filtração direta de lodo de caldo de cana

25/03/2015 Revista Meio Filtrante:::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::

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Data da impressão: 25/3/2015 17:06:27

Filtração direta de lodo de caldo de cana

A introdução dos filtros contínuos a vácuo no BrasilO primeiro filtro contínuo rotativo a vácuo em usina de açúcar e álcoolno Brasil foi instalado em 1927, segundo registro no livro de AntonioPorta Arqued (1955). O modelo era um filtro rotativo contínuo avácuo, do fabricante Oliver Campbell.Já Spencer e Meade (1967), citam que após a introdução dos filtrosrotativos a vácuo ao redor de 1935, estes substituíram rapidamenteos antecessores filtros prensa, o que nos leva a concluir que o Brasilfoi o primeiro país a ter em operação um filtro rotativo a vácuo paralodo de caldo de cana.Portanto, sistemas diretos de filtração de lodo de caldo de cana eramsuportados somente por filtros contínuos de tambor rotativo (FRV),até que surgiu no Brasil em 1992, a aplicação dos denominados FilterVacuum Press (FVP), ou filtros de correia, prensas desaguadoras e/oufiltros planos de correia a vácuo. Com isso, de forma mais rápidasugiram também os sistemas compostos de filtração de lodo, tendosido experimentados em diversos arranjos e combinações o empregodestes dois equipamentos, quer seja cada um filtrando diretamente olodo ou então refiltrando a torta após empastamento com água, o quediscutiremos em outra oportunidade.Os filtros de correia a vácuo com prensagem (FVP), consistem numasérie de setores de filtração movendose continuamente em umcircuito fechado, onde se realizam todas as etapas de filtragem. O

meio filtrante primário é composto por tecidos sustentados por partições perfuradas que podem ser correias emelastômero perfuradas. Permitem grandes variações de concentração e velocidades, que dependem das propriedadesfísicas do lodo. A espessura da torta permite range entre 1,0 a 25 mm. A Fig. 3 ilustra os setores das várias etapasde filtração, prensagem, lavagens e descarte da torta.As principais vantagens de filtros prensa de correia (FVP), são simplicidade de projeto construtivo e de instalaçãocomparado a filtros com válvulas automáticas, e ahabilidade de prover lavagem de torta em contracorrente, auxiliados pela força da gravidade comremoção de finas lâminas de torta. Os filtros FVPoperam com a torta totalmente selada, significaque admitem baixa admissão de ar ouincondensáveis, além daqueles dissolvidos nolodo e na água de lavagem. Com isso, aliviamsistemas geradores de vazio (vácuo), que passama operar basicamente para o deslocamento doslíquidos separados mais vapores flash geradospela queda de pressão, pois a etapa de secagemé realizada com prensagem, diferentemente doque ocorre com filtros FRV.Suas desvantagens incluem uso ineficiente daárea total disponível de filtração e deficiência delavagem da torta nas bordas das correias.Os filtros prensa de correia (FVP) se caracterizampela operação contínua de filtração sob vácuoreduzido, e em especial sob prensagem de correiaformada por tecido.



As principais etapas de filtração são:Etapa 1 – A partir da alimentação de lodo realizada diretamente sob o meio filtrante primário, o processo defiltração é iniciado com a formação da torta, por pura ação da gravidade que permite que a torta atue como auxiliarfiltrante secundário. Nesta etapa são coletados de 60 a 70% de todo o caldo filtrado, denominado de caldo filtradoturvo, possuindo teor de insolúveis (~ 1,0% v/v).Etapa 2 – Filtração a vácuo entre 2 a 5 polegadas de mercúrio, (709 a 633 Torr), portanto baixo vácuo.Primeiramente realiza a desidratação da torta formada recolhendo caldo e, posteriormente, recebendo embebição deágua limpa e quente a 80oC (lavagem da torta), concluindo com a desidratação da torta lavada, ficando pronta paraa etapa de prensagem. Nesta etapa são coletados de 15 a 20% de todo o caldo filtrado, denominado aqui de caldofiltrado claro, com teor de insolúveis em torno de 2,5% v/v.Etapa 3 Filtração sob pressão, denominada etapa de secagem da torta em função da ação puramente mecânica deprensagem da torta entre as telas. Nesta região são coletados de 15 a 20% de todo o caldo filtrado, com teor deinsolúveis aproximado de 5,0% v/v, também denominado de caldo filtrado claro.

Mecanismos de filtragem a vácuo para filtro de tambor e de correia com prensagemSTROH e STAHL (1991) descrevem uma torta de filtragem para filtro a vácuo composto por meio filtrante, ou leito departículas numa cesta de centrífuga, como um conjunto de partículas mais outro conjunto de canais capilares,conforme ilustram as figuras 4 e 5. Tanto as partículas como os canais têm diâmetros variados.



Para LOCKHART (1992), BENDIT et al (1994), MATHEWSON et al (1995) e CONDIE et al (1996), a formação da tortana filtração ocorre pelo contínuo acréscimo na espessura com o simples escoamento da fase líquida (filtrado). Nestafase, a compressão da torta ocorre com a continuidade do escoamento do filtrado, que contém partículas muito finas(< 0,5 mm), não sendo estas particularmente importantes desde que a torta formada não seja compressível sobrevácuo. A desidratação da torta é caracterizada pelo fluxo de duas fases (ar e líquido filtrado), através da tortaformada, durante o qual grandes poros são esvaziados através de pequenos canais existentes e outrospermanecendo parcialmente ou totalmente saturados, iniciando o aparecimento de canais (rachaduras),caracterizado pelo esvaziamento de grandes aberturas na torta e pelo fluxo de ar. Na continuidade, os porosmenores continuam contendo líquido filtrado, alguns dos quais continuam sendo desaguados. Se o rompimento doscanais pelo ar na torta (rachaduras), for significante a ponto de atingir o meio filtrante primário, o vácuo seráperdido por causa do elevado fluxo de ar através destas rachaduras, e a desidratação eficiente cessará, marcandoassim o final da etapa de filtração.De forma similar, apresentamos as etapas de filtração para filtro de correia a vácuo com prensagem, conforme asfiguras 6 e 7.

Os filtros FVP se beneficiam pela utilização da força da gravidade no auxilio a filtração, deste modo não exigemvácuo nas etapas de formação da torta e requerem baixíssimo vácuo para as etapas de desidratação e secagem. Ostecidos das correias obrigatoriamente flexíveis se caracterizam pela pequena abertura de passagem dos fluidosseparados, minimizando a passagem de sólidos para o filtrado. Outra característica fundamental é que os filtros FVPnão necessitam de grandes passagens de ar para a etapa de secagem da torta, o que é realizado pela prensagemmecânica de forma mais eficiente, com isto reduzindo a potência necessária do sistema gerador de vazio. O valor do



vácuo empregado para filtros FVP é reduzido a ponto de não ultrapassar a pressão de vapor do fluido separado,assim não é gerado vapor flash que sobrecarregaria o sistema propulsor de vazio, que em outras palavras se resumeao escoamento dos fluidos separados. Outro fator importante, é que a etapa de prensagem confere menor volume àtorta resultante e principalmente menor umidade final.Em contrapartida, possibilitam adição de água para lavagem das telas em abundância, resultando em efluentediluído que deve ser incorporado ao processo, o que não significa sobrecarga em outras unidades de processo, emespecial a evaporação. A água adicional de lavagem das telas não deve ser considerada como incorporada aoprocesso, pois pode ser utilizada na própria embebição dos filtros após préfiltragem ou então utilizada naembebição das moendas.

O emprego de filtros planos de correia a vácuo no setor sucroalcooleiroOs filtros FVP têm sido empregados principalmente nas seguintes etapas de processo: Filtração direta de lodo de caldo de cana; Filtração após empastamento de torta de lodo de caldo de cana (Refiltragem da torta); Filtração de caldo clarificado; Filtração de xarope (concentrado de caldo de cana, após etapa de evaporação e antes da cristalização); Filtração de calda concentrada de refinaria (calda dissolvida de açúcar); Filtração de água de lavagem de gases das caldeiras; Filtragem de lodo doméstico; Filtração de efluentes gerais.



Comparativo entre o filtro plano de correia a vácuo e filtro de tambor rotativo a vácuoCapacidade de manuseio de sólidosOs filtros FVP, devido a sua forma construtiva dada pela correia na horizontal, também se auxiliam da força dagravidade para a etapa de formação da torta de modo mais eficiente que os filtros de tambor rotativo, e permitemassim uma maior aplicabilidade sendo mais versáteis, pois propiciam soluções em concentrações que variam deaproximadamente 1,0% a 80% volume/volume. Um exemplo clássico é que se consegue esgotar totalmente umclarificador de caldo de cana sem que sejam descartados materiais de processo pelas altas ou baixas concentrações.

Umidade final da tortaOs filtros FVP operam com umidade em torno de 60 a 65%, e os filtros FRV na faixa de 71 a 78%, isto significa umaqueda de aproximadamente 15,5 a 16,6% do peso da torta causada pela redução de umidade.

Relação de área por tonelada de cana no emprego de filtrosA literatura recomenda relações médias de áreas para filtração de lodo de caldo de cana para filtros FRV entre 0,25a 0,8 m2/tch. Dessa forma, um filtro com o tamanho de 14 pés por 40 pés, com área nominal de filtragem de 164 m2,pode manusear em média o lodo gerado de 234 tch.Para filtros FVP, esta mesma relação gira em torno de 0,07 a 0,09 m2/tch, que seria equivalente para o manuseio dasmesmas 234 tch com área de filtragem efetiva de 20,8 m2 (incluindo fases de filtração, formação da torta porgravidade, sob vácuo e prensagem). Já a área nominal de filtragem para FVP representa aproximadamente 350%deste valor, inferindo a ineficiência do uso do meio filtrante primário como comentado anteriormente.

Quantidade de auxiliar filtrante (bagacilho)Os FRV requerem uma relação que varia muito para cada usina, mas em média o valor recomendado está em tornode 6 a 7 kg de bagacilho por tonelada de cana.Os FVP, por possuírem elemento primário de filtragem de menor abertura, necessitam em torno de 2 kg de bagacilhopor tonelada de cana sem prejuízo à passagem de sólidos junto com o caldo filtrado.

Teor de impurezas no filtradoA retenção obtida em filtros FVP está em torno de 96%, ou seja, equivalente a 325 mesh, enquanto que filtros FRVatingem em média valores de 68%.

Quantidade de torta por tonelada de canaAlém dos inúmeros fatores que determinam a quantidade de torta por tonelada de cana, como principalmente tipode solo regional da usina, qualidade da matériaprima e do tipo de processo de extração de caldo (moendaconvencional ou difusor), estes valores podem variam entre 12 a 45 kg de torta por tonelada de cana para filtros detambor rotativo. Num comparativo entre as tecnologias FRV e FVP, podemos diferenciar as quantidades geradaspelos balanços de quantidade de auxiliar filtrante empregado, e da umidade final da torta. Filtros FVP, mesmopossuindo maior retenção, apresentam vantagem neste sentido alcançando reduções de 20%, podendo chegar a40% da torta gerada no processo utilizado pelos FRV. Este benefício impacta diretamente no custo de transporte datorta.



Emprego de polímeroPara um funcionamento adequado, os filtros FVP exigem consumo de polímero em torno de 3 ppm por tonelada decana, mas que deve ser desconsiderado em relação a custo devido ao seu reduzido valor monetário. Para os filtrosFRV, infelizmente não é pratica no setor sucroalcooleiro o emprego de polímeros, embora seus ganhos sejamsignificativos.

Vazão requerida dos sistemas propulsores de vácuo e taxas de filtraçãoOs filtros rotativos a vácuo (FRV), requerem taxas de aplicação para vácuo em torno de 22 a 30 m3/hm2. Já os filtrosFVP, devido a sua alta capacidade de filtragem, requerem em torno de 300 a 550 m3/hm2.Esta diferença significativa entre as vazões específicas devese às áreas envolvidas no processo de filtração a vácuo,representadas pelas taxas de filtração que para os filtros FVP giram em torno de 3.000 a 5.800 l/hm2 com vácuo de6,7 a 16,7 kPa (2 a 5” Hg), enquanto que para os FRV a taxa média varia entre 450 a 600 l/hm2, para vácuo entre33,3 a 66,7 kPa (10 e 20” Hg), considerando filtração direta de lodo de caldo de cana.Observase que os sistemas propulsores de vazio instalados para filtros FVP no setor sucroalcooleiro estãogeralmente ligados diretamente ao filtro, responsabilizando toda a condensação dos vapores e extração deincondensáveis à bomba de vácuo de anel líquido, gerando grandes instalações. Estes sistemas podem ser facilmentereduzidos com sistemas de condensação auxiliar (condensador por contato direto ou indireto), ou emprego desistemas de vazio mais eficientes, como compressores roots, objetivando queda na potência instalada.

Velocidades periféricas do meio filtrantePara FRV recomendase velocidade periférica entre 1.200 e 2.000 mm/minuto (quando possível, o ideal é 1.600mm/minuto), e para filtros FVP em torno de 4.000 e 6.000 mm/minuto. Vale observar que a velocidade do meiofiltrante deve ser regida de forma que a torta não apresente rachaduras indicando a finalização da filtração compassagem excessiva de ar, como apresentado na Fig. 5.

Água de lavagem da torta (embebição da torta)A quantidade de água é relativa à pol final desejada da torta, ou seja, os filtros prensa são capazes de operar compol baixíssimas em virtude de sua grande capacidade hidráulica. Porém, o fator de embebição atinge um limite(chamamos de curva de pol ideal) onde o volume que se admite de embebição já não produz tanto efeito na polresidual, diluindo apenas o caldo filtrado. Vide o gráfico abaixo.

Os filtros rotativos a vácuo (FRV), possuem limitação em relação a quantidade de água de lavagem admitida peloprocesso devido a sua forma construtiva (tambor).A grande questão é como adicionar tanta água necessária em um filtro de tambor rotativo (FRV) sem prejuízo daestabilidade da torta formada, sendo que nos filtros de correia (FVP) esta dificuldade não existe, pois possuemcapacidade hidráulica muitas vezes superior. É importante notar que os filtros FVP necessitam de água para lavagem das telas evitando seu entupimento,condição essencial para a sua correta operação, e este valor gira em torno 8,0 m3/h por cada metro de largura dacorreia, do qual necessariamente não deve ser descartado como efluente, pois carrega sacarose que deve serrecuperada no processo e o local recomendado é na água de embebição nas moendas.



Em resumo, a queda de pol da torta para filtros FVP é obtida mais facilmente pela maior capacidade de admissão deágua de embebição em relação aos filtros FRV, com o benefício de maior recuperação de sacarose no processo, mascom o alerta de esta água em conjunto com a água de lavagem das telas, deva ser evaporada também no processo.De qualquer forma, uma usina que opte pelo emprego de filtros FVP, mesmo que não possua sistema de evaporaçãoe vapor disponíveis, limitará o seu desempenho em relação à quantidade de água admissível de embebição.

Custo de investimento

Tomando como base um filtro prensa com 31,8 m2 de área de filtração e um filtro rotativo a vácuo convencionaltamanho 14” x 40”, os quais se equivalem em capacidades de manuseio e produção, apresentamos na tabela acimaos custos comparativos de investimento.Agradecimentos especiais às empresas especializadas no setor de filtração Technopulp, VLC e Mausa.

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M.Sc. Walter Luiz Polonio

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