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• Arturo Ramirez Tenorio

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE BIOTECNOLOGÍA DEPARTAMENTO DE BIOINGENIERIA ACADEMIA DE INGENIERÍA DE BIOSEPARACIONES

UNIDAD DE APRENDIZAJE: LABORATORIO DE BIOSEPARACIONES GRUPO 7FV2 PRÁCTICA 2 FILTRO PRENSA EQUIPO: 5 ALUMNOS NOMBRE CLAROS GARCÍA CLAUDIO CÉSAR

FIRMA

SALAZAR VILLALVA LUIS EMMANUEL SOLANO PÉREZ SERGIO JAIR SOLARES MERA GABRIELA ARANXA TORRES SANDOVAL ERIC SALVADOR

PROFESORES: -RIVERA HERNÁNDEZ AGUSTÍN -GONZÁLEZ CHÁVEZ GABRIELA

FECHA DE ENTREGA: 29/08/2019

OBJETIVOS General: •

Desarrollar habilidades en el manejo del filtro prensa, así como revisar el proceso de filtración en un filtro prensa identificando las variables que están presentes en la operación

Particulares: • • • • •

Reconocer los componentes en un filtro prensa. Elaborar un protocolo de funcionamiento en un filtro prensa. Determinar la resistencia del medio filtrante y la resistencia específica de la torta. Determinar a qué tipo de magnitud constante se está llevando a cabo la operación. Determinar los parámetros de desempeño del filtro prensa (rendimiento, productividad y eficiencia).

FUNDAMENTO En el proceso de filtración, la separación se logra utilizando un medio físico que no permite el paso de sólidos a través del cual el fluido se hace pasar por medio de un gradiente de presión. El tipo de mecanismo de filtración aplicado en la realización de la práctica es el conocido como filtración con formación de torta o convencional, ya que en este caso los sólidos se iban depositando sobre el medio filtrante formando una pasta. Figura 1. Filtración con formación de torta.

En la filtración de operación convencional que se llevó a cabo se hizo uso de una sustancia sólida llamada Ayuda-Filtro. Esta sustancia se adicionó al caldo antes de la filtración y se utilizó como precubierta del filtro). Las AF actúan como adsorbentes de las partículas coloidales mejorando el tamaño de partícula, la incompresibilidad y permeabilidad de los sólidos, de tal manera que se facilite su filtración. Las AF más utilizadas son las tierras diatomeas, en este caso se hizo uso del decalite, la cual es una roca sedimentaria formada por restos de esqueletos de pequeñas plantas acuáticas prehistóricas, y que permite retardar el taponamiento del filtro, facilitar su limpieza, disminuir la caída de presión y producir un filtrado de calidad uniforme. Figura 2. Una de las ayudas filtro más utilizadas es el decalite.

Existe una gran variedad de filtros cuyo mecanismo de filtración es la formación de una torta, en el desarrollo experimental se trabajó con un filtro convencional por lotes a presión del tipo marcos y placas, ya que la solución que contenía el sólido a separar fue alimentada continuamente al filtro y una vez que se iba acumulando una determinada cantidad de sólido, sobre el medio filtrante o la alimentación se había agotado, la operación fue interrumpida para descargar la torta y limpiar.

La unidad de filtración del filtro prensa utilizado en la práctica está formada por un marco que contiene dos placas formando una cámara de filtración, el filtro prensa usado constaba de varías de estas unidades operando en paralelo.

Figura 3. Filtro prensa de placas y marcos.

En la filtración por lotes con formación de torta la separación depende de varios factores, entre los cuales destacan la permeabilidad de la torta que forme el sólido que se desea separar, el tamaño del poro de la torta, el tamaño de la partícula del sólido y la compresibilidad de la torta. Así, visto desde los parámetros de operación, es posible distinguir dos tipos particulares de operación: •

•

La filtración con caída de presión constante: se produce una disminución gradual del flujo conforme aumenta el espesor de la torta. Este tipo de filtración es usado en la adquisición experimental de datos para diseño, debido a que es fácil medir el volumen de filtrado respecto al tiempo. La filtración a flujo constante: esto ocurre cuando la suspensión se alimenta al filtro por medio de una bomba de desplazamiento positivo.

• DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO DE SEPARACIÓN

RESULTADOS Tabla 2.1. Características del equipo de filtración Elemento Descripción Marca Didacta Italia La estructura de soporte es de acero Material de fabricación inoxidable -Bomba volumétrica mono tornillo con variador de velocidad mecánico y rotor (acero Tipo y características de inoxidable). la bomba de alimentación -Potencia: 0.55 kW -Caudal máximo: 500 L/h -Presión nominal: 6 bar La tela del medio filtrante está hecha de Material del medio filtrante textiles sintéticos como polipropileno, poliéster, poliamida o nylon. Material de las placas y Polipropileno los marcos Dimensiones de los (15.2 x 15.2) marcos Diámetro del tanque de 56 alimentación Diámetro del tanque de 46.5 filtrado

Unidades

L/h Bar kW

cm cm cm

Tabla 2.2. Registro de datos de filtrado Diferencia de

Tiempo [min]

Altura del líquido filtrado [cm]

Volumen filtrado [L]

Flujo [L/S]

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

3.0 7.0 8.5 11.0 13.0 15.5 18.0 20.5 23.0 25.0 27.0 30.0 32.5 34.0 36.5 38.0 40.0 42.5 44.5 46.0 47.5 48.5

5.0946 11.8876 14.4349 18.6805 22.0770 26.3225 30.5681 34.8137 39.0593 42.4557 45.8522 50.9469 55.1925 57.7398 61.9854 64.5327 67.9292 72.1748 75.5712 78.1186 80.6659 82.3642

0.08491 0.09906 0.08019 0.07783 0.07359 0.07312 0.07278 0.07252 0.07233 0.07076 0.06947 0.07076 0.07076 0.06873 0.06887 0.06722 0.06659 0.06682 0.06629 0.06509 0.06402 0.06239

𝒌𝒈

presión [𝒄𝒎𝒇𝟐] o [psi] 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 11 11 11

Tabla 2.3. Registro de los datos de filtración Parámetro Valor 82.3642 Volumen filtrado Concentración de soluto 3

Unidades L (% m/v)

Masa de soluto agregado

2700

g

Masa de agua agregada Número de marcos a emplear Área de filtración Tipo de operación (flujo o velocidad variable) Torta recuperada Peso húmedo de la torta recuperada Peso seco de la torta recuperada Porcentaje de humedad de la torta recuperada Tiempo de operación Tiempo de armado Tiempo de lavado y tiempos muertos Porcentaje de recuperación

90000

mL

10

4200

m2 𝐿 𝑠 g

4200

g

1630

g

61.09

%

22 30

min min

30

min

60.37

%

Capacidad de filtración

3.7438

L filtrado min (volumen de filtrado / tiempo del ciclo de operación)

Rendimiento

18.11

g de sólido L de solución

Productividad

0.8232

g de sólido L de solución ∙ min

0.462

Tabla 2.4. Registro del valor calculado de resistencias para filtración intermitente Parámetro Valor calculado Resistencia del medio filtrante Resistencia específica de la torta

90 80 70

V (m3)

60 50 40 30 20 10

0 0

5

10

15

20

25

t (min)

Gráfica 1. Volumen de filtrado en función del tiempo.

16000 y = 44237x + 11921 R² = 0.9579

15000

t/V (s/m3)

14000

13000

12000

11000

10000

9000 0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

Volumen de filtrado, V (m3)

Gráfica 2. t/V vs. V En la Gráfica 2 se muestra el proceso de filtrado a caída de presión (-ΔP) constante. (Para obtener la regresión lineal fueron descartados 5 datos, al igual que los últimos 3 datos debido a una diferencia de caída de presión).

ANÁLISIS DE RESULTADOS

Debido a que el régimen de operación fue a una caída de presión constante, esto implicó que la presión aumentaba conforme el tiempo lo cual redujo constantemente el flujo volumétrico (L/s) tal y como se puede apreciar en la tabla 2.2. Lo que influyó a la capacidad de filtración (volumen que pudo ser filtrado de la solución) fue la capacidad de retención de agua del decalite. Además de otros factores debido a que la velocidad de filtración es inversamente proporcional a la viscosidad del fluido, la concentración de sólidos y a la resistencia específica de la torta. El porcentaje de recuperación de sólidos el cual fue del 60.37% (bajo) fue afectado porque el diámetro de partícula era demasiado irregular. De esta forma las partículas cuyo diámetro era menor al que podía retener el medio filtrante lograron irse junto con el filtrado y esto se vio reflejado en la concentración de decalite en el filtrado. La cual fue del 0.01%m/v, dando así una masa de decalite de 823g en el filtrado. A esto se le pueden adicionar errores de práctica, como la pérdida de torta por descuido cuando esta fue removida del filtro prensa. Esto mismo aplica para, el rendimiento y la productividad de la operación. No se encontraron valores teóricos de las constantes empíricas de naturaleza similar para comparar nuestros resultados, pero la resistencia específica de la torta debe ser mínima para lograrse máxima velocidad de filtrado. Este factor depende entre otras variables, de la porosidad de la torta y superficie específica de la partícula y éstas a su vez de la forma y tamaño de las mismas. Aún pequeños cambios de tamaño afectan, los mayores modifican también el factor o coeficiente de compresibilidad. Un decrecimiento en el tamaño de la partícula determina una disminución de la velocidad de filtración, aunque puede significar una mejor posibilidad de lavado. En general debe evitarse, por lo tanto, someter el material a filtrar a acciones que produzcan una degradación del tamaño de partícula.

CONCLUSIONES La capacidad de filtración se ve afectada por muchas o factores debido a que la velocidad de filtración es inversamente proporcional a la viscosidad del fluido, la concentración de sólidos y a la resistencia específica de la torta. De tal forma que está puede incrementarse haciendo que la resistencia específica de la torta disminuya, lo cual podría lograrse con un preacondicionamiento de la suspensión mediante algún tratamiento químico, permitiendo la floculación de las partículas más pequeñas formándose agregados de mayor tamaño y más fáciles de filtrar. A pesar de que no se encontraron valores teóricos de las constantes empíricas de naturaleza similar para comparar nuestros resultados, la resistencia específica de la torta debe ser mínima para lograrse una máxima velocidad de filtrado. Para tener un buen proceso de filtración con el filtro prensa, es fundamental conocer cada parte del equipo, así como el conocimiento y la habilidad de armarlo. El armado del filtro debe de ser correcto y la presión aplicada, la adecuada, ya que estos dos efectos, son los principales errores que se puedan presentar durante la operación del filtro prensa, así mismo cuidar el manejo de las válvulas.

RECOMENDACIONES En el tiempo de armado, durante el montaje de marcos y placas verificar la simetría entre ellos, para evitar fugas, y en el momento de ajustar el pistón no perder la simetría. En el tiempo de ciclo, observar en primer lugar las variables de operación, como lo son las variables de entrada y salida: presión y concentración. Las variables de control, es decir, la agitación para que la mezcla sea homogénea en el proceso. Mantener por seguridad el área de trabajo siempre seca.

BIBLIOGRAFÍA

Christie John Geankoplis. (1999). Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias. University of Minnesota: Prentice-Hall, Inc. Warren L. McCabe. (2007). Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. McGraw-Hill Interamericana. Tejeda. A, Montesinos R. A. (2011) Bioseparaciones. Editorial Person. 2ª ed. México.

GUÍA DE OPERACIÓN DEL EQUIPO Sistema Filtro Prensa -Medio filtrante -Marco -Placa

Volante de mando

Manómetro

Estructura de soporte

Bomba volumétrica mono tornillo

Figura 4. Filtro Prensa Tabla #. Partes del Filtro Prensa Nombre y Descripción Fotografía Medio Filtrante Es el medio físico que retiene los sólidos.

Marco

Placa

Tabla #. Equipos Auxiliares Nombre y descripción Bomba volumétrica monotornillo

Fotografía

ANEXOS

MEMORIA DE CÁLCULO 1. Curva de Calibración:

Curva Tipo

Porcentaje de sólidos

0.12 y = 0.0004x + 0.0095 R² = 0.9918

0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 0

50

100

150

200

250

300

NUT

Gráfica 3. Curva de ajuste En la gráfica #, es posible observar en el eje de las ordenadas el porcentaje de sólidos (m/v) y en el eje de las abscisas los valores de NUT, así como la ecuación que se obtuvo de la regresión lineal aplicada. Entonces la ecuación del ajuste lineal es la siguiente: y = 0.0004x + 0.0095 Donde: 𝑚 𝑣

y = Concentración (% ) 0.0004 = Pendiente [m] x = NUT 0.0095 = Ordenada [b] De igual manera se obtuvo el valor para R2, el cual es un parámetro que sirve para determinar si la mayoría de los puntos graficados se ajustaron a la tendencia gráfica que marcan, el cual es de:

R2 = 0.9918 Debido a que el valor de R2 es muy cercano al de 1, los datos presentados fueron bien ajustados al modelo lineal. 2. Gráfica t/V vs. V para encontrar las constantes empíricas.

Gráfica 4. t/V vs. V. (Datos completos) En la Gráfica 4 se muestra el proceso de filtrado a caída de presión (-ΔP) constante. (Sin descartar datos. Cabe destacar que en los últimos 3 datos hubo una diferencia de caída de presión, por ende, estos datos no fueron tomados en la regresión lineal).

Gráfica 5. t/V vs. V. (Descartando datos) La gráfica # muestra el proceso de filtrado a caída de presión (-ΔP) constante. (Para obtener la r egresión lineal fueron descartados 5 datos, al igual que los últimos 3 datos debido a una diferencia de caída de presión). Donde: y=t/V, x=V. 11921 [=] ordenada 44237 [=] pendiente

3. Concentración de sólidos en el filtrado NUT en el filtrado fue 5.30. Con ayuda de la curva tipo se procede a calcular la concentración de sólidos. 𝐦 % ( ) = 0.0004(NUT) + 0.0095 = 0.0004(5.30) + 0.0095 = 𝟎. 𝟎𝟏𝟏𝟔𝟐% 𝐯

4. Volumen filtrado.

5. Diferencia de presión. El proceso de filtrado fue a una caída de presión constante (-ΔP) de 68947Pa.

6. Porcentaje de humedad de la torta recuperada %𝐇𝐮𝐦𝐞𝐝𝐚𝐝 =

(4200 − 1630)g masa de agua en torta ∙ 100% = ∙ 100% = 𝟎. 𝟔𝟏% masa de torta humeda 4200g

7. Porcentaje de recuperación

% 𝐑𝐞𝐜𝐮𝐩𝐞𝐫𝐚𝐜𝐢ó𝐧 =

masa recuperada en torta 1630g ∙ 100% = ∙ 100% = 𝟔𝟎. 𝟑𝟕% masa en solución 2700g

8. Capacidad de filtración 𝐂𝐚𝐩𝐚𝐜𝐢𝐝𝐚𝐝 𝐝𝐞 𝐟𝐢𝐥𝐭𝐫𝐚𝐜𝐢ó𝐧 =

L filtrado 82.3642L 𝐋 = = 𝟑. 𝟕𝟒 Tiempo de operación 22min 𝐦𝐢𝐧

9. Rendimiento 𝐑𝐞𝐧𝐝𝐢𝐦𝐢𝐞𝐧𝐭𝐨 =

g sólido 1630g 𝐠 = = 𝟏𝟖. 𝟏𝟏 L solución 90L 𝐋

10. Productividad 𝐏𝐫𝐨𝐝𝐮𝐜𝐭𝐢𝐯𝐢𝐝𝐚𝐝 =

g sólido 1630g 𝐠 = = 𝟎. 𝟖𝟐𝟑𝟏 L solución ∙ min 90L ∙ 22min 𝐋 ∙ 𝐦𝐢𝐧

11. Resistencia del medio filtrante

12. Resistencia específica de la torta