I. OBJETIVOS: Determinación de la resistencia específica de una torta incompresible a presión constante. Estudio de la variación de la presión vs. la resistencia específica de una torta incompresible. Estudio de la filtración a través de un filtro prensa de placas y marcos, operando a presión y caudal variable. Ejercitarse en el manipuleo de equipos de un filtro prensa y filtración a vacío.
I. FUNDAMENTO TEÓRICO: Introducción: La filtración es una operación unitaria cuya finalidad es la separación de un sólido insoluble que está presente en una suspensión solido-liquido, haciendo pasar dicha suspensión a través de una membrana porosa que retiene las partículas solidas. A la membrana porosa se le denomina medio filtrante, mientras que las partículas retenidas en la membrana forman una capa que se llama torta y el líquido que atraviesa la membrana porosa y esta exento de sólidos se denomina filtrado. En la filtración puede ocurrir que la fase deseada sea el filtrado, la torta o ambos. Cuando los que se desea obtener es la parte solida, una vez obtenida a torta, esta debe lavarse para eliminar las impurezas que pueda contener. Para obtener el flujo de filtrado a través del medio filtrante se puede operar por simple gravedad, o bien aplicando una presión superior a la atmosférica en la parte anterior del medio filtrante o vacio en su parte posterior, denominándose filtración a presión y filtración a vacio, respectivamente. FILTRACIÓN Consiste en la separación de partículas sólidas a partir de un fluido como una suspensión, haciendo pasar el fluido a través de un medio filtrante en el cual se depositarán los sólidos y el fluido circulará a través del medio filtrante debido a una diferencia de presión. El medio filtrante de cualquier filtro debe de cumplir los siguientes requerimientos: Retener los sólidos a filtrar, para dar lugar a un filtrado razonablemente claro. No debe obstruirse. Debe ser químicamente resistente y tener suficiente resistencia física para soportar las condiciones del proceso. Debe de permitir que la torta que se forma se pueda desprender de forma limpia y completa.
VARIABLES QUE AFECTAN EL PROCESO DE FILTRACIÓN Uno de los factores que afecta la filtración es la velocidad a la cual se obtiene el filtrado, que depende de los materiales que forman la mezcla y de las condiciones de operaciones físicas. Las principales variables que afectan la velocidad de filtración son: Área de la superficie filtrante
Caídas de presión a través de la torta y del medio filtrante. La resistencia de la torta de sólidos que se va formando como consecuencia de las deposiciones continuas de éstos. Inicialmente la resistencia de la torta es cero, pero su valor aumenta progresivamente a medida que transcurre el proceso. Viscosidad del filtrado. La resistencia del medio filtrante(constante a través de todo el proceso). Además se deben tener en cuenta los siguientes factores: Las propiedades del fluido, especialmente su viscosidad, densidad y propiedades corrosivas. La naturaleza del sólido: tamaño y forma de partícula. La concentración de sólidos en suspensión. Necesidad de lavar los sólidos filtrados. Resistencia correspondiente a la torta y correspondiente al medio filtrante: La primera es cero durante los primeros momentos de la filtración, debido a que todavía no se ha formado la torta y la filtración ocurre en el medio filtrante. La resistencia del medio filtrante es importante al inicio de la filtración. FILTROS DE TORTA En este caso inicialmente algunas partículas sólidas entran en los poros del medio filtrante y quedan inmovilizadas, pero comienzan a ser recogidas sobre la superficie del medio filtrante. Después de ese periodo de tiempo inicial la torta que se está formando es la que realizará la filtración y no el medio filtrante. Este tipo de filtros torta son utilizados preferentemente para separaciones sólido-líquido y puede operar con presiones superiores a la atmosférica aguas arriba del medio filtrante o con vacío aplicado aguas abajo. FILTRACIÓN A PRESIÓN CONSTANTE Se hace controlando la diferencia de presión de tal modo que se mantenga constante durante todo el proceso; este tipo de filtración puede hacerse de manera fácil si la suspensión a filtrar proviene de un depósito que se mantiene a presión constante. Es de suponerse que manteniendo constante la presión, se irá disminuyendo la velocidad de filtración a medida que esta vaya ocurriendo, debido a que irá aumentando el espesor de la torta y en consecuencia también se incrementara la resistencia de filtración. Este tipo de filtración se puede describir con las siguientes ecuaciones:
Para tortas incompresibles y filtración a presión constante resulta:
(
)
Donde: : tiempo : viscosidad : resistencia específica de la torta M: masa del sólido referida al filtrado : volumen equivalente FILTRACIÓN A VELOCIDAD CONSTANTE En este tipo de filtración la presión es aumentada gradualmente, utilizando una bomba hasta que la presión de la alimentación en el filtro alcance un valor límite. Esta filtración presenta la desventaja de que al principio, cuando la resistencia es pequeña y se podrían obtener volúmenes grandes de filtrado operando a presiones altas, se trabaja a presiones bajas y con eso disminuye el rendimiento total de filtro. Para estudiar este tipo de filtración se puede partir de la siguiente ecuación: (
)
Si la velocidad de filtración permanece constante
y la torta es incompresible:
(
)
Tortas compresibles: Cuando la resistencia especifica de la torta no varía con el espesor de la torta, y es independiente de la presión –Pt, la torta de denomina Incompresible. Esto ocurre cuando la torta está formada por partículas sólidas rígidas e indeformables en la que los valores de la
porosidad de la torta y superficies específica de las partículas no se ven afectados por la compresión aplicada sobre el lecho. En general, las partículas que forman la torta son flexibles y deformables. En ese tipo de tortas, la resistencia al flujo depende de la caída de presión, variando a lo largo de todo el espesor de la torta. Estas tortas se denominan compresibles. En este caso la resistencia especifica de la torta α varia en todo el espesor de la torta, y se debe utilizar un valor medio para integrar las expresiones anteriores. Existen fórmulas empíricas que permiten calcular la resistencia especifica de la torta α. Una de ellas es de la relación de Almy - Lewis:
En la que es la resistividad específica de la torta cuando no existe caída de presión, n es el factor de compresibilidad, cuyo valor está comprendido entre 0,1 y 1, correspondiendo los valores mayores a las tortas más compresibles. Se supone que n es independiente de la presión, aunque en realidad se ha comprobado que existe cierta dependencia. Los valores de y n deben obtenerse experimentalmente, a partir de medidas de con una caída de presión en la torta conocida, y representando en papel doble logarítmico los pares de valores y Pt correspondientes. La pendiente de la recta ajustada será el valor del factor de compresibilidad n, mientras que la ordenada en el origen permite obtener el valor de .
EQUIPOS DE FILTRACIÓN El equipo a utilizarse se encuentra instalado en el laboratorio de Operaciones Unitarias y consta de 2 partes, uno a nivel laboratorio y el otro a nivel planta piloto. 1. Filtración al Vacío Tanque ,agitador, embudo Butchner, manómetro en U de mercurio, bomba de vacío.
Figura: Aparato de filtración de laboratorio.
2. Filtro Prensa Filtro prensa de placas y marcos, empaque, lona, bomba centrifuga, tanque, agitador.
Figura: Diagrama de filtros prensa de placa y marcos a) filtración de una suspensión con descarga cerrada b) lavado de una prensa con descarga abierta.
