FILTRACION FILTRACION A PRESION PRESI ON CONSTANTE I.
INTRODUCCION:
La filtración es una operación básica, ampliamente utilizada en la industria química, principalmente en la purificación y extracción de materias primas, por ende para el estudiante de Ingeniería es de gran importancia entender el funcionamiento de dicho proces proceso o y enten entender der el fenóme fenómeno no físico físico que se lleva lleva a cabo. cabo. n la filtra filtració ción n las las partículas suspendidas suspendidas en un fluido se pueden separar físicamente mediante el uso de un medio poroso que retiene las partículas y que permite el paso del fluido. sta operación es importante para interpretar análisis de resultados, buscar condiciones óptimas y predecir los cambios en las condiciones de traba!o. "demás es usada en la mayoría de las industrias como en el sector minero, de alimentos, de tratamiento de aguas, etc. #ependiendo de varios determinantes, este proceso puede ir desde simples colados hasta separaciones altamente comple!as, dichos determinantes com$nmente son% &aturaleza de los sólidos a separar, definida por propiedades tales como dureza, elasticidad, tama'o de partícula, concentración, etc. l medio medio filtra filtrante nte,, defin definid ido o como como el elemen elemento to funda fundamen mental tal para para la prácti práctica ca de la filtració filtración, n, cuya elección elección es, habitualm habitualmente ente,, la considera consideración ción más importan importante te para garantizar el funcionamiento del proceso. #icha elección se ve influenciada por varios aspectos como los son en general% (ompatibilidad (ompatibilidad y resistencia química con la mezcla, permeabilidad al fluido y resistencia a las presiones de filtración, capacidad en la retención de sólidos, relación vida $til y coste, etc )ara la alimentación del filtro se hace necesaria una bomba a una presión de * a + atmósferas, y la filtración se realiza de forma continua hasta que ocurre un aumento brusco de la presión de filtración o de!a de salir líquido por el tubo de descarga. n dicho caso, se hace un lavado a las impurezas que pueda tener el sólido haciendo pasar un líquido que solubilice dichas impurezas, seguidamente desplazar el líquido residual mediante aire o vapor de agua, para así retirar la torta de sólidos pasándola a un transportador o un depósito de almacenamiento. II .
II I.
OBJETIVOS: ntender los principios básicos de la filtración a trav-s de la experiencia volcada en el laboratorio. #eterminar la resistencia del medio filtrante. #eterminar la resistencia especifica de la torta. )ronosticar el tiempo necesario para filtrar ml de muestra MARCO TEORICO:
I I I . 1. FILTRACION: La filtración consiste en la separación de partículas sólidas contenidas en un fluido, pasando a trav-s de un medio filtrante sobre el que se depositan los sólidos. La torta se establece gradualmente incrementándose de forma progresiva la resistencia al flu!o.
Figura Nº1 Operación de filtración
#urante el periodo inicial se depositan partículas en la capa superior de la tela formándose el verdadero medio filtrante/ este depósito inicial puede efectuarse mediante un primer flu!o especial de material adecuado. Las variables que intervienen en la velocidad de filtración son% 0 La caída de presión desde la alimentación hasta el lado más le!ano del medio filtrante. 0 l área de la superficie filtrante. 0 La viscosidad del filtrado. 0 La resistencia de la torta filtrante. 0 La resistencia del medio filtrante y de las capas iniciales de la torta. La filtración consiste en la separación de partículas sólidas de una suspensión, mediante un medio filtrante que de!a pasar el líquido y retiene el sólido. l líquido que fluye a trav-s del medio filtrante se conoce como filtrado, mientras que la acumulación de sólido retenido forma un lecho poroso, conocido como t orta. 12ilarranz, 345 " medida que se lleva a cabo el proceso de filtración, incremente el espesor de la torta, razón por la cual, la resistencia al paso del fluido es mayor, lo cual da lugar a que la filtración se realice a presión constante, disminuyendo el caudal con el tiempo, o a caudal constante, donde la presión aumenta al avanzar la filtración. 12ilarranz, 345 Las aplicaciones de la filtración en las industrias pastero6papeleras, se produce tanto en la obtención de la pasta de celulosa, como en la fabricación de papel y en el tratamiento de los efluentes residuales, a continuación se concretan algunas aplicaciones% Lavado de la pasta 1recuperación de reactivos5. 0 7lanqueo. 0 spesado de la pasta. 0 n la mesa plana de fabricación de papel 1desgote5. 0 n las formas redondas de fabricación del cartón. 0 8ecuperación de fibras 1filtros de discos5.
III.2.
MEDIO FILTRANTE
9n medio filtrante puede ser definido como cualquier material permeable sobre el cual, o en el cual, son separados los sólidos del fluido durante el proceso de filtración. )or consiguiente, el principal rol del medio filtrante es provocar una buena separación entre los componentes de una suspensión con el mínimo consumo de energía. n orden a realizar una cuidadosa selección de un medio filtrante se deben tomarse en cuenta muchos factores. :odos los filtros requieren un medio filtrante para le retención de sólidos, ya sea que el filtro este adaptado para la filtración de torta, como medio de filtración o filtración en profundidad. La especificación de un medio de filtración está basada en la retención de un tama'o mínimo de partícula y una buena eficiencia en la eliminación por separación, así como tambi-n una aceptable duración. La elección del medio filtrante es, por lo general, la consideración más importante para asegurar el funcionamiento satisfactorio de un filtro, las características más destacadas son% 0 (apacidad para retener los sólidos sobre sus poros con rapidez. 0 ;elocidad ba!a de arrastre de sólido dentro de sus intersticios. 0 8esistencia mínima al flu!o de fluido. 0 8esistencia a los ataques químicos. 0
Filtros de leco !ro"#$do "biertos 1por gravedad5 (errados 1por presión5 Filtros de s#!er"icie. (edazos y coladores =iltros de manga =iltros prensas =iltros de presión de ho!a :ambor rotatorio s#!er"icie. =iltros bandas
Fi%#r& ': "iltros de
III.'. FUNDAMENTOS DE FILTRACI(N. )ara una suspensión determinada en un filtro dado, la variable principal que puede controlar el operador es la caída de presión global. <í la diferencia de presión es constante la velocidad del flu!o es máxima al comienzo de la filtración y disminuye constantemente hasta el final a este proceso se denomina filtración a presión constante 1>) ? (te5 (uando varía la caída de presión, se comienza con un valor peque'o que va aumentando con el transcurso de la operación, ya sea progresivamente o por etapas. hasta alcanzar un máximo al final. l m-todo llamado filtración a velocidad constante
consiste en mantener constante la velocidad del flu!o aumentando progresivamente la de entrada 1>;@ >:? (te5 9na sección de la torta y un medio filtrante al cabo de un tiempo AtB desde el comienzo del flu!o de filtrado nos permite hacer un análisis de esta operación, en este instante el espesor de la torta medido desde el medio filtrante es ALB l área del filtro, medido perpendicularmente a la dirección de flu!o es ", y considerando que en un lecho filtrante la velocidad es lo suficientemente ba!a para considerar que el flu!o sea laminar, decimos que el flu!o del filtrado a trav-s del lecho de la torta empacada puede expresarse usando la ecuación de )oise*ille para tubos rectos
ΔP 32 μv = 2 L D
++++++++++++ ,1-
Do$de: >) ? (aída de presión en &@m 3 v ? ;elocidad en el tubo abierto en m@s # ? #iámetro en m L ? Longitud en m μ ? ;iscosidad en )a6s
ΔP = L
( −e )2 S2
4 . 1 7 μv 1
e2
++++++++++++ ,2-
>) ? (aída de presión en &@m 3 v ? ;elocidad lineal basado en el área de filtraciom en m@s e ? )orosidad de la torta L ? Longitud en m < ?
dV v= ( dtA )
+++++++++++++.. ,'-
1d;@dt5 ? ;olumen del filtrado en m * recolectado en un tiempo 1s5 " ? Drea transversal del filtro E haciendo un balance de materia en la torta.
LA ( 1 − e ) ρ p = C s ( V + eLA )
+++++++++ ,-
Fp ? densidad de las partículas en la torta Cg@m * (< ? Cg sólido @ m* de filtrado #e las ecuaciones 135 y 1*5
dV = ( dtA )
ΔP torta
( −e ) S
4 . 1 7 μVC s 1
2
=
ρ p e 3 A
ΔP torta αμ C s V A
++++ ,/-
#onde La resistencia especifica
α =
α
de la torta en m@Cg
( − e ) S2
4.17 1
ρ p e 3
+++++++++++ ,0-
)or analogía para la resistencia del medio filtrante
dV ΔP mf = ( dtA ) μR m
+++++++++ ,-
#onde% 8m ? 8esistencia del medio filtrante m6 +
ΔP mf ? (aída de presión en el medio filtrante &@m 3 )uesto que la resistencia de la torta del os medio filtrante están en serie pueden combinarse con las ecuaciones 1G5 y 145 y tener finalmente%
dV = ( dtA )
ΔP torta μ(
α VC s A
+ R m )
++++++++..,-
#onde >) ? >)torta ? >)mf III..
RESISTENCIA ES)ECIFICA DE LA TORTA
La torta de filtración es la recuperación de los sólidos acumulados por el medio filtrante/ en la torta del filtrado la mayoría de las partículas sólidas son siempre más grandes que en el inicio en el medio filtrante y la torta/ por lo tanto, los sólidos están retenidos como una torta de un espesor en aumento en el área del medio filtrante. llos son usualmente el producto que se desea recuperar.
Figura Nº4 Torta de Filtración
La ecuación 145 Indica que la resistencia es una fracción de los espacios vacíos y de la superficie especifica de las partículas 1 < 5. :ambi-n es función de la presión, pues esta puede afectar a la porosidad 1e5 cuando la suspensión está conformada por partículas compresibles La variación de H con respecto a la presión puede determinarse por medios de experimentales a diferentes caídas de presión constante. <í la torta es independiente de la caída de presión, la torta es incomprensible, pero por lo general aumenta con >) , pues la mayoría de las tortas son algo compresibles. 9na ecuación de uso empírico y de uso com$n es%
s
α =α 0 ( ΔP )
++++++++++++++++++..,3-
s ? =actor de compresibilidad 1.+6. para los comprensibles5 Filtr&ci4$ & !resi4$ co$st&$te. cuación general%
μα VC s
dt dV
=
2
A Δp
μRm
+
AΔP
K p V + B=mx + b
=
+++.,15-
K p =
μR m
μα C s
B= AΔp
2
A Δp
#onde Cp 1s@m45 y 7 ? s@ m* Integrando la ecuación para presión constante y
t
∫ 0
v
v
α
constante se tiene
v
v
μαVC s μR m dt = + = K p VdV + BdV 2 dV 0 A Δp 0 AΔP 0 0
∫
K p V t = V 2
K p =
∫
+
∫
B= mx + b
μα C s 2
A Δp
B=
∫
++++.,11-
μR m AΔp
#onde Cp 1s@m45 y 7 ? s@ m* III./.
E6UI)OS DE FILTRACI(N
III./.1. Filtros de !resi4$ Llamamos =iltros de )resión a los filtros en los que la separación tiene lugar gracias a la presión que imprime la bomba de alimentación. n los =iltros de )resión, la superficie filtrante es la suma de las superficies de todas los elementos que se disponen en su interior, situados verticalmente, en paralelo y conectados a un colector $nico de salida de filtrado.
Figura Nº5 Filtros de presión
III./.2. Filtros de *&c7o La filtración al vacío es una t-cnica de separación de mezclas sólido6líquido. La mezcla se introduce en un embudo plano con el papel de filtro acoplado al fondo. #esde el fondo del embudo se aplica con una bomba un vacío que succiona la mezcla, quedando el sólido atrapado entre los poros del filtro. l resto de la mezcla atraviesa el filtro y queda depositada en el fondo del recipiente. sta t-cnica es más rápida que la filtración habitual por gravedad y está indicada cuando dichos procesos de filtración son muy lentos. IV. MATERIALES 8 METODOS: IV.1. MATERIALES: a5 aterial biológico% #isolución de maicena b5 aterial de vidrio% ;aso de precipitación de + ml "gitador Citasato c5 Instrumentos% 7alanza digital 7omba de vacio (ronometro d5 aterial auxiliar% )apel filtro anguerillas de conexión IV.2. METODOLO9IA: - "condicionar el equipo de filtración 1compuesto de placa porosa J embudo alimentador J recipiente recolector Jpinza de su!eciónJ papel de filtroJ manguerilla de conexión a la bomba de vacío5 - )reparar una disolución de maicena con una concentración de suspensión de aproximadamente g@L. anteni-ndola en continuo estado de agitación. - (onectar al vacío registrando el valor marcado por el vacuómetro.
-
IV.'.
Llenar el embudo con la suspensión y a'adir regularmente, procurando que siempre haya suspensión en -l. )oner el cronómetro en marcha en el momento que caiga la primera gota, y anotar el tiempocada + cm* de filtrado. (onsiderar la viscosidad de la solución similar a la que el agua/ midiendo su temperatura correspondiente. #eterminar en área de filtración con la ayuda de una regla. For&to !&r& l& i$"or&ci4$ e;!erie$t&l:
;olumen filtrado :iempo 1t5 t@; 1s@m*5 1;5 m* min
V. ;.+.
RESULTADOS 8 DISCUCIONES: #atos%
#iametro del filtro 1filtro circular5% K cm Drea del filtro% .+3G44K m3 (oncentración de la suspensión% g@l (aída de presión% 3 torr :emperatura% +G Nc
;.3. Información experimental% (uadro +% tabla de datos de volumen y tiempo de la filtración% volumen tiempo filtra1m*5 min seg t@v 1s@m*5 .+ .3G +4.* +4* .3 +.*G***** 3.G3 K+34 4***.** .* *.+4444 ++.+3 * .K G.K3M***** *3G.4 +KK .G .4G***** G3.G3 +K+K +3KK44.4 .4 +3.KK444 KK.3 . +.+*K*** +3.M +K4 . 33.4+*** +*3*.+ +4GK4*.G
v Vs t 0 0 0 0 ) 0 3 M 0 ( V
0 0 0 0
0
5
10
15
20
25
t (min)
Fi%#r& 0: %r&"ico de el *ol#e$ "iltr&do e$ rel&ci4$ &l tie!o de l& !r
t/v Vs v 1800000 1600000
f(x) = 2121631250x - 29249.38 R² = 1
1400000 ) 1200000 3 m 1000000 / s ( 800000 v / t 600000
400000 200000 0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
v (m3)
Fi%#r& : %r&"ico del tie!o !or *ol#e$ e$ rel&ci4$ &l *ol#e$ "iltr&do e$ l& !r&ctic& de "iltr&ci4$. t Kp ∗v = +B v 2
&- V&lor >! ? B y ? 3JMx O 3M3KM Cp@3 ? 3P+M
Cp ? KP+M 1s@m45
7 ? 3M3KM 1<@m*5 @- Resiste$ci& de l& tort& , Kp =
u∗( α )∗Cs 2
A ∗(− ∆ P )
+ :orr ? +**.33 pa 3 :orr ? **+.4 pa 9 ? viscosidad del filtrado a +G N(% ? .++*M 1pa.s5 Q ? resistencia especifica de la torta 1m@Rg5 (s ? concentración de la suspensión %? g@l que equivale a Rg@m * " ? área del filtro 1m35 >) ? **+.4 )a 4
9
∗10 =
∗( α )∗(8 ) ( 0.00125664 ) ∗(37301.6 )
Q ? 3.GG P+ + m@Rg B=
u∗ Rm A∗(− ∆ P )
0.001139
2
29249
=
∗ Rm ( 0.00125664 )∗( 37301.6)
0.001139
8m ? +3*3KG m 6+ c- Tie!o !&r& "iltr&r tres litros de disol#ci4$ t Kp ∗v = +B v 2
* litros ? .* m * t 0.003
t
=
=
4
9
∗10 ∗0.003 2
+ 29249
18087.747 segundos =5.02 oras
d5 capacidad de filtración 1=c5 teniendo como datos el volumen total filtrado y el tiempo de ciclo de filtración. !" = !"=
V f#$tro t montar + t f#$trado + t $#mp#e%a 800 m$
+
15 m#n 22.03 m#n
+ 10 m#n
=c ? + ml@min "l permanecer la presión constante la velocidad del flu!o es máxima al comienzo de la filtración y disminuye constantemente hasta el final a este proceso debido a que la resistencia a la filtración es mínima, ya que no existen todavía sólidos depositados. La orientación inicial de las partículas en la torta es muy importante y puede influir significativamente en la estructura y permeabilidad de todo el lecho del filtro. 9na caída de presión excesiva y elevadas velocidades iniciales de filtración pueden producir un taponamiento de la tela filtrante y una elevada resistencia a la filtración posterior.1#oran, +MM5/ ;@ >:? (te5 c(abe 135. " medida que avanza el proceso de filtración aumenta el espesor de la torta por lo que la resistencia al paso de fluido es cada vez mayor. l tiempo que nos tomó en la práctica filtrar ml fue de 33.4 minutos al compararlo con filtrar * litros haciendo cálculos lo cual nos da un tiempo de G.3 horas/ es decir que para filtrar * litros de suspensión de maicena nos llevara un tiempo de G.3 horas/ debido a que la presión se mantendrá constante lo cual implica que la velocidad de filtración ha de ir disminuyendo paulatinamente, pues a medida que crece el espesor de torta la resistencia a la filtración es mayor. Sabitualmente, las partículas que forman la torta son peque'as y la velocidad del filtrado a trav-s del lecho es ba!a, de forma que casi siempre se tiene flu!o laminar.
La resistencia de la torta es cero al iniciar la filtración, a causa de la deposición continua de sólidos sobre el medio, esta resistencia aumenta continuamente con el tiempo de filtración, llegando en nuestra experiencia a 3.GGx+ +
m a 3 torr. Kg
La resistencia del medio filtrante, incluyendo algunas partículas incrustadas, es importante en los primeros instantes del proceso, en nuestro caso resultó +3*3KG m 6+ . La capacidad de filtración se refiere a cuanto de volumen se filtra durante el tiempo de todo el ciclo de la filtración lo cual en nuestra práctica fue de + ml@min.
VI.
CONCLUSIONES
(on la practica realizada llegamos a entender sus principios y fenomenos que ocurre en un proceso de filtracion. se logró determinar la resistencia de la torta ya que la práctica se terminó ob!etivamente conforme progresa la operación, el espesor de la torta aumenta con el correspondiente incremento de la resistencia al flu!o del filtrado "l realizar el proceso de =iltración nos dimos cuenta que la maicena tiene gran cantidad de sólidos. l tiempo necesario para filtrar * litros de suspensión de maicena es de G.3 horas. al mantener la presión constante, la velocidad de filtración disminuye con el tiempo. l líquido pasa a trav-s de dos resistencias en serie% el de la torta y del medio filtrante.
VII.
RECOMENDACIONES
antes de iniciar la practica de filtración es necesario hacer una limpieza de equipo a utilizar porque puede que ya contenga solidos. "l agregar la maicena en un determinado volumen de agua se debe homogenizar bien la suspensión. #urante la practica mantener constante la presión a la que se va a utilizar 3 torr. n la preparación del filtro prensa es necesario fi!arse que las lonas no tengan agu!eros pues la corrida de filtración serie en vano.
VIII.
2ilarranz, .". 1345 “Filtración” . Drea de Ingeniería Tuímica, 9niversidad "utónoma de adrid. 2ooding, 2.&. 13M5. “Operaciones Unitarias, Manual de Prácticas” . 9niversidad &acional de (olombia, #epartamento de Ingeniería Tuímica. )rimera edición. 7ogotá, (olombia. c(abe, U.L.,
WWW.catedras.quimica.unlp.edu.ar@ingenieriabioquimicaIyII
WWW.depa.fquim.unam.mx@manual:[email protected]
http%@@WWW.acefesa.es@[email protected]
I\.
BIBLIO9RAFIA
http%@@WWW.uam.es@personalZpdi@ciencias@mgilarra@=luid@=iltracion[33G6 34.pdf "&\X< %
Imagen del ciclo de filtración
imagen de la presión marcada
La torta
CUESTIONARIO 1. 6#e "&ctores deteri$&$ l& e"ic&ci& de l& "iltr&ci4$ Los factores que determinan la eficacia de la filtración son% a5 Las características de la suspensión :ipo de partículas suspendidas. :ama'o de partículas suspendidas. #ensidad de partículas suspendidas.
8esistencia o dureza de las partículas suspendidas. :emperatura del agua por filtrar. pS del efluente. b5 #el medio filtrante :ipo del medio filtrante. (aracterísticas granulom-tricas del material filtrante. )eso específico del material filtrante spesor de la capa filtrante c5 (aracterísticas hidráulicas :asa de filtración. -todo de control de los filtros. (alidad del efluente.
2. 6# si%$i"ic& el #e l& resiste$ci& es!ec7"ic& de l& tort& se odi"i#e d#r&$te el e$s&?o
. A #i$es se les de$oi$& co&d?#*&$tes de "iltr&ci4$ ? !&r& #e sir*e
FILR!" #$ %&%$L
Los papeles de filtro y los cartuchos de papel retienen las impurezas en la superficie y en la matriz del filtro. =recuentemente se denominan como filtros de profundidad y tienen una elevada capacidad de retener partículas y permiten procesar grandes cantidades de muestra. Las impurezas se van acumulando a medida que avanza la filtración dentro del filtro, modificando las propiedades de filtración. ntre las fibras dispuestas anárquicamente del filtro de profundidad se forma un lecho filtrante secundario. sta es la razón por la que no se puede determinar una porosidad nominal para los filtros de profundidad. =IL:8X< # :X8:"
=IL:8X< # )8&<" n estos se coloca una malla o tela sobre placas verticales de manera que los bordes soporten la tela y al mismo tiempo de!en deba!o de ella un área libre lo más grande posible para que pase el filtrado. n esta clase de filtros las placas se alternan acanaladas cubiertas en ambos lados por medio filtrante, con marcos, en con!unto se encuentran apretadas por tornillos o un aprensa hidráulica que la cierra herm-ticamente. l filtro prensa es más barato en cuanto se refiere a coste de instalación por unidad de superficie de filtración, el límite de presión a que pueden traba!ar estos aparatos suele ser bastante elevado, y por ello pueden filtrar con relativa rapidez, lo que es sinónimo de un elevado rendimiento de la superficie filtrante. l inconveniente que presenta este tipo de filtración es que resulta caro los coste de mano de obra, debido a la necesidad de efectuar manualmente la descarga de las cámaras y los marcos.
=IL:8X< 8X:":X8IX 1(X&:I&9X # ;"(_X5 n este tipo de filtros, el flu!o pasa a trav-s de una tela cilíndrica rotatoria, de la que se puede retirar la torta de forma continua. La fuerza más com$n aplicada es la de vacío. n estos sistemas, la tela se soporta sobre la periferia de un tambor sobre los que se está formando la torta. (abe destacar que los filtros anteriormente vistos son a modo de e!emplo destacando el filtro de prensa, el cual fue usado en el laboratorio.
=IL:8X # ("V" Llamado tambi-n de ho!a y de bolsa porque sus elementos filtrantes tienen más o menos estas formas. (onsta de una ca!a o carcasa en cuyo interior se alo!an unas ho!as o bolsas planas cuya parte inferior de todas ellas comunicacon una misma tuberia encargada de recoger el líquido filtrante )ertenecen a este tipo de filtros los de ;aldez, de Celly y de
=IL:8X # &9:(S" 8epresentan a filtros de vacío de funcionamiento discontinuo. stos aparatos se emplean para traba!os en escala relativamente peque'a.
=IL:8"(I`& )X8 28";#"# l filtro por gravedad consiste en un depósito de doble fondo sobre el primero de los cuales, que es perforado, se sit$a la materia filtrante, generalmente arena. l líquido a filtrar se introduce por la parte superior, desde donde cae a un plato que lo distribuye regularmente por toda la superficie del material filtrante, y la que atraviesa por su propio peso 1por gravedad5 saliendo por la parte inferior.
=IL:8"(I`& (X& 78"&"< La membrana filtra fundamentalmente en la superficie de la misma. )artículas mayores que la porosidad nominal permanecen sobre el filtro, mientras que las partículas más peque'as pasan el filtro, a no ser que otras interacciones en el filtro retengan -stas en la matriz de la misma. La filtración es claramente más lenta que con filtros de profundidad.
