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Universidad Autónoma de Yucatán Facultad de Ingeniería Química

SEPARACIO NES MECÁNICAS

PRÁCTICA 2: FILTRO PRENSA

Integrantes:  Cintia Andrade Moo  Karen González Suaste  Zulma Ricalde Cab  Vanessa Trejo Arjona

Mtro.- Carlos Rubio Atoche I.Q.I

Grupo 2

Práctica 2: Filtro Prensa Separaciones Mecánicas

Índice

Antecedentes…………………………………………………………………….2 Conceptos teóricos………………………………………………………………3 Descripción del Equipo………………………………………………………….8 Objetivos…………………………………………………………………………9 Materiales………………………………………………………………………..9 Metodología de la práctica………………………………………………………9 Resultados………………………………………………………………………11 Análisis de resultados…………………………………………………………… 14 Conclusión………………………………………………………………………15 Bibliografía……………………………………………………………………...15 Anexos…………………………………………………………………………..16

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Práctica 2: Filtro Prensa Separaciones Mecánicas

Antecedentes La separación mecánica se puede aplicar a mezclas heterogéneas. Las técnicas se basan en diferencias físicas entre las partículas, tales como el tamaño, la forma o la densidad. Se aplican para separar líquidos de líquidos, sólidos de gases, líquidos de gases, sólidos de sólidos y sólidos de líquidos. (3) Estos métodos especiales se basan en las diferencias entre la facilidad de mojado o en las propiedades eléctricas, o magnéticas de las sustancias. La filtración es la separación de partículas sólidas contenidas en un fluido, pasándolo a través de un medio filtrante, sobre el que se depositan los sólidos. La filtración industrial va desde el simple colado hasta separaciones más complejas. El fluido puede ser un líquido o un gas; las partículas sólidas pueden ser gruesas o finas, rígidas o flexibles, redondas o alargadas, separadas o agregadas. La suspensión de alimentación puede llevar una fracción elevada o muy baja 40-5% en volumen de sólidos. (4) Se denomina filtración al proceso de separación de partículas sólidas de un líquido utilizando un material poroso llamado filtro. La técnica consiste en verter la mezcla sólidolíquido 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. (3) La filtración tiene por objeto la clarificación de líquidos, la recuperación de sólidos y líquidos, facilitar otras operaciones como secado y lavado de materiales etc. Las principales variables que afectan al proceso de filtración y que deben tomarse en cuenta para seleccionar, diseñar u operar un equipo son: Variables de proceso: La concentración de sólidos, el tamaño de partícula, la temperatura, El PH, La viscosidad y densidad. Variables de diseño: Área de filtración, caída de presión a través del filtro, resistencia del medio filtrante, flujo de filtrado, Cantidad de sólidos retenidos, Humedad de la torta, Tiempo de lavado.

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Conceptos teóricos Los filtros se dividen en tres grupos principales: filtros de torta, filtros clarificadores y filtros de flujo transversal. Los filtros de torta separan grandes cantidades de sólidos en forma de una torta de cristales o un lodo, tal como se ilustra en la figura 1. Con frecuencia incluyen dispositivos para el lavado de la torta y para eliminar la mayor parte posible del líquido en los sólidos antes de su descarga. Los filtros clarificadores retiran pequeñas cantidades de sólidos para producir un gas limpio o líquidos transparentes, tales como bebidas. Las partículas del sólido son atrapadas en el interior del medio filtrante tal como se indica en la figura 1, o en las superficies externas. Los filtros clarificadores difieren de los tamices en que los poros del medio filtrante son mucho mayores en diámetro que las partículas a ser eliminadas. En un filtro de flujo transversal la suspensión de la alimentación fluye bajo presión a velocidades ligeramente altas atravesando el medio filtrante (figura). Forma una capa delgada de sólidos en la superficie del medio, pero la alta velocidad del líquido mantiene la capa formada. El medio filtrante es una membrana de cerámica, metal o de un polímero con poros lo suficientemente pequeños para excluir la mayoría de las partículas suspendidas. Parte del líquido pasa a través del medio como filtrado claro, dejando atrás una suspensión más concentrada. (1)

Figura 1. Mecanismos de filtración

Con ayuda de la filtración se pueden separar componentes sólidos de suspensiones o gases, así como componentes líquidos de aerosoles o emulsiones. Mediante un filtro hidrófobo se puede filtrar. p.ej. agua de combustibles. Aire u otros gases se pueden limpiar de aerosoles 3

Práctica 2: Filtro Prensa Separaciones Mecánicas

de agua, aceite o alquitrán.

(1)

..En función del problema o bien de la finalidad de la

filtración, se distingue entre filtración de separación o filtración clarificante. En el caso de la filtración de separación, se trata de recuperar un determinado sólido de un líquido (torta de filtrado) para seguir trabajando con el sólido. Aquí no es imprescindible que todas las partículas sean eliminadas del líquido. Contrariamente, en la filtración clarificante, el líquido se debe limpiar en lo posible completamente de componentes indeseados o precipitados, para poder seguir trabajando con el líquido purificado. La filtración tiene una amplia gama de aplicaciones: desde el procedimiento analítico en el laboratorio hasta aplicaciones técnicas en grandes líneas de producción. En prácticamente todas las ramas industriales se filtra – ya sea p.ej. en el análisis de alimentos, el ensayo de morteros, el análisis de humos o en el control microbiológico. Filtro prensa. Un filtro prensa contiene un conjunto de placas diseñadas para proporcionar una serie de cámaras o compartimentos en los que se pueden recoger los sólidos. Las placas se recubren con un medio filtrante tal como una lona. La suspensión se introduce en cada compartimento bajo presión; el líquido pasa a través de la lona y sale a través de una tubería de descarga, dejando detrás una torta de sólidos húmeda.(1) Las placas de un filtro prensa pueden ser cuadradas o circulares, verticales u horizontales. Lo más frecuente es que los compartimentos para sólidos estén formados por huecos en las caras de placas de polipropileno moldeado. Las placas y los marcos se sitúan de formar vertical en un bastidor metálico, con telas que cubren las caras de cada placa, y se acoplan estrechamente entre sí por medio de un tornillo o una prensa hidráulica. La suspensión entra por un extremo del conjunto de placas y marcos, y pasa a través de una esquina, hacia el canal que recorre el equipo de modo longitudinal. Los canales auxiliares llevan la suspensión desde el canal de entrada hasta cada uno de los marcos. Aquí los sólidos se depositan en las caras cubiertas de tela de las placas. El líquido pasa a través de las telas, desciende por las canaladuras de las caras de las placas y sale del filtro prensa.

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Figura 2. Filtro prensa equipado para operación automática. Ecuaciones básicas que definen la filtración. El propósito fundamental de la filtración es obtener un fluido libre de partículas sólidas o semisólidas llamado flujo de filtrado (q). (2) Como el flujo de filtrado (q ) depende de una fuerza impulsora en este caso, una diferencia de presiones (- ∆P) y existe una resistencia (R) del medio filtrante y de los sólidos depositados que se opone al flujo, lo anterior se puede expresar matemáticamente como: Donde K´ es la constante de proporcionalidad q α(-∆P)/R

(1)

q = K’ (-∆P)/R

(2)

Durante la filtración los sólidos se depositan sobre el medio filtrante, y el espesor de la capa de sólidos (torta) se incrementa, al mismo tiempo se forman canales o capilares entre los sólidos por donde fluye el filtrado en forma laminar. La resistencia debida a estos sólidos se incrementa también, entonces la cantidad de flujo de filtrado disminuye. (2)

La ecuación que permite cuantificar la velocidad de un fluido en canales es la ecuación de Poiseuille quien publicó, en 1842 la cual permite predecir el efecto potencial de la disminución del tamaño del capilar sobre el flujo y en el caso de la filtración sobre la resistencia de la torta, una relación matemática del flujo de un líquido a través de un capilar: q = πr4 (− ∆P) 8μL

(3)

Donde: q = flujo del fluido r = radio del capilar (- ∆P) = caída de presión a través del capilar μ = viscosidad del fluido 5

Práctica 2: Filtro Prensa Separaciones Mecánicas L = longitud del capilar Posteriormente Darcy en 1856 describió la velocidad del flujo de aguas subterráneas en estratos del suelo mediante la siguiente relación: u = (K1) (- ∆P / L)

(4)

Donde: u= velocidad del fluido, K1 = coeficiente de permeabilidad del lecho ∆P = caída de presión a través del lecho L = espesor del lecho poroso Desde el punto de vista práctico es mas importante determinar el flujo de filtrado (q) que la velocidad del fluido (u). Por otra parte si el flujo volumétrico en un canal está dado por: q= dV/dt=u A (5) Donde:dV /dt = es el cambio de volumen con respecto al tiempo (flujo volumétrico). A= área transversal del canal Entonces, si la ecuación (4) se multiplica por el área transversal y se introduce la viscosidad del fluido como otra resistencia al flujo y se sustituye en la ecuacuón (5) obtiene la ecuación modificada de Darcy:

q=

(−∆ P) dV =K 1 A(6) dt μL

Si a la ecuación de Poiseuille, (3) se multiplica también por el área se puede escribir así: 2

q=

2

dV r (−∆ P) π D = (7) dt 8 μL(4 )

Agrupando las constantes también puede escribirse:

q=

dV ∆P =K A (8) dt μL

Entonces la ecuación modificada de Darcy (6) y la ecuación de Poiseuille (8) son equivalentes y el coeficiente de permeabilidad K1 puede escribirse como K:

6

Práctica 2: Filtro Prensa Separaciones Mecánicas

K=

μL

dV (−∆ P) A dt

(9)

Esta es la primera aportación de la teoría para determinar la permeabilidad del lecho y se mide como la cantidad de fluido que pasa, en la unidad de tiempo. Para algunos materiales la unidad de permeabilidad es el Darcy. Aplicación de las ecuaciones a la filtración, determinación de las resistencias. Si la permeabilidad es la facilidad con que fluye el filtrado, el inverso es la resistencia al paso del filtrado.

K

=1/R La resistencia tiene dos componentes uno, el de los sólidos depositados, (α) y otro, del medio filtrante ( r) . Resistencia de la tortaLa ecuación (8) puede escribirse: q=

dV 1 ∆ P = A (10) dt α μL

Despejando α:

α=

A (−Δ P) dt = (11) μL dV

( )

La ecuación (11) permite determinar la permeabilidad a través de la torta de un espesor L fijo, pero este cambia continuamente; si se supone que cada capa que se deposita es constante, entonces, el producto del espesor L por el área A de filtración, es el volumen de la torta depositada ( v ) por unidad del correspondiente volumen de filtrado. Si V es el volumen total de filtrado, entonces el volumen total de la torta depositada es: AL=V vDespejando L=V v/A (12) La ec.(12) se puede sustituir en la 2

α=

(11)

A (−Δ P) dt = (13) μvV dV

( )

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Práctica 2: Filtro Prensa Separaciones Mecánicas

Descripción del Equipo

Figura. Filtro Prensa 20-20 marca Columbia

El filtro prensa COLUMBIA modelo 20 es útil para empresas pequeñas, está construido de acero inoxidable, acabado sanitario sobre base portátil, se puede suministrar con cámara de inversión para doble filtración, utilizado para trabar con volúmenes relativamente pequeños con rendimientos de 300 a 500 l/hr para filtración clarificante y para filtración esterilizante aproximadamente 100 l/hr. Por su pequeño tamaño requiere poco espacio para su instalación y es especialmente trasladable de un lugar a otro. El filtro 20, se viene con motor y bomba, indicadores de presión, base móvil o fija, cierre con matraca, se construye en acero inoxidable sanitario totalmente, tiene un área efectiva de 8

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filtración de 0.31 pie2 (0.029 m2) por placa y marco estándar, bastidor para acomodar hasta 20 placas filtrantes.

Objetivos  

Determinar las constantes de filtración a través de pruebas experimentales en un filtro prensa. Encontrar el área de filtración de un filtro industrial para un problema propuesto a partir de los resultados obtenidos del objetivo anterior.

Materiales       

Zeolita Agua Tela de filtración Báscula Cápsulas de porcelana Balanza Espátulas

Procedimiento 1. En el recipiente de alimentación de acero inoxidable se prepara una suspensión artificial colocando en él 120 litros de agua y 2kg de

Zeolita. Durante la

preparación hay que mantener agitada la suspensión, durante el transcurso de la práctica.

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2. Luego se pone la tela de filtración entre cada uno de los platos y fijar perfectamente los platos y apretarlos uno contra otro. Conecte la toma de salida del tanque a la entrada del equipo y de la salida de la bomba a la entrada de recepción de líquido filtrado.

3. Posteriormente se introduce la mezcla al equipo de filtrado por medio de la bomba de alimentación recircule la suspensión y luego alimentar poco a poco al filtro suspensión fresca hasta que ya no quede líquido en el tanque de alimentación, regulando la presión con la válvula de recirculación y reguladora de presión a 1 kg/cm2. Aquí se mide el volumen del filtrado con respecto al tiempo.

4. Cuando se observe pobre, recircular apagar la Bomba y filtro.

si la descarga es muy toda la suspensión o cambiar el papel

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Práctica 2: Filtro Prensa Separaciones Mecánicas 5. Medir el área total de filtración. Retirar la torta del papel de filtrado, pesarla y secarla en el sol.

Resulta dos En la presente tabla se encuentran registrados los datos obtenidos en el desarrollo experimental: Ensayo

1 (válvula abierta) 2 (válvula ½) 3 (válvula ¾)

Altura inicial del tanque A (cm)

Altura final del tanque A (cm)

Caída de presión (Kgf /cm2)

Tiempo (seg)

Peso Total de la muestra(Kg )

30

Altura del tanque del filtrado (cm) 22

60

Peso seco de la muestra(K g)

0.55

406

0.153

30

0

12.3

0.3

423

0.178

0.1459

60 (se preparó de nuevo la mezcla )

30

10.76

0.2

461

0.179

0.147

0.1269

Tabla 3.1 Información recabada

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Práctica 2: Filtro Prensa Separaciones Mecánicas

En el tanque de alimentación cada cm representa 2.26 litros y cada centímetro en el tanque de filtrado representa 1.3 litros. 

Hallando el área de fitrado Área del filtro =Área del Marco – Área de los Bordes – Área de paso del filtrado 2

2

2

Área del filtro=( 16 cm ) −2 π (2 cm ) =230.86725 cm ≈ 0.02308m

2

El valor de Kc está dado por

k c=

μCα A2 ∆ P

Al integrar de la ecuación anterior entre los limites (0,0) y (t,V) se obtiene la siguiente expresión.

1 Kc 1 = V+ V 2 qo En la gráfica que a continuación se presente se encuentran los datos recabados para las tres diferentes aberturas de válvulas 35000 30000 25000

f(x) = 363435.37x + 28663.95 R² = 0.99 f(x) = 311639.03x + 22091.37 R² = 0.99

20000 t/V (s/L)

15000 10000 5000 0

0 f(x) = R² = 0

0.01

0.01

0.02

0.02

0.03

0.03

Volumen de filtrado m3

Valvula Abierta

Linear (Valvula Abierta)

Valvula 3/4 abierta

Linear (Valvula 3/4 abierta)

Valvula 1/2 abierta

Linear (Valvula 1/2 abierta)

Grafica 3.1: Regresiones lineales para las distintas caídas de presión Utilizando las ecuaciones anteriores y la gráfica 3.1 se obtiene que 12

Práctica 2: Filtro Prensa Separaciones Mecánicas

k c =2m0 Y

1 =b qo Ahora se aplicaran las ecuaciones correspondientes al cálculo de alfa y Rm

m0 A2 ∆ P α= μC Donde:

mo= pendiende de la grafica

μ=Viscosidad del Agua

C=es la concentración de solidos

∆ P=Caida de Presión

A= Area del filtro

α =Resistencia de laTorta El término C está dado por la siguiente expresión, la cual resulta de realizar un balance de materia:

C=

Cs mf Cs 1− −1 mc ρ

(

)

En donde Cs = la cantidad de solido seco entre el volumen de suspensión mf = la masa de la torta húmeda mc = la masa de la torta seca

La resistencia del medio filtrante está definida por

R m=

A∆ P μ q0

Sustituyendo en la ecuación se obtiene.

R m=

A∆ P b μ

Los demás datos se registran en la siguiente tabla: 13

Práctica 2: Filtro Prensa Separaciones Mecánicas Δp

5395 5 2943 0 1962 0

Vs m3

0.12 0.12 0.12

Peso húmed o Kg 0.153

Peso seco Kg 0.126 9 0.145 9 0.147

Cs Kg/m 3

1.058

C corregid a Kg/m3 1.0577

m0

1/qo

α (m/Kg)

16303 1263 9.77E+10 3 5 0.178 1.216 1.2162 31163 2146 8.86E+10 9 8 0.179 1.225 1.2253 36343 2793 6.83E+10 5 7 Tabla 3. 1: Resistencia de la torta y resistencia del medio filtrante

Rm m-1

1.73429E+1 1 1.6073E+11 1.39442E+1 1

La humedad de la torta se presenta en la siguiente tabla: Ensayo

Humedad % 1 2 3

20.1733649 21.8642906 21.9727891 Tabla 3.2 Humedad de la torta (base seca)

Análisis de Se puede observar que existe una caída de presión menor mientras más cerrada se resulta encuentre la válvula de alimentación. Esto es debido principalmente a que la caída de presión está relacionada al gasto de alimentación, puesto que mayor sea este gasto mayor dos caída de presión; por lo que al cerrarse la válvula el gasto disminuye considerablemente y por lo tanto como ya se había mencionado la caída de presión disminuye.

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Se observa que al cerrar un poco la válvula aumenta el tiempo de filtrado considerablemente, la causa es evidente ya que al ser menor el gasto de entrada al filtrado, se tardara más en completarse el proceso. La humedad aumenta cuando se cierra la válvula, motivo el cuál es a que se le ejerce menor fuerza al momento de chocar con el filtro, por lo que no se comprime completamente la torta. La resistencia del medio filtrante y de la torta disminuyen, debido a que al tener un menor gasto en el filtro, este trabaja de forma más relajada y no se fuerza tanto el paso del fluido en el filtro. Esto que se está mencionando se refleja perfectamente en el valor de la caída de presión. La información obtenida de las resistencias se debe graficar contra la caída de presión para poder caracterizar el material filtrado. 120000000000 100000000000 80000000000 alfa

f(x) = 761149.33x + 58717689753.52 R² = 0.8

60000000000 40000000000 20000000000 0 10000

20000

30000

40000

50000

60000

Caida de presión

Conclusi ón Se determinaron las constantes de filtración mediante un trabajo en conjunto realizado tanto Grafica 4.1: Caída de presión V resistencia de la torta

en el laboratorio industrial como los análisis previos de los resultados obtenidos, y se encontró que: 

La caída de presión es proporcional al gasto de alimentación.

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

La resistencia del medio filtrante y de la torta disminuyen, debido a que al tener un



menor gasto en el filtro. La humedad es mayor al cerrar la válvula.

De forma general se comprendió más claro el funcionamiento del equipo de filtro prensa y se

determinó las características de la torta en este caso la zeolita de acuerdo a las

condiciones a las que se trabajó en la actividad experimental, es importante mencionar que cada material tiene sus características y que cada uno tiene un papel variable al ser utilizado como torta en la filtración.

Bibliogr afía 1. Operaciones unitarias en Ingeniería Química Mc. Cabe Warren, C. Smith Julian, Harriot Peter Mc. Graw-Hill Séptima edición. 2. Procesos de Separación. (PDF) Ingeniería Química UNAM 3. http://www.ub.edu/oblq/oblq%20castellano/filtracio.html 4. http://personal.us.es/mfarevalo/recursos/tec_far/filtracion.pdf

Anex os

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