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UNIVERSIDAD NACIONAL SAN AGUSTÍN AREQUIPA

FACULTAD DE INGENIERÍA DE PROCESOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA DE INDUSTRÍAS ALIMENTARIAS CURSO: INGENIERIA DE ALIMENTOS II

PRACTICA

N°6:

FILTRACION,

SEPARACION

SOLUBILIDAD DOCENTE: Ing. Teresa Tejada Purizaca PERTENECE: Chacon Blanco, Angely Condori Surcco Naysha Cuti Gonzales, Giovanna Ruth Vilca Cuchillo Abelardo

AREQUIPA – PERÚ

POR

PRACTICA N°6

FILTRACION, SEPARACION POR SOLUBILIDAD

I.

II.

OBJETIVOS



Determinar la resistencia especifica de la torta.



Determinar la resistencia del medio filtrante.



Determinar la velocidad de filtración.



Determinar el tiempo de filtrado.

FUNDAMENTO TEÓRICO

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 filtración tiene por objeto lo siguiente: a) Clarificación de sólidos b) Recuperación de sólidos c) Recuperación de líquidos d) Recuperación de ambas fases e) 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 2. Escurrimiento 3. Lavado de torta 4. Desprendimiento de torta FILTROS A PRESIÓN: La fuerza impulsora es la presión dada por la fuerza motriz, estos filtros tiene la ventaja de utilizar caídas de presión mayores que las empleadas en los filtros por gravedad y a vacío, aunque esto no siempre resuelve los problemas en filtración, antes bien, pueden presentarse otros como la compresibilidad de la torta o taponamiento del medio filtrante, lo que disminuye la velocidad de filtración. Dentro de los filtros a presión, los más importantes

son los de placas y marcos o filtro prensa, como el que utilizara en esta práctica. Un filtro prensa consiste en dos barras horizontales que sirven de soporte a las placas y marcos. Entre cada placa y marco se coloca el medio filtrante que a su vez sirve de soporte a los sólidos entre cada marco. El número de placas y marcos varía de acuerdo a la capacidad del filtro, y esto determinará el espesor de la torta. Todas las unidades son prensadas por un tornillo de tal manera que no tenga fugas o el medio filtrante quede arrugado. 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, 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. El filtro prensa es un ejemplo de la filtración intermitente y las etapas que se llevan a cabo son las siguientes: 1. Periodo de filtración y formación de la torta 2. Lavado de torta 3. Secado de torta 4. Descarga de la torta 5. Limpieza y separación para el siguiente ciclo

MEDIO FILTRANTE: Lo fundamental en cualquier filtro es el medio filtrante, de hecho aún el más ingenioso filtro es inútil sin un medio adecuado. Las características de un medio filtrante dependen de las propiedades del material del que se fabrica y de las técnicas empleadas en su elaboración. La selección de un medio filtrante, se realiza tomando en cuenta los siguientes puntos: -

Tamaño de la partícula retenida

-

Permeabilidad o resistencia al flujo

-

Relación entre oclusión del medio e incremento de resistencia al flujo

-

Resistencia al calor, a la acción de productos químicos, a la abrasión y a la flexión

-

Resistencia a la ruptura

-

Estabilidad dimensional

-

Facilidad de limpieza

TIPOS DE MEDIOS FILTRANTES: telas metálicas, telas naturales y sintéticas, placas de asbesto o celulosa, hojas de papel de celulosa o de fibra de vidrio, sólidos sueltos, etc.

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. Son agregados a suspensiones que presentan problemas de comprensibilidad en la filtración, dificultad en la misma o por tamaño de partículas muy pequeñas. Los requerimientos para un filtro ayuda son: -

Debe ser inerte

-

Debe ser ligero

-

Debe formar una torta porosa

Ejemplo del filtro ayuda: el más usado es la tierra de diatomácea; pero también se utiliza el carbón activado, la pulpa de papel, etc.

SUSPENSIONES: Las suspensiones pueden clasificarse basándose en su concentración y/o en base a la rapidez de filtración: -

De filtración rápida

-

De filtración mediana

-

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. La ecuación general de filtración es la evaluación del gasto que puede manejar en función de la caída de presión a través del filtro, posteriormente dicha ecuación se aplica a diferente tipos de operación de los filtros y se deducen las ecuaciones de evaluación de capacidad correspondientes.

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, es el resultado de la fuerza impulsora P que necesita vencer la resistencia r. 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, 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. b) Resistencia de la torta: tiene un valor de cero al inicio de la filtración y se incrementa con el tiempo de filtración. c) Resistencia del medio filtrante. Esta resistencia asociada con la de la torta es la resistencia total del lecho. Ya que el flujo en serie, la caída de presión total en el filtro es igual a las caídas de presión individuales.

Durante el lavado de la torta todas las resistencias incluyendo la de la torta, son constantes y la del medio filtrante es generalmente despreciable. La permeabilidad se define como propiedad de los cuerpos de dejarse atravesar por los líquidos o gases. Puede expresarse como: K= AL /

Ó

W

K =1/r

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 )

(3)

(4)

r = resistencia del medio filtrante (m-1)

La filtración produce sobre la superficie del medio filtrante una capa de partículas sólidas, 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, mientras que el líquido pasa a través de ella. La torta está formada por una masa uniforme de partículas de forma irregular a través de la cual existen pequeños conductos capilares. El flujo es siempre laminar y puede por lo tanto representarse por la ecuación. Poiseuille que se puede adaptar a la siguiente forma:

dV

- P gc

----- = ----------------------------------Ad

(

W ---

(5)

)+ r

A

La velocidad de filtrado es función del volumen filtrado recogido, de la superficie filtrante A y del tiempo. La P es la caída total de presión a través del filtro. 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, divididos entre el volumen total de filtrado recolectado. La ecuación (5) quedará entonces:

dV

- P A gc

----- = ----------------------------------d

(7)

V

( --- )+ r

w

A

Los efectos de compresión de la torta pueden correlacionarse por las ecuaciones sugeridas por Almy y Lewis, quienes obtuvieron correlaciones empíricas del efecto de la presión sobre la resistencia específica de la torta para un intervalo limitado de presiones encontrando que: ,

Ps

(8 )

Donde: ,

= la resistencia específica a presión cero, 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. Para la mayoría de los lodos industriales “ s “está dentro de valores de 0.1 a 0.8

La ecuación (7) se reconoce como la ecuación general de filtración, 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, e inversamente proporcional a la viscosidad del filtrado y a la suma de las resistencias, una debida a la torta y otra al medio filtrante”. El empleo de la ecuación general de filtración hace surgir una clasificación de la operación de los filtros en dos grandes categorías: -

Filtración intermitente: se caracteriza por un ciclo corto durante la descarga o limpieza. En este sistema se emplean filtros prensa, filtros de cartucho y todos aquellos integrados por elementos tubulares y hojas planas.

-

Filtración continua: caracterizada por ciclos largos en virtud de que la torta puede descargarse desde una pequeña parte de la superficie filtrante, mientras el flujo continúa en toda ella sin interrupción. Ejemplos de este sistema son: filtros a vacío de tambor rotatorio, de discos y las diferentes clases de bandas horizontales de charolas y hojas.

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; 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. 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

------- = ------------ + -----------dV

*A=

r2 * 2

P gc A2

de marcos

Para tortas incompresibles y a P constante resulta:

P gc A*

(9)

d ------ = K1 V + K2

(10)

dV

Donde: w K1 = -----------

(11)

P gc A2

r K2 = ----------

(12)

P gc A

De las ecuaciones (11) y (12) se despejan

y r respectivamente:

K1(- P) gc A2 = -------------------

(11 A)

w

K2 (- P ) gc A r = ----------

(12 A)

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. Por lo tanto:

Me

w Ve

r = ------- = ----------A

(13)

A

Donde Me es la suma del sólido depositado por el volumen Ve. Sustituyendo (13) en (12):

r w Ve K2 = ----------

(14)

p gc A2

Por lo tanto: 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, 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, obtendremos una recta de pendiente K1 y ordenada K2 como se muestra.

Para determinar el efecto del cambio de presión, es necesario correr varias pruebas bajo diferentes presiones y calcular S al graficar log frente a log P, obteniéndose la recta de

pendiente S y la ordenada ‘:

La determinación experimental a escala piloto de los valores K2 y K1 por lo tanto de r, , s, ، son necesarios para el diseño o selección de un filtro para un sistema específico, así como la selección del medio filtrante que presenta la máxima retención de sólidos; seleccionar también las condiciones de operación como: temperatura, presión, etc., y llevar a cabo adecuadamente la filtración a escala industrial.

III.

MATERIALES

4 vasos de precipitados de 100ml 2 probetas de 100ml 2 varillas de vidrio 3 embudos Papel filtro Soporte pinzas Balanza analitica Cronometro Termometro Clna Clk Agua destilada

IV.

PROCEDIMIENTO

La producción industrial de la sal común, siempre lleva impurificaciones de potasa, uno de los sistemas de separación es por solubilidades, puesto que el,clna prácticamente no varia su solubilidad con la temperatura mientras que el clk si. 

Pesar 5 g de cada componente y disolverlos en agua fría por separado. Determinar su concentración inicial.



Mezclarlos y elevar la temperatura hasta unos 100-105° C .



Observar que parte de la sal se solubiliza.



Deducir a través de las solubilidades de que componente se trata.



Filtrar en caliente y medir cada minuto el volumen del filtrado.



Dejar cristalizar las aguas madres al aire libre.



Repetir la experiencia con cada componente por separado y en caliente.



Determinar la resistencia especifica de la torta.



Determinar la resistencia del medio filtrante.



Determinar la velocidad de filtración.



Calcular el tiempo del filtrado para el volumen obtenido y para obtener un volumen 50 veces mayor.



Establecer diferencias entre los distintos tratamientos.

V.

RESULTADOS Y DISCUSIONES

VI.

CONCLUSIONES

VII.

INVESTIGACION BIBLIOGRAFICA

Por Jessica Exley, Filtración de Procesos Donaldson Los procesadores de alimentos y bebidas de Estados Unidos y el extranjero operan bajo algunos de los estándares más exigentes en materia de seguridad alimentaria. La Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA), International Featured Standards (IFS), Safe Quality Foods (SQF), British Retail Consortium (BRC) y 3A Sanitary Standards, Inc. (3-A), respectivamente, establecen estándares que deben cumplirse para no arriesgarse a un cese de producción. Dos áreas cada vez más evaluadas son el uso de aire comprimido estéril y vapor culinario en la industria del procesamiento de alimentos (Consulte Soluciones de Filtración de Alimentos y Bebidas Donaldson). Si bien la terminología relacionada con las diversas normas difiere levemente, desde “aditivos indirectos ilegales en los alimentos” hasta “supervisión de pureza”, en el fondo se trata de proteger a los fabricantes y consumidores.

Comprender y aplicar las normas de la industria implica comprender las funciones del aire comprimido estéril y el vapor culinario en la industria y en su planta. AIRE COMPRIMIDO ESTÉRIL: FILTRACIÓN DE TRES ETAPAS El aire comprimido estéril forma parte indispensable del proceso de fabricación de alimentos, porque se utiliza para mezclar ingredientes, almacenar productos bajo presión positiva (para evitar el ingreso de contaminantes), bombear productos viscosos a través de tuberías, embolsar o envasar productos, rechazar productos defectuosos de las bandas transportadoras y soplar alimentos y otros residuos de la superficie de trabajo y equipos de producción. El aire comprimido sin filtrar contiene partículas, aerosoles de agua y aceite, y bacterias. Estos contaminantes no deseados se deben eliminar el proceso de fabricación para poder garantizar la seguridad y uniformidad del producto. Entonces, ¿qué se puede hacer para filtrar el aire comprimido? Años de ingeniería y pruebas han demostrado que un sistema de filtración de tres etapas es ideal para producir aire comprimido estéril a pedido en los diversos puntos de uso. El sistema de tres etapas puede proporcionar las eficiencias de eliminación hasta el nivel estéril que se requieren en la industria, y minimizar al mismo tiempo la frecuencia de cambio del filtro estéril más costoso. (Consulte la ilustración A).

Ilustración A: Filtración recomendada de aire comprimido El Filtro #1 debe estar compuesto por un medio relativamente abierto o “suelto”. Esta configuración permite eliminar grandes cantidades de agua y óxido que generalmente contaminan las vías después de equipos de secado refrigerado. Los medios abiertos evitan que el filtro se bloquee con demasiada rapidez. Los filtros de gama más alta utilizan un medio fibroso sin aglutinantes que es tanto hidrofóbico como oleofóbico. De esta manera, el filtro se deshace rápidamente del agua y produce alta velocidad de flujo con una menor pérdida de presión, minimizando el consumo de energía. El Filtro #2 debe eliminar todos los aerosoles de agua y aceite restantes, además de toda partícula que haya penetrado el primer filtro. Dado que el segundo filtro debe

tener una mayor eficiencia de captura que el primero, el filtro ideal debe incorporar una estructura de medio plegada. Una estructura plegada produce una mayor superficie de medio, lo que reduce la pérdida de presión y aumenta la vida útil proporcionando una mayor área de retención de suciedad que los medios no plisados. El Filtro #3 está diseñado para capturar microorganismos y resistir con seguridad las condiciones extremas de la esterilización por vapor. Las medias filtrantes fabricadas con membrana PTFE o borosilicato suelen ser la mejor opción porque son altamente resistentes al vapor y pueden controlarse detalladamente para producir una estructura que retiene las bacterias y mantiene su eficacia durante toda la vida útil del filtro. Dado que este filtro no debe encontrar suciedad ni aceite, seleccione una versión que pueda tolerar un alto número de ciclos de esterilización. Este filtro debe tener una clasificación de >99.9999998 % a 0.2 micrómetros porque ese es el tamaño de algunas de las bacterias más pequeñas. Este es también el tamaño aproximado que corresponde al punto de eficiencia más bajo de la mayoría de los filtros de profundidad. VAPOR CULINARIO: FILTRACIÓN DE DOS ETAPAS En la industria del procesamiento de alimentos, el vapor culinario se inyecta directamente en los alimentos para cocinarlos o se utiliza indirectamente para limpiar y esterilizar recipientes, mezcladores, cintas transportadoras y otros equipos que se utilizan en el proceso de producción de alimentos. La Práctica Aceptada 609-03 de 3-A define el vapor culinario como “vapor libre de contaminantes atrapados... que es apto para usarse en contacto directo con productos alimenticios, otros comestibles y superficies que entran en contacto con productos alimenticios”. La principal preocupación en materia de seguridad es que vapor no filtrado pueda contener contaminantes, incluidos óxido y suciedad que pueden terminar en el producto alimenticio. Lamentablemente, una gran fuente de contaminación suele ser el proceso de generación de vapor en sí, sobre todo en sistemas donde el exceso de vapor se condensa, se recircula y se reutiliza en el proceso. Este “condensado recirculado” puede estar contaminado con sarro de tuberías y sólidos suspendidos, además de aceites y residuos metálicos desprendidos de las bombas del sistema de recirculación. Si el vapor no se filtra antes del uso, estos contaminantes pueden llegar hasta el producto alimenticio. Entonces, ¿qué se puede hacer para generar vapor culinario?

Ilustración B: Filtración recomendada de vapor culinario Un sistema de filtración de vapor culinario consta de dos etapas fundamentales: un filtro de vapor culinario final además de un prefiltro o separador de arrastre. (Consulte la ilustración B). Las carcasas para filtros en puntos de uso están diseñadas con acero inoxidable, no poseen imperfecciones como fisuras o hendiduras y son ideales para producir vapor culinario. La filtración de vapor culinario se debe instalar en todos los puntos de uso porque cualquier tubería posterior al filtro final puede crear oportunidades adicionales para que ingresen contaminantes al sistema. El Filtro #1, generalmente denominado prefiltro de vapor, o un separador de arrastre, deben eliminar con eficacia todas las partículas de 10 micrones o más de la fuente de vapor entrante de la línea de producción. El Filtro #2, identificado como filtro de vapor culinario de punto de uso, debe eliminar el 95 % de las partículas de 2 micrones o más. Además, filtrar el vapor culinario reducirá considerablemente los costos de mantenimiento de su planta. El vapor no filtrado puede recubrir los intercambiadores de calor, produciendo un efecto de aislamiento no deseado que puede ralentizar la transferencia de calor y aumentar los tiempos de producción. Un sistema de filtración adecuado elimina también la suciedad, óxido y sarro que pueden desgastar las bombas, válvulas y otros componentes, causando fallas prematuras en los equipos. A medida que sigue aumentando el interés por las normas de seguridad para productos y consumidores, fabricantes de alimentos y bebidas en todo el mundo verán una mayor atención en las normas y procesos de seguridad alimentaria dentro de las instalaciones. Proteger a sus clientes y a su negocio verificando que sus procesos de producción cumplan con las regulaciones vigentes le ayudará a mitigar estas preocupaciones. Si no está seguro de si su sistema actual de filtración de vapor culinario o aire comprimido estéril cumple con las normas más recientes, póngase en contacto con un asesor de filtración especializado en atender a procesadores de la industria de los alimentos y bebidas, como Donaldson. Estos expertos podrán identificar

sistemas obsoletos, antiguos o insuficientes, e instalar un sistema de vapor culinario o aire comprimido estéril con el que cumpla todas las normas pertinentes.

Jessica Exley es miembro de 3-A Sanitary Standards, Inc. y Directora de Filtración para Procesos en Donaldson Company.

VIII.

BIBLIOGRAFIA