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• Fernando Chura Jarecca

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Ingeniería de los alimentos II

INTRODUCCION

La filtración es una de las operaciones corrientes en el laboratorio y con cierta frecuencia no posee ninguna dificultad, principalmente cuando no requiere demasiada exigencia la calidad de la separación que con ella se realiza, y no existe limitaciones de tiempo en completarla. Sin embargo cuando se hacer análisis especiales ya sea por baja de tolerancia admitida en cuando al pasaje de partículas en suspensión, a la velocidad que se necesita en la operación o por el tipo o tamaño de partículas a filtrar, es común que se convierta en una tarea difícil y compleja.

Voy a hacer a continuación algunas observaciones propias de la práctica y del hecho de haber realizado a lo largo de los años muy diversos tipos de filtraciones, con diversos equipos y variadas sustancias. El objetivo es ayudar a quién no tiene experiencia en el laboratorio o la tiene de manera limitada.

Pá g. 1

Ingeniería de los alimentos II

FILTRACIÓN 1. OBJETIVOS ▪

Familiarizarnos con las operaciones de filtración

▪

Obtener experimentalmente los valores correspondientes a resistencia específica del cake (α ), resistencia del medio filtrante (Rm)

▪

Comparar los valores experimentales obtenidos con los valores teóricos

2. FUNDAMENTO TEÓRICO Se denomina filtración al proceso unitario de separación de sólidos en suspensión en un líquido mediante un medio poroso, que retiene los sólidos y permite el pasaje del líquido. 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 que requieren de las técnicas químicas. La filtración se ha desarrollado tradicionalmente desde un estudio de arte práctico, recibiendo una mayor atención teórica desde el SIGLO XX. La clasificación de los procesos de filtración y los equipos es diverso y en general, las categorías de clasificación no se excluyen unas de otras. La variedad de dispositivos de filtración o filtros es tan extensa como las variedades de materiales porosos disponibles como medios filtrantes y las condiciones particulares de cada aplicación: desde sencillos dispositivos, como los filtros domésticos de café o los embudos de filtración para separaciones de laboratorio, hasta grandes sistemas complejos de elevada

automatización

como

los

empleados

en

las

industrias petroquímicas y de refino para la recuperación de catalizadores de alto valor, o los sistemas de tratamiento de agua potable destinada al suministro urbano. Pá g. 2

Ingeniería de los alimentos II Este método de separación mecánica ha encontrado desde tiempos inmemoriales una amplia aplicación práctica en la vida del ser humano. Sin dudas, los primeros "filtros" empleados por el hombre fueron sus propias manos. La filtración es una operación básica, muy utilizada en la industria química, consistente en la separación de partículas sólidas de una suspensión mediante un medio filtrante que deja pasar el líquido y retiene el sólido. Las partículas sólidas retenidas sobre el medio filtrante van formando un lecho poroso, a través del cual circula el fluido, denominado torta filtrante. A 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, pudiéndose llevar a cabo la

operación de las siguientes formas:

▪ Filtración a presión constante: El caudal disminuye con el tiempo. ▪ Filtración a caudal constante: La presión aumenta al avanzar la filtración.

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Ingeniería de los alimentos II La filtración en la industria va desde un simple "colado" hasta separaciones muy complejas. El fluido puede ser un líquido o un gas, las partículas pueden ser gruesas, finas, imperceptibles o estar en solución, pueden ser rígidas o plásticas, redondas o alargadas, estar separadas o formar agregados. La suspensión puede contener una gran concentración de partículas o ser éstas casi despreciables. La suspensión o solución puede estar muy caliente o muy fría, la operación puede realizarse bajo vacío o empleando presiones muy altas. Mayores complejidades se introducen al analizar el valor relativo de las fases. En ocasiones, el fluido es la fase importante, algunas veces las partículas, otras ambas. En algunos problemas se requiere una virtual total separación de las fases, en otros solo se desea una separación parcial. Muchas veces se necesita un trabajo continuo, en ocasiones un proceso por lote es suficiente. Por todo lo anterior, establecer un método para la clasificación de la filtración no es una tarea sencilla. Desde el punto de vista de la dirección relativa del flujo de alimentación respecto al medio filtrante, la filtración puede ser: Transversal: cuando todo el flujo de alimentación atraviesa el medio filtrante quedando las partículas retenidas sobre la superficie del medio. Tangencial: También denominada "filtración inercial" o "filtración de flujo cruzado",cuando la diferencia de presión ejercida hace que parte del flujo de la alimentación atraviese el medio filtrante y el resto de dicho flujo, fluya

tangencialmente

a

la

superficie

del

septum,

arrastrando

continuamente las partículas que pudieran depositarse, reincorporándolas a la alimentación. Teniendo en cuenta el tamaño de las partículas a separar la filtración puede clasificarse en: ▪ Filtración gruesa. ▪ Filtración fina.

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Ingeniería de los alimentos II ▪ Microfiltración. ▪ Ultrafiltración. ▪ Nanofiltración. ▪ Hiperfiltración.

Si analizamos la variación de la presión y el flujo de filtrado, el proceso de filtración podríamos clasificarlo en: ▪

Filtración a presión constante.

▪

Filtración a flujo constante.

En la primera, la diferencia de presión aplicada al equipo se mantiene invariable durante todo el proceso de filtración. En la segunda manipulando adecuadamente el equipo se mantiene constante el flujo de filtrado durante la operación de filtración.

Embudos Büchner: Vienen de porcelana y de plástico. Los primeros no se percuden y resisten altas temperaturas pero son más pesados que los de plástico. Los diámetros más comunes son de 5, 10 y 15 cm. Filtro de vidrio sinterizado: Otro tipo de filtro muy utilizado es el de vidrio sinterizado que consiste en un embudo de vidrio al que se le ha adosado una placa filtrante conformada por vidrio molido parcialmente fundido para que forme una unidad. Obsérvese que vienen con o sin vástago y de distintas capacidades. Hay además de cuatro porosidades; grueso. Mediano fino y ultra fino. Cono de goma para sello: Vienen también de varios tamaños aunque no es fácil conseguirlos. Se pueden confeccionar artesanalmente con goma cruda. Es imprescindible que el cono de goma esté en buen estado y que selle bien el ingreso de aire porque sino la filtración puede demorarse mucho e inclusive no producirse si no se forma el vacío necesario. Pá g. 5

Ingeniería de los alimentos II Manguera para vacío: La manguera para vacío es de paredes más gruesas porque las de paredes comunes se colapsan al hacerse vacío. Pueden utilizarse de goma o de plástico. Las de goma se consiguen en los negocios especializados y las de plástico en ferreterías, casas de repuestos del automotor o de mangueras industriales. Sistemas de vacío Hay dos sistemas de producción de vacío utilizados en laboratorio; la trompa y la bomba. Hará unos comentarios primero sobre la trompa de vacío. Este es un elemento muy sencillo que se puede fabricar en un taller de vidrio como los que hay en algunas facultades o empresas, Figura En el comercio hay de formas y calidades variadas. Consiste en un tubo casi estrangulado que penetra en otro similar puesto de manera invertida. Al hacer circular agua por ellos se produce un vacío que se utiliza por medio de una conexión lateral. La conexión de agua se conecta a una canilla. Además de la variable de la construcción de la trompa, el mayor vacío es proporcional al caudal de agua que a su vez está condicionada por la presión de la cañería. En general el nivel de vacío producido alcanza para todos los usos corrientes de filtración de laboratorio.

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Ingeniería de los alimentos II 3.-MATERIALES Y MÉTODOS Materiales ▪ Tubo receptor de filtrado ▪ Tubo de vidrio graduado ▪ Embudo ▪ Medio filtrante ▪ Bomba de vacio y accesorio ▪ Manómetro ▪ Suspensión ▪ Kitasato ▪ Reloj ▪ Carbonato de calcio Método A una presión determinada, donde el volumen del filtrado varía con el tiempo, utilizando la ecuación determinada, determinar los valores de α y Rm, ploteando dt/dv y V.

4.-PROCEDIMIENTO 1. Preparar todos los materiales e instrumentos. 2. luego pesamos el carbonato de calcio y el papel filtro. 3. Seguidamente colocamos el embudo sobre la probeta contenida con agua y colocamos el papel filtro dentro del embudo previamente mojado. 4. Luego disolvemos el carbonato de sodio en agua destilada y echamos al embudo para la filtración. 5. Una vez terminado la filtración procedemos a sacar el papel filtro y lo llevamos a secar para luego pesar la cantidad total obtenida Pá g. 7

Ingeniería de los alimentos II

5.- CALCULOS Datos: 

Peso de papel filtro



Peso del cake + papel



Peso del cake o torta



Viscosidad

: 9.5x10-3 gr/cm.s



Gc

: 981 cm/s2



Diámetro

: 0.62g : 3.3344g : 2.7144g

:10.2cm

Tabla N°1: Tabla de datos obtenidos Volumen

Tiempo

∆V

∆T

∆T/∆V

V

(ml) 0

(s) 0

0

0

0

0

10

5

10

5

0.5

5

20

9

10

4

0.4

15

30

15

10

6

0.6

25

40

21

10

6

0.6

35

50

27

10

6

0.6

45

60

35

10

8

0.8

55

70

41

10

6

0.6

65

80

49

10

8

0.8

75

90

57

10

8

0.8

85

Fuente: Datos obtenido en el laboratorio de ESIA.

Pá g. 8

Ingeniería de los alimentos II HALLANDO LA ΔV:

HALLANDO V´ :

10 - 0= 10

10+0/2=5

20-10=10

20+10/2=15

30-20=10

30+20/2=25

40-30=10

40+30/2=35

50-40=10

50+40/2=45

60-50=10

60+50/2=55

70-60=10

70+60/2=65

80-70=10

80+70/2=75

90-80=10

90+80/2=85

HALLADO ΔT: HALLANDO ΔT/ΔV: 5-0 = 5 9-5 = 4

5/10=0.5

15-9 = 6

4/10=0.4

21-15 = 6

6/10=0.6

27-21 = 6

6/10=0.6

35-27 = 8

6/10=0.6

41-35 = 6

8/10=0.8

49-41 = 8

6/10=0.6

57-49 = 8

8/10=0.8 8/10=0.8

dt =K v + B dv

ÁREA Diámetro del embudo: 10.2cm A

=

(3.1415x10.2cm)2/4

A

=

81.71cm2

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Ingeniería de los alimentos II W = MASA DE SÓLIDOS DEPOSITADOS EN EL MEDIO FILTRANTE POR UNIDAD DE VOLUMEN

ω=

peso de la torta vol filtrado

ω=

2.7144 g =0 . 027144 gr /c m 3 3 100 c m

PRESIÓN DE TRABAJO -∆Pt

=

5.0cm = 50mm

mm agua a 20°C =

0.09979

gr cm2

gr cm2 gr =4.9895 2 1mm cm

0.09979 50 mm ×

VISCOSIDAD Viscosidad del agua 20ºC = 0.01 g/ cm-s 6. RESULTADOS:

DETERMINE EL VALOR DE ∝ y Rm POR ECUACIÓN DE LA RECTA SE OBTIENE K Y B: s cm 6

K

=

0.0667

B

=

0,00648

s cm 3 Pá g. 10

Ingeniería de los alimentos II

90 80 70 60 50

∆T/∆V V

40 30 20 10 0 1

2

3

4

5

6

7

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8

9

Ingeniería de los alimentos II HALLANDO LA RESISTENCIA DEL MEDIO FILTRANTE (RM):

Rm=

B (−∆ P ) gc A μ 0.00648

Rm=

s gr cm × 4.9895 2 × 981 2 ×81,71 cm2 3 cm cm s gr 0.01 cm−s

Rm=259164 . 9407

1 cm

HALLANDO LA RESISTENCIA ESPECÍFICA DEL CAKE (α):

K (−∆ P ) gc A 2 α= μ ×ω

0.0667 α=

2 s gr cm ×4.9895 2 ×981 2 × ( 81,71 cm2 ) 6 cm cm s gr cm 0.01 ×2.7144 cm−s gr

α =8.0302 x 107

cm gr

6.-CONCLUSIONES ▪

Nos familiarizamos con las operaciones de filtración.

▪ Se obtuvo

experimentalmente los valores correspondientes a

resistencia específica del cake (α ), resistencia del medio filtrante (Rm). ▪ El valor de la resistencia media se pudo hallar, conociendo los valores las constantes K y B. ▪ La filtración es un método físico, que se utiliza para separar mezclas heterogéneas. Pá g. 12

Ingeniería de los alimentos II ▪ Teniendo en cuenta el tamaño de las partículas a separar la filtración puede clasificarse en:Filtración gruesa, Filtración fina, Microfiltración, Ultrafiltración, Nanofiltración, Hiperfiltración. 7.-BIBLIOGRAFÍA ▪ Carlos Eduardo Nuñez; OPERACIÓN DE FILTRACION. ▪ M. Coulson; J. F. Richardson; J. R. Backhurst; J. H. Harker (2003). «Capítulo 9: Filtración». Ingeniería Química: operaciones básicas. Tomo II (3ª edición). Editorial Reverté. p. 413.  ▪ Perry, Robert H. Manual del ingeniero químico, 3.ª ed. 1992, vol. 2 ▪ Ruth, B. (1946), "Correlating Filtration Theory with Industrial Practice" enIndustrial and Engineering Chemistry, 38:6, pp. 564-571. 8.-ANEXOS:

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Ingeniería de los alimentos II

Fuente: Imágenes tomadas en el laboratorio de ESIA. TRATAMIENTOS DE PRODUCTOS, EN TÉCNICAS DE FILTRACIÓN USADA.

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