FILTRACIONOlaza Salazar, Y; Rosales García, J RESUMEN La filtración es un proceso unitario que permite la separación de sólidos en suspensión en un líquido, en la práctica se observó el comportamiento de una suspensión de CaCo3, que se filtró a caída de presión constante. se hizo un análisis de la filtración de agua 500ml y una solución acuosa de carbonato de calcio de 25g para la cual se utilizó dos papeles filtro uno para el paso lento y el otro paso rápido. La técnica consiste en verter la mezcla sólido-líquido que se quiere tratar sobre un filtro que permita el paso del líquido pero que retenga las partículas sólidas. El líquido que atraviesa el filtro se denomina filtrado, depende de la naturaleza de la partícula que vaya a ser separada y de la fuerza que actúan sobre ella para separarlas. Las características de las partículas más importantes a tener en cuenta son el tamaño, la forma y la densidad, y en el caso de fluidos, la viscosidad y la densidad. La práctica se realizó con el objetivo obtener la resistencia del medio filtrante y la resistencia especifica de la torta, realizando esta práctica a presión constante. I. INTRODUCCION En la filtración, las partículas suspendidas en un fluido, ya sea líquido o gas, se separan mecánica o físicamente usando un medio poroso que retiene las partículas en forma de fase separada que permite el paso del filtrado sin sólidos. Las filtraciones comerciales cubren una amplia gama de aplicaciones. El fluido puede ser un gas o un líquido (para este caso se trabajó con solido – líquido). El equipo industrial de filtración difiere del de laboratorio únicamente en lo que respecta a la cantidad de materia que se maneja y en la necesidad de operar a costos bajos. A la membrana porosa se le denomina medio filtrante mientras que las partículas retenidas en la membrana forman una capa que se llama torta y el líquido que atraviesa la membrana porosa y está exento de sólidos se denomina filtrado. El filtro, en el laboratorio se trabajó con dos papeles filtros, en cualquier caso, es necesario seleccionar la porosidad del filtro según el diámetro de las partículas que se quieren separar (la porosidad de los filtros que se trabajó es 42um y 40um). Según la fuerza impulsora presión constante que ayuda a que el líquido pase a través del filtro. 1.1. Objetivos - Esta práctica tiene por objetivo determinar experimentalmente la variación del caudal del filtrado con respecto al tiempo, en un proceso de filtración a presión constante de una solución de CaCo3. - Determinar la resistencia especifica de la torta y la resistencia del medio filtrante de la torta, en una operación de filtración a presión constante. II. METODOLOGIA 2.1. En la práctica realizó los siguientes pasos: Se preparó la solución a filtrar con 25 gramos de Carbonato de Calcio al 5%, se tomo lectura 500ml de agua en una probeta. Se separo dos filtros uno paso lento y el otro paso rápido con su porosidad de 40um y 42um Se mezclo la solución de Carbonato de Calcio y agua con una varilla de vidrio, para que así pueda haber un homogenizado entre el líquido-solido. Se colocó papel filtro en el embudo dando una forma exacta, de tal forma para que no pueda escapar la mezcla en el filtro. Luego se empezó a echar la mezcla en el tubo, controlando el tiempo con un cronometro Se obtuvo al final la suspensión de carbonato de calcio de la separación sólido-Liquido III. RESULTADOS 3.1. Filtración a paso rápido Cuadro 1: resultados de la filtración a presión constante V t Dt dv dt/dv V m3 (seg) promedio 0 0 - - - - 0,00001 50 50 0,00001 5000000 0,000005 0,000015 70 20 0,000005 4000000 0,0000125 0,00002 96 26 0,000005 5200000 0,0000175 0,000025 129 33 0,000005 6600000 0,0000225 0,00003 246 117 0,000005 23400000 0,0000275 0,000035 279 33 0,000005 6600000 0,0000325 0,00004 317 38 5E-06 7600000 0,0000375 0,000045 363 46 0,000005 9200000 0,0000425 0,00005 395 32 0,000005 6400000 0,0000475 0,000055 441 46 0,000005 9200000 0,0000525 0,00006 484 43 0,000005 8600000 0,0000575 0,000065 535 51 5E-06 10200000 0,0000625 0,00007 574 39 0,000005 7800000 0,0000675 0,000075 620 46 0,000005 9200000 0,0000725 0,00008 676 56 5E-06 11200000 0,0000775 0,000085 725 49 0,000005 9800000 0,0000825 0,00009 774 49 0,000005 9800000 0,0000875 0,000095 783 9 0,000005 1800000 0,0000925 dt/dv VS V(promedio) 25000000 20000000 dt/ dv 15000000 10000000 5000000 0 0 0.00001 0.00002 0.00003 0.00004 0.00005 0.00006 0.00007 0.00008 0.00009 0.0001 Volumen promedio Figura 1: variación de dt/dv con respecto al volumen promedio Cuadro 2: Resultados filtración a presión constante dt/dv V Promedio 6600000 0,0000225 6600000 0,0000325 7600000 0,0000375 8600000 0,0000575 9200000 0,0000725 9800000 0,0000825 9800000 0,0000875 dt/dv VS V(promedio) 12000000 y = 5E+10x + 5E+06 10000000 R² = 0.9677 8000000 dt/ dv 6000000 4000000 2000000 0 0 0.00002 0.00004 0.00006 0.00008 0.0001 volumen promedio Figura 2: Variación dt/dv con respecto al volumen promedio Cuadro 3: Resultados de paso rápido Kp B Rm 𝞪 Paso 5x1010s/m3 5x106s/m3 3,60x1010 549520846 rápido 3.2. Calculo a paso lento Cuadro 3: Resultado de filtración a presión constante V T dt dv dt/dv V m3 seg promedio 0 0 - - - - 0,00001 59 59 0,00001 5900000 0,000005 0,000015 93 34 0,000005 6800000 0,0000125 0,00002 124 31 0,000005 6200000 0,0000175 0,000025 153 29 0,000005 5800000 0,0000225 0,00003 182 29 0,000005 5800000 0,0000275 0,000035 213 31 0,000005 6200000 0,0000325 0,00004 242 29 5E-06 5800000 0,0000375 0,000045 271 29 0,000005 5800000 0,0000425 0,00005 304 33 0,000005 6600000 0,0000475 0,000055 331 27 0,000005 5400000 0,0000525 0,00006 365 34 0,000005 6800000 0,0000575 0,000065 397 32 5E-06 6400000 0,0000625 0,00007 429 32 0,000005 6400000 0,0000675 0,000075 465 36 0,000005 7200000 0,0000725 0,00008 505 40 5E-06 8000000 0,0000775 0,000085 533 28 0,000005 5600000 0,0000825 0,00009 570 37 0,000005 7400000 0,0000875 0,000095 603 33 0,000005 6600000 0,0000925 0,0001 640 37 0,000005 7400000 0,0000975 dt/dv VS V(promedio) 9000000 8000000 y = 1E+10x + 6E+06 R² = 0.2708 7000000 6000000 5000000 dt/dv 4000000 3000000 2000000 1000000 0 0 0.00002 0.00004 0.00006 0.00008 0.0001 0.00012 Volumen promedio Figura 3: Variación dt/dv con respecto al volumen promedio Cuadro 4: resultado de filtración a presión constante dt/dv V Promedio 5900000 0,000005 6200000 0,0000175 6200000 0,0000325 6600000 0,0000475 6800000 0,0000575 7200000 0,0000725 7400000 0,0000875 7400000 0,0000975 dt/dv VS V(promedio) 8000000 7500000 y = 2E+10x + 6E+06 R² = 0.97 7000000 dt/dv 6500000 6000000 5500000 0 0.00002 0.00004 0.00006 0.00008 0.0001 0.00012 Volumen promedio Figura 4: Variación dt/dv con respecto al volumen promedio Cuadro 5: Resultados del paso lento Kp B Rm 𝞪 Paso 2x1010s/m6 6x106s/m3 3,89x1010 178719509,5 lento IV. DISCUSION Foust Alan (2006), menciona que los parámetros de filtrado también representan una importante característica en el proceso, ya que evidencian que tan eficiente es el procedimiento según con las necesidades requeridas. Llegándose a comprobar que la resistencia específica de la torta es aquella que ofrecen los sólidos y no al medio filtrante, se genera por la deposición continua de sólidos sobre el medio, por lo que aumenta continuamente con el tiempo de filtración. Lock Olga (2004), nos indica que a mayor variación de presión el caudal será más rápido, generando la torta a mayor velocidad por lo que abra una mayor cantidad de deposición en un menor tiempo, lo que produce mayor resistencia específica, para el cual en la práctica de trabajó a presión constante. Según Torres, Pedro (1975) para determinar un proceso de filtración a presión constante se procede a graficar los valores en función del volumen. En la práctica se trabajó con dos clases de filtro, como se observa en las figuras 2 y 4, estás corresponden a una tendencia lineal lo que indica que efectivamente cuando se trabaja a presión constante se produce una disminución del caudal en función del tiempo, esto ocurre debido a la acumulación de torta que se genera al filtrar. V. CONCLUSION Se concluyo que, para determinar la variación del caudal respecto al tiempo, el cuadro 1 y 3 muestra el tiempo necesario para colectar la cantidad necesaria de filtrado, el tiempo de filtración disminuye ligeramente al tipo de filtrado; paso lento y paso rápido es una manifestación directa del incremento de la resistencia especifica de la torta; al haber mayor resistencia de la torta, el tiempo de filtración va ser mayor. Existe una comparación entre los dos tipos de filtrado, la resistencia específica del paso lento es 178719509.5m/kg y el paso rápido 549520846m/kg, como podemos notar hay una diferencia de 106242167m/kg; por ende, hay una resistencia especifica de la torta y entre los dos tipos de filtro. Y la resistencia del medio se obtuvo un resultado para el paso rápido 3.60x1010 m-1 y para el paso lento 3.89x1010 m-1; dicho esto podemos concluir que la resistencia del medio filtrante, el paso lento dificulta ya que el tipo de filtro tiene una porosidad menor. VI. BIBLIOGRAFIA FOUST ALAN S., Principios de operaciones unitarias, segunda Edición, Editorial Continental México Pag. 645-6671. 2006 LOCK OLGA, “Filtración” Tesis del programa Académico de Ingeniería Química, Hemeroteca U.N.M.S.M- FQIQ.2004 TORRES, PEDRO. “Estudio de las características de filtración de filtración a presión constante de una suspensión acuosa de Carbonato de Calcio” Tesis para optar el titulo de ingeniería Química. 1975. GEANKOPLIS C.J, Procesos de transporte y operaciones unitarias, 3ra Edición, Cap 14.2 VII. CUESTIONARIO 1. Defina la operación de filtración Se denomina filtración al proceso unitario de separación de sólidos en una suspensión a través de un medio mecánico poroso, también llamados tamiz, criba, cedazo o filtro. En una suspensión en un líquido mediante un medio poroso, retiene los sólidos mayores del tamaño de la porosidad y permite el paso del líquido y partículas de menor tamaño de la porosidad. Generalmente al medio mecánico poroso usado para la separación mecánica se le llama filtros, tamices, cedazos, criba, o popularmente e incorrectamente: mallas o telas. Generalmente se utiliza el término filtrar cuando nos referimos a la separación mecánica de partículas de menor tamaño que coloidal, (colar o tamizar cuando son partículas mayores), o que no se ven a simple vista. Las aplicaciones de los procesos de filtración son muy extensas, encontrándose en muchos ámbitos de la actividad humana, tanto en la vida doméstica como de la industria general, donde son particularmente importantes aquellos procesos industriales 2. Indique cuales son las aplicaciones de la filtración en los procesos industriales. La filtración se emplea en un gran número de procesos relacionados con industrias muy diversas; como ejemplo se citan las siguientes: Química: filtración de azufre fundido, silicato sódico, ácido cítrico, resinas y fibras sintéticas, plásticos. Farmacéutica: producción de vitaminas y antibióticos en alimentaria: filtración de glucosa, fructosa y azúcares, jugos de frutas, cerveza, vino. En la producción de azúcar se emplean filtros de vacío siempre que es necesaria la separación de materia sólida de un líquido, también aparecen centrífugas. En la producción de zumos de frutas, hay que señalar que está aumentado la utilización de filtros para espesamiento de tipo continuo frente a los típicos decantadores. En el embotellado vino o zumos de frutas, se emplean los filtros de placas como filtro final para la esterilización. Otros usos de los filtros en la industria del vino se dan en bodega para filtración clarificarte y eliminación de turbidez si se coloca el filtro entre dos tanques. - Industria del aceite: pulido de aceites, blanqueo y winterización. - Agroquímica: producción de insecticidas - Petroquímica: separación de distintos componentes como la posibilidad de obtención de parafinas cristalinas de las que no lo son - Recuperación y refino de metales: por ejemplo, filtración de sales de zinc, cobre, níquel, etc 3. ¿Qué entiende por clarificación? Clarificación es una técnica culinaria mediante la cual un caldo de aspecto turbio y oscuro se logra estabilizar en un aspecto más claro y cristalino. La operación se suele realizar con alimentos que proporcionan una gran cantidad de proteína como son la claras de huevo y las colas de pescado. En los caldos la clarificación se aplica a los roux. Se suele mencionar la clarificación en la elaboración de gelatinas al procesarse y dejarse transparentes como es el caso de los aspics, o a los fondos mediante la aplicación de elementos clarificantes o mediante una cuidada cocción. En el procesado del vino suele haber una clarificación que consiste en una limpieza y transparencia de la bebida final. 4. Mencione los diferentes tipos de filtros de acuerdo con su clasificación general. Filtros rotatorios (continuo de vacío) En este tipo de filtros, el flujo pasa a través de una tela cilíndrica rotatoria, de la que se puede retirar la torta de forma continua. La fuerza más común aplicada es la de vacío. En estos sistemas, la tela se soporta sobre la periferia de un tambor sobre los que se está formando la torta. Filtros centrífugos En éstos se utiliza la fuerza centrífuga como fuerza motriz; estos aparatos basan su funcionamiento en centrífugas provistas de una cesta perforada que puede tener una tela encima. El líquido pasa al interior de la cesta y por medio de la fuerza centrífuga pasa a través del material filtrante. Filtros de aire Estos filtros comúnmente son utilizados para quitar el polvo o las partículas suspendidas en las corrientes de aire. En estos aparatos se hace pasar el aire o el gas a través de un tejido, de forma que éste retenga el polvo. Un tipo de estos filtros, el de saco, consiste en una serie de sacos de tela cilíndricos y verticales de 15-30 cm de diámetro, a través de los cuales pasa el aire en paralelo; el aire cargado de polvo entra en los sacos, generalmente por el fondo, y pasa a través de la malla. 5. Indique como funcionan: ¿un filtro a presión y como un filtro a vacío? Filtros espesadores de presión (continuos de presión) El objeto de un filtro espesador es separar parte del líquido contenido en una suspensión diluida para obtener otra concentrada. Tiene la apariencia de un filtro de prensa, sin embargo, no contiene marco y las placas están modificadas. Las placas sucesivas llevan canales apareados que forman, cuando se monta la prensa, una conducción larga en espiral para la suspensión. Los lados de los canales están recubiertos con un medio filtrante mantenido entre las placas. Filtros rotatorios (continuo de vacío) En este tipo de filtros, el flujo pasa a través de una tela cilíndrica rotatoria, de la que se puede retirar la torta de forma continua. La fuerza más común aplicada es la de vacío. En estos sistemas, la tela se soporta sobre la periferia de un tambor sobre los que se está formando la torta 6. Mencione las consideraciones básicas en la selección de un medio filtrante. El medio de filtración de cualquier filtro debe cumplir con los siguientes requisitos: Retener los sólidos que han de filtrarse con una rapidez después que se inicie la alimentación, dando un filtrado suficientemente claro. No debe obstruirse, o sea velocidad baja de arrastre de sólidos dentro de sus intersticios. Resistencia mínima al flujo de filtrado. Ser químicamente resistente. Tener la suficiente consistencia física para resistir las condiciones del proceso (o sea suficiente resistencia para sostener la presión de filtración) Resistencia aceptable del desgaste mecánico. Permitir la descarga limpia y completa de la torta formada. Capacidad para conformarse mecánicamente al tipo de filtro con el cuál se utilizará. Tener un costo que sea amortizado por los gastos del proceso (costo mínimo). 7. Mencione 6 diferentes tipos de medios filtrante 1. Filtros prensa (discontinuo de presión) 2. Filtros espesadores de presión (continuos de presión) 3. Filtros rotatorios (continuo de vacío) 4. Filtros centrífugos 5. Filtros de aire 8. ¿Que es un filtro ayuda y cuáles son sus características? Un filtro ayuda es un producto auxiliar filtrante que finamente divido, no interviene químicamente en el producto filtrado (inerte), que no es comprimido por la presión de filtrado (incomprensible), que se mezcla fácil e íntimamente (ligero), reteniendo los sólidos en suspensión (poroso) y alargando los ciclos de filtrado (permeable). Un filtro ayuda debe tener una correcta distribución de tamaño de partículas, dependiendo de las características del grado correspondiente. Así debe contener tanto partículas finas y pesadas, que proporcionan altas calidades a bajos flujos, como gruesas y ligeras que producen altos flujos a calidades bajas. Una correcta y variada distribución, proporciona la mezcla ideal e identifica dentro de un rango limitado. 9. ¿Porque es importante obtener el factor de compresibilidad? En las tortas obtenidas por filtración, la resistencia específica de ésta varia con la caída de presión producida a medida que ésta se deposita; esto se explica porque la torta se va haciendo más densa a medida que la presión se hace mayor y dispone por ello de menos pasadizos con un tamaño menor para que pase el flujo. Este fenómeno se conoce como compresibilidad de la torta. Tortas muy compresibles serán aquellas que derivan de sustancias blandas y floculantes, en contraste con sustancias duras y granulares, como el azúcar y los cristales de sal, que se ven muy poco afectados por la presión (la velocidad es independiente de la presión). 10. ¿Que aplicaciones tiene el determinar los valores alfa y Rm? Resistencia especifica de la torta Nos indica que la resistencia especifica de la torta es una función de la fracción de los espacios vacíos y de la superficie especifica de las partículas (So). También es función de la presión, pues esta puede afectar a la porosidad (x), cuando la suspensión este formada por partículas comprensibles. Resistencia de medio filtrante El medio filtrante es el elemento fundamental para la práctica de la filtración y su elección es, habitualmente, la consideración más importante para garantizar el funcionamiento del proceso. En general, entre los principales criterios de selección del material de medio filtrante, se pueden destacar: Compatibilidad y resistencia química con la mezcla Permeabilidad al fluido y resistencia a las presiones de filtración Capacidad en la retención de sólidos Adaptación al equipo de filtración y mantenimiento Relación vida útil y coste 11. Como se calcula el Ve El Ve se calcula ya teniendo en cuenta la pendiente Kp y el intercepto B calculados respectivamente ejemplo: B= Kp.Ve donde aquí se despeja la ecuación entonces seria: Ve= B/Kp 12. ¿Como se calcula el vector de S? Si 𝞪 = 𝞪0 (−ΔP)s Linealizando la ecuación: Ln(𝞪) = Ln(𝞪0) + S Ln(−ΔP) De la regrecion Lineal entre: Ln(−ΔP) y In(𝞪)= S.