PRÁCTICA Nº 2 FILTRO-PRENSA
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER BUCARAMANGA 2016
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LABORATORIO DE PROCESOS II
PRÁCTICA Nº 2 FILTRO-PRENSA
GRUPO Nº 4 OSCAR ANDRES GALVIS PEREZ - 2122568 SERGIO ANDRES GARAVITO NAVARRO – 2121605 EDWIN ARLEY LIZARAZO PEREZ - 2122537 AMILCAR LEONARDO MOJICA PRADILLA - 2122564 CRISTIAN ORLANDO VARGAS VASQUEZ - 2114653
LUIS E. FUENTES
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER BUCARAMANGA 2016
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CONTENIDO 1. INTRODUCCIÓN 2. INFORME EJECUTIVO 3. OBJETIVOS 2.1 OBJETIVO GENERAL 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 4. ALCANCE 5. MARCO TEÓRICO 5.1. MEDIOS FILTRANTES 5.2. TIPOS DE FILTROS 5.3 TITULACIÓN ÁCIDO BASE 6. METODOLOGÍA 7. ANÁLISIS DE RESULTADOS 8. RECOMENDACIONES 9. CONCLUSIONES 10. BIBLIOGRAFÍA
4 5 6 6 6 6 6 6 8 8 9 10 15 15 16
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1. INTRODUCCIÓN La filtración es una operación unitaria básica, ampliamente utilizada en la industria química, principalmente en la purificación y extracción de materias primas, pero también es muy común a nivel de laboratorio y doméstico. Consiste en la separación de partículas sólidas de una suspensión, mediante un medio filtrante que deja pasar el líquido y retiene el sólido. El líquido que fluye a trav és del medio filtrante se conoce como filtrado, mientras que la acumulación de sólido retenido forma un lecho poroso, conocido como torta. La elección del medio filtrante es la consideración más importante para garantizar el funcionamiento del proceso. La 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. La selección de un equipo de filtración en general requiere un estudio de las especificaciones y objetivos del proceso junto con una evaluación de la capacidad y características del equipo de filtración en las que las consideraciones sobre el medio filtrante son importantes. En el filtro prensa de placas y marcos se trabaja a presión constante desde el principio de la filtración; consiste en una serie de placas y marcos alternos soportados por un par de raíles, las placas tienen una superficie acanalada o estriada; marco hueco está separado de la placa por un medio filtrante y la prensa se cierra promedio de un tornillo manual o hidráulico.
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2. INFORME EJECUTIVO La filtración es una operación utilizada comúnmente en la industria para recuperar sólidos o líquidos, clasificarlos o facilitar otras operaciones como el lavado de materiales entre otros. Por medio de esta operación unitaria desarrollaremos una práctica con un filtro tipo prensa el cual funciona mediante un diferencial de presión entre la solución a filtrar, el medio filtrante y el filtrado final. La solución a filtrar está compuesta de agua y carbonato de calcio, este último se desea recuperar con la mayor eficiencia y menor pérdida debido a su aplicación en la fabricación de papel y plásticos. La implementación necesaria para el proceso consta de un tanque de almacenamiento donde va contenida la solución, que a través de una bomba es transportada a las celdas de separación filtro-prensa de placas y marco. Una celda de separación está formada por un marco con filtro y dos placas. Las placas provistas de ranuras están recubiertas con tela filtrante. El filtrado atraviesa la tela y fluye por las ranuras para recogerlo como líquido residual y titularlo. Los sólidos son retenidos por la tela y forma una torta de espesor creciente, que posteriormente es secada y cuantificada para determinar la eficiencia del filtrado. Debido a la configuración del equipo, el filtro prensa es utilizado universalmente gracias a la capacidad retentiva en el medio filtrante. Además, conforme progresa la operación, el espesor de la torta aumenta con el correspondiente incremento de la resistencia al flujo del filtrado. Al mantener la presión constante, la velocidad de filtración disminuye con el tiempo. Es recomendable trabajar con este tipo de filtro en procesos discontinuos para la simplicidad de la operación y exactitud en los datos obtenidos, cómo también es necesario que todos los operarios estén atentos de cada tarea (toma de datos, recolección del líquido residual y registro de tiempo) y se mantenga agitado el tanque del equipo con el objeto de garantizar la homogeneidad de la solución para que en la posterior tarea de cuantificación y análisis de datos. La eficiencia de operación del proceso de filtración es alta de aproximadamente 89.71%, esto puede ocurrir debido a que no se presentaron taponamientos en el equipo, fugas de la mezcla de carbonato de sodio con agua y el tamaño del poro de filtro es el adecuado para realizar una buena separación.
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3. OBJETIVOS 3.1. OBJETIVO GENERAL Estudiar el proceso de filtración por prensado de una solución de CaCO 3 por medio de una práctica a escala de laboratorio.
3.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS 3.2.1. Realizar la titulación de tres muestras obtenidas del proces o de filtrado para calcular la concentración de CaC03 en las mismas. 3.2.2. Calcular la resistencia del medio filtrante y de la torta por medio de la medición de la caída de presión a través del filtro y la medición del volumen de 14 muestras de flujo cada 10 segundos. 3.2.3. Determinar el porcentaje de humedad de la torta filtrada y la eficiencia del proceso mediante balances de masa.
4. ALCANCE Con esta práctica se busca realizar un proceso de filtro-prensa a una cantidad aproximada de 20 litros de una solución de CaCO 3 y agua por medio de un sistema de filtros soportados por marcos, con el fin de determinar el porcentaje de humedad de la torta filtrada y la eficiencia del proceso, para es to, es necesario realizar ciertas mediciones en balanzas y por medio de titulaciones, se toman 14 muestras de las cuales se titulan 3 tomando una inicial, final y una intermedia.
5. MARCO TEÓRICO La filtración es uno de los métodos físico-mecánicos más antiguo para la separación de mezclas de sustancias compuestas de diferentes fases el cual permite separar los componentes de la mezcla, generalmente una mezcla liquida-solida a través de un medio filtrante. El uso de un filtro permite atrapar las partículas de mayor tamaño o no disueltas en la mezcla heterogénea en orificios del medio filtrante. El líquido que ha sido objeto de permeado se denomina filtrado, mientras que la fracción retenida por el filtro se denomina residuo. 6
Con ayuda de la filtración se pueden separar componentes sólidos de suspensiones o gases, así como componentes líquidos de aerosol es o emulsiones. 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 (medio filtrante) 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, por ejemplo, en el análisis de alimentos; el ensayó de morteros, 'el análisis de humoso' en el control microbiológico entre otros [1].
5.1.
MEDIOS FILTRANTES
El medio filtrante se encarga de retener las partículas sólidas presentes en la mezcla. El medio filtrante de cualquier filtro debe cumplir los siguientes requerimientos:
Retención de sólidos: Hace que el líquido filtrado sea significativamente claro . Ser químicamente r esistente: Debe tener suficiente resistencia física para soportar las condiciones del proceso. Fácil remoción de sólidos: Permitir que la torta formada se desprenda de una forma limpia y completa. No ser muy costoso.
Tipos de Medios filtrantes:
Papeles filtro: El papel filtro es empleado en la clarificación debido a su superficie nueva, limpia y uniforme en cada ciclo de filtración. Placas de celulosa: Hacen parte de la gama de filtrantes, los cuales están fabricados en materiales como: Papel filtro, placas de celulosa, carbo-pads. Con un amplio rango de retención y medidas.
Algunas de sus aplicaciones: - Clarificación - Pulido - Esterilización. 7
Lonas y bolsas filtrantes: Las lonas y bolsas filtrantes están hechas de fibras naturales y/o sintéticas, tienen diferentes retenciones pa ra cualquier filtro. La eficiencia de la filtración depende del grado de retención de sólidos. Cartuchos filtrantes especializados para la industria farmacéutica: Es un tipo de medio filtrante utilizado en continuo, son principalmente de polipropileno, algodón o viscosa, así como cartuchos Parker.
5.2. TIPOS DE FILTROS: La elección del tipo de filtro más adecuado depende de muchos factores diferentes: de la especie a separar, de la cantidad y tamaño de partículas, del volumen y temperatura del medio a filtrar, así como del método de filtración y de la precisión requerida. Las exigencias para el filtro son tan diferentes como lo son cada uno de los campos de aplicación. Se tienen que tener en cuenta las características químicas y físicas de la muestra a filtrar, así como el consiguiente análisis o manipulación del precipitado o del filtrado.
Filtros de presión: Se le llaman filtros de presión a los filtros en los que la separación tiene lugar gracias a la presión que imprime la bomba de alimentación. En los filtros de presión, la superficie filtrante es la suma de las superficies de todos los elementos que se disponen en su interior, situados verticalmente, en paralelo y conectados a un colector único de salida de filtrado.
Filtros de tambor rotatorio al vacío: Como su nombre lo indica consiste en un tambor rotatorio soportado en un eje horizontal, el cual consta con una serie de compartimientos a lo largo del tambor. El tambor gira a un a razón de 0,1 a 2 rpm. Este tambor se encuentra contenido en un tanque abierto donde se encuentra contenido e l fluido a f iltrar, conf orme el tambor gira se genera un vacío en dichos compartimientos que tornan el fluido separándolo de las partículas sólidas, las cuales forman una capa en el exterior, filtrando de esta manera el f luido.
Filtros de bujías y de placas (Filtro prensa): En los filtros de bujías los elementos filtrantes tienen forma de bastón, mientras, que, en los filtros de placas, los elementos son superficies planas y dispuestas también en forma vertical. Para ambos tipos de filtros la filtración tiene lugar sobre todos los elementos filtrantes a la vez" de fuera hacia adentro, de forma que los sólidos filtrados se acumulan en toda su superficie externa. Esta acumulación de sólidos conlleva un aumento gradual de la pérdida de carga. Usualmente, cuando se llega a un valor de consigna se detiene la filtración y se procede a la desca r ga de los sólidos separados. 8
Estos equipos funcionan bajo variaciones en la presión de manera gradual e incluso a presión constante, generalmente son acoplados junto a sistemas de bomba centrífuga además de placas que pueden ser ubicadas de forma horizontal o vertical. Los márgenes de presión utilizados por lo general en estos equipos son entre 25 y 75 psig [2].
5.3 TITULACIÓN ÁCIDO BASE: El objetivo principal de la titulación de soluciones es determinar la concentración de una solución ácida (o básica) desconocida, esto se logra a través de la ad ición de pequeños volúmenes de una sustancia ácida (o básica) de concentración conocida a la solución que se va a analizar. El proceso se basa en la neutralización que se lleva a cabo entre las dos soluciones, ya que una es ácida y la otra es básica. Así, si sabemos la concentración de iones H de la solución valorada, podremos deducir la concentración de iones OH en la solución analizada, a partir del volumen de solución valorada usado para neutralizarla, pues la concentración de H debe ser igual a la concentración de OH. Cuando esto sucede se dice que se ha alcanzado el punto de equivalencia. La ecuación para determinar la concentración de la mezcla titulada basada en la muestra de concentración volumen definido es: C1V1 = C2V2 Para lograr hacer la comparación de la muestra titulada se usan indicadores de color lo cuales son útiles para definir el volumen de ácido utilizado, entre los más comunes encontramos [3]: • Naranja de metilo • Rojo de metilo • Azul de timol • Rojo de fenol
6. METODOLOGÍA 6.1.
Adicionar 240g de CaCO3 a una bandeja y pesarla. Comparar este peso con el peso de la bandeja vacía. Adicionar 20L de agua y mezclar de forma homogénea con la muestra de CaCO3. Cerciorarse de que el tanque quede completamente sellado. Verificar que la válvula de entrada del filtro este cerrada y la válvula de salida este completamente abierta.
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Activar la válvula de entrada de aire al tanque y ajustar a una presión constate de 25 psi. Abrir la válvula de entrada de solución al filtro y realizar la toma de datos de la caída de presión en el filtro cada 10 segundos. Tomar la muestra del flujo de salida hasta los 140 segundos (14 muestras). Medir los volúmenes de cada una de las muestras resultantes. Realizar la titulación de las muestras correspondientes.
6.2.
Hallar el caudal para cada una de las muestras. Mediante una gráfica caudal vs volumen, realizar una regresión lineal con el fin de conocer la ecuación de la gráfica. Determinar la resistencia del medio filtrante por medio de la ecuación hallada. Calcular la resistencia especifica de la torta.
6.3.
Retirar las placas del filtro y medio filtrante. Recuperar con una espátula el CaCO3 húmedo sobrante de las placas y del medio filtrante y pesarlo. Secar el CaCO3 en un horno a 150ºC durante 75 minutos. Pesar el CaCO3 seco. Calcular el porcentaje de humedad de la torta filtrada y la eficiencia del proceso.
7. ANÁLISIS Y RESULTADOS
7.1. CÁLCULO DE LA CONCENTRACIÓN DE LA MEZCLA TITULADA Y PÉRDIDA DE CACO3 Para la realización de la titulación se utilizan los siguientes elementos: La concentración de HCl usada para la titulación es: Los volúmenes de muestra son 50 ml.
0.05
Muestra Inicial:
: 0.6 10
ó 3: 6∙10− Muestra intermedia:
: 0.45 − ó 3: 4.5 ∙10 Muestra final:
: 0. 3 ó 3: 3∙10− Pérdida de caco3
Las pérdidas de carbonato de calcio se cuantifican como la diferencia entre la masa inicial del carbonato de calcio y la masa de carbonato en la torta y el filtrado:
%= ( ).100 %= (200 200 ).100 610− El número de equivalentes en gramo de muestra es: =6∙10−.50=0.03 10001 =310− = . = 100.2 08 = 50.04 = . = 50.04 .310− =1.501210− La muestra inicial de carbonato de calcio:
4.5∙10− =1.125910− La muestra final de carbonato de calcio: 3∙10− =7.50610− La muestra intermedia de carbonato de calcio:
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1.128910− = Wf − 179.42 2001. 1 28910 %= .100 200
Promedio de CaCO3 en el filtrado es =
%=10.29%
Se puede observar que las concentraciones de CaCO 3 en las muestras de filtrado a medida que pasa el tiempo va disminuyendo, esto se debe a que la cantidad de carbonato de calcio que es retenida por el filtro es mayor a medida que pasa el tiempo, impidiendo que gran parte de este pase a través del filtro. Por esta razón gran parte de la masa de los 200g iniciales de carbonato de calcio se queda en la torta de filtrado y la menor cantidad pasa a través del filtro, generando durante el proceso una pérdida del 10.29% de la masa inicial de CaCO 3.
7.2. RESISTENCIA DEL MEDIO FILTRANTE
Figura: Ecuaciones para el cálculo de las r esistencias del medio y de la torta [4]
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t/V vs V 200000,00 y = -1E+08x + 243692 R² = 0,8886
] 150000,00 3 m / s [ n 100000,00 e m u l o V / 50000,00 o p m e i 0,00 T
0,0005
0,0007
0,0009
0,0011
0,0013
0,0015
0,0017
0,0019
0,0021
-50000,00
Volumen [m3]
Grafica 1. Regresión para el cálculo de la resistencia del medio filtrante
Donde los parámetros de la ecuación lineal son: C=10 kg/m3 μ=1.10-3 Pa.s A= 3.9.10-3 m2 ΔP=27.464 Psi
Y despejando los parámetros desconocidos de Resistencia específica (a) y Resistencia del medio filtrante (Rm), entonces: Pendiente: [kp]=-1E+08
−100.30482.2 1∗10 1+08= 23.9∗10−27.46414432.174
=5.77∗10− [ ] Punto de corte: [B]=243692
− 2. 2 0. 3 048 1∗10 243692= 27.464 14432.1743.9∗10 − 13
=1.80∗10− [1 ] Del balance de masa del sistema se obtiene una ecuación que relaciona el inverso del caudal con el volumen, estos anteriores términos son las variables medibles de la práctica. Primeramente, se observa una disminución de la relación Tiempo/Volumen a medida que aumenta el volumen de filtrado. Al realizar la aproximación lineal de la tendencia de los puntos, se puede asumir que las variables de resistencia del medio son constantes, por lo tanto, es correcto asumir la regresión lineal como método de aproximación y los resultados son a=5.77. 10 -10 m/kg y Rm=1.80* 10-11 [1/m], por lo cual se puede resaltar que tanto la resistencia especifica como la del medio filtrantes son bajas.
7.3. EFICIENCIA DE OPERACIÓN Y CÁLCULO DE CONCENTRACIÓN DE TORTA DE FILTRADO
=100%é=10010.29=89.71%
La eficiencia de la operación es de 89.71% debido a que una parte de los 200g de carbonato de calcio inicial se pierde en las muestras que se toman durante el proceso. Considerando esto podemos analizar que si 200g iniciales son el 100% de la masa, para una eficiencia del 100% se puede considerar un filtrado perfecto en donde las perdidas sean 0, sin embargo esto no ocurrió y se perdió poco más de 20g de carbonato de calcio, equivalente al % de pérdidas. Haciendo la respectiva resta entre el proceso ideal y las perdidas, obtenemos un % de eficiencia reflejado en la cantidad de masa retenida por el filtro.
Cálculo de concentración de torta de filtrado
La cantidad de agua que hay entre la torta de filtrado se calcula como la diferencia entre la humedad de la torta menos la humedad de la torta seca:
%= (ℎ ℎ )∗100 %= (226.4200 226.4 ).100 = 11.66 % 14
Si la torta estuviese completamente seca el % de humedad sería prácticamente 0. Sin embargo debido a que se crea una masa húmeda sobre el filtro producto de la mezcla del agua con el carbonato de sodio, parte de este total de agua en dicha solución es retenida por el sólido que no pasa a través del filtro, generando una acumulación en la torta tanto de carbonato de calcio como de agua. Esta masa de agua retenida se puede ver reflejada a través del % de humedad, equivalente al 11.66% de la masa total de la torta de filtrado, es decir, 26.4g de agua.
8. . RECOMENDACIONES 8.1. Realizar un adecuado montaje del medio filtrante es fundamental para que el proceso se lleve a cabo adecuadamente y que pueda filtrar de forma adecuada. 8.2. La toma de la medida del volumen de las 14 muestras durante los diez segundo debe ser muy buena si se quiere obtener buenos resultado, por ello, la persona que lo realice debe estar muy pendiente y tratar de ser lo más preciso posible. 8.3. En el momento de realizar la titulación se debe ser muy cuidadoso al agrega r la cantidad exacta de marcador y tener alta sensibilidad para agregar el ácido, por otra parte, se recomienda que más de una persona realice la visualización en cuanto al cambio de la turbidez del medio para estar más seguro de los resultados obtenidos en este paso.
9. CONCLUSIONES 9.1. La eficiencia de operación del proceso de filtración es alta de aproximadamente 89.71%, esto puede ocurrir debido a que no se presentaron taponamientos en el equipo, fugas de la mezcla de carbonato de sodio con agua y el tamaño del poro de filtro es el adecuado para realizar una buena separación. Además, podemos afirmar que en el proceso de filtrado se genera una torta húmeda, la cual se envía a un proceso de secado con el fin de disminuir su humedad donde como resultado una torta con un porcentaje de humedad baja de 11.66%. 9.2. Las variables que afectan la resistencia del medio filtrante son constante debido a esto se le realiza un regresión lineal obteniendo resultado coherentes 15
como Rm= 1.80* 10-11 [1/m], lo que se puede aproximar a cero, esto me indica que el medio filtrante no opone resistencia al realizar el proceso de separación.
9.3. Por último, se puede concluir por medio de la titulación de las muestras inicial, intermedia y final que la concentración de CaCo3 va disminuyendo, lo cual es lógico ya que con el transcurso del tiempo debe disminuir la concentración del solido en la mezcla debido a que queda retenido en el filtro.
10. BIBLIOGRAFÍA [1] Acef e S.A. (15 de enero de http://www.acefesa.es/filtral filtracion.pdf
2017).
Acefesa.es.
Obtenido
de
[2] Grup TEFSA. (16 de enero de 2017). Técnicas de filtración S.A - Sitio Web. Obtenido de http://www.gruptefsa.eomlsp/fp.htm [3] GuntHamburg. (17 de enero de 2017). Gunthamburg. Obtenido de http://www.guntde/networks/guntlsites/s1/rnmcontentlpr odIDctbilder/08328700/Dat enbla/08328700%204.pdf. [4] Roberti, D. Operación unitaria filtración. http://www.monografias.com/operacion-filtracion
16
(2015).
Recuperado
de
