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Descrição
O Filtro Nutsche é a versão industrial do bem conhecido, em escala de laboratório, Funil de Büchner, exceto por ser projetado para operar sob vácuo ou pressão. Em sua versão moderna, eles foram desenvolvidos no início dos anos 80, e a maioria normalmente opera sob pressão, em bateladas, em indústrias como as de química fina, de tinturas, farmacêutica e de pesticidas.
No presente os Filtros Nutsche são construídos para executar múltiplas tarefas incluindo reação, filtração, lavagem do bolo e secagem térmica, em uma única unidade. Algumas dessas máquinas são muito sofisticadas, com controle de processo em parâmetros como pressão, temperatura e pH. Os Filtros Nutsche são bem adequados para manusear materiais inflamáveis, tóxicos, corrosivos e de odores-nocivos já que eles são autoclavados e projetados para uso em ambientes perigoso e experimentais, onde se requer uma operação extremamente segura.
Os Filtros de cartucho Nutsche estão disponíveis quase em qualquer tamanho, sendo as máquinas maiores empregadas para uma suspensão que enche um batelada de 25 m3 e um volume de bolo de 10 m3. Tais filtros têm uma área de filtração de 15 m2 e são satisfatório para filtrar polpas que produzem rapidamente bolos com espessura de 0.5 m.
O Nutsche, em sua configuração completa, consiste de quatro componentes principais:
O Vaso
O assoalho do filtro e meio filtrante, de pano, tela de malha tecida ou placa de metal sinterizado
Os braços para re-homogenizar a polpa, lavar e aplainar a torta
O mecanismo de descarga da torta
Todos estes componentes podem ser construídos de exóticos materiais de construção, e podem ser aquecidos para satisfazer as exigências de processo.
O Vaso
Os filtros Nutsche operam como parte de um sistema de batelada, conseqüentemente, o volume da vasilha é projetado para aceitar uma carga inteira de polpa do equipamento a montante. Então, para que o tempo inativo do filtro seja mantido num mínimo, é necessário manusear um volume suficiente que permita a carga e o esvaziamento rápido do vaso. As vasilhas geralmente são projetadas para uma pressão operacional de 2-3 bar, mas podem ser especificadas pressões mais altas, se necessário.
A cobertura do vaso apóia o sistema hidráulico que controla a elevação e abaixamento da pua giratória e braços do remo (veja abaixo) como também as várias conexões flangeadas e abertura de manutenção.
Há dois tipos de vasos:
Nos filtros maiores, o vaso cilíndrico é uma parte separada e a cobertura da cabeça abaulada é presa em seu topo. Com este arranjo é necessário entrar na vasilha para a substituição do meio filtrante.
Em filtros menores a cabeça e o cilindro estão em uma parte, que prende-se ao chão do filtro, possibilitando acesso fácil ao meio filtrante. Este arranjo normalmente tem um tipo de balanço, com ferrolho de fecho rápido, que é preso à circunferência do piso do filtro rapidamente.
Nas aplicações que exigem a preservação da temperatura, o vaso pode ser de parede-dupla ou encamisado com meio-tubo para fornecer a transferência de calor efetiva para o produto.
Assoalho do Filtro e Meio Filtrante
O piso do filtro consiste em um prato densamente perfurado, suficientemente forte para suportar o peso do bolo e a pressão que é aplicada em sua superfície. Nos filtros maiores, um suporte adicional para o prato é fornecido por nervuras entre o assoalho do vaso e a placa filtrante.
Há três tipos de meio filtrante recobrindo o prato do filtro:
Tela de malha metálica tecida.
Pano de filtro sintético.
Placa metálica sinterizada.
A seleção depende completamente das características dos sólidos, do líquido e dos materiais de construção apropriados. A seleção do meio não pode ser determinada em testes num Filtro-folha em escala de bancada, pois somente num ensaio piloto é que se pode estabelecer os efeitos de longa duração, como a saturação do meio (entupimento) e as flutuações nas propriedades da alimentação.
Braços do Ancinho para Lavagem, Alisamento e Descarga do Bolo
Estas tarefas são feitas por remos ou sistema de remos e pua:
O sistema de remo consiste em dois braços com lâminas inclinadas que giram em uma direção para re-suspender o bolo durante a lavagem, e o descarrega no fim do ciclo. Os braços do remo giram na direção oposta, alisando o bolo para lacrar rachaduras, antes de sua secagem. Neste sistema, um arranjo hidráulico eleva e abaixa os remos, dependendo do ciclo de filtração.
O sistema de varredura consiste em dois braços de remo que giram em uma direção para manter os sólidos suspensos, como descrito acima. Além disso, dois braços com lâminas alisam o bolo, girando numa direção, e enviam o bolo para o centro, para descarga, girando na direção oposta. Neste sistema, dois arranjos hidráulicos separados elevam e abaixam os braços do remo e os braços da pua independentemente, dependendo do ciclo de filtração.
O bolo pode ser carregada para a descarga para uma calha tubular, posicionada no centro do vaso, ou para uma saída lateral posicionada no cilindro do vaso exatamente acima da placa filtrante.
As duas opções de descarga do bolo podem ser vistas na imagem à direita, e ambas descarregam um bolo despedaçado. A imagem abaixo ilustra um bolo que descarrega em um pedaço de um Filtro Nutsche Invertido que não é discutido nesta seção.
Sistema de Controle
O sistema de controle para os Filtros Nutsche modernos é muito sofisticado, visto que ele ativa e desativa muitos componentes, como pode ser visto na seção Seqüência Operacional.
Critérios de Seleção
Vantagens
Os Filtros Nutsche são mais indicados nos seguintes casos:
Quando um espaço mínimo de piso é requerido.
Quando várias operações unitárias antecedem e seqüenciam a filtração, como reação e secagem térmica, são previstas no fluxograma do processo.
Quando há risco de contaminação ambiental por bolos tóxicos, inflamáveis ou voláteis.
Quando da manipulação de salmouras saturadas, ou se as condições de processo requerem temperaturas elevadas, o vaso, o piso do filtro e os remos podem ser aquecidos.
Quando a lavagem por re-suspensão, mais eficiente que a lavagem local por deslocamento, é requerida.
Quando é necessário uma separação precisa entre os filtrados, principal e de lavagem.
Quando o bolo tende a rachar, o alisamento evita o by-pass do líquido de lavagem, e purgação de ar ou de gás.
Desvantagens
Eles devem ser escolhidos com cautela:
Quando os bolos são de formação lenta.
Quando o bolo é pegajoso e não separa facilmente do meio filtrante.
Quando a cadeia do processo é contínua.
Quando o produto deteriora durante um tempo de manutenção longo.
Seqüência Operacional
A operação dos Filtros Nutsche requer uma manipulação de válvulas complexas e dispositivos hidráulicos; desse modo as instalações atualmente são sempre semi, ou completamente automatizado.
Filtração
O filtro é carregado com a polpa, e aplica-se pressão para deslocar o filtrado, que deixa o bolo retido sobre o meio filtrante. Para suspensões com uma grande distribuição de sólidos grossos, de sedimentação rápida e finos, de sedimentação lenta, há o risco de segregação com a fração fina sedimentando em cima da fração grossa. Quando isto acontece, os finos lacram o bolo e reduzem a sua velocidade de formação; assim, mantendo a polpa em suspensão com braços giratórios durante a filtração, ajuda a formação de um bolo homogêneo.
Lavagem da Torta
Na fase de lavagem um anel de spray, ou conexões no alto da cobertura, introduzem o líquido de lavagem em cima do bolo. Isto desloca a solução mãe com o líquido de lavagem, mas, com tal in-situ, a eficiência pode ser bastante baixa se o bolo se forma com uma espessura desigual.
Um das vantagens do Filtro Nutsche é a habilidade para alisar a superfície do bolo, antes de aplicar o spray de lavagem, de forma que todo o leito é lavado uniformemente.
A eficiência de lavagem pode ser melhorada posteriormente, se não se permite a entrada de ar ou gás no bolo, num sistema de multi-lavagem assim os líquidos de lavagem sempre deslocam as soluções do modo como um "pistão". Isto é alcançado por um detector especial, que monitora a umidade da superfície do bolo e, uma vez que ar ou gás começam a entrar no leito, um sinal é transmitido, para fechar a válvula de filtrado e reabri-la logo que a lavagem começa.
Re-suspensão do Bolo
Muitos processos exigem eficiência de lavagem alta, para remover o líquido contaminante do produto, e a lavagem do bolo com re-suspensão dos sólidos já depositados, resulta uma pureza maior do produto. Isto é obtido revolvendo o bolo, com os braços do remo, para misturá-lo completamente com a solução de lavagem. Durante a re-suspensão, os braços giratórios se movem lentamente inclinados e raspam gradualmente o leito, camada após camada, até o bolo inteiro entrar na suspensão.
Secagem a Pressão
No estágio de secagem, purga-se o bolo com ar ou gás até a umidade residual ser reduzida a um nível assintótico e, em termos práticos, considera-se que o bolo está tão seco quanto possível.
Para obter a umidade mínima, o bolo é alisado invertendo-se a rotação do braço do remo ou pua e aplicando-se uma pressão controlada em sua superfície, com o sistema hidráulico. Isto lacra as rachaduras no bolo, impedindo que ar ou gás escoem através delas, desviando-se do leito.
Secagem a Vácuo
Uma posterior redução na umidade do bolo pode ser obtida abaixando e girando lentamente os braços do remo, para raspar e despedaçar o bolo. Para tirar maior proveito da habilidade secante do Filtro Nutsche, deve-se considerar a opção de aquecimento do vaso, espaço de locação do filtro e remos para aumentar a secagem.
Descarga da Torta
Quando todas as fases são concluídas, a válvula de descarga do bolo abre, e os braços do remo nas máquinas menores ou os braços da pua nas maiores, abaixam e giram para direcionar o bolo seco para o centro. O procedimento é o para as máquinas de descarga lateral, porém, deve-se notar que neste caso o bolo sai com intermitência e, não continuamente, para fora. Isto pode ter um impacto de layout a jusante, na facilidade de transportar o produto para armazenamento.
Em alguns filtros o pano, ou tecido da malha da tela, pode ser lavado por trás com água para desalojar e remover qualquer resíduo de bolo que tenha aderido ao meio depois da descarga.
Manutenção
O Filtro Nutsche requer atenção regular em relação aos dispositivos de segurança e características de automatização que acompanham os filtros modernos.
Os componentes principais a merecer cuidados são:
O tanque do filtro tem que estar conforme um Código de Segurança para Vasos de Pressão, como ASME, ABNT, e ser vistoriado periodicamente, como requerido pelos regulamentos de segurança.
A válvula de alívio de pressão, localizada no topo da cobertura abaulada, deve ser vistoriada para funcionamento em emergências.
A gaxeta de vedação calafetando o cabeçote de cobertura do topo abaulado. Os extremos devem ser cortados em um ângulo para assegurar um selo perfeito.
A trava do tipo ferrolho, do balanço que prende a cabeça e o cilindro, nas máquinas menores, ao piso do filtro.
A limpeza do visor de filtrado que possibilita a inspeção da claridade do filtrado.
A engrenagem que impede a abertura da válvula de descarga do bolo quando o vaso ainda está sob pressão.
A condição do meio filtrante, pano ou tela de malha, deve ser feito periodicamente para assegurar que eles não estão danificados.
A abertura no topo da cobertura deve ser conferida para permitir a evacuação livre de ar.
