 3: Esquema do processo da retrolavagem nos filtros de areia
A expansão que a camada alcança depende da vazão do fluxo ascendente. TESTEZLAF (2008) afirma que o valor da vazão determinará a altura de expansão progressiva da camada filtrante e deve ser suficiente para manter em suspensão as partículas de areia, e assim possibilitar a manutenção da areia dentro do filtro de tal forma que remova as partículas contaminantes. Segundo a SCS (1973), a vazão de retrolavagem varia com o diâmetro efetivo da areia, com altura da camada filtrante e com o modelo construtivo de filtro. KELLER & BLIESNER (1990) recomendam vazões médias de 25,2 a 36,0 m3 h-1 m-2 para diâmetros efetivos médios da areia entre 1,9 e 1,0 mm, e de 50,4 a 61,2 m3 h-1 m-2 para areias com diâmetros efetivos entre 1,0 a 0,82 mm.
HAMAN et al. (1994), recomendam utilizar para retrolavagem vazões apontadas na Tabela 1, segundo o diâmetro do filtro e o diâmetro do meio filtrante, sendo que existe uma vazão considerada ótima para realizar o processo de retrolavagem. Pela Tabela 1 é possível observar que quanto maior é o diâmetro do filtro e o diâmetro efetivo do meio, maior serão os requerimentos de vazão, por conseguinte para os filtros de maior diâmetro as alturas alcançadas no momento de fluidizar a camada serão maiores.
Tabela 1: Vazões recomendadas para retrolavagem (m3 h-1) e por unidade de área (L s-1 m-2) para diferentes diâmetros efetivos do meio filtrante e diâmetros de filtro (HAMAN
et al., 1994) Diâmetro Efetivo (mm) Diâmetro do filtro (cm) 45,7 61,0 61,0 91,4 122,0 1,5 11,6 (19,7) 20,7 (19,7) 32,0 (19,5) 45,7 (19,4) 81,8 (19,4) 0,78 5,9 (10,0) 10,9 (10,4) 16,8 (10,2) 23,8 (10,1) 42,7 (10,2) 0,66 7,3 (12,4) 12,9 (12,3) 20,2 (12,3) 28,6 (12,1) 51,1 (12,1)
Uma consideração importante sobre a operação da retrolavagem tem a ver com o inicio do momento do processo. As referencias existentes limitam as recomendações a operações analisadas em diferentes condições, pelas quais não se têm critérios padronizados. Para conhecer o momento que a limpeza do filtro é necessária determinar as perdas de pressão entre a entrada e a saída do filtro (PIZARRO CABELO, 1996). DASBERG & BRESSLER (1985) indicam que o filtro deve iniciar a retrolavagem quando as perdas de pressão atingem 100 kPa. Em condições de funcionamento normal KELLER & BLIESNER (1990), indicam uma perda máxima de carga de 70 kPa, limite a partir do qual é recomendada a realização da retrolavagem. Por outro lado SILVA et al. (2003), afirmam que a retrolavagem deve ser realizada a cada aumento de 10 a 20 % da perda de carga correspondente ao filtro limpo.
Alguns fatores podem provocar perdas de areia nos filtros durante a retrolavagem, segundo VALERIANO (1995). Em filtros lentos, as perdas do meio filtrante ocorrem quando existem camadas duplas com diferentes formatos e densidades de partículas. Esse autor afirma que a causa pela qual ocorrem mais perdas são devido ao uso excessivo de velocidades superficiais sem controle, e referencia o uso de velocidades superficiais entre 40,0 a 60,0 m h-1 para filtragem com antracito. PIZARRO CABELO (1996), estima que o valor mínimo de velocidades para retrolavagem em areia deve ser de 40 m h-1 em filtros de areia para irrigação localizada.
O tempo e a frequência de retrolavagem podem variar de algumas horas até vários dias, dependendo das características do material filtrante e do grau de concentração de materiais em suspensão na água de irrigação (VERMEREIN & JOBLING, 1984; SHOLJI & JOHNSON, 1987). Alguns autores reportam durações de tempos de retrolavagem entre 3 a 12
min., incluindo o tempo da passagem da água pela filtração para depois utilizar-la na lavagem do meio (JOHNSON & CLEASBY, 1966, citado por BHARGAVA & OJHA, 1989)
A retrolavagem em filtros de areia é necessária e é um complemento importante da filtração, melhorando a qualidade da água e diminuindo os níveis de turbidez presente. Alguns problemas associados com a filtração podem ser produzidos por excesso ou por inadequação da retrolavagem. Para a melhoria do desempenho de filtro é preciso considerar o tipo de equipamento e meio filtrante que se está utilizando para aplicar as vazões apropriadas. Uma expansão insuficiente do meio filtrante produz uma limpeza inadequada da camada, gerando diferentes problemas na filtração, como exemplo as oscilações hidráulicas ou mudanças no fluxo, curtos tempos na filtração e eventualmente formação de aglomerações.
3.3.2.1 Mecanismos da retrolavagem
A retrolavagem é um procedimento que envolve mecanismos associados com as teorias de fluidização de leitos porosos. O entendimento dos comportamentos básicos da retrolavagem permite a determinação de critérios concretos nas análises dos parâmetros físicos e hidráulicos que afetam desse processo.
3.3.2.1.1 Fluidização
GUPTA & SATHIYAMOORTHY (1999) definem a fluidização como o fenômeno de dar propriedades de um fluído a um leito de partículas sólidas, pela ação ou efeito de passar um fluído através deste, a uma velocidade tal que consiga levantar-lhe até uma determinada altura, evitando as menores perdas possíveis do leito utilizado.
A visualização da fase de fluidização fornece evidências de processos complexos difíceis de descrever do comportamento da camada durante a lavagem. As forças geradas por cisalhamento e colisões de grãos têm papel importante na remoção de impurezas. WEBER (1979) afirma que a energia de colisão afeta significativamente os resultados de limpeza das partículas de areia e que depende de sua granulometria.
Existe fluidização gerada pela passagem de líquidos (sistema liquido sólido) e pela passagem de um gás em meios porosos (sistema gás-sólido). Em particular, as camadas fluidizadas com líquidos são de natureza homogênea na sua expansão e menos turbulentos, sendo que o leito se expande progressivamente em proporções maiores que o seu estado ou nível inicial e depende do aumento da taxa de fluxo ascendente de líquido com aumento na
agitação das partículas. Por outro lado, uma camada fluidizada com gases apresenta heterogeneidade no momento de se expandir e são geralmente de natureza borbulhante e sua expansão é limitada, raramente é possível observar fluidização total de partículas em sistemas gás-sólido (DAVIDSON et al., 1985). E, somente em casos muito raros, os sistemas líquido-sólido se comportam como leitos borbulhantes, ocorrendo somente com líquido-sólidos muito densos, fluidizados com líquidos de baixa densidade.1
Os parâmetros que afetam a fluidização podem ser classificados em dois grandes grupos: variáveis independentes e variáveis dependentes (Figura 4). As propriedades dos fluidos e partículas, pressão e temperatura são as principais variáveis independentes. As variáveis dependentes incluem propriedades especiais de dinâmica e forças (GUPTA & SATHIYAMOORTHY, 1999)
Figura 4: Relação dos parâmetros que afetam a fluidização2
A determinação da velocidade inicial de fluidização é o parâmetro mais importante e fundamental no processo da fluidização, sendo conhecida como a velocidade superficial no momento do inicio da fluidização. A velocidade superficial é definida como a quantidade de vazão que passa pela seção transversal do recipiente que contém o meio filtrante num determinado intervalo de tempo, neste caso vazão de retrolavagem segundo a Equação 1:
1
. [1]
Sendo:
Vs: Velocidade superficial [L T-1]. Qr: Vazão de retrolavagem [L3 T-1]
A: Área da seção superficial do recipiente [L2]
A área da seção é uma propriedade que não afeta as condições de fluidização, segundo JOHARI & TAIB (2007), sendo influenciada principalmente pelo tamanho da coluna ou equipamento, onde é realizado o processo.
A velocidade inicial de fluidização determina os momentos de transição entre a camada fixa e as camadas fluidizadas (GUPTA & SATHIYAMOORTHY, 1999). O seu conhecimento permite o controle dos regimes para empregar os comportamentos da camada em determinadas aplicações. Entretanto, as experiências indicam que as transições entre regimes não são fáceis de serem observadas ou identificadas.
O processo de fluidização de leitos é constituído de fases ou comportamentos diferentes ao longo de sua ocorrência que determinam a forma descritiva dos regimes, cuja existência permite que a fluidização seja aplicada em múltiplas áreas de desenvolvimento, principalmente, usada em processos industriais no controle de operações físicas de separação, filtração e misturas (LOPEZ, 2009).
3.3.2.1.2 Regimes da fluidização.
O leito filtrante se expande dependendo da velocidade do fluido ascendente (gás ou líquido), e devido a essa expansão, a altura do leito pode se incrementar. Basicamente existem seis tipos de regimes que podem ocorrer em sistemas de fluidização: camada fixa ou estática, mínima fluidização, fluidização particulada, fluidização borbulhante, fluidização turbulenta e transporte pneumático, os quais podem ser observados na Figura 5. Segundo LOPEZ (2009), na fluidização de leitos nem todos os regimes característicos aparecem simultaneamente, pois a sua ocorrência é função e está determinada pelos parâmetros independentes do leito, mas, em alguns estados, podem ser produzidas algumas de suas características.
Figura 5: Esquema mostrando os regimes de fluidização.1
Camada fixa ou estática
Na camada fixa ou estática as partículas permitem a passagem do fluido sem registrar separação entre elas, o que determina uma altura ou espessura de camada constante e igual à altura inicial da camada, sendo que a porosidade do leito não sofre modificações. Neste regime o fluido experimenta a maior queda de pressão (MELÉNDEZ & GUTIÉRREZ, 2004). Apesar de o fluido ter uma velocidade baixa, não produzindo movimentação das partículas, ele circula pelos espaços vazios do leito determinando perdas de pressão (Figura 5a).
Fluidização mínima
Conhecido também como leito pré-fluidizado ou fluidização incipiente, é um estado de transição entre o leito fixo e o leito fluidizado, tendo com uma das características o aumento da porosidade, pois as partículas deixam de se comportar como um conjunto sólido, com uma porosidade característica, e passam a ter características próprias do fluido. Ao aumentar a velocidade do fluido, aumenta-se a queda de pressão e a abrasão sobre as partículas individuais, determinando o ponto no qual as partículas não ficam mais estacionárias. As partículas começam a se movimentar e ficam suspensas no fluido (Figura 5b). A velocidade necessária para gerar o levantamento da camada neste ponto é denominada a velocidade mínima de fluidização (MELÉNDEZ & GUTIÉRREZ, 2004).
Fluidização particulada
Em um sistema líquido-sólido, o aumento da vazão acima da velocidade mínima de fluidização, resulta numa fluidização suave, com expansão progressiva do leito (Figura 5c). As grandes instabilidades do leito são amortizadas e permanecem pequenas a heterogeneidade ou vazios de líquido a grande escala, não é observada sob condições normais. Nos sistemas gás-sólido, este regime pode ser observado somente em condições especiais de partículas muito finas com gás de elevada massa especifica e altas pressões. 1 Segundo MC CABE & SMITH (2002), ocorre a fluidização particulada quando se apresenta uniformidade na expansão da camada gerada por velocidades altas mais num intervalo de tempo limitado.
1
Fluidização borbulhante
Este regime geralmente se apresenta em sistemas gás-sólido, com aparecimento de borbulhas deslocando-se em sentido vertical até a superfície da camada, crescendo de forma significativa ao longo da altura do leito ao produzir coalescência1 entre elas arrastando partículas que voltam a cair sob o próprio leito, apresentando na superfície da camada erupções freqüentes e turbulentas das bolhas (Figura 5d). Em alguns casos, pode existir transporte de partículas, mais não é significativo. Esse efeito cíclico das partículas depende e é controlado pela morfologia dos distribuidores de fluxo a da geometria do leito (LOPEZ, 2009).
Fluidização turbulenta
Exatamente quando o fenômeno borbulhante termina, o leito assume uma estrutura nova, a fluidização turbulenta na medida em que se incrementa a velocidade do fluxo (Figura 5e). Esse regime é também característico de sistemas gás-sólido, onde a transição entre esses regimes é determinada pelo rompimento de grandes bolhas formando bolhas menores. A superfície superior da camada desaparece e ao invés de observar borbulhas, acontece um movimento turbulento de aglomeração das partículas de vários tamanhos e formas e ficam espaços vazios ao longo da camada. O ponto de transição entre em regimes não é possível determinar exatamente (GUPTA & SATHIYAMOORTHY, 1999).
Transporte pneumático
Com o aumento adicional da velocidade os sólidos são arrastados do leito com o fluído. Esse regime se caracteriza por apresentar o leito fluidizado disperso, diluído ou leito fluidizado de fase leve com transporte pneumático de sólidos tirando alguns sólidos para fora do sistema, e, portanto, a pressão começa diminuir com tendência a igualar a pressão de operação sem presença de camada (Figura 5f).
3.4 Características dos meios filtrantes
Segundo WEBER (1979), um meio filtrante deve ser de um tamanho tal que retenha uma quantidade significativa de sólidos de efluente em filtração e facilite o processo de limpeza na retrolavagem. Entretanto, pela quantidade de parâmetros que influenciam os
processos é preciso buscar um equilíbrio entre essas condições. Uma areia muito fina permite resultados ótimos de filtração, mas não permite uma boa penetração de sólidos na camada, não deixando parte do leito sem utilizar, além de surgirem problemas de acumulações na superfície da camada, gerando compactações e dificultando sua remoção e necessitando de retrolavagens freqüentes (HAMAN et al, 1994). Por outro lado, areias grosseiras toleram funcionamentos prolongados de processos com filtrações pouco efetivas que permitem o entupimento dos emissores, facilitam a lavagem do meio filtrante, mas precisam de altas vazões para conseguir expansões que permitam a remoção dos contaminantes. TESTEZLAF (2008) recomenda a escolha correta do elemento filtrante como fator importante para garantir a eficiência de remoção do filtro. Segundo BURT (1994a) o fator de seleção dos meio filtrantes deve incluir:
Nível de filtração: determinada pelo planejamento antecipado das características dos emissores do projeto de irrigação.
Tipo de meio filtrante: distribuição de tamanhos das partículas do meio e as vazões de projeto
3.4.1 Propriedades das partículas
A caracterização completa da partícula exige a medição e definição das características da partícula, como tamanho, densidade, forma e superfície e morfologia. Em geral e em condições normais, as partículas são de forma irregular e diferentes nas morfologias (WEN & YU, 2003). Existem técnicas diferentes para caracterizar as partículas e dependendo da metodologia empregada, os resultados podem não ser completamente coerentes. Alguns métodos podem ser mais adequados do que outros para determinadas aplicações. SUMMERFELT & CLEASBY (1996) assinalam que algumas das propriedades da partícula podem ser determinadas em ensaios preliminares de peneiras no laboratório e por estudos de fluidização no meio.
Segundo WAKEMAN (2007), as propriedades mais importantes na filtração são o tamanho, a distribuição, o formato e todas as interações delas com o fluido. Entretanto, os processos da filtração e retrolavagem precisam de mecanismos conjuntos na caracterização da camada, pois as propriedades tanto para filtração como para retrolavagem devem gerar condições ótimas e estabelecer a mesma importância dos parâmetros.
3.4.1.1 Tamanho da partícula.
O tamanho das partículas pode ser definido como sendo uma ou várias dimensões lineares definidas adequadamente para caracterizar uma partícula. Por exemplo, uma partícula ideal como uma esfera é caracterizada unicamente pelo diâmetro. Partículas de formas regulares pode geralmente caracteriza-se por duas ou três dimensões. As partículas irregulares na maioria das vezes, não podem ser definidas, suas dimensões são normalmente definidas com base em certas propriedades de referência (WEN & YU, 2003).
O peso e a área superficial de partícula dependem do tamanho da partícula e, conseqüentemente, é considerado um fator importante na determinação do comportamento do processo da retrolavagem. As partículas menores se fluidizam a velocidades mais baixas do que as partículas maiores, e sofrem uma maior expansão da camada. Todos os filtros em condições de funcionamento normal apresentam variabilidade no tamanho de partículas, o que dificulta a escolha de uma camada com homogeneidade de partículas (BROUCKAERT, 2004). Na prática, a distribuição de tamanho de amostras de meios filtrantes é determinada por um teste padrão de peneiras com abertura da malha variável de menor a maior, obtendo o peso em porcentagem das massas de partículas que passam pelas aberturas.
A distribuição de tamanho das partículas é geralmente caracterizada em termos do tamanho da abertura da peneira pelo qual passa 10% (D10) e 60% (D60) da massa da amostra.
O coeficiente de uniformidade (CU) da amostra é definido como a relação entre tamanhos D60 e D10.
[2]
BURT (1994a) recomenda valores inferiores de 1,5 para coeficientes de uniformidade no meio filtrante, para garantir que não haverá muitas partículas finas no meio que possam entupir as crepinas. Por outro lado, PIZARRO CABELO (1996), indica para que as partículas do meio filtrante consigam reter partículas de 1/10 do diâmetro mínimo dos emissores o coeficiente de uniformidade deve ficar no intervalo entre 1,40 e 1,60.
HAMAN et al. (1994), definiram que é necessário a determinação de dois parâmetros, diâmetro efetivo de partículas e coeficiente de uniformidade (CU), para a correta seleção do material filtrante
3.4.1.2 Diâmetro efetivo de partícula
HAMAN et al. (1994) definem o diâmetro efetivo da areia como sendo o tamanho da abertura de uma tela pela qual passa 10% (D10) de uma amostra, sendo esta uma medida do
tamanho da areia mínimo na escala e, portanto o indicador do tamanho da partícula que pode ser retido pelo meio filtrante. A Tabela 2 mostra alguns exemplos do valor desse parâmetro e o equivalente em mesh segundo o diâmetro efetivo correspondente para diferentes materiais indicados por BURT (1994a), para os tipos de areia mais utilizados nas condições americanas.
Tabela 2: Equivalência em mesh dos diâmetros efetivos típicos de meios filtrantes 1 . TIPO DE AREIA DIAMETRO EFETIVO (mm) QUALIDADE DA FILTRAÇÃO (mesh) AREIA MONTEREY 1,3 70 - 90 AREIA MONTEREY 0,65 100 - 125 GRANITO MOIDO 1,5 100 - 140 SILICA MOIDA 1,2 130 - 140 AREIA MONTEREY 0,5 130 - 140 GRANITO MOIDO 0,78 140 - 200 SILICA MOIDA 0,7 150 - 200 SILICA MOIDA 0,47 200 - 250
Pode-se verificar pela Tabela 2 que os valores de diâmetro efetivo dependem do tipo de areia, existindo valores menores de diâmetros efetivos que atingem equivalências de mesh altos.
CLEMENTS & HAARHOFF (2006) consideraram que o diâmetro das partículas pode ser determinado por peneiramento de amostras, e por contagem de um numero determinado de grãos de areia conhecendo sua densidade e o volume equivalente. Nos dois casos reportam pouca diferença nos resultados.
3.4.1.3 Diâmetro equivalente
O diâmetro equivalente de uma partícula irregular é definido como sendo o diâmetro de uma esfera equivalente ao volume da partícula. SUMMERFELT & CLEASBY (1996) recomendam a determinação do diâmetro equivalente pela Equação 3, relacionando a massa com a densidade da partícula de areia:
1
*
+
⁄
[3]
3.4.1.4 Área superficial da partícula
A área da superfície de partícula é definida como a superfície por unidade de volume de partícula. Para partículas totalmente esféricas pode ser calculado como na Equação 4 (SUMMERFELT & CLEASBY, 1996).
[4]
Sendo:
Dp = diâmetro da partícula [L].
Para partículas irregulares a superfície da partícula é calculada segundo na Equação 5.
[
5]
Sendo:
ψ: esfericidade.
Deq: diâmetro equivalente [L].
Se a esfericidade é conhecida pode-se estimar a superfície da partícula diretamente pela Equação 5. Entretanto, quando a esfericidade não pode ser estimada, a superfície de partícula pode ser calculada pelas medições experimentais no gráfico resultante da perda de carga em função da vazão ao longo de leitos granulares.
3.4.1.5 Massa especifica da partícula
A massa especifica em combinação com o volume da partícula determinam seu peso e, conseqüentemente, a magnitude da força de arrasto necessário para suspendê-las. Segundo BROUCKAERT (2004), meios filtrantes com partículas mais densas, como a areia sílica (2650 kg m³) fluidizam a velocidades de retrolavagem mais altas, e tendem a sofrer menor expansão que os meios com partículas menos densas, a uma taxa de retrolavagem determinada.
