UNIVERSIDAD DE GUAYAQUILFACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICACARRERA DE INGENIERIA QUIMICA

LAB. DE OPERACIONES UNITARIAS (403)INFORME # 2FILTRACIÓN

ALUMNA:KATHERINE CHILIQUINGA CASTILLO

PROFESORA:ING. MARIANA NAVARRO.

PARALELO:B

AÑO LECTIVO:

2015- 2016

ÍNDICEINTRODUCCIONOBJETIVO GENERAL

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OBJETIVO ESPECIFICOMARCO TEORICOCUESTIONARIOPROCEDIMIENTO DE LA PRÁCTICAEQUIPOS Y MATERIALESTABLASCÁLCULOS RESULTADOSANALISIS DE RESULTADOSCONCLUSIONESRECOMENDACIONESNOMENCLATURABIBLIOGRAFIAAPENDICE

INTRODUCCIONEn el presente informe se describe la práctica de filtración, operación unitaria que se debe estudiar porque desempeña un papel muy importante dentro de los proceso de SEPARACION de soluciones. Está operación permite que componente y/o insumos estén perfectamente homogéneos se va a separar su parte sólida, va a depender mucho las característica funcionales del equipo (medio filtrante) el cual debe ajustarse según la operación, o rediseñar otro que pueda llevarla a cabo, la potencia de su motor, el diámetro tanto de la

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torta como del marco va proporcionar los aspectos a considerar al momento de empezar a filtrar.Consiste básicamente en separar la parte líquida de un sólido a través de una diferencia de presión y fuerzas impulsoras aplicadas sobre este Sólido-Líquido, en el cual se utilizara el equipo de Filtro Prensa. El proceso de filtrado es muy importante y ampliamente utilizado en la industria.La filtración como Operación Unitaria usada industrialmente tiene varios tipos o clasificación dependiendo de lo que se está 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.

OBJETIVO GENERALAnalizar mediante un equipo de filtración (en este caso filtro prensa) la separación que existe de la fase sólida en suspensión contenida en el seno de un líquido, utilizando el laboratorio de Operaciones Unitarias de la Facultad de Ingeniería Química

OBJETIVOS ESPECIFICOS 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.MARCO TEÓRICO

CUESTIONARIO1.Haga un resumen de los tipos de filtro.

Filtros de torta. Filtros de presión discontinuos. Filtro prensa. Filtro de carcasa y hojas. Filtro de banda automático. Filtro discontinuos a vacío. Filtro continuo a vacío. Filtro de tambor rotatorio. Filtro a presión rotatorio de tambor.

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Filtro de recubrimiento previo. Filtro de banda horizontal. Filtración centrífuga. Centrífugas discontinuos suspendidas. Centrífugas automáticas discontinuas. Centrifugas continuas de filtración.

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

LA CONCENTRACIÓN DE SÓLIDOS.El total de sólidos disueltos (TDS) es una medida del contenido combinado de todas las sustancias inorgánicas y orgánicas contenidas en un líquido en forma molecular, ionizada o en forma de suspensión micro-granular (sol coloide). En general, la definición operativa es que los sólidos deben ser lo suficientemente pequeño como para sobrevivir filtración a través de un filtro con poros de micrómetros (tamaño nominal, o más pequeño).El total de sólidos disueltos se diferencia del total de sólidos en suspensión (TSS), ya que este último se compone de sustancias que no pueden pasar a través de un filtro de dos micrómetros, aunque estas sean también suspendidas indefinidamente en una solución líquida. El término "sólidos sedimentables" se refiere a materiales de cualquier tamaño que no se mantienen suspendidos o disueltos en un tanque de retención que no está sujeto a movimiento, y por lo tanto excluye TDS y TSS. Sólidos sedimentables pueden incluir partículas grandes o moléculas insolubles.

TAMAÑO DE LA PARTÍCULAWilhelm Ostwald distingue tres tipos de mezclas según el tamaño de las partículas de soluto en la disolución:

Dispersiones, suspensiones o falsas disoluciones: cuando el diámetro de las partículas de soluto excede de 0,1 μm.

Dispersoides, coloides: el tamaño está entre 0,001 μm y 0,1 μm. Dispérsidos o disoluciones verdaderas: el tamaño es menor a

0,001 μm.

LA TEMPERATURA Por lo general la solubilidad varía con la temperatura. En la mayoría de las sustancias, un incremento de la temperatura causa un aumento de la solubilidad. Por eso el azúcar se disuelve mejor en café caliente, y la leche debe de estar en el punto de ebullición.

En relación con la temperatura, los gases disueltos en líquidos se comportan de forma inversa a como lo hacen los sólidos. La solubilidad de un gas en agua decrece a medida que aumenta la temperatura; esto significa que la solubilidad y la temperatura son inversamente proporcionales.Los gases disueltos en agua potable (oxigeno, cloro y nitrógeno) son las pequeñas burbujas que aparecen cuando él liquido se calienta y aún no llega al punto de ebullición. Cuando el agua hierve queda totalmente desgasificada,

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por lo cual su sabor es distinto del que posee el agua sin hervir, por ello se recomienda airear esta agua antes de beberla.

EL PH, LA DENSIDAD Y LA VISCOSIDADA pesar de que muchos potenciómetros tienen escalas con valores que van desde 1 hasta 14, los valores de pH también pueden ser aún menores que 1 o aún mayores que 14. Por ejemplo el ácido de batería de automóviles tiene valores cercanos de pH menores que uno. Por contraste, el hidróxido de sodio 1 M varía de 13,5 a 14.A 25 °C, un pH igual a 7 es neutro, uno menor que 7 es ácido, y si es mayor que 7 es básico. A distintas temperaturas, el valor de pH neutro puede variar debido a la constante de equilibrio del agua (kw).La determinación del pH es uno de los procedimientos analíticos más importantes y más usados en ciencias tales como química, bioquímica y química de suelos.La temperatura, y en los cambios de estado. En particular se ha establecido empíricamente: Cuando aumenta la presión, la densidad de cualquier material estable también aumenta. Como regla general, al aumentar la temperatura, la densidad disminuye (si la presión permanece constante). Sin embargo, existen notables excepciones a esta regla. Por ejemplo, la densidad del agua dulce crece entre el punto de fusión (a 0 °C) y los 4 °C; algo similar ocurre con el silicio a bajas temperaturas. En general, la densidad de una sustancia varía cuando cambia la presión o Existen diversos modelos de viscosidad aplicables a sustancias que presentan comportamientos viscosos de diferente tipo. El modelo o tipo de fluido viscoso más sencillo de caracterizar es el fluido newtoniano, que es un modelo lineal (entre el gradiente de velocidades y las tensiones tangenciales) pero también existen modelos no lineales con adelgazamiento o espesamiento por cortante o como los plásticos de Bingham.3.Cuáles son las variables de diseño.

ÁREA DE FILTRACIÓN.La teoría señala que, considerando aparte las características del medio filtrante, el caudal que entra es igual al caudal que sale (Ecuación de Continuidad).Como resultado de estas dos variables conjuntas, para una misma cantidad de fluido a filtrar se observará que su caudal es inversamente proporcional al cuadrado del espesor de la torta al final del proceso. Esta observación conlleva que la máxima productividad se alcanza teóricamente con aquellas tortas de espesor muy fino cuya resistencia supera a la del medio mismo filtrante. Sin embargo, otros factores como el tiempo para regenerar la torta, su dificultad de descarga y el coste de una superficie filtrante más amplia explica que en la práctica se prefiera trabajar en condiciones de tortas espesas.

CAÍDA DE PRESIÓN A TRAVÉS DEL FILTRO La mayoría de los casos, la compresibilidad de la torta de filtración se encuentra entre valores de 0,1 y 0,8 de manera que la mayor parte del aumento de la pérdida de carga del fluido es consecuencia del medio filtrante. En general, si el aumento de presión conlleva un aumento significativo del caudal o velocidad de filtración, es un indicio de la formación de una torta granulada. En cambio, para las tortas espesas o muy finas, un aumento de la presión de bombeo no resulta en un aumento significativo del caudal de

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filtrado. En otro caso, la torta se caracteriza por una presión crítica por encima de la cual, la velocidad de filtración incluso disminuye. En la práctica, se prefiere operar a un velocidad constante, empezando a baja presión, aunque por el empleo generalizado de sistemas de bombeo centrífugos, las condiciones habituales son de presión y caudal variables.

RESISTENCIA DEL MEDIO FILTRANTELa variedad de tipos de medios porosos utilizados como medios filtrantes es muy diversa, en forma de telas y fibras tejidas, fieltros y fibras no tejidas, sólidos porosos o perforados, membranas poliméricas o sólidos particulados, a lo que se suma la gran variedad de materiales: fibras naturales, fibras sintéticas, materiales metálicos, materiales cerámicos y polímeros. El efecto de la viscosidad es como lo indican las ecuaciones de velocidad; la velocidad de flujo de filtrado en cualquier instante es inversamente proporcional a viscosidad de filtrado. El efecto de la temperatura sobre la velocidad de filtración de sólidos incompresibles es evidente, sobre todo, mediante su efecto sobre la viscosidad.

FLUJO DE FILTRADOEl flujo del medio filtrante es el elemento fundamental para la práctica de la filtración y su elección es, habitualmente, la consideración más importante para garantizar el funcionamiento del proceso.En general, entre los principales criterios de selección del material de medio filtrante, se pueden destacar: Compatibilidad y resistencia química con la mezcla Permeabilidad al fluido y resistencia a las presiones de filtración Capacidad en la retención de sólidos Adaptación al equipo de filtración y mantenimiento Relación vida útil y coste

CANTIDAD DE SÓLIDOS RETENIDOSEl efecto del tamaño de las partículas sobre la resistencia de la torta y la tela es muy notable. Afectan al coeficiente en la ecuación para la resistencia de la torta, y los cambios mayores afectan la compresibilidad.

HUMEDAD DE LA TORTATodas las ecuaciones de la filtración vienen dadas en función de C, la concentración en base al volumen de filtrado por lo que si dan el dato de Cs se debe cambiar con la formula arriba mostrada. Para utilizar la formula, darán la humedad de la torta en base húmeda o en base seca, dependiendo de esto los valores de mf y mc se buscan de la siguiente forma:

Humedad en base húmeda Mf mc

1 1 –( % humedad/ 100)

100 100 - %humedadHumedad en base seca

Mc Mf

1 1 + (%humedad / 100)

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100 100 + %humedad

TIEMPO DE LAVADOPara lavar el material soluble que pueda quedar retenido por la torta de filtración se utiliza un disolvente miscible con el filtrado. El agua es el líquido de lavado más común. Son importantes en el diseño y operación de un filtro la velocidad de flujo del líquido de lavado y el volumen de líquido que se requiere para reducir el contenido de soluto en la torta hasta un grado deseado. Aunque son aplicables los principios generales que se comentan a continuación. Las preguntas no pueden resolverse por completo sin experimentación.El volumen del líquido de lavado que se requiere está relacionado con la evolución concentración-tiempo del líquido de lavado que abandona el filtro. Durante la primera parte del periodo de lavado la concentración es casi constante. El efluente consiste básicamente en el filtrado que ha quedado sobre el filtro y que es desplazado por el líquido de lavado sin una dilución apreciable. Esta etapa de lavado que recibe el nombre de lavado por desplazamiento. Es el método ideal para lavar una torta. Bajo condiciones favorables donde el tamaño de las partículas de la torta es pequeño. Es posible recuperar hasta 90% del soluto contenido en la torta durante esta etapa. El volumen del líquido de lavado que se requiere para un lavado por desplazamiento es igual al volumen de filtrado que ha quedado retenido en la torta. Donde L es el espesor de la torta y é es la porosidad media de la torta. La segunda etapa de lavado se caracteriza por un rápido descenso de la concentración del efluente. El volumen del líquido de lavado utilizado en esta etapa es del mismo orden de magnitud que el usado en la primera etapa. En la tercera etapa la concentración del soluto en el efluente es baja. Y el soluto restante es lixiviado lentamente de la torta. Si se utiliza suficiente líquido de lavado es posible reducir hasta cualquier valor deseado el contenido de soluto residual en la torta. Pero el lavado deberá interrumpirse cuando el valor del soluto no recuperado sea inferior al costo de recuperarlo.4. COMO INTERPRETA LAS GRÁFICAS DE V VS Θ Y LA DE ΔΘ/ ΔV VS ΔV

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PROCEDIMIENTO DE LA PRÁCTICA1. Preparar la solución a filtrar.

Pesar 40 lbs de agua Pesar 5 lbs de Carbonato de Calcio Preparar la suspensión

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 “AGITACIÓN MANUAL”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.

EQUIPO Y MATERIALES Filtro Prensa de placas y marcos: este equipo es utilizado para separar

soluciones que contengan partículas sólidas y liquidas. Tanque Agitador: este equipo se lo utiliza para mezclar la solución y que

esta se haga homogénea antes de someterla a la filtración. Carbonato de Calcio (soluto): utilizado para la filtración diluido en agua Agua ( solvente ): liquido que debe ser filtrado. Papel filtrante (Membrana): retiene las partículas solidas y se utiliza

como medio filtrante. Envase: se utiliza para recoger el líquido futrado. Cronometro: utilizado para tomar el tiempo de llenado del envase con el

filtrado. Manómetro: utilizado para tomar la presión a la que se está llevándose

el proceso de filtración.

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TABLAS

VolumenLts

Tiempo de Filtrado θ Seg

V2 ΔV Δθ ΔV/Δθ

0.1 1.8 324 0.1 1.8 180.2 2.4 625 0.1 1.3 25

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DATOS EXPERIMENTALESAgua 34 libra

sCarbonato de calcio 4,5 libra

sTorta húmeda (con placa y marco) 6,2 libra

sTorta húmeda (con marco) 4 libra

sTorta seca 1,6 libra

sTorta húmeda 2 .5876 libra

sAltura de la torta 0,194 mAncho de la torta 0,1935 mEspesor de la torta 0,026 mradio de la esquina de la torta 0,025 m

DATOS PROPORCIONADOS

Densidad de carbonato de calcio 2630 kg/m3

Viscosidad 0,00085 N*s/m2

0.3 4.6 1156 0.1 2.2 340.4 8.2 2304 0.1 3.6 480.5 13.4 3249 0.1 5.3 570.6 22.4 4225 0.1 9.0 650.7 36.6 6561 0.1 14.2 81

CÁLCULOSHallando Densidad de la torta:

Hallando Área de filtrado:

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Datos para la Densidadh=0,094 mb=0 ,0935 mL= 0,026m

Volumen del cuboV=B x h x LV=(0 ,0935m ) x (0 ,094m ) x (0 ,026m)

V=2 ,28x 10−4

m3

Peso torta=1.6 lbPeso torta=0 ,72575 ki logramos

Densidad de la Torta

ℓ=masavolumen =

0 .72575 Ki logramos

2 ,28 x 10−4m3

ℓ=3183 ,1140 Kgmasam3

Área de lacircuferencia=π r 2

Área de lacircuferencia=(3 .14 cm) x (2 .5cm )2

Área de lacircuferencia=19. 62 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 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.

Hallando ΔPLa presión inicial es 1 atm ya que trabajamos a la presión atmosférica y la presión final es 2 Psi marcada en el manómetro del filtro prensa.

Hallando M (Concentración de Carbonato de calcio).

Hallando “w” Fracción en peso de sólidos en suspensión

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

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

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

1 atm=1. 013 x105 N /m2

Pf =2 Psi x6894,75 N /m2

1 Psi =13789,5N /m2

ΔP=P f−PO

ΔP=(13789 ,5 N /m2 )−(1 . 013 x105 N /m2 )ΔP=87510 ,5 N /m2

M= Peso de Torta HumedaPeso de la Torta Seca

M=2 ,5876 lb1. 6 lb

=1 .6172

Hallando “K” (Constante de Ruth)De la grafica

Obteniendo “K”

Convirtiendo gc de horas a segundo;

Reemplazar Datos en la Ecuación de RuthHallamos la Resistencia específica de la torta

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w=4,5 libras de CaCO3

34 libras de agua+4,5 libras de CaCO3

w=0 .1168

Hallar pendiente

m=y2− y1

x2−x1=81−34

7−4

m=16 seglitros2 .

Dados que :y2=81y1=34x2=7x1=4

Intercepto=41 seg / litros

K= 2m

= 216 seg /lit 2

=0.125 lit 2

seg

K=0 .125 lit 2

segx m6

1000000 lit 2=1 . 25 x 10−7 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 gC ΔΡ (1−Μw )

ℓ μ K w

Hallando Porosidad media

Hallando Volumen Ficticio

Hallando tiempo ficticio

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α=2(0 .0779m2)2x (9.8 mKgm

Kgf seg2 ) x(87510 ,5 Nm2 ) x (1− (1 ,6172∗0 ,1168 ))

(3183 ,1140 Kgmm3 ) x (0 .00085 N , seg

m2 )(1.25 x 10−7 m6

seg ) (0 .1168 )

α=2 ,13 x 1011 mKgf

F=1−ℓTORTAℓCaCO 3

F=1−(3183 ,1140kg

m9)(25876 kg

m9)F=0 ,1230

V F=bXK2

=(41 seglit

2X 0 .125 lit

seg )V F=2 ,5625 litros

segundos

(V − V F )2=K (θ +θF)

(2+2 ,5625 )2 litrosseg

=(0. 125 litrosseg)(108 seg+θF )

20 ,8164=13 ,5+ (0 .125 θF )20 ,8164−13 ,5=0 . 125 θF

θF=7 ,31640. 125

θF=58 .5312 seg

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(V − V F )2=K (θ +θF)

(2+2 ,5625 )2 litrosseg

=(0. 125 litrosseg)(108 seg+θF )

20 ,8164=13 ,5+ (0 .125 θF )20 ,8164−13 ,5=0 . 125 θF

θF=7 ,31640. 125

θF=58 .5312 seg

θF=58 ,5312 segundos x 1 minutos60 segundos

=0 ,9755 minutos

RESULTADOS

ANÁLISIS DE RESULTADOS. Analizando los resultados obtenidos podemos concluir que la velocidad

media del fluido fue menor debido a que trabajamos a presión constante.

La resistencia específica fue 1.35×1012 m/Kgf, aumentaba según fuese el espesor de la torta.

La porosidad media fue 0,5530 lo que nos indica que no fue tan alta, dando un 55,30%; esto es debido a la cantidad de agua contenida en la torta.

La pendiente y el intercepto lo obtuvimos de nuestra grafica #3 ΔѲ ⁄ ΔV vs V.

En la ecuación de Ruth debemos tener muy claro las unidades de cada una de las variables y así no equivocarnos.

CONCLUSIONESEn esta práctica concluimos que la presión de trabajo en el filtro prensa varia a medida que el volumen fue subiendo.También concluimos que la torta que se formó al final de la práctica es una torta compresible debido a que estaba formada por partículas sólidas flexibles,

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TABLA DE RESULTADOS

Graficar V vs Ѳ Grafica # 1Graficar V2 vs Ѳ Grafica # 2Graficar ΔѲ ⁄ ΔV vs V Grafica # 3Intercepto 56 segundos / litrosPendiente 30 segundos / litrosConstante k de la ecuación Ruth 0,06667 litros / segundosVolumen ficticio de filtrado 1,8668 litros / segundosTiempo ficticio de la ecuación de Ruth

56.27 segundos o 0.93 minutos

Resistencia especifica de la torta 1.35×1012 m/KgfPorosidad Media 0,5530

blandas y la resistencia al flujo depende de la caída de presión y vario a lo largo de la torta.Nos dio un filtrado claro eso significa que el equipo que utilizamos es el correcto para filtrar una solución de agua y carbonato de calcio debido a que el tamaño de sus partículas fueron retenida por el medio filtrante utilizado y la sustancia a filtrar era químicamente inerte y no toxica.Conocimos los principios básicos de la filtración y su empleo como operación unitaria en la industria.Comprendimos el funcionamiento y las partes del filtro prensa del laboratorio de operaciones unitarias.

RECOMENDACIONES Manipular adecuadamente cada una de las válvulas de paso del

equipo de filtración. Tener mucho cuidado al manipular la bomba. La agitación del tanque no debería ser manual, implementar un

agitador para que el mezclado sea homogéneo. Se recomienda elaborar una buena membrana filtrante, que este

acorde a las medidas de las placas y de los marcos y que este bien ubicada en la cámara de filtración en medio de las placas y los marcos.

Realizar una buena mezcla antes de introducirlo al sistema de filtración.

Abrir la llave de recirculación de fluido antes de comenzar a alimentar a la cámara de filtración ya que así evitamos que las líneas de alimentación se taponen por incrustaciones

NOMENCLATURA

SIMBOLO

DESCRIPCIÓN

ρ torta Densidad de la torta

ρ CO3Ca Densidad del Carbonato de Calcio.μ Viscosidad

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α Resistencia especifica de la tortaMw Peso total húmeda/ Peso torta seca.W Fracción en peso de sólidos en suspensión (0,11)∆ P Diferencia de presión a través del lecho (kgf/m2)gc Constante dimensional 127 * 106 ( m Kg/Kgfh2)F Porosidad mediaA Superficie de filtración en m2k Constante, están todas las características del líquido

y del solido que componen el líquido turbio que intervienen en el proceso.

m Pendiente de la gráficab Intercepto de la gráficaV f Volumen ficticio del filtradoθ f Tiempo necesario para que se produzca la torta

ficticia

BIBLIOGRAFÍA

McCabe, Smith, Harriot. 2005. Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. México: Mc Graw Hill.

APENDICEGRAFICAS

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