(88275487) labo 2- FILTRACION

Laboratorio de Ingeniería Química II


anes, Beatriz


anes, Beatriz


1

Filtración a presión constante

“Año de la Inversión para el Desarrollo Rural y la Seguridad Alimentaria” UNIVERSIDAD NAI!NA" DE" A""A! #AU" AU"$ $AD DE D E IN%ENIER& IN %ENIER&A A 'U&(IA 'U& (IA

"A)!RA$!RI! DE IN%ENIER&A 'U&(IA II $E(A* “#iltra+ión a ,resión +onstante”

Integrantes: 080120-I

Aguilar Campom

080792-G

Chipa Saae!ra, "iguel

080128-#

$u%hul&n, Car'u(n, C)sar

082819-#

S&n%hez Guzm&n, "a*ra

0728+-

Sal%e!o Ben!ez., /aniel

090098-

Santana uail, Carlos !uar!o

e%ha !e presenta%in: +0-0-201+



I3/IC

I3456/CCI63 + I 6B#4I6  II "A5C6 465IC6  21 <

a%tores !e los 'ue !epen!e la elo%i!a! !e ;iltra%in

22 <

un!amento !e la ;iltra%in

2+ un!amento !e la ;iltra%in !e torta < 2 Ca(!a !e presin a tra)s !e la torta 7 2< 5esisten%ia !el me!io ;iltrante 9 2= iltra%in a presin %onstante 10



27 %ua%iones emp(ri%as para la resisten%ia !e la torta 11



III >I$6S ? "A45IA@S 1+ I $56C/I"I346 $5I"34A@ 18 4


 6BS5ACI63S $5I"34A@S 21 I /A46S $5I"34A@S 22 II 5S@4A/6S 6B43I/6S ? CA@C@6S C4A/6S 2< III A3A@ISIS / 5S@4A/6S +0 I C63C@SI63S +0

5





I3456/CCI3 Este método de separación mecánica ha encontrado desde tiempos inmemoriales una amplia aplicación práctica en la vida del ser humano. Sin dudas, los primeros !iltros empleados por el hombre !ueron sus propias manos. "on el tiempo ha variado desde un simple colado hasta separaciones mu# comple$as. %hora la !iltración paso a ser una de las operaciones básicas &ue se reali'a en la industria &uímica, #a &ue en estos días la industria busca generar productos variados # di!erentes para el bienestar de sus clientes. (or eso necesario tener un conocimiento cientí!ico # práctico de la !iltración por su gran intervención como una operación &ue permite la obtención de varios productos, la recuperación de sólidos, como preparación para posteriores procesos # la obtención de lí&uidos limpios. En el presente in!orme se anali'ará a !ondo las operaciones necesarias para reali'ar la operación de !iltración, mediante la e)periencia reali'ada en el Laboratorio de *peraciones +nitarias L*(+-.

6


Laboratorio de Ingeniería Química II Filtración a presión constante

I@45ACI3 A $5SI3 C63S4A34

I 6B#4I6S - "onocer los principios básicos de la !iltración mediante el tratamiento de datos e)perimentales. - *btener e)perimentalmente los valores de la resistencia de la torta # la resistencia del medio !iltrante.

II

"A5C6 465IC6

La !iltración es un método de separación de me'clas en la cual se separan los sólidos de los lí&uidos utili'ando paredes o capas porosas, cu#os poros de$an pasar el lí&uido # de$an pasar el lí&uido # retienen los sólidos. Las partículas suspendidas en un !luido lí&uido o gas- se pueden separar !ísicamente mediante el uso de un medio poroso &ue retiene las partículas # &ue permite el paso del !luido. El !lu$o de lí&uido o gas a través del !iltro se produce debido a la alta presión &ue se emplea a un vacío en el e)tremo opuesto. Las pe&ueas aberturas del medio !iltrante blo&uean el paso de las partículas, las cuales se acumulan en !orma de una torta de !iltrado la cual act/a a su ve' como !iltro. igura

1: Aparato !e ;iltra%in

7


uente:

C# Geanoplis, +ra e!i%in, D$ro%esos !e transporte * opera%iones unitariasE

8



- 0edio !iltrante1 es una super!icie porosa en la cual &uedan retenidos las partículas sólidas. La variedad de tipos de medios porosos utili'ados como medios !iltrantes es mu# diversa, puede ser en !orma de telas # !ibras te$idas, !ieltros # !ibras no te$idas, sólidos porosos o per!orados, membranas poliméricas o sólidos particulados. - 2orta de !iltración1 está constituida por los sólidos acumulados por el medio !iltrante. - Filtrado1 es el lí&uido &ue pasa a través de un medio de !iltrante.

21 AC465S / @6S > /$3/ @A @6CI/A/ / @A I@45ACI3 ? ? ? ? ? ? ?

(resión Espesor de la torta E!ecto de la viscosidad E!ecto de la temperatura E!ecto tamao de las partículas E!ecto del tipo medio !iltrante E!ecto en la concentración de solidos

22 3/A"346S / @A I@45ACI3 La !iltración es un e$emplo especial del !lu$o a través de medios porosos, para casos en los &ue las resistencias al !lu$o son constantes. En !iltración tales resistencias aumentan con el tiempo a medida &ue el medio !iltrante se va obstru#endo o se !orma una torta de !iltración. Las principales magnitudes de interés son la velocidad de !lu$o a través del !iltro # la caída de presión en la unidad. % medida &ue transcurre el proceso, o bien disminu#e la velocidad de !lu$o o aumenta la caída de 9


presión. En la llamada !iltración a presión constante la caída de presión permanece constante # la velocidad d e!lu$o va disminu#endo con el tiempo3 menos !recuente es &ue la presión aumente progresivamente para dar lugar a la llamada !iltración de velocidad constante.

10



+na ecuación general para todos los tipos de !iltración a presión constante !ue desarrollada por 4ermans # 5redée en 6789. Su ecuación es1

:onde1 ;< volumen del lí&uido !iltrado, o simplemente !iltrado, recogido durante el tiempo t. =6, n < constantes En la !iltración de clari!icación n puede ser >,8?>, o 6, dependiendo del mecanismo para lo cual se deposite la partícula. En la !iltración de torta n<@. (ara la !iltración a velocidad constante la ecuación de 4ermansA5redée es1

:onde es la caída de presión a través del !iltro # n tiene los mismos valores &ue en la ecuación [email protected]

2+ 3/A"346S / @A I@45ACI3 / 4654A En la !iltración de torta el lí&uido pasa a través de dos resistencias en serie1 la de la torta # la del medio !iltrante. La resistencia del medio !iltrante, &ue es la /nica resistencia en los clari!icadores, normalmente solo es importante durante las primeras etapas de la !iltración de la torta. La resistencia de la torta es nula al principio # aumenta con el tiempo a medida &ue transcurre la !iltración. Si la torta se lava después de la !iltración, ambas resistencias son constantes durante el periodo de 11


lavado, # la del medio !iltrante es generalmente despreciable. La caída total de presión en un instante cual&uiera es la suma de las caídas de presión en el medio !iltrante # en la torta. Si es la presión interior, la presión e)terior # la presión en el límite de separación entre el medio !iltrante # la torta.

12



igura

uente: "%CaFe

2: Clari;i%a%in %on una tela mono;ilamento !e n*lon

 @H Smith # C * arriott $ 1991J D6pera%iones nitarias en Ingenier(a >u(mi%aE

:onde 1 < caída global de presión. < caída de presión en la torta. < caída de presión en el medio !iltrante.

2 CAI/A / $5SI63 A 45AS / @A 4654A / I@45ACI63 13


La siguiente !igura muestra es&uemáticamente un sección transversal de la torta de !iltración # del medio !iltrante para un tiempo de!inido t a partir del comien'o del !lu$o de !iltrado. (ara este tiempo el espesor de la torta, medido desde el, medio !iltrante, es . El área del !iltro, medida perpendicularmente a

14



la dirección del !lu$o, %. considérese la delgada capa de torta de espesor dl situado a una distancia L del medio !iltrante. Sea la presión en este punto. Esta capa consta de un delgado lecho de partículas sólidas a través de las cuales !lu#e el !iltrado. En un lecho !iltrante la velocidad es su!icientemente ba$a para asegurar &ue el !lu$o es laminar. La ecuación para el tratamiento de la caída de presión a través de la torta es1

:onde1 .

< viscosidad del !iltrado. < velocidad lineal del !iltrado basado en el área del !iltro.
15

+: Ca(!a !e presin a tra)s !e una torta !e ;iltra%in



uente: "%CaFe

 @H Smith # C * arriotl $ 1991J D6pera%iones nitarias en Ingenier(a >u(mi%aE

igura

: Corte !e una torta !e ;iltra%in

uente:

C# Geanoplis, +ra e!i%in, D$ro%esos !e transporte * opera%iones unitariasE

16


2< 5SIS43CIA /@ "/I6 I@45A34 La resistencia del medio !iltrante , se puede de!inir, mediante la ecuación1

17



La dimensión de .

es

La resistencia del medio !iltrante , varía con la caída de presión # con el tiempo # la limpie'a del medio !iltrante, pero como sólo es importante durante las primeras etapas de la !iltración, casi siempre resulta satis!actorio suponer &ue es constante durante cual&uier !iltración # obtener su valor a partir de datos e)perimentales. "uando , se trata como una constante empírica, inclu#e también cual&uier resistencia al !lu$o &ue pueda e)istir en las líneas de acceso # salida del !iltro.

:esde un punto de vista estricto, la resistencia de la torta !unción de

es una

, en ve' de . :urante la etapa importante de la !iltración, &ue es cuando la torta tiene un espesor apreciable, es pe&ueo en comparación de , # el e!ecto sobre el valor de sobre un intervalo en ve' de , puede ignorarse con toda seguridad.

2= I@45ACI63 A $5SI63 C63S4A34 "uando es constante, las /nicas variables son ; # t. "uando t < @, ; < @ # < por tanto,

18


La ecuación puede escribirse así1

19


Laboratorio de Ingeniería Química II Filtración a presión constante Luego reempla'ando

La ecuación nos conduce a1

igura

<: /etermina%in !e %onstantes

uente: C# Geanoplis, +ra e!i%in, D$ro%esos !e transporte * opera%iones unitariasE 20


27 CACI63S "$I5ICAS $A5A @A 5SIS43CIA / @A 4654A

21



eali'ando e)perimentos a presión constante para varias caídas de presión se puede encontrar la variación de con . Si es independiente de , la torta es incompresible. eneralmente aumenta con , #a &ue la ma#or parte de las tortas son, por lo menos en alguna medida, compresibles. (ara tortas altamente compresibles a aumenta rápidamente con . Se pueden utili'ar ecuaciones empíricas para a$ustar los datos e)perimentales de en !unción de , siendo la más !recuente1

:onde 1 Son constantes empíricas. igura

=: Gr&;i%a !e tK ;rente a

uente: "%CaFe  @H Smith # C * arriotl $ 1991J 22


D6pera%iones nitarias en Ingenier(a >u(mi%aE

23



III

>I$6S ? "A45IA@S

1 Balanza "e%&ni%a /e 4riple Brazo 6AS - 2res bra'os con indicadores o muescas alineados. - esorte de compensación de a$uste de cero - "apacidad de pesa$e1 >G6@g - Sensibilidad1 @.6g

uente: 24

igura 7

;oto toma!a en el @aForatorio !e 6pera%iones nitarias


@6$J-3AC

25



2 'uipo 4an'ue !e iltra%in ima igura

8

igura

9

Rejilla de filtración

uente:

;otos toma!as en el @aForatorio !e 6pera%iones nitarias @6$J-

3AC + Compresora /*nami% -

ompresora ./ +ilindros en l0nea ilindros +on aletas de en2riamiento de 34. a5e6al de +onstru++ión duradera de 7ierro 2undido Rodamientos de larga vida "u5ri+a+ión por salpi+adura $an8ue +onstruido +on espe+i2i+a+iones AS(E igura 10

26



uente:

3AC

;oto toma!a en el @aForatorio !e 6pera%iones nitarias @6$J-

 $roFeta Es un instrumento de laboratorio de &uímica &ue se usa para1 - 0edir el volumen de las sustancias.

igura 11

Foratorio uente:

3AC 27

;oto toma!a en el @a

!e 6pera%ion es nitarias @6$J-


< Cronmetro Es un relo$ &ue mide con gran precisión, un tiempo determinado en !racciones de segundos. igura 12

28



uente: Imagen

!e internet

= Bal!e 5e* Se utili'ada para contener di!erentes tipos de sustancias o me'clas

igura 1+

uente:

3AC 29



7 sp&tula

30



Es una lámina plana angosta &ue se encuentra adherida a un mango hecho de madera, plástico o meta, es utili'ada principalmente para1 - tomar pe&ueas cantidades de compuestos o sustancias sólidas, especialmente las granulares. igura 1

uente:


3AC 8 aso !e $re%ipita!o +n vaso de precipitados es un recipiente cilíndrico de vidrio !ino &ue se utili'a mu# com/nmente en el laboratorio, sobre todo, para preparar o calentar sustancias # traspasar lí&uidos. igura 1<

31


uente:


3AC 9 Cal "oli!a

32



La %al es un término &ue designa todas las !ormas !ísicas en las &ue puede aparecer el ó)ido de calcio "a*-, se obtiene por calcinación de la cali'a, con un alto contenido en carbonato de calcio "a"* 8-. igura 1=

uente:


3AC I $56C/I"I346 $5I"34A@ - (esar G@@ gramos de carbonato de calcio

igura 33


17

uente:

;oto toma!a en el @aForatorio !e 6pera%iones nitarias

@6$J-3AC - Se prepara G litros de una suspensión de carbonato de calcio en agua, con una concentración de 6@@ gramos?litro. Se agita constantemente para evitar la sedimentación del carbonato de calcio

34



igura 18

uente:

;oto toma!a en el @aForatorio !e 6pera%iones nitarias @6$J-3AC

- Encender la compresora, cuidando &ue las llaves de paso permane'can cerradas, hasta alcan'ar una presión media. igura 19

uente:


35


- "olocar el medio !iltrante # sobre esté el tan&ue &ue ha de contener la suspensión igura

36

20

igura

21


Laboratorio de Ingeniería Química

II Filtración a presión constante

uente:

;otos toma!as en el @aForatorio !e 6pera%iones nitarias @6$J-3AC

-

"argar el tan&ue con la suspensión preparada colocar con la tapa # reali'ar los a$ustes necesarios, evitando la pérdida de suspensión. igura 22

37


uente:


- %brir las llaves &ue permitan el paso del aire comprimido, manteniendo cerrada la llave de descarga del tan&ue de !iltración, # regular la presión a la cual se ha de reali'ar la e)periencia 6@psi # >@ psi-. igura 2+

38


Laboratorio de Ingeniería Química

II Filtración a presión constante

uente:


-

+na ve' alcan'ada la presión de traba$o, la cual debe mantenerse constante, abrir la llave de descarga del lí&uido de !iltrado # medir el volumen con a#uda de una probeta, en !unción del tiempo. igura 2

uente:


39


 6BS5ACI63S $5I"34A@S

40



- +sar carbonato de calcio puro, pues si se encuentra contaminada por di!erentes partículas, la e)periencia no resultaría satis!actoriamente. - :e la e)periencia se observa &ue las partículas más densas son las primeras en depositarse en la parte in!erior de la torta. - La presión a la &ue se está traba$ando # es e$ercida al tan&ue de !iltrado medida por las agu$as del manómetro debe ser casi constante. - El medio !iltrante es un !actor importante en la !iltración, # su uso va depender del tipo de suspensión &ue se someterá a !iltrar. - La cantidad de agua &ue se recuperó de la suspensión, debe ser igual a la &ue se utili'ó inicialmente.

I /A46S $5I"34A@S ? ? ?

0asa del vaso precipitado 6@@@mL-1 >HH.7 gr 0asa del vaso  masa de la cal aadida1 BHH.7 gr 0asa del vaso precipitado  masa de cal contaminada1 JB9.B gr

Los datos obtenidos de la !iltración se hallan tomando en cuenta el volumen &ue se obtiene cada >@@mL- # el tiempo. 4aFla 1

 mlJ 0 200 00 =00 41

t sJ @ 6@ >> 8G


800 1000 1200

42

96 GB 7@

Laboratorio de Ingeniería Química II Laboratorio de Ingeniería Química II Filtración a presión constante

100 1=00 1800 2000 2200 200 2=00 2800 +000 +200 +00 +=00 +800 000 200 00uente:

?

6@H 6>H 6JG 6GG 6B9 >@G >>9 >J9 >GG >BH 8@G 8>G 8J9 8G9 8B9 J@9 /atos eLperimentales toma!os en el @6$- 3AC

"onsideramos la temperatura del agua a 6BK". "on ello encontramos la viscosidad seg/n la siguiente tabla1 4aFla

2: propie!a!es !el agua

43



uente: "e%&ni%a

!e lui!os 5oFert @ "ott SeLta e!i%in Ap)n!i%e A

?

(odemos hacer una representación grá!ica para saber la variación de la viscosidad con!orme aumenta la temperatura. 4aFla

+: !atos re%ogi!a !e los !atos !el Ap)n!i%e A

4MC 44

N

Laboratorio de Ingeniería Química II @ 9 6@

45

@.@@6H9 @.@@69> @.@@68

Laboratorio de Ingeniería Química II Laboratorio de Ingeniería Química II Filtración a presión constante 69 >@ >9

@.@@669 @.@@6@> @.@@@7B6

uente: "e%&ni%a

!e lui!os 5oFert @ "ott SeLta e!i%in Ap)n!i%e A Gra;i%a

1: is%osi!a! s 4emperatura

.../ ...19 ...14 ...1: Viscosidad Pa.s

...1/ ...1

y ; ?/ = @E= .@?  ...19 RB ;

....9 ....4

.<<9>

....: ..../ . .

/.

@

/@

1.

1@ 3.

Temperatu ra °C

uente: laFora%in propia gr&;i%a L%elJ

en

 < 7.87>BM6@AH)> A 9.JBBM6@A9)  6.H9HGM6@A8 ?

46

:e esta manera obtenemos la viscosidad del agua a 6BK"1 6.@HJ@BGM6@A8 (aMs

Laboratorio de Ingeniería Química II ? ?

II

El diámetro del tan&ue interior es de >@cm. La presión de traba$o !ue de >@ (si.

5S@4A/6S ? CO@C@6S $5I"34A@S 4allando la concentración real de la suspensión1

47


0asa de la cal aadida < G@@g 0asa de la cal contaminada sobrante- < >@H.7 0asa de cal en la suspensión < G@@g N >@H.7g < 87>.6 g

? ? ?

- "alculando la verdadera concentración de la suspensión, #a &ue en la e)periencia, nos &uedo una cierta cantidad de cal1

- :e los datos obtenidos en la e)periencia  tabla 6 -, le reali'amos un tratamiento de datos, como se muestra a continuación1 4aFla  V (ml)

. /..

.

:.. 4.. 9.. 1... 1/.. 1:.. 14.. 19.. /... //.. /:.. /4.. /9.. 3... 3/.. 3:..

. . . 1 1 1 1 1 / / / / / 3 3 3

Δt (s)

.

 / 3 @ 4 < 1. 1/ 1: 14 19 /. // /: /4 /9 3.

. . . . . . . . . . . . . . . .

1 1 1 1 / 1 / 1 / 1 / 1 / / / 1

.3 .@ .> .< 11 13 1@ 1> 1< /1 /3 /@ /> /< 31 33

4 > > 9 1 9 1 < 1 < 1 < 1 1 1 <

Laboratorio de Ingeniería Química II Filtración a presión constante 3@

34.. 39.. :... :/.. ::..

3 : : :

3: 34 39 :.

. . . .

1 / / /

uente: laFora%in propia

%&l%ulosJ

(ara la grá!ica, se necesita los siguientes datos1 4aFla < Δt (s)/ ΔV

.1 .3 .@ .> .< 11 13 1@ 1> 1< /1 /3 /@ /> /< 31 33 3@ 3> 3< :1 :3

@ 4 > > 9 1 9 1 < 1 < 1 < 1 1 1 < 1 < 1 1 1

uente: laFora%in propia % &l%ulosJ

Gra;i%a 2

3> 3< :1 :3

< 1 1 1


∆t/∆V vs. V 1/.

1.. ∆t(s)/∆V(L)

9. 4.

Series1

:.

/. . .

1 :

/

3

@

Volume n (L)

uente: laFora%in propia gr&;i%a L%elJ

en

:e la grá!ica observamos, &ue los /ltimos puntos, la variación del tiempo con respecto a la variación de volumen, trata de ser constante, por lo &ue se deduciría &ue se estaría traba$ando a velocidad constante, # como en esta e)periencia estamos reali'ando la !iltración a presión constante, solo tendremos en cuenta los G primeros puntos1 4aFla = V(L)

.1 .3 .@ .> .< 11

Δt/Δ V

@ 4 > > 9 1 uente: laFora%in propia % &l%ulosJ

Gra;i%a +


Δt/ΔV vs V

1/.

y ; @:/94?  :/:/< RB ;

1..

.<3>>

9. Δt(S)/ΔV(L)

4.

Series1 :.

"ineal CSeries1D

/. . .

.9

./

1

.:

.4 1/

Volume n (L)

uente: laFora%in propia gr&;i%a

en L%elJ

:e la grá!ica1 (or teoría, sabemos &ue el por la intersección1

o

está determinado por la pendiente # el

"alculando la resistencia de la torta # el medio !iltrante traba$aremos en el SI-1

?

(rimero, calculamos el área1


?

"onvertimos la presión >@ psi a (a1

?

"alculando la resistencia de la torta1

?

"alculando la resistencia del medio !iltrante1

III A3O@ISIS / @6S 5S@4A/6S

(88275487) labo 2- FILTRACION

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