DIVISIÓN DE CIENCIAS BASICAS E INGENIERIA

Transcripción

1 UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA UNID AD IZTAPALAPA DIVISIÓN DE CIENCIAS BASICAS E INGENIERIA INGENIERIA QUÍMICA Laboratorio de Operaciones Unitarias AUTOR: DR. JAIME VERNON CARTER

2 PRACTICA 4 FILTRACIÓN OBJETIVO: Comprender los principios básicos de la filtración Ser capaz de distribuir diferentes tipos de equipos de filtración Establecer las condiciones de filtración para la obtención de una cantidad deseada de filtrado TEORÍA La filtración es la operación unitaria en la que el componente sólido insoluble de una suspensión sólido-líquido s separado del componente líquido haciendo pasar éste a través de una membrana porosa que retiene a las partículas sólidas en su superficie corriente arriba, o dentro de su estructura, o ambos. Se le denomina como prefiltrado a la suspensión sólido-líquido alimentada, filtrado al componente líquido que pasa a través de la membrana, y a la membrana en sí se l conoce como el medio filtrante. A los sólidos separados se les llama la torta del filtro, una vez que forman una capa percibible en la superficie de la membrana. Todo equipo de filtración, independientemente de su diseño, debe de suministrar un soporte para el medio filtrante, un espacio para la acumulación de sólidos, canales para alimentar el pre-filtrado y para retirar el filtrado, y un medio para inducir el flujo del filtrado a través del filtro. En algunas ocasiones es el líquido (el filtrado) que constituye al producto deseado, y en otras ocasiones la torta del filtro. Es necesario al aplicar una fuerza externa al fluido para que éste se sobreponga a la resistencia que le opone a su tránsito el medio filtrante. De ésta forma se crea una diferencial de presión a través del filtro obteniéndose la siguiente ecuación: tasa de filtración = fuerza motriz/resistencia. La resistencia surge del medio filtrante, más la resistencia de la torta que se va acumulando. En las etapas iniciales de la filtración la primeras partículas sólidas que entran en contacto con el medio filtrante se incrustan en éste, y reducen el área superficial de los pasajes por donde fluye el líquido aumentando la resistencia al flujo de éste. Conforme procede la filtración una capa de sólidos se acumula aumentando de grosor con el tiempo en la cara corriente arriba del medio filtrante. Una vez formada ésta torta, se vuelve en sí el principal medio filtrante.

3 La resistencia de la torta se obtiene multiplicando la resistencia específica de la torta, que es su resistencia específica de la torta, que es su resistencia por unidad de grosor, por el grosor de la torta. Las resistencias del medio filtrante y de la torta (pre-capa) se combinan en una sola resistencia que se denomina la resistencia del filtro, la cual conviene expresarse en términos de un grosor ficticio de la torta. Si éste grosor se multiplica por la resistencia del filtro. El flujo volumétrico (dv/do) está dado por: dv dθ = A P R (1) En donde la resistencia al flujo a través del medio filtrante (R) es proporcional a la viscosidad del fluido (µ ), teniendo que R = µτ (L T + L) (2) Donde τ es la resistencia específica de la torta, L T es el grosor de la torta y L s el grosor equivalente ficticio del medio filtrante y la pre-capa, A es el área del filtro y P es la caída de presión a través del filtro. Sí se conoce la tasa de flujo del líquido, el contenido de sólidos y suponiendo que todos los sólidos son retenidos en el filtro, se puede calcular el grosor de la torta como L T = w V / A (3) Donde W es el contenido fraccional de sólidos por unidad de volumen de líquido, V es el volumen de fluido que ha pasado a través del filtro y A es el área superficial sobre la que se forma la torta. Entonces la resistencia puede escribirse como R = µτ( w V / A+ L) (4) como: y la ecuación para el flujo a través del filtro causada por una diferencia de presión dv dθ = A P / µτ [ w(v / A) + L ] (5) Esta ecuación constituye la ecuación fundamental de la filtración, y se puede emplear para predecir el desempeño de filtros a escala industrial a partir de pruebas a nivel laboratorio o piloto.

4 Esta ecuación tiene dos aplicaciones específicas que son: a) Filtración a tasa constante. En todo ciclo de filtración en las etapas iniciales del proceso, como la torta acumulada es despreciable, y es el medio filtrante que opone básicamente una resistencia al flujo, y puede considerarse constante. Bajo estas circunstancias puede considerarse que el flujo ocurre a una tasa constante de manera que: dv dt = constante= V τ y P = V / Aθ x µτ(wv / A+ L) o P = Vwµ A 2 V + VµLτ θ Aθ (6) De manera que si graficamos P v.s. V obtenemos una línea recta y de la ordenada a origen puede obtenerse la resistencia del medio filtrante. b) Filtración a presión constante. Una vez que se acumula la torta, el flujo ocurre debido a una diferencial de presión constante. Bajo esta condiciones tenemos que µτ( W / V / A + L)dV = A Pdθ (7) e integrando de V = O a θ = O a V = V a θ = θ µτ( WV 2 / 2A + LV)= A Pθ (8) Rescribiendo la expresión obtenemos: θa / V = ( µτw / 2 P) ( V / A)+ µτl / P (9) Esta ecuación sirve para predecir el desempeño de una planta de filtración en base a resultados experimentales.

5 Equipos de filtración Existen varios tipos de filtros industriales pero los más comunes son: a) Filtroprensa Los filtros prensa pueden operarse a presión constante o puede incrementarse gradualmente la presión para mantener el volumen de filtrado constante ya que comúnmente se emplean bombas centrífugas con estos equipos, la filtración se da inicialmente a tasa constante seguida de a presión constante. La presión empleada en este tipo de equipos es de psig. (276-61RN/m 2 ). Estos equipos existen con las placas en forma vertical u horizontal. Filtroprensa de Placas Verticales El elemento básico en un filtroprensa vertical es un arreglo de placas de drenado verticales que sostienen a medio filtrante. Un diseño muy conocido es la prensa de placas y marcos. En ésta tipo de filtro placas y marcos. En éste tipo de filtro placas estriadas cubiertas de ambos lados con el medio filtrante, se alternan con marcos en un soporte (Fig.1). El conjunto de placas y marcos puede apretar con un tornillo sinfín mecánico o hidráulico para evitar las fugas de fluido. El medio filtrante actúa también como junta. Tanto las placas como los marcos están previstos de aberturas en una esquina formándose un canal por donde se alimenta la suspensión a filtrarse. Además, el centro hueco de los marcos se encuentra conectado por un canal auxiliar al canal de alimentación (Fig.2). La suspensión alimentada entra a los marcos y la torta se acumula en el espacio vacío, mientras que el filtrado pasa a través del medio filtrante y sobre las superficies estriadas de las placas de donde es retirado por medio de un canal de drenado en cada placa. La filtración continua hasta que el flujo de filtrado cae por debajo de un nivel práctico o si la presión alcanza un nivel inaceptable. dibujos b) Filtros al vacío Este tipo de filtros es recomendado para procesos continuos. En estos filtros se mantiene una presión subatmosférica corriente abajo del medio filtrante y atmosférica corriente arriba. Filtros de Tambor Rotatorio al Vacío. Consisten de un tambor rotatorio girando alrededor de su eje horizontal. La superficie del tambor consiste de un número de compartamientos poco profundos formados por flejes divisorios que corren a lo largo del tambor (Fig.3). Cada compartimento se encuentra conectado por una o varias tuberías a una válvula rotatoria automática situada centralmente

6 en un extremo del tambor. El tambor se encuentra parcialmente sumergido en un tanque abierto que contiene la suspensión a filtrarse. El medio filtrante cubre la superficie del tambor y se encuentra soportado por placas perforadas. El tambor gira a velocidades del orden de rpm. Conforme el tambor gira los compartimentos sumergidos en la suspensión forman un vacío. El filtrado fluye a través del medio filtrante y salen por la tubería de drenado, mientras que los sólidos forman una torta en la superficie externa del medio filtrante. Conforme el compartimento emerge de la suspensión, la capa de torta es raspada. Dibujos Filtros Centrífugos En estos filtros se emplea la fuerza centrífuga como fuerza motriz. Estos filtros realmente son centrífugas adaptadas con un recipiente perforado sobre el cual se coloca un medio filtrante. La suspensión a filtrar se alimenta al interior del recipiente sujeto a fuerzas centrífugas, el filtrado fluye a través del medio filtrante y la torta se acumula en el interior del recipiente. MATERIAL Y EQUIPO Equipo.- El equipo a utilizarse es similar al mostrado en la Figura 1, utilizando como fuerza motriz a una bomba centrífuga (Fig.6). Papel filtro Tierra y agua PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL PROPUESTO Montaje.- El experimento se realizará en tres partes, 1) se utilizará como medio filtrante a papeles filtro solamente. 2) se utilizará como medio filtrante el papel filtro combinado con una pre-capa de filtro ayuda. 3) utiliza distintas áreas de filtración empleando distinto número de placas y marcos. Corrida experimental.- Filtrar una suspensión al 10% de tierra en agua, bajo las distintas condiciones experimentales mencionadas arriba. Tomar volúmenes de filtrado para cada experimento a distintos tiempos y medir el área superficial total utilizado en cada experimento.

7 Exp Volumen de filtrado (ml) Tiempo (min) Exp. 2 Volumen de filtrado (ml) Tiempo (min) Exp. 3 Volumen de filtrado (ml) Tiempo (min) RESULTADOS A REPORTAR Y DISCUTIR 1) Elaborar una gráfica de θ / ( V / A) V. S. ( V / A) θ / ( V / A) V. S. ( V / A) para cada corrida experimental. 2) Calcular el volumen de filtrado estimado para 8 h de operación. 3) Establece el efecto de haber utilizado una pre-capa de ayuda filtro en el volumen de filtrado en comparación a la operación sin pre-capa. 4) Establece cuantitativamente el efecto de aumentar el área de filtración sobre el volumen de filtrado esperado.

8 BIBLIOGRAFÍA Earle, R.L. (1973). Unit Operations in Food Processing. 2ª Ed. Pergamon Press. Oxford. Brennan, J.G., Butters, J.R., Cowell, N.D. y Lilly, A.E.V. (1976). Food engineering Operations. 2ª Ed. Applied Science Publishers Limited. Londres. Gean Koples, C.J. (1995). Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias. 2ª Ed. CECSA. México. Coulson, J.M. y Richardson, J.F. (1968) Chemical Engineering Vol. II. 2ª Ed. Pergamon Press. Oxford.

9