ESTUDO DO COMPORTAMENTO DE MEIOS FILTRANTES SUBMETIDOS
À ALTA PRESSÃO
1
Gabriela Rubim Davoglio, 2 Eduardo Hiromitsu Tanabe, 3 Mônica Lopes Aguiar, 4 José Renato Coury
1
Discente do curso de Engenharia Química da UFSCar-SP
Doutorando do PPG-EQ/UFSCar-SP
Docente do curso de Engenharia Química da UFSCar-SP
4
Docente do curso de Engenharia Química da UFSCar-SP
2
3
1,2,3,4
Departamento de Engenharia Química – Universidade Federal de São Carlos
e-mail: [email protected]
RESUMO - O gás natural vem sendo muito utilizado como fonte alternativa de energia, pois ele
emite menos poluentes em sua queima. Entretanto, a presença de resíduos nas linhas de
produção e transporte tem sido verificada constantemente. A presença de tais resíduos pode
acarretar em muitos prejuízos para a indústria química. Apesar da grande aplicabilidade dos
filtros na remoção destes materiais particulados, ainda são raros os estudos de filtração de gás
natural, devido as suas condições operacionais, porque trabalham com elevadas pressões.
Desta forma, pesquisas nessa área são extremamente importantes para se obter maiores
conhecimentos no campo do gás natural. Portanto, o presente trabalho teve por finalidade
analisar o comportamento do meio filtrante de poliéster sobre a influência de altas pressões no
sistema. O material particulado e o meio filtrante utilizados foram, respectivamente, rocha
fosfática e tecido de poliéster. O ensaio de filtração foi realizado para três diferentes pressões,
1, 3 e 6 bar, até que fosse atingida uma perda de carga diferencial (espessura da torta) de 10
mbar. Posteriormente, os filtros foram retirados do equipamento, pesados e, em seguida,
levados para um processo de embutimento das amostras para uma análise no Microscópio
Eletrônico de Varredura (MEV). As curvas de perda de carga em função do tempo mostraram
que para uma mesma quantidade de pó depositada no meio filtrante, o aumento da pressão do
sistema aumentou a perda de carga no filtro para uma velocidade superficial de 0,05 m/s. Já
em relação a porosidade experimental observou-se que o aumento da pressão do sistema
tornou as tortas de filtração mais coesas, porém menos resistentes ao escoamento.
Palavras-Chave: gás natural, alta pressão, filtração de gases
Introdução
A preocupação com a poluição do ar é
muita antiga, desde a Revolução Industrial ela é
citada. Mas foi a partir do século XX,
aproximadamete, que a preocupação aumentou
exponencialmente.
Sabe-se que a grande maioria da
população mundial vive nas cidades e, por isso, o
estudo da poluição da ar urbano é muito
importante.
Esta
poluição
é
causada,
principalmente, pela queima dos combustíveis
fósseis usados pelos automóveis e pelo processo
produtivo das indústrias.
Uma alternativa que visa diminuir tal
poluição é a utilização do gás natural como
combustível. A principal vantagem do gás é que
ele possui uma queima completa na combustão,
ou seja, libera uma menor quantidade de
poluentes como óxidos de nitrogênio, dióxido e
monóxido de carbono, que são os principais
gases responsáveis pela efeito estufa (Alonso,
1999).
Outra vantagem do gás natural é que ele
reduz os gastos de produção, pois não há necessidade de gastos com manutenção, limpeza e
compra de equipamentos antipoluição.
Entretanto, um fator inconveniente é que,
durante o transporte do gás, vários resíduos ficam
retidos na linha de produção e no transporte. Estes resíduos são extremamente prejudiciais para
o processo produtivo, pois podem causar desde
uma simples diminuição da qualidade do gás produzido até problemas mais sérios como danos em
equipamentos, podendo reduzir sua vida útil.
Uma maneira de se eliminar tais resíduos
é através da filtração, que é uma importante operação utilizada na separação gás/sólido. Esta operação consiste na passagem de uma corrente de
gás contendo partículas em suspensão através do
meio filtrante. As partículas são depositadas e
retidas na superfície do filtro formando a torta de
filtração. Após algum tempo, o meio filtrante passa a ser formado pelo filtro e pela torta retida, havendo uma crescente queda de pressão no meio
filtrante conforme o pó é depositado.
VIII Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica
27 a 30 de julho de 2009
Uberlândia, Minas Gerais, Brasil
Diante do notável crescimento da utilização do gás natural, poucos são os estudos dedicados à operação de filtração no campo do gás
natural, devido à dificuldade em se trabalhar com
sistemas em alta pressão.
Por esta razão, o objetivo deste trabalho
foi investigar o comportamento do meio filtrante
de poliéster, da permeabilidade do tecido, a perda
de carga e porosidade da torta, em condições de
alta pressão.
A porosidade é um parâmetro estrutural
importante que mede os espaços vazios ("poros")
do meio filtrante. Quanto mais poroso for o filtro,
maiores as vazões conseguida e mais longa é a
vida útil em serviço. A queda de pressão do filtro e
a força de remoção da torta são dependentes
deste parâmetro no processo de filtração.
Coury (1986) desenvolveu um método,
denominado de método indireto, que utiliza a equação clássica de Ergun, para estimar a porosidade de tortas de filtração de gases.
Revisão Teórica
2
∆P
(1 − ε ) 2 µV f
(1 − ε ) ρ g V f
= 150.
.
+
1
,
75
.
.
L
dp
d p2
ε3
ε3
Permeabilidade
A permeabilidade é a propriedade que indica a maior ou menor facilidade à passagem da
corrente de gás através do meio filtrante. A permeabilidade pode ser determinada a partir da equação de Forchheimer, para fluidos compressíveis (Innocentini, 2008):
Pe2 − Ps2 µ
ρ 2
= vs + vs
2 Pe L
k1
k2
ρ=
M m .P
R.T .Z
(2)
Sendo Mm a massa específica do gás, P a pressão, T a temperatura, R a constante dos gases e
Z o fator de compressibilidade.
A velocidade superficial do ar deve ser
corrigida através da seguinte equação:
v s (T , P) = v s 0.
T P0
.
T0 P
(3)
sendo vs (T,P) a velocidade superficial do gás nas
condições de temperatura e pressão de interesse;
vso a velocidade do gás na temperatura e pressão
de referência; T a temperatura e P a pressão.
Porosidade
sendo ρg a densidade do gás, µ a viscosidade do
gás, Vf a velocidade superficial do fluido, dp o diâmetro da partícula (diâmetro de Stokes), L a espessura do meio e ε a porosidade.
Coury (1986) considerou a vazão mássica
conforme a seguinte equação:
(1)
sendo Pe e Ps as pressões absolutas antes e depois do filtro, µ a viscosidade do fluido, ρ a densidade do fluido, L a espessura do meio e Vs a velocidade superficial do gás, que é fornecida pela
razão entre a vazão volumétrica e a área de seção transversal, que é perpendicular ao escoamento. Os coeficientes k1 e k2 são, respectivamente, as permeabilidades Darciana e NãoDarciana.
A densidade de um gás pode ser obtida
através da equação geral dos gases, para determinada pressão e temperatura (Delmée, 2003):
(4)
Q=
M
t
(5)
em que M era a massa depositada e t o tempo de
filtração, considerando W = M/A (massa de pó
depositada por unidade de área), pode-se definir
L como:
L=
Q.t
A.ρ p .(1 − ε )
(6)
sendo A a área superficial de torta e ρp a densidade das partículas.
Substituindo a Equação (6) na Equação
(4), tem se a seguinte equação de Ergun em relação ao tempo de filtração:
ρ g V f2
∆P
(1 − ε ) µ .Q.V f
Q
= 150. 3
.
+
1
,
75
.
.
t
ε . A.ρ p d p2
ε 3 . A.ρ p d p (7)
O primeiro termo da Equação (6) é relativo aos componentes viscosos e o segundo termo
é relativo ao componente inercial, sendo este último desprezível no caso de escoamentos puramente viscosos como nos gases.
Outros métodos para determinar porosidade foram estudados por Aguiar (1995) e Cheng
e Tsai (1998). Aguiar (1995) determinou a porosidade a partir de imagens representativas da seção transversal de tortas de filtração de gases
obtidas por um microscópio eletrônico de varredura (MEV) e, posteriormente, analisadas em programas de análises de imagens, sendo este mé-
todo denominado de método direto. Cheng e Tsai
(1998) determinaram a porosidade usando valores de espessura de tortas medidas em um equipamento a laser e da massa de pó depositada no
meio filtrante por unidade de área.
Negrini (1999) utilizando o tecido de poliéster e as partículas de rocha fosfática, sobre a
condição de pressão ambiente, estimou uma equação relacionando a porosidade da torta e a
velocidade superficial do gás, a partir dos dados
experimentais, como mostra a equação a seguir:
ε = 1 − 0,18.V f0, 41
Figura 1: Foto das partículas de rocha fosfática geradas no MEV, com ampliação de 5000x.
(8)
Meio Filtrante
Sendo ε a porosidade e Vf (cm/s) a velocidade superficial de filtração.
Ito (2002) utilizando os mesmos materiais
e a mesma condição de pressão ambiente determinou uma equação bastante semelhante ao de
Negrini (1999):
ε = 1 − 0,32.V f0, 09
(9)
Estes resultados foram bastante satisfatórios para determinação da porosidade, pois dá a
possibilidade de se correlacionar a porosidade de
tortas de filtração, que é um parâmetro extremamente difícil de ser determinado, com uma variável do processo de fácil acesso, como a velocidade superficial de filtração.
MATERIAIS E MÉTODOS
Nesse item serão apresentadas as características do meio filtrante e do material particulado, os procedimentos dos ensaios de filtração e
do cálculo da permeabilidade, o tratamento das
amostras e a análise das mesmas e da determinação da porosidade experimental.
Material particulado
O material particulado utilizado foi a rocha
fosfática, fornecida pela FOSFÉRTIL S/A, com
diâmetro médio volumétrico de partículas de 20
µm, obtido no contador de partículas Malvern
Mastersizer. A massa específica foi de
2.9x103 kg/m3, obtida no aparelho de picnometria
a Hélio, modelo Micromeritics Accupyc 1330.
A Figura 1 apresenta a imagem das partículas de
rocha fosfática gerada no MEV, com ampliação
de 5000 vezes.
Através da Figura 1 nota-se que as
superfícies das partículas de rocha fosfática são
bastante
irregulares.
Rodrigues
(2006)
caracterizou estas partículas e observou que
esfericidade foi de 0,73.
O meio filtrante utilizado nos ensaios de
filtração foi o tecido poliéster (PT), cedidos pela
empresa GINO CARCIARI e suas principais
características e propriedades físicas estão
apresentados na Tabela 1.
A Figura 2 mostra a superfície do tecido
gerada no Microscópio Eletrônico de Varredura
(MEV), com uma ampliação de 50 vezes.
Tabela 1: Características dos meios filtrantes.
Meio Filtrante
Poliéster
*Especificação
1016P
*Contextura
Feltro agulhado
2
*Gramatura (g/cm )
550
**Diâmetro da fibras (µm)
21,0
**Porosidade Superficial
0,81
Permeabilidade Meio
-8
5,90.10
2
Filtrante (m ) **
Dados fornecidos:* Fabricante ** RODRIGUES (2006)
Figura 2: Foto da superfície do tecido de poliéster gerada no MEV, com ampliação de 50x.
Observa-se nesta figura que o tecido de
poliéster apresenta alguns pontos de fusão sobre
a superfície. Este tratamento é de grande
importância, pois evita que as partículas insiram
dentro do meio filtrante, aumentado o seu tempo
de vida útil.
Equipamento
O equipamento utilizado nos ensaios de
filtração era constituído por um alimentador de pó
do tipo rosca (para simular os resíduos no gás),
um compressor de alta pressão ligado a três filtros para limpeza do ar, um secador de ar, um
filtro absoluto, válvulas rotativas e manômetros,
um suporte para o meio filtrante e um contador de
partículas acoplado a um sistema de aquisição de
dados.
Um esquema do equipamento está ilustrado
na Figura 3.
de alimentação do pó foi ajustada através de um
variador de velocidade.
A velocidade de filtração utilizada nos experimentos foi de 0,05 m/s, tendo as pressões do
sistema variadas em 100, 300 e 600 kPa. Para
cada ensaio, a perda de carga máxima admitida
no filtro foi de 1000 Pa. Um sistema de aquisição
de dados, associado ao equipamento, coletava os
valores da perda de carga, do tempo de filtração,
da pressão do sistema e da vazão de ar.
Tratamento das amostras
Após o fim dos ensaios, os tecidos passaram por cinco etapas de tratamento para possibilitar a análise em microscópio eletrônico de varredura (MEV). Primeiramente, o tecido foi submetido
a um fluxo de vapor adesivo, para fixar as partículas nas fibras. Em seguida, o tecido foi colocado
sobre uma esponja encharcada com resina, para
ser endurecido em estufa, a 60 °C, por 48 hs.
O tecido então era cortado, em pedaços
de 1,0 x 1,0 cm e as amostras eram embutidas em
uma resina termorrígida. A amostra embutida era
lixada e polida, conforme técnicas de metalografia, para posterior análise em MEV. Maiores detalhes deste tratamento podem ser obtidos em Aguiar (1995)
Determinação da porosidade experimental
1)Válvula tipo esfera
2)Regulador de pressão
3)Manômetro
4)Compartimento do pó
5)Visor de acrílico
6)Rosca para transporte do pó
7)Motor redutor
8)Suporte
9)Filtro de linha
10)Filtro absoluto
11)Contador
Figura 3: Bancada de ensaios de filtração.
Procedimento Experimental
Ensaios para determinação da permeabilidade
Para determinar a permeabilidade, o meio
filtrante de poliéster foi fixado na unidade experimental, ajustando a pressão do sistema em 100
kPa e variando a vazão volumétrica do gás de 10
a 50 L/min.
Os valores de perda de carga em função
do tempo foram coletados com o auxílio do sistema de aquisição de dados, sem adição de nenhum material partículado. Este procedimento foi
repetido para as pressões de 200 até 600 kPa.
De posse dos dados de perda de carga, e
das propriedades do fluido como a viscosidade e
densidade do ar, foi possível determinar a permeabilidade do meio filtrante através da Equação de
Forchheimer (equação 1).
Ensaios para obtenção das curvas de filtração
Para a realização dos ensaios de filtração,
colocou-se as partículas de rocha fosfática no
compartimento de armazenamento, onde a vazão
A Figuras 4 e 5 mostram as imagens das
tortas de filtração geradas no MEV. Estas imagens foram analisadas através do programa Image Pro Plus 4.5. Neste programa utilizava-se um
recurso de binarização de imagens, para transformar a imagem real em apenas dois níveis de
cores: pontos claros (as partículas) e os pontos
escuros (espaço poroso). Com a área de cada
ponto quantificada foi possível então determinar a
porosidade experimental para cada pressão do
sistema utilizada.
Torta de filtração
Interior do meio filtrante
Figura 4: Imagem torta-tecido gerada no MEV,
ampliação de 100x
(a)
(b)
Figura 5: Imagens da torta de filtração: a)
Gerada no MEV, ampliação de 1000x e b)
Binarizada no programa Image Pro Plus 4.5.
Resultados e Discussões
Permeabilidade darciana k1 (m 2)
1,40E-10
1,20E-10
1,00E-10
8,00E-11
6,00E-11
4,00E-11
2,00E-11
0,00E+00
0
200
400
600
800
Pressão do sistema (KPa)
Figura 7: Permeabilidade Darciana (k1) em
função da pressão do sistema.
Cálculo da permeabilidade do meio filtrante
Para o cálculo da permeabilidade do meio
filtrante foram obtidas as curvas de perda de carga em função da velocidade superficial do gás,
alterando-se a pressão do sistema, como mostra
a Figura 6.
9,00E-05
Permeabilidade darciana k2 (m)
Nesta seção serão apresentados os resultados experimentais da perda de carga, dos coeficientes de permeabilidade do filtro e da porosidade da torta experimental no tecido de poliéster
tratado.
8,00E-05
7,00E-05
6,00E-05
5,00E-05
4,00E-05
3,00E-05
2,00E-05
1,00E-05
0,00E+00
0
200
400
600
800
Pressão do sistema (KPa)
(Pe2-Ps2 )/2PeL (Pa/m)
1,60E+05
Figura 8: Permeabilidade não Darciana (k2) em
função da pressão do sistema
1,40E+05
1,20E+05
P=100 kPa
1,00E+05
P=200 kPa
8,00E+04
P=300 kPa
6,00E+04
P=400 kPa
4,00E+04
P=500 kPa
2,00E+04
P=600 kPa
0,00E+00
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
Velocidade superficial do ar (m/s)
Figura 6: Curvas de perda de carga em função
da velocidade superficial do ar.
Analisando a Figura 6 observou-se que um
aumento na velocidade superficial do gás ocasionou um aumento na queda de pressão no filtro,
como já era de se esperar. Já para um aumento na
pressão do sistema verificou-se que ocorre também
um aumento na queda de pressão diferencial do
filtro.
As Figuras 7 e 8 apresentam o comportamento da permeabilidade Darciana e nãoDarciana (k1 e k2) para diferentes meios filtrantes
em função da pressão do sistema estudada.
Verifica-se nas Figuras 7 e 8 que as permeabilidades k1 e k2 estão diminuindo com o aumento da pressão do sistema. Isto mostra que a
alteração nas propriedades do fluido provocadas
pelo aumento da pressão, como a viscosidade e
densidade do gás, diminuem a permeabilidade no
meio filtrante, dificultando o escoamento do gás
através do meio filtrante.
Ensaios de filtração
Na Figura 9 estão apresentadas as
curvas da perda de carga em função da massa de
pó depositada por unidade de área, para três
diferentes pressões do sistema.
A partir da Figura 9 verificou-se que a
perda de carga está aumentando juntamente com
o aumento da pressão do sistema, ou seja, o
meio filtrante satura mais rapidamente com o
aumento da pressão.
Percebeu-se também que as curvas de
filtração têm um comportamento crescente e que,
à medida que a massa de pó depositada no
tecido vai aumentando, elas se interceptam em
um determinado ponto. Tal comportamento
crescente pode ser explicado através do cálculo
da resistência específica da torta (K2), mostrado
na Tabela 2. Observa-se que conforme ocorre o
aumento da pressão do sistema, as tortas de
filtração tornam-se menos resistentes ao
escoamento. O cruzamento das curvas ainda não
pode ser explicado, mas será estudado em
trabalhos futuros.
Perda de carga diferencial (Pa)
1000
900
800
Observa-se na Tabela 1 conforme ocorre
um aumento da pressão do sistema, a porosidade
experimental diminui. Isto mostra que o aumento
da pressão do sistema torna as tortas de filtração
mais comprimidas e resistentes ao escoamento
do fluido
Aplicando-se a Equação (8) encontrada
por Negrini (1999) para velocidade de 0,05 m/s,
observa-se que o valor de porosidade encontrado
foi de 0,65. Já para Equação (9) determinada por
Ito (2002) a porosidade calculada foi de 0,63.
Logo, pode-se verificar que para ambas as
equações os resultados foram muito próximas ao
encontrado experimentalmente neste trabalho
para pressão de P=1bar. Isto mostra que a
técnica utilizada apresenta boa reprodutibilidade
dos dados.
700
Conclusões
600
500
P=100 KPa
400
P=300 KPa
300
P=600 KPa
200
100
0
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
Massa de pó depositada por unidade de área (Kg/m2)
Figura 9: Curvas de perda de carga em função
da massa de pó depositada por unidade de
área.
Observou-se ainda que, para uma mesma
massa de pó depositada, a perda da carga foi
maior para a pressão de 6 bar, ou seja, ocorreu
um aumento na resistência ao escoamento
provocada pelo aumento da pressão do sistema,
conforme observados nas Figuras 6 e 7. Tal
resistência faz com que a massa de pó
depositada no meio filtrante seja um pouco menor
para a pressão de 6 bar quando comparados as
outras pressões do sistema, para uma mesma
perda de carga do elemento filtrante.
Porosidade experimental
Os resultados da porosidade experimental
obtidos através do programa Image Pro-Plus 4.5
estão apresentados na Tabela 2.
Tabela
2
–
Valores
da
Porosidade
Experimental (ε) e a Resistência Específica da
torta (K2).
P=100 KPa
ε=0,64
K2=103422
P=300 KPa
ε =0,62
K2=86750
P=600 KPa
ε =0,60
K2=65530
A partir dos resultados obtidos foi possível
apresentar as seguintes conclusões:
- A perda de carga aumenta com o aumento da
velocidade superficial do gás e também com o
aumento da pressão do sistema.
- As permeabilidades k1 e k2 estão diminuindo
com o aumento da pressão do sistema. Isto indica
que as alterações nas propriedades do fluido,
como a viscosidade e a densidade, dificultam o
escoamento do gás através do meio filtrante.
- O aumento da pressão do sistema proporcionou
um aumento da perda de carga diferencial para
uma mesma quantidade de massa de pó
depositada no meio filtrante.
- A porosidade experimental diminuiu com o
aumento da pressão do sistema. Isto mostra que
as tortas de filtração estão mais coesas.
- Aplicando as Equações 8 e 9 para determinar a
porosidade, os resultados apresentaram-se muito
próximos do valor obtido neste trabalho, para a
pressão de 1 Bar
Agradecimentos
Á CNPQ pelo apoio financeiro, à Gino
Cacciari pelo fornecimento do meio filtrante,
Henkel pelo fornecimento da resina PMS 10 e à
Fosfértil pelo fornecimento da rocha fosfática.
Bibliografia
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deposição e remoção da camada de pó formada”. Tese de Doutorado. Universidade
Federal de São Carlos, 1995.
Alonso, P. S. R., “O Gás Natural na Matriz Energética Brasileira: avaliação global de seus impactos, estratégias para disseminar sua utilização e criação de um suporte de tecnologias
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Brito, A.B.N., Azevedo, S.G.R., Tanabe, E.H.,
RICCO, E.J., Coury, J.R., Aguiar.M.L. “ Gas
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Chemical and Biological Engineering Conference, Chempor 2008.
Cheng, Y.H., Tsai, C., “Factors influencing pressure drop through a dust cake during filtration”. Aerosol Science and Technology, v.29,
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Delmée, G. J., “Manual de medição de vazão”, 3ª
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Innocentini, M. D.M., Rodrigues, V. P., Romano,
R. C.O., Pileggi, R. G., Silva, G. M.C., Coury,
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Ito, L. X. “Estudo da porosidade de tortas de filtração de gases”. Dissertação Mestrado.Universidade Federal de São Carlos,
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Negrini, V.S. “Determinação da porosidade de
tortas de filtração de gases”. Trabalho de
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Rodrigues, K. B. “Filtração de gases: estudo da
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2006.