Filtro Prensa

Separaciones mecánicas

Práctica 2: Filtro Prensa

Integrantes:

Cintia Andrade Moo Karen González Suaste Zulma Ricalde Cab Vanessa Trejo Arjona

Universidad Autónoma de Yucatán

Facultad de Ingeniería Química

Mtro.- Carlos Rubio Atoche

I.Q.I Grupo 2

Separaciones Mecánicas

Antecedentes…………………………………………………………………….2

Conceptos teóricos………………………………………………………………3

Descripción del Equipo………………………………………………………….8

Objetivos…………………………………………………………………………9

Materiales………………………………………………………………………..9

Metodología de la práctica………………………………………………………9

Resultados………………………………………………………………………11

Análisis de resultados……………………………………………………………

14

Conclusión………………………………………………………………………15

Bibliografía……………………………………………………………………...15

Anexos…………………………………………………………………………..16

1

Índice


Antecedentes

La separación mecánica se puede aplicar a mezclas heterogéneas. Las técnicas se basan en

diferencias físicas entre las partículas, tales como el tamaño, la forma o la densidad.

Se aplican para separar líquidos de líquidos, sólidos de gases, líquidos de gases, sólidos de

sólidos y sólidos de líquidos. (3)

Estos métodos especiales se basan en las diferencias entre la facilidad de mojado o en las

propiedades eléctricas, o magnéticas de las sustancias.

La filtración es la separación de partículas sólidas contenidas en un fluido, pasándolo a

través de un medio filtrante, sobre el que se depositan los sólidos. La filtración industrial va

desde el simple colado hasta separaciones más complejas. El fluido puede ser un líquido o

un gas; las partículas sólidas pueden ser gruesas o finas, rígidas o flexibles, redondas o

alargadas, separadas o agregadas. La suspensión de alimentación puede llevar una fracción

elevada o muy baja 40-5% en volumen de sólidos. (4)

Se denomina filtración al proceso de separación de partículas sólidas de un líquido

utilizando un material poroso llamado filtro. La técnica consiste en verter la mezcla sólido-

líquido que se quiere tratar sobre un filtro que permita el paso del líquido pero que retenga

las partículas sólidas. El líquido que atraviesa el filtro se denomina filtrado. (3)

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 viscosidad 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.

2


Conceptos teóricos

Los filtros se dividen en tres grupos principales: filtros de torta, filtros clarificadores y

filtros de flujo transversal. Los filtros de torta separan grandes cantidades de sólidos en

forma de una torta de cristales o un lodo, tal como se ilustra en la figura 1. Con frecuencia

incluyen dispositivos para el lavado de la torta y para eliminar la mayor parte posible del

líquido en los sólidos antes de su descarga. Los filtros clarificadores retiran pequeñas

cantidades de sólidos para producir un gas limpio o líquidos transparentes, tales como

bebidas. Las partículas del sólido son atrapadas en el interior del medio filtrante tal como se

indica en la figura 1, o en las superficies externas. Los filtros clarificadores difieren de los

tamices en que los poros del medio filtrante son mucho mayores en diámetro que las

partículas a ser eliminadas. En un filtro de flujo transversal la suspensión de la alimentación

fluye bajo presión a velocidades ligeramente altas atravesando el medio filtrante (figura).

Forma una capa delgada de sólidos en la superficie del medio, pero la alta velocidad del

líquido mantiene la capa formada. El medio filtrante es una membrana de cerámica, metal o

de un polímero con poros lo suficientemente pequeños para excluir la mayoría de las

partículas suspendidas. Parte del líquido pasa a través del medio como filtrado claro,

dejando atrás una suspensión

más concentrada. (1)

3

Figura 1. Mecanismos de filtración


Con ayuda de la filtración se pueden separar componentes sólidos de suspensiones o gases,

así como componentes líquidos de aerosoles o emulsiones. Mediante un filtro hidrófobo se

puede filtrar. p.ej. agua de combustibles. Aire u otros gases se pueden limpiar de aerosoles

de agua, aceite o alquitrán. (1)..En función del problema o bien de la finalidad de la

filtración, se distingue entre filtración de separación o filtración clarificante.

En el caso de la filtración de separación, se trata de recuperar un determinado sólido de un

líquido (torta de filtrado) para seguir trabajando con el sólido. Aquí no es imprescindible

que todas las partículas sean eliminadas del líquido. Contrariamente, en la filtración

clarificante, el líquido se debe limpiar en lo posible completamente de componentes

indeseados o precipitados, para poder seguir trabajando con el líquido purificado.

La filtración tiene una amplia gama de aplicaciones: desde el procedimiento analítico en el

laboratorio hasta aplicaciones técnicas en grandes líneas de producción. En prácticamente

todas las ramas industriales se filtra – ya sea p.ej. en el análisis de alimentos, el ensayo de

morteros, el análisis de humos o en el control microbiológico.

Filtro prensa. Un 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.(1)

Las placas de un filtro prensa pueden ser cuadradas o circulares, verticales u horizontales.

Lo más frecuente es que los compartimentos para sólidos estén formados por huecos en las

caras de placas de polipropileno moldeado. Las placas y los marcos se sitúan de formar

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 través de las telas,

desciende por las canaladuras de las caras de las placas y sale del filtro prensa.

4


Ecuaciones básicas que definen la filtración.

El propósito fundamental de la filtración es obtener un fluido libre de partículas sólidas o semisólidas llamado flujo de filtrado (q). (2)

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:

Donde K´ es la constante de proporcionalidad

q α(-∆P)/R (1)

q = K’ (-∆P)/R (2)

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. (2)

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

q = πr4 (− ∆P) 8μL (3)

Donde:

q = flujo del fluido

5

Figura 2. Filtro prensa equipado para operación automática.


r = radio del capilar

(- ∆P) = caída de presión a través del capilar

μ = viscosidad del fluido

L = longitud del capilar

Posteriormente Darcy en 1856 describió la velocidad del flujo de aguas subterráneas en estratos del suelo mediante la siguiente relación:

u = (K1) (- ∆P / L) (4)

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 (5)

Donde:dV /dt = es el cambio de volumen con respecto al tiempo (flujo volumétrico). A= área transversal del canal

Entonces, si la ecuación (4) se multiplica por el área transversal y se introduce la viscosidad del fluido como otra resistencia al flujo y se sustituye en la ecuacuón (5) obtiene la ecuación modificada de Darcy:

q=dVdt

=K1

(−∆ P)μL

A(6)

Si a la ecuación de Poiseuille, (3) se multiplica también por el área se puede escribir así:

q=dVdt

=r2(−∆ P)π D2

8μL(4)(7)

Agrupando las constantes también puede escribirse:

q=dVdt

=K∆ PμL

A(8)

6


Entonces la ecuación modificada de Darcy (6) y la ecuación de Poiseuille (8) son equivalentes y el coeficiente de permeabilidad K1 puede escribirse como K:

K= μL

(−∆ P) AdVdt

(9)

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 Darcy. 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 tortaLa ecuación (8) puede escribirse:

q=dVdt

= 1α

∆ PμL

A (10)

Despejando α:

α=A (−Δ P)

μL=( dt

dV )(11)

La ecuación (11) 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 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:

AL=V vDespejando L=V v/A (12)

La ec.(12) se puede sustituir en la (11)

α=A2(−Δ P)

μvV=( dt

dV )(13)

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El filtro prensa COLUMBIA modelo 20 es útil para empresas pequeñas, está construido de

acero inoxidable, acabado sanitario sobre base portátil, se puede suministrar con cámara de

inversión para doble filtración, utilizado para trabar con volúmenes relativamente pequeños

con rendimientos de 300 a 500 l/hr para filtración clarificante y para filtración esterilizante

aproximadamente 100 l/hr. Por su pequeño tamaño requiere poco espacio para su

instalación y es especialmente trasladable de un lugar a otro.

8

Figura. Filtro Prensa 20-20 marca Columbia

Descripción del Equipo


El filtro 20, se viene con motor y bomba, indicadores de presión, base móvil o fija, cierre

con matraca, se construye en acero inoxidable sanitario totalmente, tiene un área efectiva de

filtración de 0.31 pie2 (0.029 m2) por placa y marco estándar, bastidor para acomodar hasta

20 placas filtrantes.

Determinar las constantes de filtración a través de pruebas experimentales en un filtro prensa.

Encontrar el área de filtración de un filtro industrial para un problema propuesto a partir de los resultados obtenidos del objetivo anterior.

Zeolita Agua Tela de filtración Báscula Cápsulas de porcelana Balanza Espátulas

1. En el recipiente de alimentación de acero inoxidable se prepara una suspensión

artificial colocando en él 120 litros de agua y 2kg de Zeolita. Durante la

preparación hay que mantener agitada la suspensión, durante el transcurso de la

práctica.

9

Objetivos

Materiales

Procedimiento


2. Luego se pone la tela de filtración entre cada uno de los platos y fijar perfectamente

los platos y apretarlos uno contra otro. Conecte la toma de salida del tanque a la

entrada del equipo y de la salida de la bomba a la entrada de recepción de líquido

filtrado.

3. Posteriormente se introduce la mezcla al equipo de filtrado por medio de la bomba de alimentación recircule la suspensión y luego alimentar poco a poco al filtro suspensión fresca hasta que ya no quede líquido en el tanque de alimentación, regulando la presión con la válvula de recirculación y reguladora de presión a 1 kg/cm2. Aquí se mide el volumen del filtrado con respecto al tiempo.

4. Cuando se observe si la descarga es muy pobre, recircular toda la suspensión o apagar la Bomba y cambiar el papel filtro.

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5. Medir el área total de filtración. Retirar la torta del papel de filtrado, pesarla y secarla en el sol.

En la presente tabla se encuentran registrados los datos obtenidos en el desarrollo experimental:

Ensayo Altura inicial del tanque A

(cm)

Altura final del tanque A (cm)

Altura del

tanque del

filtrado (cm)

Caída de

presión (Kgf /cm2)

Tiempo(seg)

Peso Total de la

muestra(Kg)

Peso seco de la

muestra(Kg)

1 (válvula abierta)

60 30 22 0.55 406 0.153 0.1269

2 (válvula ½)

30 0 12.3 0.3 423 0.178 0.1459

3 (válvula ¾)

60 (se preparó de nuevo la mezcla )

30 10.76 0.2 461 0.179 0.147

Tabla 3.1 Información recabada

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Resultados


En el tanque de alimentación cada cm representa 2.26 litros y cada centímetro en el tanque de filtrado representa 1.3 litros.

Hallando el área de fitradoÁrea del filtro =Área del Marco – Área de los Bordes – Área de paso del filtrado

Áreadel filtro=(16 cm )2−2 π (2 cm )2=230.86725 cm2 ≈ 0.02308 m2

El valor de Kc está dado por

k c=μCα

A2∆ P

Al integrar de la ecuación anterior entre los limites (0,0) y (t,V) se obtiene la siguiente expresión.

1V

=Kc2

V + 1qo

En la gráfica que a continuación se presente se encuentran los datos recabados para las tres diferentes aberturas de válvulas

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.030

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000ΔP= 19,620 Pa

ΔP= 29,430 Pa

ΔP=53,955Pa

f(x) = 363435.374149659 x + 27937.074829932R² = 0.987665025124878

f(x) = 311639.030612244 x + 21468.0909863946R² = 0.988249509518659

f(x) = 163033.273544638 x + 12635.3428768201R² = 0.95786729240586

Valvula Abierta Linear (Valvula Abierta) Valvula 3/4 abiertaLinear (Valvula 3/4 abierta) Valvula 1/2 abierta Linear (Valvula 1/2 abierta)

Volumen de filtrado m3

t/V (s/L)

Grafica 3.1: Regresiones lineales para las distintas caídas de presión

Utilizando las ecuaciones anteriores y la gráfica 3.1 se obtiene que

k c=2 m0

12


Y

1qo

=b

Ahora se aplicaran las ecuaciones correspondientes al cálculo de alfa y Rm

α=m0 A2 ∆ P

μC

Donde:

mo=pendiende de la graficaμ=Viscosidad del AguaC=es laconcentración desolidos

∆ P=Caidade Presión A=Area del filtroα=Resistencia de laTorta

El término C está dado por la siguiente expresión, la cual resulta de realizar un balance de materia:

C= Cs

1−( mfmc

−1)Csρ

En donde Cs = la cantidad de solido seco entre el volumen de suspensiónmf = la masa de la torta húmeda mc = la masa de la torta seca

La resistencia del medio filtrante está definida por

Rm= A ∆ Pμq0

Sustituyendo en la ecuación se obtiene.

Rm= A ∆ Pμ

b

Los demás datos se registran en la siguiente tabla:

Δp Vs m3 Peso húmedo Kg

Peso secoKg

CsKg/m3

C corregidaKg/m3

m0 1/qo α (m/Kg) Rm

m-1

53955

0.12 0.153 0.1269

1.058 1.0577 163033

12635

9.77E+10 1.73429E+11

29430

0.12 0.178 0.1459

1.216 1.2162 311639

21468

8.86E+10 1.6073E+11

13


19620

0.12 0.179 0.147 1.225 1.2253 363435

27937

6.83E+10 1.39442E+11

Tabla 3. 1: Resistencia de la torta y resistencia del medio filtrante

La humedad de la torta se presenta en la siguiente tabla:

Ensayo Humedad %1 20.17336492 21.86429063 21.9727891

Tabla 3.2 Humedad de la torta (base seca)

Se puede observar que existe una caída de presión menor mientras más cerrada se

encuentre la válvula de alimentación. Esto es debido principalmente a que la caída de

presión está relacionada al gasto de alimentación, puesto que mayor sea este gasto mayor

caída de presión; por lo que al cerrarse la válvula el gasto disminuye considerablemente y

por lo tanto como ya se había mencionado la caída de presión disminuye.

Se observa que al cerrar un poco la válvula aumenta el tiempo de filtrado

considerablemente, la causa es evidente ya que al ser menor el gasto de entrada al filtrado,

se tardara más en completarse el proceso.

La humedad aumenta cuando se cierra la válvula, motivo el cuál es a que se le ejerce

menor fuerza al momento de chocar con el filtro, por lo que no se comprime

completamente la torta.

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Análisis de resultados


La resistencia del medio filtrante y de la torta disminuyen, debido a que al tener un

menor gasto en el filtro, este trabaja de forma más relajada y no se fuerza tanto el paso del

fluido en el filtro. Esto que se está mencionando se refleja perfectamente en el valor de la

caída de presión.

La información obtenida de las resistencias se debe graficar contra la caída de presión

para poder caracterizar el material filtrado.

15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 600000

20000000000

40000000000

60000000000

80000000000

100000000000

120000000000

f(x) = 761149.331493971 x + 58717689753.5159R² = 0.804382852510169

Caida de presión

alfa

Grafica 4.1: Caída de presión V resistencia de la torta

Se determinaron las constantes de filtración mediante un trabajo en conjunto realizado tanto

en el laboratorio industrial como los análisis previos de los resultados obtenidos, y se

encontró que:

La caída de presión es proporcional al gasto de alimentación.

La resistencia del medio filtrante y de la torta disminuyen, debido a que al tener un

menor gasto en el filtro.

La humedad es mayor al cerrar la válvula.

De forma general se comprendió más claro el funcionamiento del equipo de filtro prensa y

se determinó las características de la torta en este caso la zeolita de acuerdo a las

condiciones a las que se trabajó en la actividad experimental, es importante mencionar que

cada material tiene sus características y que cada uno tiene un papel variable al ser utilizado

como torta en la filtración.

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Conclusión


1. Operaciones unitarias en Ingeniería Química

Mc. Cabe Warren, C. Smith Julian, Harriot Peter

Mc. Graw-Hill

Séptima edición.

2. Procesos de Separación. (PDF)

Ingeniería Química UNAM

3. http://www.ub.edu/oblq/oblq%20castellano/filtracio.html

4. http://personal.us.es/mfarevalo/recursos/tec_far/filtracion.pdf

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Bibliografía

Anexos

http://personal.us.es/mfarevalo/recursos/tec_far/filtracion.pdf

http://www.ub.edu/oblq/oblq%20castellano/filtracio.html


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Documents

Filtro Prensa