Procesos de Filtración (Operacion Unitaria)

March 21, 2018 | Author: Luis Arturo Aranda Quintero | Category: Filtration, Chemistry, Chemicals, Engineering, Science


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Procesos de separaciónFILTRACION PROBLEMA - Determinar las constantes de filtración del equipo de operación. INTRODUCCION La filtración se considera como una operación unitaria y está comprendida las separaciones mecánicas, basadas en diferencias físicas de las partículas se define como la separación de las partículas sólidas suspendidas en un fluido forzándolas a pasar a través de un medio poroso, fibroso o granular. La a) b) c) d) e) filtración tiene por objeto lo siguiente: Clarificación de sólidos Recuperación de sólidos Recuperación de líquidos Recuperación de ambas fases Filtración para facilitar otras operaciones como: presecado, lavado de materiales solubles depositados en los sólidos, etc. La filtración a escala industrial es similar a la que se realiza a escala de laboratorios: las experimentaciones en un filtro, ilustran importantes aplicaciones de los principios básicos de la dinámica de fluidos a través de los lechos granulares porosos estáticos y se lleva a cabo por la diferencia de presión total entre la suspensión a filtrar, el medio filtrante y el filtrado obtenido; existe además una resistencia ocasionada por el depósito de partículas sólidas sobre el medio filtrante (torta) y que va incrementándose conforme la filtración avanza, hasta agotar el volumen filtrante disponible. La filtración propiamente dicha es aquella que contiene más del 1% de sólidos en volumen. Otro tipo importante de filtración es la usada para clarificar o “limpiar fluidos” que contiene cantidades de sólidos relativamente pequeñas  0.15% en volumen. Ya que la separación de los sólidos contenidos en un fluidos es mediante una fuerza impulsora, de acuerdo a ella los filtros se pueden clasificar en: a) Filtros de gravedad b) Filtros a vacío c) Filtros de presión d) Filtros centrífugos FILTROS POR GRAVEDAD: En ellos la fuerza impulsora es la presión de la columna del líquido sobre el medio filtrante. Esta fuerza está dada por la naturaleza. Por ejemplo: el filtro de arena abierto, de muy poco uso industrial. FILTROS AL VACÍO: La fuerza impulsora es la succión de lado del medio filtrante o salida del filtrado. El diseño o construcción de estos filtros está basado en el método utilizado para producir vacío, así como el tipo de descarga de sólidos, existiendo desde luego, limitaciones en la obtención de vacío, donde las más sobresalientes son: la diferencia de presión está limitada por la altitud; la localización de pérdidas de vacío o inundaciones con suspensión, las cuales son más difíciles de localizar. Estos filtros están diseñados básicamente para operar en forma cíclica y continua. El tipo más simple consiste de un tanque de fondo falso muy parecido al Buckner usado en el laboratorio instrumental, a pesar de que este filtro es relativamente barato y fácil de operar, su capacidad es baja. Para manejar grandes cantidades de suspensión, el filtro de hojas o el filtro de tambor rotatorio son los más utilizados. El filtro de tambor rotatorio de compartimento múltiple es un ejemplo de filtración continua, ya que cada compartimento pasa por el mismo ciclo de operación. 1. Formación de torta y separación de filtrado Página 1 de 8 Limpieza y separación para el siguiente ciclo MEDIO FILTRANTE: Lo fundamental en cualquier filtro es el medio filtrante. FILTRO AYUDA: Es un material finalmente dividido que no se compacta ni comprime por la presión que ejerce el líquido al pasar a través de este tipo de materiales. El número de placas y marcos varía de acuerdo a la capacidad del filtro.Debe formar una torta porosa Ejemplo del filtro ayuda: el más usado es la tierra de diatomácea. como el que utilizara en esta práctica. Periodo de filtración y formación de la torta 2.Procesos de separación 2.Debe ser inerte . Las características de un medio filtrante dependen de las propiedades del material del que se fabrica y de las técnicas empleadas en su elaboración.Tamaño de la partícula retenida .Relación entre oclusión del medio e incremento de resistencia al flujo . hojas de papel de celulosa o de fibra de vidrio. Entre cada placa y marco se coloca el medio filtrante que a su vez sirve de soporte a los sólidos entre cada marco. estos filtros tiene la ventaja de utilizar caídas de presión mayores que las empleadas en los filtros por gravedad y a vacío. placas de asbesto o celulosa. Los requerimientos para un filtro ayuda son: . etc. pero también se utiliza el carbón activado. La selección de un medio filtrante.De filtración rápida . Desprendimiento de torta FILTROS A PRESIÓN: La fuerza impulsora es la presión dada por la fuerza motriz. Todas las unidades son prensadas por un tornillo de tal manera que no tenga fugas o el medio filtrante quede arrugado.Permeabilidad o resistencia al flujo . Dentro de los filtros a presión. Escurrimiento 3. pueden presentarse otros como la compresibilidad de la torta o taponamiento del medio filtrante. Son agregados a suspensiones que presentan problemas de comprensibilidad en la filtración. SUSPENSIONES: Las suspensiones pueden clasificarse basándose en su concentración y/o en base a la rapidez de filtración: . antes bien. a la acción de productos químicos. La suspensión se alimenta al filtro por un canal común que comunica con todas las unidades y está diseñado de tal manera que la suspensión entra por los orificios de los marcos. etc. Lavado de torta 4. Un filtro prensa consiste en dos barras horizontales que sirven de soporte a las placas y marcos. los más importantes son los de placas y marcos o filtro prensa. dificultad en la misma o por tamaño de partículas muy pequeñas.Resistencia a la ruptura . a la abrasión y a la flexión . se retienen los sólidos dentro del mismo y el líquido separados (filtrado) pasa a través del medio y es descargado por ductos especiales colocados en las placas.Debe ser ligero . El filtro prensa es un ejemplo de la filtración intermitente y las etapas que se llevan a cabo son las siguientes: 1. se realiza tomando en cuenta los siguientes puntos: . aunque esto no siempre resuelve los problemas en filtración.Facilidad de limpieza TIPOS DE MEDIOS FILTRANTES: telas metálicas. telas naturales y sintéticas.De filtración mediana Página 2 de 8 . lo que disminuye la velocidad de filtración.Resistencia al calor. sólidos sueltos. Secado de torta 4. la pulpa de papel. y esto determinará el espesor de la torta. Descarga de la torta 5. Lavado de torta 3.Estabilidad dimensional . de hecho aún el más ingenioso filtro es inútil sin un medio adecuado. El flujo del volumétrico se define como: q=dV/d (2) Donde: dV = incremento de volumen d = incremento de tiempo La resistencia al flujo r está por tres resistencias. una vez que se forma esta capa su superficie actúa como medio filtrante depositándose sobre ella los sólidos y aumentando así el grueso de la torta.Procesos de separación - De filtración lenta Diluidas Muy diluidas ECUACIÓN GENERAL DE FILTRACIÓN: En un equipo de filtración es muy importante calcular su capacidad. ello resulta al analizar la caída de presión a través del filtro y la forma como se opera el equipo. Esta resistencia asociada con la de la torta es la resistencia total del lecho. El flujo es siempre laminar y puede por lo tanto representarse por la ecuación. La permeabilidad se define como propiedad de los cuerpos de dejarse atravesar por los líquidos o gases. las cuales están es serie y se manifiestan como caídas de presión y son: a) Resistencia de ductos y conexiones: en un filtro bien diseñado estas resistencias pueden despreciarse al compararlas con la de la torta y la del medio filtrante. posteriormente dicha ecuación se aplica a diferente tipos de operación de los filtros y se deducen las ecuaciones de evaluación de capacidad correspondientes. son constantes y la del medio filtrante es generalmente despreciable. c) Resistencia del medio filtrante. Durante el lavado de la torta todas las resistencias incluyendo la de la torta. Ya que el flujo en serie. FUNDAMENTOS: El modelo sobre el cual se han desarrollado las ecuaciones teóricas y de diseño es: q=P/r (1) El flujo de filtrado q obtenido. La ecuación general de filtración es la evaluación del gasto que puede manejar en función de la caída de presión a través del filtro. La torta está formada por una masa uniforme de partículas de forma irregular a través de la cual existen pequeños conductos capilares. b) Resistencia de la torta: tiene un valor de cero al inicio de la filtración y se incrementa con el tiempo de filtración. la caída de presión total en el filtro es igual a las caídas de presión individuales. Puede expresarse como: K= AL /  W (3) Ó K =1/r (4) Donde: K = permeabilidad (m2) A = área del medio filtrante (m2) L = espesor del medio filtrante (m ) W = masa de la torta (kg)  = resistencia específica de la torta ( m / kg ) r = resistencia del medio filtrante (m-1) La filtración produce sobre la superficie del medio filtrante una capa de partículas sólidas. Poiseuille que se puede adaptar a la siguiente forma: Página 3 de 8 . mientras que el líquido pasa a través de ella. es el resultado de la fuerza impulsora P que necesita vencer la resistencia r. e inversamente proporcional a la viscosidad del filtrado y a la suma de las resistencias. La ecuación (5) quedará entonces: dV .= -----------------------------------V d  --+  A w r ( )  (7) Los efectos de compresión de la torta pueden correlacionarse por las ecuaciones sugeridas por Almy y Lewis.1 a 0. = la resistencia específica a presión cero.Procesos de separación  dV . una debida a la torta y otra al medio filtrante”.P A gc ----. la cual se interpreta como: “La velocidad con que se realiza la filtración es proporcional a la caída de presión total y al área de filtración.8 La ecuación (7) se reconoce como la ecuación general de filtración. de la superficie filtrante A y del tiempo. El empleo de la ecuación general de filtración hace surgir una clasificación de la operación de los filtros en dos grandes categorías: Página 4 de 8 . Para la mayoría de los lodos industriales “ s “está dentro de valores de 0. La P es la caída total de presión a través del filtro.= -----------------------------------Ad W -- +  A r  ( )  (5) La velocidad de filtrado es función del volumen filtrado recogido.P gc ----. divididos entre el volumen total de filtrado recolectado.  Ps (8 ) Donde: . quienes obtuvieron correlaciones empíricas del efecto de la presión sobre la resistencia específica de la torta para un intervalo limitado de presiones encontrando que:   . o resistencia específica de la torta si fuera totalmente incompresible s = factor de compresibilidad Este factor tiene un valor característico y diferente para cada material y varía de cero para las tortas incompresible (tal como la formada por arena fina) a 1.0 para tortas muy compresibles.  es la viscosidad del filtrado W es el peso de los sólidos secos contenidos en la torta y es igual a: W=wV (6) Donde: w = Peso de la torta seca por unidad de volumen de filtrado kg / m 3 w se determina experimentalmente como la cantidad de sólidos secos recuperados. = -----------. Es evidente que manteniendo constante la presión irá disminuyendo la velocidad de filtración a medida que está vaya transcurriendo por ir aumentando el espesor de la torta y con ello la resistencia a la filtración. Para el estudio de la filtración en estas condiciones podemos partir de la ecuación (7) que puede escribirse de la siguiente forma: d wV  r ------. filtros de cartucho y todos aquellos integrados por elementos tubulares y hojas planas. Ejemplos de este sistema son: filtros a vacío de tambor rotatorio.Procesos de separación - Filtración intermitente: se caracteriza por un ciclo corto durante la descarga o limpieza. CONSTANTES DE FILTRACIÓN: La práctica de la filtración puede hacerse controlando la diferencia de presiones de modo que ésta permanezca constante durante todo el proceso.P) gc A2  = ------------------w (11 A) K2 (-P ) gc A r = --------- (12 A) Página 5 de 8 . de discos y las diferentes clases de bandas horizontales de charolas y hojas. mientras el flujo continúa en toda ella sin interrupción. En este sistema se emplean filtros prensa.= K1 V + K2 dV (10) Donde: w K1 = ----------P gc A2 r K2 = ---------P gc A (11) (12) De las ecuaciones (11) y (12) se despejan  y r respectivamente: K1(.+ -----------dV P gc A2 P gc A* (9) * A = r2 * 2  de marcos Para tortas incompresibles y a P constante resulta: d -----. Filtración continua: caracterizada por ciclos largos en virtud de que la torta puede descargarse desde una pequeña parte de la superficie filtrante. este régimen de filtrado puede realizarse fácilmente si la suspensión a filtrar proviene de un depósito que se mantiene a presión constante o si se encuentra en un tanque almacén situado entre el filtro y la presión ejercida sobre el mismo es la correspondiente a la carga hidrostática. midiendo el volumen de filtrado y tabulando de la siguiente manera: V V   /V De acuerdo con la ecuación (10) y representando en ordenadas /V frente al volumen de filtrado V en abscisas.= ----------A A (13) Donde Me es la suma del sólido depositado por el volumen Ve. Página 6 de 8 . obtendremos una recta de pendiente K 1 y ordenada K2 como se muestra. Sustituyendo (13) en (12):  r w Ve K2 = ---------p gc A2 Por lo tanto: (14) K2 = K1 Ve Ve = K2 / K1 (15) Donde K2 y K1 son dos constantes de filtración que pueden calcularse a partir de los datos experimentales realizados a P constante. Por lo tanto:  Me  w Ve r = ------.Procesos de separación La resistencia r puede expresarse en función de la resistencia ofrecida por una capa de torta que corresponda al volumen Ve del filtrado necesario para formar esta torta hipotética. 4. El filtro cuenta con un tanque de alimentación con capacidad de 50 litros. La suspensión se alimenta por medio de una bomba movida por un motor de ¼ HP. . s.. Para determinar la concentración exacta de la suspensión se cuenta con una centrífuga de laboratorio de 5000 rpm. se devuelve la parte líquida restante a una probeta de tal manera que se pueda medir la diferencia de volumen de sólidos depositados en cada tubo de muestra centrífuga. seleccionar también las condiciones de operación como: temperatura. Conectar las salidas de filtrados a la línea que da a las probetas. y llevar a cabo adecuadamente la filtración a escala industrial.Procesos de separación Para determinar el efecto del cambio de presión. etc. tres son marcos de un centímetro de espesor. 2. abrir poco a poco el filtro. El medio filtrante está formado por 6 lonas sencillas de algodón. 3. Colocar las placas. presión. Página 7 de 8 . Un volumen medido de la suspensión se somete a la centrifugación a 3000 rpm durante 10 minutos. marcos. y lonas en el filtro (medios filtrantes). Arrancar la bomba de alimentación primero y una vez circulando. El filtrado se recoge en dos probetas. obteniéndose la recta de pendiente S y la ordenada ‘: La determinación experimental a escala piloto de los valores K 2 y K1 por lo tanto de r. DESCRIPCION DEL EQUIPO El equipo que se utilizará está soportado sobre una estructura de hierro. ، son necesarios para el diseño o selección de un filtro para un sistema específico. Preparar una suspensión de CaCO 3 en agua a una concentración aproximada del 15%. Es un filtro prensa que consta de 6 placas de filtrado de diámetro de 10 cm. Una vez preparada la suspensión mantenerla en movimiento con el agitador. El sistema cuenta además con un manómetro y una válvula controladora de presión. 5. TECNICA DE OPERACIÓN 1. y tiene un sistema de agitación a base de paletas. así como la selección del medio filtrante que presenta la máxima retención de sólidos. es necesario correr varias pruebas bajo diferentes presiones y calcular S al graficar log  frente a log P. 9. Con la válvula controladora mantener una presión constante indicada por el instructor. Medir el área de filtración ( A =  r2 * 2 # de marcos) Página 8 de 8 . Sacar la torta y descargala cuando el aire de secado no lleve agua. 7. Medir la variación del volumen del filtrado con respecto al tiempo. cuidando de que se conserve así hasta agotar el volumen disponible en el tanque. 8. Volver a preparar la suspensión a la misma concentración pero operara a presión diferente y constante. 10.Procesos de separación 6.
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