Universidad de Guayaquil

Facultad de Ingeniería QuímicaCarrera de Ingeniería Química

INFORME: 2

NIVEL:Cuarto “B”

PROFESOR: ING.Mariana Navarro

Tema: Lineas de vapor

PERTENECE A:

Elizabeth Barona Flor

FECHA DE ENTREGA: 13 de Julio 2015

Guayaquil-Guayas-Ecuador Año Lectivo

2015 - 2016

INDICE

CONTENIDO DEL INFORME DE LA PRÁCTICA

Objetivo.………………………………………………………………………1

General Especifico

Marco teorico……………………………………………………………… 2

Cuestionario…………………………………………………………………10

Procedimiento.……………… ……………………………………………..14

Resultados………………………………………………….………..……..14

Análisis de resultados …………………….…………..…..15 Conclusiones………………………………………..…..…15 Recomendaciones. Tecnicas------------------------------------15 Nomeclatura………………………………….…………….18 Bibliografía………………………………………..………..18 Apendices……………………………………….

…………………………….19 Desarrollo de cálculos

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1. OBJETIVOSGeneral

a) Determinar las constantes de filtración a través de pruebas experimentales en un minifiltro prensa marco y placa.

b) Encontrar el área de filtración de un filtro industrial para un problema propuesto a partir de los resultados obtenidos del inciso

Especifico

o Conocer los procedimientos prácticos de filtración.o Manejar los diferentes tipos de filtración de una solución.o Establecer diferencias y similitudes entra los dos tipos de filtrados

vistos en el laboratorio.o Emplear correctamente los materiales de laboratorio usados en la

presente practica.o Diferenciar los tipos de sustancias que requieren una filtración

a presión normal o una filtración al vacio.

INTRODUCCIÓNLa filtración es una operación básica, de ingeniería química que puede considerarse como un caso especial del flujo del fluido a través de lechos granulares estáticos.

Esta operación es muy utilizada en los procesos industriales en los cuales se hace necesario separar la fase sólida en suspensión contenida en el seno de un líquido. Tal separación es posible por el empleo de una diversidad de equipos llamados unidades de filtración, los mismos que son seleccionados según la naturaleza y grado de complejidad del problema a tratarse.

2. TEORIA BÁSICA

Filtración es la separación de partículas sólidas ó semisólidas que se encuentran suspendidas en un fluido al pasar a través de un medio poroso, fibroso o granular llamado medio filtrante mediante la aplicación de una fuerza impulsora en un período de tiempo determinado.

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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 viscocidad 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 En la filtración se identifican tres factores:

a) Naturaleza de los sólidos. La filtración involucra la separación de sólidos compresibles e incompresibles, partículas deformables o rígidas de diferentes concentraciones y tamaños, que al depositarse en el medio filtrante, formaran capas de sólidos (torta.)

b) El medio filtrante: Lo fundamental en cualquier filtro es el medio filtrante cuyas características dependen del material del que se fabrica y de las técnicas empleadas en su elaboración, su selección se realiza tomando en cuenta los siguientes puntos:

Tamaño mínimo de partícula retenida Permeabilidad o resistencia al flujo Relación entre oclusión del medio o incremento de resistencia al flujo Resistencia al calor, a la acción de productos químicos, a la abrasión,

flexión y rotura. Estabilidad dimensional

Facilidad de limpieza Tipos de medios filtrantes: Telas metálicas, telas naturales o sintéticas, placas de asbesto o celulosa, hojas de papel o fibra de vidrio, sólidos sueltos etc. El filtro ayuda : es un material finamente dividido que no se comprime por la presión que ejerce el líquido al pasar por este tipo de materiales, se agrega a suspensiones que presentan problemas a la filtración por falta de compresibilidad y tamaño muy pequeño de partícula.

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Un filtro ayuda debe ser inerte ,ligero y debe formar una torta porosa; son ejemplo el carbón activado, pulpa de papel, tierra de diatomeas etc.

c) La fuerza impulsora. La separación de los sólidos contenidos en un fluido es mediante una fuerza impulsora, de acuerdo a ella los filtros se clasifican en:Filtros por gravedad . La fuerza impulsora es la presión de la columna de líquido sobre el medio filtrante, un ejemplo es el filtro de arena abierto. Filtros a vacio . La fuerza impulsora es la succión del lado de la salida del filtrado por medio de vacio, operan en forma cíclica y continua son ejemplos el filtro de hojas ,el filtro de tambor rotatorio. Filtros a presión . La fuerza motriz es la presión dada por la fuerza motriz,un ejemplo es el filtro de placas y marcos o filtro prensa, donde el número de placas y marcos varia con la capacidad del filtro,es un filtro intermitente Filtros centrífugos. La fuerza impulsora es la centrífuga se usan para separar sólidos de tamaño de partícula muy pequeña o de suspensiones diluidas.

Ecuaciones básicas que definen la filtraciónEl propósito fundamental de la filtración es obtener un fluido libre de partículas sólidas o semisólidas llamado flujo de filtrado (q).

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:

q α (- ∆P) / R (1)q = K’ (-∆P)/R (2)

Donde: K’= constante de proporcionalidad.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.

La ecuación que permite cuantificar la velocidad de un fluido en canales es la ecuación de Poiseuille quien publicó, en 1842, una relación matemática del flujo de un líquido a través de un capilar:

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Donde: q = flujo del fluido r = radio del capilar (- ∆P) = caída de presión a través del capilar µ = viscosidad del fluido L = longitud del capilar La importancia de la ecuación de Poiseuille y su uso es que 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

Posteriormente d’Arcy en 1856 describió la velocidad del flujo de aguas subterráneas en estratos del suelo mediante la siguiente relación: u = (K1 ) (- ∆P / L) 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 Donde:dV /dt = es el cambio de volumen con respecto al tiempo (flujo volumétrico) A= área transversal del canal Entonces, se multiplica por el área transversal y se introduce la viscosidad del fluido como otra resistencia al flujo y se sustituye en la ecuacuón obtiene la ecuación modificada de d’ Arcy:

Si a la ecuación de Poiseuille, se multiplica también por el área se puede escribir asi:

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Agrupando las constantes también puede escribirse:

Entonces la ecuación modificada de d’ Arcy y la ecuación de Poiseuille) son equivalentes y el coeficiente de permeabilidad K1 puede escribirse como K:

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 d’Arcy.

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 torta

puede escribirse:

Despejando α

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

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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:

A L = V v

Despejando L

L = V v / A

La ecuacion. Se puede sustituir en la

Resistencia del medio filtrante

Sperry1 fue de los primeros en establecer que la resistencia a la filtración está compuesta por dos resistencias en serie, la de la torta y la del medio filtrante esta consideración se sustituye en la ec. se tiene:

Al poner el inverso de la

Al separar variables e integrar desde t = 0 a t = t y V = 0 a V = V

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De la integración de la ecuacion, a presión constante, se puede despejar el tiempo de filtrado t:

Donde:

V= volumen de filtrado, en (m3) recolectado en el tiempo t (s).

-∆ P = caída de presión en kg f / m2

A = área de filtración en m2

µ = viscosidad del filtrado en kg /m s

gc = factor de conversión con valor de 9.81 en (kg m / kg f ) (m / s2 )

Si se mide en tiempo en el que cae la primera gota de filtrado hasta que termine la filtración se obtienen una serie de datos que al hacer una gráfica de volumen contra el tiempo, se obtiene la siguiente gráfica.

Así para el t = 0, V = 0

Relación volumen de filtrado V vs tiempo θ V θ

Para una filtración a presión constante y en donde las variables del proceso no cambian, es decir, son constantes durante la filtración, la ecuación puede escribirse:

Donde:

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Suponiendo que durante una experimentación se han hecho las determinaciones de volumen recolectado en los diferentes intervalos de tiempo, dt, al graficar dt / dV vs. V se obtiene una línea recta:

Donde:

La pendiente de esta recta es K1 y la ordenada al origen es K2 , definidos con anterioridad en las ecuaciones respectivamente.

Con estos valores de K1 y K2 se pueden despejar α y r, esto es:

Se pueden hacer experimentalmente varias determinaciones a diferentes presiones; de esta manera, se puede calcular la variación de la resistencia con respecto a la

Otra determinación importante es la de los efectos de compresión, es decir, el efecto de la presión en la resistencia específica de la torta. La correlación propuesta de Almy y Lewis es la siguiente:

α = α0 * (-∆P)s

Donde: α0 : Resistencia específica a una presión de cero m./Kg.

s: Factor de compresibilidad (sin dimensiones).

Cuando el valor s es igual a cero, se dice que la torta es incompresible; cuando el valor es mayor que cero, se dice que la torta es compresible.

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CUESTIONARIO

1. Haga un resumen de los tipos de filtros

FILTROS DE PAPEL

Los papeles de filtro y los cartuchos de papel retienen las impurezas en la superficie y en la matriz del filtro. Frecuentemente se denominan como filtros de profundidad y tienen una elevada capacidad de retener partículas y permiten procesar grandes cantidades de muestra. Las impurezas se van acumulando a medida que avanza la filtración dentro del filtro, modificando las propiedades de filtración. Entre las fibras dispuestas anárquicamente del filtro de profundidad se forma un lecho filtrante secundario. Esta es la razón por la que no se puede determinar una porosidad nominal para los filtros de profundidad.

FILTROS DE TORTA

Separan grandes cantidades de sólidos en forma de una torta de cristales o de un lodo. Estos son utilizados en las aguas residuales.

Algunas partículas sólidas entran en los poros del medio filtrante quedando inmovilizados, luego la torta de sólidos retenidos es la que

realiza la filtración y no el medio filtrante.

FILTROS PRENSA

En estos se coloca una malla o tela sobre placas verticales (Fig. 2.) de manera que los bordes soporten la tela y al mismo tiempo dejen debajo de ella un área libre lo más grande posible para que pase el filtrado. En esta clase de filtros las placas se alternan acanaladas cubiertas en ambos lados por medio filtrante, con marcos, en conjunto se encuentran apretadas por tornillos o un aprensa hidráulica que la cierra herméticamente.

FILTROS ROTATORIOS

Filtros rotatorio (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.

FILTRO DE CAJA

Llamado también de hoja y de bolsa porque sus elementos filtrantes tienen más o menos estas formas. Consta de una caja o carcasa en cuyo interior se alojan unas hojas o bolsas planas cuya parte inferior de todas ellas comunicacon una misma tuberia encargada de recoger el líquido filtrante

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Pertenecen a este tipo de filtros los de Valdez, de Kelly y de Sweetland, entre otros.Aunque no varían en esencia unos de otros, son muy distintos en cuanto a detalles de construcción

FILTRO DE NUTCHA

Representan a filtros de vacío de funcionamiento discontinuo. Estos aparatos se emplean para trabajos en escala relativamente pequeña. Se construyen en gran variedad de materiales. Pueden servir para trabajar simplemente por gravedad o adaptarse al trabajo a presión si se los cierra por la parte superior para que pueda aplicarse tal efecto.

El material filtrante se deposita sobre la placa filtrante, a través de la cual pasa el líquido turbio.

FILTRACIÓN POR GRAVEDAD

El filtro por gravedad consiste en un depósito de doble fondo sobre el primero de los cuales, que es perforado, se sitúa la materia filtrante, generalmente arena. El líquido a filtrar se introduce por la parte superior, desde donde cae a un plato que lo distribuye regularmente por toda la superficie del material filtrante, y la que atraviesa por su propio peso (por gravedad) saliendo por la parte inferior.

2. Cuáles son las variables que afectan el proceso de filtración. Explique cada uno.

TAMAÑO DE PARTÍCULA Y CONCENTRACIÓN

Estas son unas variables de mucha importancia ya que afectan al coeficiente para la resistencia de la torta y si hay cambios mayores, estos afectan a la compresibilidad.

LA TEMPERATURA.- el efecto de la temperatura sobre la la velocidad del filtrado de solidos imcompresibles es vidente sobre todo en mediante su efecto en la viscosidad.

EL P H.-la turbiedad del filtrado es mayor a medida que va aumentando el ph ya que su fuerzas entre los granos y las particulas de suspension si bien siguern siendo atractivas en las capas superiores se hacen mas repulsivas en el inferiores y podria deberse a ello la turbiedad del efluyente(residuos liquidos mezclados con solidos).

LA VISCOSIDAD.- el efecto de la viscosidad es como lo indica ecuacion de la velocidad la velocidad del flujo de filtrado en cualquier instante es inversamente proporcional a la viscosidad del filtrado.

LA DENSIDAD

3. Cuáles son las 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.)

4. Como Interpreta las gráficas de V vs θ y la de Δθ/ ΔV VS ΔV

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3. PARTE EXPERIMENTAL

3.1 MATERIAL REQUERIDO

Equipo filtro prensa ubicado en el laboratorio de operaciones unitarias.1 vaso de precipitacion1 probeta1 termometro1 tanque pequeño para la mezcla1 paleta de madera para la agitacion manualPapel filtro grueso de 80gr. Como medio filtrante.Tabla acrilica para recoger la torta despues de la practicaBalanza para pesar el carbonato de calcio y las tortas

3.2 SERVICIOS AUXILIARES

45 libras de Agua 5 libras de carbonato de calcio

3.3 DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO

Clave Equipo Especificaciones

FP – 600 Filtro prensa Servicio: Separación de CaCO3. Tipo : Placa y marco manual. No.de placas: 3 No. de marcos:3 Capacidad: Área de filtración: Diámetro de Placas y marcos:10cm Espesor de los marcos: 1 cm Material de construcción del cuerpo. placas/marcos: Acero al carbón. Mat de construcción de medio filtrante: Papel filtro¡

FB – 600 Tanque de Servicio: Almacenamiento de CaCO3 almacenamiento Tipo: Atmosférico Capacidad: 50 litro Diámetro:3 cm Longitud: 68 cm.

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Material de construcción: Acero

4. Procedimiento

1. preparar la solucion a filtrarPesar 45 libras de aguaPesar de 5 librar de carbonato de sodio

2. alimentar la solucion al tanque mezclador 3. preparar el filtro prensa coloncando el medio filtrante y los marcos y

platos adecuadamente (según la dirreccion del fluido en el marco y placa).3.1 placa fijas.3.2 Mediio filtrante 3.3 Marco3.4 Medio filtrante.

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4. Poner en marcha el mezclador, en su ausencia mantener constante agitacion para evitar la sedimentacion.

5. Poner en marcha el filtro prensa con el encendido de la bomba.6. Abrir la valvula #1 de alimentacion al filtro. (linea blanca).7. Abrir la valvula #2, #3 y #4 de salida del filtrado. . (linea celeste).8. Con valvula #5 regula la presion de trabajo ( en linea de recirculacion

al tanque).9. Se registra el tiempo que tarda en recoger cada filtrado.10. Agotada la capacidad del filtro cuando ya no sale filtrado. Se abre el

filtro, se retira la torta humedad despues 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 la torta seca y su densidad

ANALISIS

Los resultados obtenidos observamos que no hubo ningun problema antes los datos obtenidos para la resolucion delejercicio. Ya que nuestra practica lo hicimos con agitacion manual y estopudo haber afectado antes los resultados pero a mi percecion no lo creo los resultados fueron satifactorios.

El analisis de la ecuacion de ruth de filtracion hay que hacerlo minuciosamente ya que las unidades tienen qaue ser compatibles y se obtuvo que verificar datos a la hora de reemp`lazar los datos en la ecuacion para hallar la resistencia especifica de la torta que es de 0.011547m/kg f.

De ahí el resultado del volumen ficticio se asemeja al que tuvimos nosotros ya que nuestro volumen en la practica fue de 7 litros en un tiempo de 1332 segundos y la teorica fue de 7.5 litros en un periodo de 2820.67segundo esto refleja un margen de erro pequeño.

Nuestro líquido clarificado fue excelente, no se observo turbidez en el fluido obtenido una, torta compresible ya que esta compacta como torta formada por particulas solidas flexibles blandas la resistencia al flujo depende de la caida de presion y varia a lo largo de la torta.

CONCLUSION

En conclusion tenemos que la practica fue buena a pesar que no hubo agitacion por parte del equipo si no por parte del estudiante haciendo asi la practica de agitacion manual.

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Nuestro grupo tuvimos problema en la toma del primer dato al obtener el volumen ya que estabamos distraidos pero se reflejo en los datos obtenidos ya que no es tanto el margen de error de los datos obtenidos experimentalmente a los obtenidos teiorcamente.

RECOMENDACION

Como recomendaciónes debemos estar mas atento en la hora de realizar la prectica.

Debemos dejar lavados los platos y marcos del filtro prensa.

Al realizar los datos para el reeemplazo de la formula de la resistencia de la torta observada bien las unidades de cada dato ya que nuestra constante de filtracion esta en litros/segundo y estamos trabajando en metros entonces hay que transformar de litro a m3 y la constante dimensiona que el profesor da.

5. DATOS EXPERIMENTALES

Datos Experimentales

Agua 35 libras

Carbonata de calcio 4 libras

Primera torta humeda 1.75 Libras

Segunda torta humeda 1.75 Libras

Primera torta seca 1.3 Libras

Segunda torta seca 1.3 libras

Espesor de la primera torta seca 2.7 cm

Espesor de la segunda torta humeda 2.5 cm

Peso de la placa 1.65 libras

Peso del marco 1.5 libras

Temperatura delliquido filtrado 24.5 ºc

Densidad de la torta seca 954.3 Kg/m3

Densidad del carbonato de calcio 2630 Kg/m3

Viscosidad de la solucion 0.00085 N,seg/m2

Presion de la filtraccion 15 Psi

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6. DATOS EXPERIMENTALES de OPERACIONES DE FILTRACION

HOJA DE RESULTADOS

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V ѲLITROS SEGUNDOS

LITROS SEGUNDOS0 01 532 98

7. NOMENCLATURA

A = área de filtraciónV = Volumen de filtradoθ = TiempoW = Masa de la torta secaα = Resistencia específica de la tortar = resistencia del medio filtrantes = Factor de compresibilidadVe = Volumen de filtrado teóricoK1 y K2 = Constantes de filtración

8. BIBLIOGRAFÍA

a) Foust, Wenzel.Principles of Unit Operations.John Wiley & Sons.1998.

b) Mc. Cabe and Smit.Unit Operations of Chemical Engineering.Mc. Graw-Hill1999.

c) Ocón y tojo.Problemas de Ingeniería Química Operaciones Básicas.

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Aguilar S.A. de Ediciones.1998

APENDICE

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