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Informe: Filtración de un lodo en filtro prensa de placas y marcos Universidad Nacional de Colombia Facultad de Ingeniería Departamento de ingeniería química y ambiental Laboratorio de fluidos, sólidos y transferencia de calor GRUPO A Javier Andrés Aponte Zea1; Alejandra Baquero Gutiérrez2; Karen Lucia Patino Pantoja3; Camila Pinto Ballesteros4; Sebastián Ramírez Meza5 1: [email protected]; 2: [email protected]; 3: [email protected]; 4: [email protected]; 5: [email protected] RESUMEN — En el laboratorio de Ingeniería Química de la universidad Nacional se realizó la filtración en filtro prensa de una suspensión acuosa de carbonato de calcio empleando filtro de celulosa y tela con tamaño de poro de 4 micrómetros, los resultados y correspondiente análisis se presentan en este documento, la membrana forman una capa que se llama torta y el líquido que queda exento de sólidos se denomina filtrado. (Ibarz A, 2011). I. OBJETIVOS Generales Pérdida de carga Realizar la operación unitaria de filtración en filtro prensa a una suspensión acuosa de carbonato de Al comienzo de la filtración en un filtro de torta, calcio y caracterizar su comportamiento a flujo algunas partículas sólidas entran en los poros del constante. medio filtrante y quedan inmovilizadas, pero muy rápido otras partículas se depositan sobre la superficie Específico del medio filtrante como se puede apreciar en la figura 1 que muestra la acumulación de partículas. Después de este breve periodo inicial, la torta de sólidos es la - Obtener la resistencia de la torta y del medio que realiza la filtración y no el medio filtrante; sobre la filtrante. superficie se forma una torta de espesor apreciable - Determinar el porcentaje de recuperación del que es preciso retirar periódicamente. Los filtros de carbonato de calcio mediante flujo constante. torta se utilizan casi siempre para separaciones - Graficar la resistencia de la torta en función sólido-líquido (McCabe, 2007). de la presión. - Determinar los exponentes de las resistencias. I. FUNDAMENTO TEÓRICO II. Filtración Es una operación unitaria cuyo fin es la separación de un sólido insoluble que está presente en una suspensión sólido-líquido, haciendo pasar dicha suspensión a través de una membrana porosa que retiene partículas sólidas. Las partículas retenidas en
Figura 1. Representación de formación de la torta. Ecuación de Lewis El caudal de filtrado por unidad de área se describe como la relación entre una fuerza impulsora (cambio
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Química y Ambiental Bogotá, Colombia 2019 en la presión) y la resistencia total (resistencia del volumen de filtrado y A el área de filtrado. (Duarte, medio filtrante y resistencia de la torta), como se 1998) muestra en la Ecuación 1. La resistencia del medio filtrante R, varía con la caída de presión y con el tiempo y la limpieza del medio filtrante, pero como sólo es importante durante las Ec. 1 primeras etapas de la filtración, casi siempre resulta Al desarrollar esta expresión, se obtiene la Ecuación 2, satisfactorio suponer que es constante durante que corresponde a la ecuación de Lewis: cualquier filtración y obtener su valor a partir de datos experimentales. La resistencia de la torta α es una función de la caída en la presión de la torta en vez de la caída total en la presión, ya que cuando la torta tiene un espesor Ec. 2 apreciable la caída de la presión en el medio filtrante es pequeña si se compara con la caída de presión en la En la cual: torta. Se puede calcular mediante la Ecuación 4. P : diferencia de presión a través del medio filtrante y Siendo Pc la pérdida de presión en la torta, y u la la torta (a través del filtro). velocidad de filtrado. A : área del medio filtrante µ: viscosidad del filtrado r T: resistividad de la torta. v : volumen de la torta. s : exponente de la resistividad de la torta. (V + Vc) : peso de filtrado recolectado más peso de filtrado atrapado en la línea de filtrado. rM: resistividad del medio filtrante. m : exponente de la resistividad del medio filtrante. θ : tiempo. Resistencia del medio filtrante y de la torta En la filtración de torta el líquido pasa a través de dos resistencias en serie: la de la torta y la del medio filtrante. La resistencia del medio filtrante, que es la única resistencia en los filtros clarificadores, normalmente sólo es importante durante las primeras etapas de la filtración de torta. La resistencia de la torta es nula al principio y aumenta con el tiempo a medida que transcurre la filtración. Si la torta se lava después de la filtración, ambas resistencias son constantes durante el período de lavado, y la del medio filtrante es generalmente despreciable. La caída total de presión en un instante cualquiera es la suma de las caídas de presión en el medio filtrante y en la torta, como se muestra en la Ecuación 3 situada a continuación. Ec. 3 Donde α es la resistencia de la torta, µ es la viscosidad de la suspensión, c es la concentración de sólidos depositados por unidad de volumen filtrado, V es
Ec. 4 Filtración a caudal constante Si el caudal volumétrico permanece constante, este será igual al volumen de filtrado que se ha recogido en un determinado tiempo. Para la filtración a caudal constante, se tiene en cuenta la Ecuación de Hermans-Bredée descrita en la Ecuación 5, que agrupa datos del cambio de presión en el filtro y dos constantes: k y n (n corresponde a cero por ser filtración en torta). Ec. 5 El tipo de filtro que se utilizará en la práctica será el filtro prensa. Filtro prensa El filtro prensa es un filtro de presión discontinua, consiste en un equipo que permite la separación de sólidos de una suspensión mediante el paso de la corriente a través de un medio poroso que retiene los sólidos formando la torta y deja pasar el líquido. La torta formada sirve como medio filtrante, ya que aumenta la presión en el filtro. Además, los poros de las mallas por lo general son de mayor tamaño que las partículas sólidas retenidas.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Química y Ambiental Bogotá, Colombia 2019 Este tipo de 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. Las placas del filtro prensa pueden ser de diversas geometrías, lo más frecuente es que los compartimentos para sólidos están formados por huecos en las caras de placas de polipropileno moldeado o placas y marcos como se muestra en la figura 1. Las placas y los marcos se sitúan de forma 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 Figura 3 . Estructura del filtro prensa utilizado. (Manual de través de las telas, desciende por las canal a unas de las operación filtro prensa, INTECMO) caras de las placas y sale del filtro prensa. (McCabe, 2007). A continuación, se pueden ver dos esquemas de Filtro prensa en las Figuras 2 , 3 y 4.
Figura 2. Esquema de un filtro prensa (McCabe, 2007).
Figura 4. Esquema de un filtro prensa (GEankoplis.2002) III.
MATERIALES Y EQUIPO Materiales y reactivos 1. Baldes 2. Cronómetro 3. Sólido para suspensión (1,5 Kg de carbonato de calcio)
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Química y Ambiental Bogotá, Colombia 2019 EQUIPO ● El filtro prensa FP 150 tiene una capacidad de 23 a 100 L/h, esto depende de la viscosidad, 1. Tanque de alimentación turbidez y densidad del fluido a filtrar; la 2. Electrobomba presión máxima es de 4 bar y posee un área de 3. Filtro prensa filtrado de 0.17 m2. El filtro cuenta con cinco 4. Vessel para recirculación placas y cinco marcos. Actualmente el filtro 5. Medidor de caudal de orificio posee mallas Polifil, también se trabajó con 6. Medidor de presión filtros de celulosa con tamaño de poro de 4 7. Válvulas micrómetros. Datos técnicos ● El equipo cuenta con cinco medidores de presión analógicos a lo largo del sistema: ● Del tanque de alimentación se suministra la presión de entrada al filtro, presión de la torta, solución concentrada al filtro, el cual tiene una presión a la salida del filtro, presión antes del capacidad aproximadamente 236 L. la forma medidor de orificio, y presión después del del tanque es cilíndrica y al final es cónica, medidor de orificio. para evitar así acumulación al final del tanque. ● Es una bomba centrífuga de 110 Voltios, 10 HP y 60 Hz de frecuencia.
Diagrama
Figura 5. Diagrama del equipo de filtración. (Laboratorio de Ing. Química. UNAL)
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Química y Ambiental Bogotá, Colombia 2019 N. Pinzón; J Fonseca, 2018: “A diferencia de presión constante, lo que se busca es mantener el flujo que pasa por el filtro constante, esto se hace con la válvula 9. Una forma rápida de verificar el flujo es a la salida del filtrado, donde con ayuda de probeta y cronómetro se determina el caudal y se verifica que sea constante durante la operación del filtro, si no es así se abre o cierra la válvula V-9. Se toman datos como tiempo, presiones: P-2, P-4 y P-5 hasta finalizar la filtración; se apaga la bomba y se registra el tiempo total de operación, se cierra la válvula V-9, para evitar el paso de fluido por el filtro, y se abre el filtro prensa, se retiran los marcos y se saca la torta obtenida con cuidado de no dañar los filtros”. IV.
PROCEDIMIENTO
V.
TABLAS DE RESULTADOS
Los siguientes datos fueron los reportados durante la Práctica de Filtración en filtro prensa. A continuación, se reportan los datos obtenidos con las mallas Polifil.
Tabla 1. Datos malla tela
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Tabla 2. Datos filtrado caudal intermedio
Tabla 4. Datos filtrado filtro celulosa, caudal máximo
Tabla 3. Datos filtrado caudal mínimo Posteriormente, se hace el registro de datos obtenidos con la malla papel filtro de celulosa, las Tablas 4 ,5 y 6 corresponden al tiempo y masa de filtrado; las Tablas 10 , 11 y 12 corresponden a los datos de presión y tiempo; las Tablas 7, 8 y 9 muestran la masa de filtro y filtro con cal (celulosa).:
Tabla 5. Datos filtrado filtro celulosa, caudal mínimo
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Tabla 10. Datos presión caudal intermedio, filtro celulosa
Tabla 6. Datos filtrado filtro celulosa, caudal intermedio Tabla 7. Datos masa caudal mínimo, filtro celulosa
Tabla 8. Datos masa caudal intermedio, filtro celulosa Tabla Tabla 9. Datos masa caudal máximo, filtro celulosa
Tabla 11. Datos presión caudal mínimo, filtro celulosa
Tabla 12. Datos presión caudal máximo, filtro celulosa Las Tablas 13 y 14 muestran los datos en los medidores de presión con la malla de tela:
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Química y Ambiental Bogotá, Colombia 2019 Tabla 13. Datos presión caudal mínimo, filtro tela
Tabla 14. Datos presión caudal intermedio, filtro tela VI. MUESTRA DE CÁLCULO Y RESULTADOS Dado que la filtración se realizó a volumen constante es necesario realizar la curva de calibración del volumen, para esto se hicieron varios ensayos con la válvula de alimentación al filtro a diferentes aperturas y con una probeta de 500 ml se tomó el flujo volumétrico en cada una de ellas, el resultado se muestra en la gráfica 1, la gráfica 2 muestra la calibración tomada por el medidor de flujo conectado entre P4 y P5. A partir de la curva de calibración y con el polinomio que la representa se calcula el flujo que se va a utilizar en cada prueba con el volumen constante.
Gráfica 2. Curva de calibración del caudal con medidor de flujo de placa de orificio. De acuerdo con la regresión presentada anteriormente la ecuación del medidor de flujo es: Q = 0.0463ΔP + 1.3205 A partir de esta ecuación se plantean las demás ecuaciones para llegar a calcular la resistencia de la torta y la resistencia del medio filtrante, se plantea la siguiente ecuación general basada en la ecuación de Lewis a flujo constante (Walker, et al. 1937):
dV dӨ
=
P A2 μ[rV P s (V +V c ) +ρ′AP m ]
Donde las resistencias del medio filtrantes y de la torta quedan como el resultado de la agrupación de términos, de la siguiente manera: RT = rVa * P s Rm = ρ′(P e )m
Gráfica 1. Curva de calibración del caudal con cronómetro y probeta.
Estas expresiones se van a expresar en sistema inglés ya que fueron diseñadas para este. Se empieza por resolver los parámetros de la ecuación de Lewis. Para calcular el peso de filtrado atrapado en la tubería se usa: V c = A L ρ Donde (L) es la longitud del tubo de salida del filtro hasta la descarga, y (A) el área interna del tubo junto con la densidad del agua ( ρ ).
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Química y Ambiental Bogotá, Colombia 2019 Se calcula para cada lectura el (V+ Vc), y se gráfica en V+Vc (lb) 0,0000173 función de la presión, ya que son los parámetros que no permanecen constantes en la ecuación diferencial. Para Pe (psi) 2,325 el primer ensayo que utiliza hojas filtro de celulosa , el resultado se muestra en la gráfica 3. A (in2) 5,847 µ (cP) 1,002 dV/dθ (lb/in3)
31,416
Rm (in2/lb)
0,431
Para el caudal intermedio y el mínimo se encontró que: Gráfica 3. Peso de filtrado total en función de la caída de presión en el filtro prensa. Para los 3 ensayos en los que se usó el cartón de celulosa se obtuvieron las siguientes relaciones:
Rm (in2/lb) Fl. Intermedio
0.780
Rm (in2/lb) Fl. Mínimo
1.129
Ahora se calcula la resistividad y el exponente de dicha resistividad para el medio filtrante, para ello se usa las Pe para cada caudal y su respectiva resistencia, se puede observar en la gráfica 5. Siguiendo la ecuación: m
Rm = ρ′(P e ) logRm = log(ρ′) + m log(P e ) Gráfica 4. Peso de filtrado total en función de la caída de presión en el filtro prensa, para los 3 ensayos con celulosa. Con la ecuación que describe la tendencia, la cual es (V + V c) = 3.9924ΔP − 9.2841 , se lleva el valor de (V+Vc) a 0 y con ella se encuentra la presión extrapolada Pe. Separando la ecuación de Lewis, calculamos el valor de la resistencia del medio, siguiendo la ecuación: 2 dV PA = dӨ μρ′ AP m Donde: Pe A Rm = μ dV /dӨ Resolviendo para el primer ensayo, se tiene que:
m= Pendiente y el intersecto = log(ρ′) ← Resistividad
Gráfica 5.Gráfica para el cáculo de la resistivida. Con esto se puede calcular que: ρ′ =5.383 m=1
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Química y Ambiental Bogotá, Colombia 2019 Por último se calcula la resistencia de la torta y el exponente de resistividad de la torta, basados en la Como se puede ver en la sección de resultados, la ecuación para flujo constante de Lewis, se despeja RT: recuperación de carbonato de calcio resulta mayor cuando se realiza la filtración con la malla de celulosa, se obtienen porcentajes de recuperación de 93.13%, ′ m RT = a(V A+V c ) − μ(dVP A/dӨ) − ρ P 90.88% y 92.74%, al trabajar con caudales mínimo, intermedio y máximo, respectivamente. Por otro lado, al trabajar con caudales intermedio y mínimo en la malla de tela, los porcentajes de recuperación de sólido fue de 29.01% y 33.69%, respectivamente. En ambos casos, el porcentaje de recuperación es mayor cuando se trabaja con el caudal mínimo; la velocidad de filtración depende de la caída en la presión y de la resistencia en el medio filtrante y en la torta, por lo que, la resistencia se hace mayor con el aporte que hace la resistencia de la torta la que aumenta a medida que transcurre el tiempo de filtración y hace que disminuya el caudal. Del mismo modo, resulta mejor hacer uso de las mallas de celulosa, ya que la resistencia de este medio filtrante resulta mayor obteniendo una mayor recuperación del carbonato de calcio, una mejor Gráfica 5.Gráfica para el cáculo de la resistivida. formación de la torta sin perder de vista, que los tiempos de filtrado resultan mayores con las mallas de Con estos resultados se estima que el valor de la celulosa. resistividad de la torta (r) y su coeficiente (s): Si se compara el efecto de la presión con el efecto de la log RT = 0.0622 * log P + 4.8432 rV resistencia en las filtraciones, en el filtro de celulosa log ( a ) = 4.8432 predomina el efecto de la resistencia, puesto que los tiempos de filtrado son menores aunque la caída de despejando se tiene que para el flujo máximo: 13 presión sea mayor, es decir, que el aumento de la r = 1.69* 10 s = 0.0622 resistencia hace que el valor del cambio de velocidad sea menor, si se compara con el medio filtrante de tela. VII. ANÁLISIS DE RESULTADOS A pesar que no es posible determinar la exactitud de los Iniciando con las medidas de presión antes y después datos obtenidos debido a que no es posible obtener un del medidor de flujo, se puede decir que se valor teórico de la resistencia de la torta ni del medio mantuvieron aproximadamente constantes durante del filtrante, debido a que dichos valores son cada filtrado, variando de acuerdo al flujo y al medio específicos para el equipo utilizado, el material filtrante utilizados, y si se presentan variaciones, estas empleado como medio filtrante y de igual forma de la se ven compensadas con el valor del otro manómetro naturaleza de la solución que se desea filtrar, sin del medidor, dándonos así las condiciones necesarias embargo es posible realizar la comparación de los para el flujo constante. resultados obtenidos con lo observado durante el desarrollo de la práctica. El caudal utilizado influye en el tiempo de filtrado que se necesita para poder llevar el proceso a cabalidad, Atendiendo a los dos ensayos de flujo constante, según siendo una relación inversamente proporcional, a más la resistividad del medio filtrante se puede analizar que caudal, menos tiempo y viceversa. El tiempo también fue mayor en el ensayo 1 con caudal al máximo, esto se depende del medio filtrante, ya que en caudal mínimo, puede explicar desde el punto de vista de revisión del con el filtro de tela se gastan 105 segundos mientras filtro y sus componentes, más específicamente los que con el filtro de celulosa 120 segundos, esto podría sellos plásticos que permiten el contacto entre las deberse a la robusteza del medio, e ir de la mano con los placas fueron asegurados y revisados, después de niveles de caída de presión que los filtros de celulosa desmontarlos mientras que en el caso del primer presentan.
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Química y Ambiental Bogotá, Colombia 2019 ensayo fueron utilizados sin una previa revisión que sólidos aplicaciones, Bogotá, permitiera encontrar fugas o partes mal acomodadas Universidad Nacional, 1998, pp. 227-252. que afectan la resistividad del medio. Gooding, N. (2009). Manual de Practicas Operaciones Unitarias. Bogota: Universidad VIII. CONCLUSIONES Nacional de Colombia. En el proceso llevado a cabo en el laboratorio, se utilizaron dos medios filtrantes, el clásico de lona y uno Arias A.F, Ávila C,A. (2018) MANUAL DE nuevo compuesto de celulosa con un tamaño de poro OPERACIÓN DEL FILTRO PRENSA; de cuatro micras, se puede apreciar una efectividad Universidad Nacional de Colombia considerablemente superior aportada por el segundo medio filtrante, esto podría favorecerse por la Ibarz A., Operaciones unitarias en la naturaleza del material, ya que es compacto, más ingeniería de alimentos, México, Ediciones grueso, y cortado con la justa medida de los empaques Mundi-Prensa (2011) , pp 271-290 de las placas, evitando así errores en la filtración por mala postura del medio filtrante, o la posibilidad de que McCabe, L. Smith, C. Harriot, P. (2007). se desacomoden por la presión ejercida durante el OPERACIONES UNITARIAS EN INGENIERÍA filtrado. QUÍMICA. McGraw Hill. La presión a la entrada del filtro se mantiene aproximadamente constante durante la filtración con ambos medios filtrantes, pero es proporcional a la cantidad de flujo que se trabaja, aclarando que la caída de presión con el filtro de celulosa es mayor al ser de un material más robusto.
IX.
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BIBLIOGRAFÍA
A. Duarte, «Filtración,» de Operaciones transferencia de momentum y manejo de