UNIVERSIDAD DE GUAYAQUILFACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

CARRERA INGENIERÍA QUÍMICA

Informe # 2Filtración

Asignatura:Laboratorio de Operaciones Unitarias I

Estudiante:Luis Tigse Pilco

Docente:Ing. Mariana Navarro

Curso:Cuarto “C”

Grupo # 1

Año Lectivo:2015-2016

1) ResumenLa filtración como Operación Unitaria usada industrialmente tiene varios tipos o clasificación dependiendo de lo que se esta separando. Existen la filtración por clarificación, la filtración por torta y las microfiltraciones y ultrafiltraciones. La filtración por torta es la que este trabajo abarca, resaltándose su concepto y diferenciándola de los otros tipos. Se especifica la forma de cómo se dan estas filtraciones por torta en los equipos que son filtración a Presión Constante y Filtración a Velocidad constante formulando para cada una las ecuaciones matemáticas a utilizar en el cálculo de sus parámetros de diseño. Asimismo, se explica la metodología para la realización de los problemas de filtración por torta.En los diferentes procesos de producción de alimentos, se presenta la necesidad de separar los componentes de una mezcla en fracciones, para de esta manera poder describir los sólidos divididos y predecir sus características. Dentro del amplio campo de las separaciones existen dos grandes grupos: (a) El grupo de las separaciones difusionales que son realizadas con cambios de fases y transporte de materia de una fase a otra y (b) los métodos correspondientes a las separaciones mecánicas la cual comprende filtración, sedimentación, centrifugación y tamizado.Estas separaciones son aplicables a mezclas heterogéneas y no a homogéneas y la forma de separación depende de la naturaleza de la partícula que vaya a ser separada y de las fuerzas que actúan sobre ella para separarlas. Las características de las partículas más importantes a tener en cuenta son el tamaño, la forma y la densidad, y en el caso de fluidos, la viscosidad y la densidad, aplicables en separaciones de: sólidos de gases, gotas de líquidos de gases, sólidos de sólidos y sólidos de líquidos. El comportamiento de los diferentes componentes a las fuerzas establece el movimiento relativo entre el fluido y las partículas, y entre las partículas de diferente naturaleza. Debido a estos movimientos relativos, las partículas y el fluido se acumulan en distintas regiones y pueden separase y recogerse, por ejemplo en la torta y en el tanque de filtrado de un filtro prensa.

2) Objetivos:

Generales

Determinar experimentalmente los parámetros de la ecuación General de Filtración sintetizada en la Ecuación de Ruth empleando el filtro prensa de marco y placa del Laboratorio de Operaciones Unitarias de la Facultad.

Especificas

Separar los sólidos de CaCO3 de la solución mediante la filtración y determinar experimentalmente las diferentes variables que afectan al proceso, empleando como medio filtrante papel filtro.Obtener el tiempo ficticio de filtración.

3) Marco teórico

La filtración es la operación Unitaria en la que el componente sólido insoluble de una suspensión sólido-líquido se separa del componente líquido haciendo pasar este último a través de una membrana porosa la cual retiene a los sólidos en su superficie (filtración de torta) o en su interior (Clarificación), gracias a una diferencia de presión existente entre un lado y el otro de dicha membrana. A la suspensión de sólidos en líquidos se conoce como papilla de alimentación o simplemente suspensión, al líquido que pasa a través de la membrana se conoce como filtrado, la membrana es conocida como medio filtrante y a los sólidos separados se conocen como torta de filtración. Como fue dicho, el fluido circula a través del medio filtrante en virtud de una diferencia de presión, existiendo los filtros que trabajan con sobrepresión aguas arriba, presión atmosférica aguas arriba y los que trabajan al vacío aguas abajo.

La teoría de filtración es valiosa para interpretar análisis de laboratorios, buscar condiciones óptimas de filtración y predecir los efectos de los cambios en las condiciones operacionales. El empleo de esta teoría esta limitado por el hecho de que las características de filtración se deben determinar siempre en la lechada real de que se trate, puesto que los datos obtenidos con una lechada no son aplicables a otra. Al comparar la filtración a nivel industrial ésta difiere de la del laboratorio en el volumen de material manejado y en la necesidad de manejarlo a bajo costo. Para obtener un gasto razonable con un filtro de tamaño moderado, se puede incrementar la caída de presión del flujo o disminuir la resistencia del mismo. Para reducir la resistencia al flujo el área de filtrado se hace tan grande como sea posible, sin aumentar el tamaño total del equipo o aparato de filtración. La selección del equipo de filtrado depende en gran medida de la economía.

Las aplicaciones de la filtración en la industria alimenticia se pueden considerar en tres categorías. La primera incluye todas las aplicaciones en las que la suspensión que contiene grandes cantidades de sólidos insolubles se separan en los sólidos y líquidos que la componen, formándose una torta en la parte anterior del medio conociéndose el proceso como filtración por torta o de torta. La segunda categoría se denomina clarificación y en esta se quitan pequeñas cantidades de un sólido insoluble a un líquido valioso donde el propósito es generalmente producir un líquido claro. La tercera se denomina micro-filtración donde se separan partículas muy finas por lo general microorganismos de los alimentos.

Aparatos utilizados en filtración

Los aparatos que se utilizan en filtración, constan básicamente de un soporte mecánico, conductos por los que entra y sale la dispersión y dispositivos para extraer la torta. La presión se puede proporcionar en la parte inicial del proceso, antes del filtro o bien se puede utilizar vacío después del filtro, o ambas a la vez, de forma que el fluido pase a través del sistema.

La mayoría de los filtros industriales operan a vacío o a presión superior a la atmosférica. También son continuos o discontinuos, dependiendo de que la descarga de los sólidos sea continua o intermitente. Durante gran parte del ciclo de operación de un filtro discontinuo el flujo de líquido a través del aparato es continuo, pero debe interrumpirse periódicamente para permitir la descarga de los sólidos acumulados. En un filtro continuo, tanto la descarga de los sólidos como del líquido es ininterrumpida cuando el aparato está en operación.

Entre los aparatos se cuentan:

1.- Filtros prensa (discontinuo de presión)

En estos se coloca una tela o una malla sobre placas verticales, de manera tal que sean los bordes los que soporten a la tela y al mismo tiempo dejen debajo de la tela un área libre lo más grande posible para que pase el filtrado. Normalmente se les llama "Filtros de placa y marco". En esta clase de filtros se alternan placas acanaladas cubiertas en ambos lados por medio filtrante, con marcos, en conjunto se encuentran apretada por tornillos o una prensa hidráulica que la cierran herméticamente.

Las placas y los marcos contienen aberturas en un ángulo, las cuales forman un canal al cerrar el filtro y por donde se introduce la papilla de alimentación. Al circular la suspensión, la torta se forma en el lado más alejado de la placa, entrando por el marco, pasando el filtrado a través del medio y por la superficie acanalada de las placas del filtro y saliendo por un canal de salida en cada placa.La filtración se continua hasta que el flujo de filtrado es menor que cierto límite practico o la presión alcance un nivel inaceptablemente elevado.Después de la filtración se puede realizar el lavado de la torta sustituyendo el flujo de la papilla por flujo de lavado, también se puede abrir el filtro y retirar la torta.

2.- Filtros espesadores de presión (continuos de presión)El objeto de un filtro espesador es separar parte del líquido contenido en una suspensión diluida para obtener otra concentrada. Tiene la apariencia de un filtro de prensa, sin embargo, no contiene marco y las placas están modificadas. Las placas sucesivas llevan canales apareados que forman, cuando se monta la prensa, una conducción larga en espiral para la suspensión. Los lados de los canales están recubiertas con un medio filtrante mantenido entre las placas. Mientras la suspensión pasa por el canal a presión, una parte del fluido sigue fluyendo por el canal hacia al distribuidor múltiple de descarga de líquido claro. La suspensión espesada se mantiene en movimiento rápido para no obstruir el canal. El número de placas escogido es tal de modo que la diferencia de presión en todo el aparato no exceda de 6 kgf /cm2. En estas condiciones es posible duplicar la concentración de la suspensión de entrada. Si se requiere una concentración mayor, la suspensión espesada en un filtro se introduce nuevamente en un segundo filtro.3.- Filtros rotatorios (continuo de vacío) En este tipo de filtros, el flujo pasa a través de una tela cilíndrica rotatoria, de la que se puede retirar la torta de forma continua. La fuerza más común aplicada es la de vacío. En estos sistemas, la tela se soporta sobre la periferia de un tambor sobre los que se está formando la torta.Cabe destacar que los filtros anteriormente vistos son a modo de ejemplo destacando el filtro de prensa, el cual fue usado en el laboratorio. Se pueden encontrar una variedad muy amplia de estos en el comercio dependiendo de la finalidad del proceso a realizar.

Medio filtranteEl medio filtrante puede consistir en tela, papel o material poroso o tejido cuya función es promover la formación de una torta de sólidos. Un medio filtrante debe cumplir con los siguientes requerimientos:1.2. Tener facilidad para remover la fase sólida dando un filtrado claro.3. Debe ofrecer la mínima resistencia al flujo para la rápida formación de la torta de

filtración.

4. Tener resistencia a las condiciones del proceso, es decir, ser lo suficientemente fuerte para soportar la torta y aguantar bajo condiciones extremas del proceso.

5. No debe obstruirse o sesgarse, es decir, tener alto rendimiento del liquido para un ΔP dado.

6. Debe ser químicamente inerte y no tóxico.7. Debe permitir facilidad del retiro de la torta limpia y completa.8. No ser excesivamente caro.

Filtración de torta. GeneralidadesEste tipo de filtración, es la que trata grandes cantidades de sólidos en la suspensión y forma sobre el medio filtrante una pasta o "torta" de sólidos que posteriormente es retirada.La filtración de torta presenta dos grandes tipos o forma de llevarse a cabo:

Filtración a ΔP constante (Presión constante): donde la velocidad de filtración va desde un máximo hasta un mínimo. Dentro de este tipo de filtración existe un caso particular que es el de la filtración rotatoria

Filtración a U constante (Velocidad Constante): donde la diferencia de presión va desde un mínimo hasta un máximo.

Existe otra manera de trabajo para estos filtros que es la MIXTA; no es más que aquella filtración que transcurre primero a velocidad constante, donde su ΔP va desde un mínimo a un máximo y luego el régimen es cambiado a ΔP constante y su velocidad va desde un máximo a un mínimo.En el proceso de filtración por torta se pasa a través de tres clases de resistencia en serie: (1) Las resistencias de los canales que llevan la suspensión hasta la cara anterior de la torta, y el filtrado desde que sale del medio filtrante. (2)La resistencia correspondiente a la torta. (3) La resistencia correspondiente al medio filtrante.Con respecto a la distribución de la caída global de presión, se observa que por ser éste un flujo en serie, la diferencia de presión total en el filtro puede igualarse a la suma de las diferencias de presión individuales. En un filtro bien diseñado las resistencias de las conexiones de entrada y salida son pequeñas y pueden despreciarse en comparación con la resistencia de la torta y del medio filtrante. Al incrustarse las primeras partículas en las mallas del medio filtrante, se produce una resistencia adicional que afecta al flujo posterior.

4) Diagrama del equipo

5) Equipos y materiales empleados

Equipo: Filtro prensa ubicado en el laboratorio de operaciones unitarias.

1 vaso de Precipitación

1 probeta

1 termómetro

2 tanques pequeño para la mezcla.

1 paleta de madera para la agitación manual

Papel filtro grueso como medio filtrante.

Balanza para pesar el carbonato de calcio y las tortas.

Mezcla:

47 libras de agua.5 libras de carbonato de calcio.

6) Procedimiento1.-Preparar la solución a filtrar (mezcla de agua y carbonato de calcio).

2.-Alimentar la solución al tanque mezclador.

3.-Preparar el filtro prensa colocando el medio filtrante y los marcos y platos adecuadamente.

4.-Poner en marcha el mezclador “En nuestro caso ósea el grupo #2 nuestra agitación será manual ya que se averió el agitador”

5.-Poner en marcha el filtro prensa con el encendido de la bomba.

6.-Abrir la válvula #1 de alimentación al filtro.

7.-Abrir la válvula # 2 y #3 y #4 de salida del filtrado.

8.-Con Válvula #5 regula la presión de trabajo.

9.-Se registra el tiempo que tarda en recoger cada litro de filtrado.

10.-Agotada la capacidad del filtro cuando ya no sale filtrado. Se abre el filtro, se retira la torta humedad después de 10 minutos, y se pesa la torta.

11.-Se toma la temperatura del filtrado para determinar su densidad y viscosidad.

12.-Se determina el peso de torta seca y su densidad.

7) Tablas

8) Resultados obtenidos

V (litros) θ (segundos) V2 ΔV Δθ Δθ / ΔV

0 0 0 2 0 02 168 4 2 168 844 348 16 2 180 906 469 36 2 121 60,58 762 64 2 293 146,5

10 1410 100 2 648 324

Datos proporcionadosDensidad de carbonato de calcio 2630 kg/m3

Viscosidad 0,00085 N*s/m2

Datos experimentalesAgua 47 librasCarbonato de calcio 5 librasTorta húmeda (con placa y marco) 5,2 librasTorta húmeda (con marco) 3 librasTorta seca 1,1250 librasTorta húmeda 1 .5876 libras

Altura de la torta 0,15 mAncho de la torta 0,145 mEspesor de la torta 0,02 mradio de la esquina de la torta 0,025 m

Hallando Densidad de la torta:

Hallando Área de filtrado:

Área de filtrado por 4. Porque usamos 4 papel filtro y este corresponde a un área de filtrado ya que existe 2 platos fijos y 2 móviles.

Datos para la Densidadh=0,15 mb=0 ,145 mL= 0,02m

Peso torta=1. 1250 lbPeso torta=0 ,51136ki log ramos

Densidad de la Torta

ℓ=masavolumen =

0 .51136 Ki log ramos

4 ,35 x 10−4m3

ℓ=1175 ,5486 Kgmasam3

Área de lacircuferencia=π r 2

Área de lacircuferencia=(3 .1416 cm ) x (2. 5cm )2

Área de lacircuferencia=19. 63 cm2

Área del Re c tan gulo=B x hÁrea del Re c tan gulo=(14 .6 x 14 . 7 )Área del Re c tan gulo=214 . 62 cm2

Área Total de filtrado=(Área del rec tan gulo )−( Área de la circuferencia )Área Total de filtrado=( 214 .62 cm2)−(19 .63cm2 )Área Total de filtrado=194 . 99cm2

Área Total de filtrado=(194 .99) x ( 4 )Área Total de filtrado=779 .96 cm2

9) Cálculos

Hallando ΔP

La presión inicial es 1 atmosfera ya que trabajamos a la presión atmosférica y la presión final es 2,5 Psi marcada en el manómetro del filtro prensa

Hallando M (Concentración de Carbonato de calcio).=

Hallando “w” Fracción en peso de sólidos en suspensión

Hallando “K” (Constante de Ruth)

PO=1 atm x 1 . 013 x105 N /m2

1 atm=1. 013 x105N /m2

Pf =2,5 Psi x6894,75 N /m2

1 Psi =17236 ,875N /m2

ΔP=P f−POΔP=(17236 ,875 N /m2 )−(1.013 x105N /m2)ΔP=84063 ,125 N /m2

M= Peso de Torta HumedaPeso de la Torta Seca

M=1. 5876 lb1. 125 lb

=1. 4112

w=5 libras de CaCO3

47 libras de agua+5 libras de CaCO3

w=0 .0961

De la grafica

Obteniendo “K”

Convirtiendo gc de horas a segundo;

Reemplazar Datos en la Ecuación de Ruth

Hallamos la Resistencia específica de la torta

Hallar pendiente

m=y2− y1

x2−x1=220−160

5,5−3,5

m=30 seglitros2 .

Dados que :y2=220y1=160x2=5,5x2=3,5

Intercepto=56 seg / litros

K= 2m

= 230 seg/ lit 2

=0 . 06667 lit 2

seg

K=0 .06667 lit 2

segx m6

1000000 lit 2=6 ,67 x 10−8 m6

seg

gc=127 x 106m kg masakg fuerza∗hr 2

x (1 hora3600 segundos )2=9. 8m kg masa

kg fuerza∗seg2

α=2∗A2 gCΔΡ (1−Μw )

ℓ μ K w

α=2(0 .0779m2)2x (9.8 mKgm

Kgf seg2 ) x(84063 ,125 Nm2 ) x (1−(1. 4112∗0 .0961 ) )

(1175 ,5486 Kgmm3 ) x (0 .00085 N ,seg

m2 )(6 ,67 x 10−8 m6

seg ) (0 .0961)

α=1 ,35 x1012 mKgf

Hallando Porosidad media

Hallando Volumen Ficticio

Hallando tiempo ficticio

10) Graficas de los resultados

F=1−ℓTORTAℓCaCO 3

F=1−(1175 ,5486 kg

m9)(2630kg

m9)F=0 ,5530

V F=bXK2

=(56 seglit

2X 0 . 06667 lit

seg )V F=1 ,8668 litros

segundos

(V − V F )2=K (θ +θF)

(2+1 ,8668 )2 litrosseg

=(0 . 06667 litrosseg) (168 seg+θF )

14 ,9521=11 ,2006+ (0 . 06667 θF )14 ,9521−11 ,2006=0 . 06667 θF

θF=3 ,751540.06667

θF=56 .2703 seg

θF=56 ,2703 segundos x 1minutos60 segundos

=0 ,9378 minutos

GRAFICA V vs Ѳ

GRAFICA V 2 vs Ѳ

11) Conclusiones de la practicaPara obtener un gasto razonable con un filtro de tamaño moderado, se puede incrementar la caída de presión del flujo o disminuir la resistencia del mismo. Para reducir la resistencia al flujo el área de filtrado se hace tan grande como sea posible, sin aumentar el tamaño total del equipo o aparato de filtración. La selección del equipo de filtrado depende en gran medida de la economía.

Con respecto a la práctica se comprobó la porosidad media del papel filtro, y esta fue baja (ε = 55,30%), esto debido a que la porosidad es una función de la cantidad de agua en la torta, es decir, a mayor tiempo entre pesar la torta húmeda de la seca, mayor será la porosidad, puesto que se evapora por más tiempo el agua de la torta húmeda.

12) Recomendaciones técnicas

La salida de la parte liquida del filtrado presenta un inconveniente al momento de poder insertar el material recolector para realizar la medición del caudal, ya que se debe mantener a una persona en una incorrecta ubicación y además que al momento de su cambio pueden existir perdidas de filtrado líquido que cae al suelo, lo cual hace un análisis inexacto en la medición del caudal de salida.

Para el correcto desarrollo de la experiencia se recomienda mantener siempre un flujo de recirculación para evitar la sobrecarga de la bomba.

13) Nomenclatura con unidades

14) Bibliografía

Mario Dondé Castro, (2005).Transporte de Momentum Y Calor. Teoría Y Aplicaciones a la Ingeniería de Proceso. Mexico, Universidad autónoma de Yucatán

15) Linkografía http://www.monografias.com/trabajos55/operacion-filtracion/operacion-filtracion.shtml

16) Apéndice