LABORATORIO FILTRACION

7/31/2019 LABORATORIO FILTRACION

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO

FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA

LABORATORIO DE INGENIERIA QUIMICA II Pgina 1

PRACTICA DE LABORATORIO # 01

FILTRACION

I. OBJETIVO

Entender los principios bsicos de la filtracin a travs de la experiencia volcada en ellaboratorio.

Determinar la resistencia del medio filtrante.

Determinar la resistencia especifica de la torta.

II. FUNDAMENTO TERICO.

La filtracin consiste en la separacin de partculas slidas contenidas en un fluido, pasando atravs de un medio filtrante sobre el que se depositan los slidos. La torta se establece

gradualmente incrementndose de forma progresiva la resistencia al flujo. Durante el periodo

inicial se depositan partculas en la capa superior de la tela formndose el verdadero medio

filtrante; este depsito inicial puede efectuarse mediante un primer flujo especial de material

adecuado. Las variables que intervienen en la velocidad de filtracin son:

La cada de presin desde la alimentacin hasta el lado ms lejano del medio filtrante.

El rea de la superficie filtrante.

La viscosidad del filtrado.

La resistencia de la torta filtrante.

La resistencia del medio filtrante y de las capas iniciales de la torta.

Las aplicaciones de la filtracin en las industrias pastero-papeleras, se produce tanto en la

obtencin de la pasta de celulosa, como en la fabricacin de papel y en el tratamiento de los

efluentes residuales, a continuacin se concretan algunas aplicaciones:

Lavado de la pasta (recuperacin de reactivos).

Blanqueo.

Espesado de la pasta.

En la mesa plana de fabricacin de papel (desgote).

En las formas redondas de fabricacin del cartn.

Recuperacin de fibras (filtros de discos).

LOS MEDIOS FILTRANTES

La eleccin del medio filtrante es, por lo general, la consideracin ms importante para

asegurar el funcionamiento satisfactorio de un filtro, las caractersticas ms destacadas son:


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Capacidad para retener los slidos sobre sus poros con rapidez. Velocidad baja de arrastre de slido dentro de sus intersticios. Resistencia mnima al flujo de fluido. Resistencia a los ataques qumicos. Suficiente resistencia para sostener la presin de filtracin. Resistencia al desgaste mecnico. Facilidad para descargar tortas y limpieza. Capacidad de adaptarse al tipo de filtro del mismo. Coste mnimo.

Filtros de lecho profundo

Abiertos (por gravedad) Cerrados (por presin)

Filtros de superficie.

Cedazos y coladores Filtros de manga Filtros prensas Filtros de presin de hoja Tambor rotatorio Filtros bandas

2.1Fundamentos de filtracin.

Para una suspensin determinada en un filtro dado, la variable principal que puede controla eloperador es la cada de presin global.

S la diferencia de presin es constante la velocidad del flujo es mxima al comienzo de la

filtracin y disminuye constantemente hasta el final a este proceso se denomina filtracin a

presin constante (P = Cte)

Cuando vara la cada de presin, se comienza con un valor pequeo que va aumentando con el

transcurso de la operacin, ya sea progresivamente o por etapas. hasta alcanzar un mximo al

final. El mtodo llamado filtracin a velocidad constante consiste en mantener constante la

velocidad del flujo aumentando progresivamente la de entrada (V/ T= Cte)

Una seccin de la torta y un medio filtrante al cabo de un tiempo t desde el comienzo del

flujo de filtrado nos permite hacer un anlisis de esta operacin, en este instante el espesor de

la torta medido desde el medio filtrante es L

El rea del filtro, medido perpendicularmente a la direccin de flujo es A, y considerando que

en un lecho filtrante la velocidad es lo suficientemente baja para considerar que el flujo sea


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laminar, decimos que el flujo del filtrado a travs del lecho de la torta empacada puede

expresarse usando la ecuacin de Poiseville para tubos rectos

2

32

D

v

L

P

(1)

Donde:

P = Cada de presin en N/m2

v = Velocidad en el tubo abierto en m/s

D = Dimetro en m

L = Longitud en m

= Viscosidad en Pa-s

Sabiendo que para un flujo laminar en lecho empacado se aplica la ecuacin de Koseny-

Craman

2

22

)1(17.4e

SevLP

(2)

P = Cada de presin en N/m2

v = Velocidad lineal basado en el rea de filtraciom en m/s

e = Porosidad de la torta

L = Longitud en m

S = Superficie especifica de las particulas m-1

u = Viscosidad de filtrado en Pa-s

Adems sabiendo que la velocidad lineal se puede expresar como


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)(dtA

dVv .. (3)

(dV/dt) = Volumen del filtrado en m3 recolectado en un tiempo (s)

A = rea transversal del filtro

Y haciendo un balance de materia en la torta.

)()1( eLAVCeLA sp (4)

p = densidad de las partculas en la torta Kg/m3

CS = Kg slido / m3 de filtrado

De las ecuaciones (2) y (3)

A

VC

P

Ae

SeVC

P

dtA

dV

s

torta

p

s

torta

3

2)1(17.4)( (5)

Donde

La resistencia especifica de la torta en m/Kg

3

2)1(17.4

e

Se

p

(6)

Por analoga para la resistencia del medio filtrante

m

mf

R

P

dtAdV

)( (7)

Donde:

Rm = Resistencia del medio filtrante m-1


5/26




mfP = Cada de presin en el medio filtrante N/m2

Puesto que la resistencia de la torta del os medio filtrante estn en serie pueden combinarse

con las ecuaciones (5) y (6) y tener finalmente:

)()(

m

s

torta

RA

VC

P

dtA

dV

..(8)

Donde

P = Ptorta= Pmf

Resistencia especifica de la torta

La ecuacin (6) Indica que la resistencia es una fraccin de los espacios vacos y de la superficie

especifica de las partculas ( S ). Tambin es funcin de la presin, pues esta puede afectar a la

porosidad (e) cuando la suspensin esta conformada por partculas compresibles

La variacin de con respecto a la presin puede determinarse por medios de experimentales

a diferentes cadas de presin constante.

S la torta es independiente de la cada de presin, la torta es incomprensible, pero por lo

general aumenta con P, pues la mayora de las tortas son algo compresibles. Una ecuacin deuso emprico y de uso comn es:

sP)(

0

..(9)

s = Factor de compresibilidad (0.1-0.8 para los comprensibles)

Filtracin a presin constante.

Ecuacin general:

bmxBVKPA

R

pA

VC

dV

dtp

ms

2

.(10)


6/26




pA

CK sp

2

pA

RB

m

Donde Kp (s/m6) y B = s/ m3

Integrando la ecuacin para presin constante y constante se tiene

vv

p

v

m

v

s

t

BdVVdVKPA

R

pA

VC

dV

dt

0000

2

0

.(11)

pA

C

Ks

p

2

pA

R

Bm


bmxBVK

V

t p

2


7/26




III. PARTE EXPERIMENTAL.

Equipos y materiales.

Carbonato de calcio CaCO3. 1 cronometro. 1 equipo de filtracin. 1 probeta de 1000 mL. 1 compresor de aire. 1 medidor de presin en Psia.

Tela para la filtracin. Balanza. Agua. Recipiente para mezclar la

solucin.

Procedimiento

Se prepara el equipo de filtracin colocando la tela filtrante en la parte inferior del equipo

y tratando que cubra toda la boca del equipo.

Se manipula las vlvulas de entrada y salida del aire para mantener la presin constante

de trabajo.

Se prepara 300gr. y 500 gr. de carbonato de calcio, con esto tendremos una concentracin

de 60 y 100 gr/Lt.

Se mide la temperatura de la mezcla que es 20C, esto es referencial ya que nuestro

equipo est trabajando a temperatura constante.

Se prepara la probeta previamente calibrada para medir el aumento del filtrado esto es

con respecto al tiempo.

Se aade la mezcla en el equipo de filtracin se cierra y se hace pasar el aire, que se est

agregando por la compresora.

Se procede ahora a manipular las vlvulas de aire para mantener la presin constante (20,

30, 40 psi), mientras una persona toma los tiempos y por ultimo una persona observa y

avisa cada 100 ml.


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CALCULOS REALIZADOSEXPERIENCIAS:

Segn nuestro diseo factorial se tiene el nmero de experiencias a realizar

# de experiencias X1 X2 Y01 - - Y1

02 + - Y2

03 - + Y304 + + Y4

Como la experiencia a presin 30 psi es de descarte no se hace presente en la tabla.

# de experiencias X1 X2 Y

01 20 60 Y1

02 40 60 Y2

03 20 100 Y304 40 100 Y4

Con ello encontrar el valor optimo.

Para 300g de carbonato en 5 litros de agua (60gr/Lt) en concentracin:

P=20psi

VOLUMEN

(ml)

100 200 300 400 500

TIEMPO

(segundos)

9.0 24 40 58 76

P=30psi

VOLUMEN

(ml)

100 200 300 400 500

TIEMPO

(segundos)

9.54 21.46 32.03 44.11 55.45

P = 40 psi

VOLUMEN

(ml)

100 200 300 400 500

TIEMPO

(segundos)

6.34 11.84 16.12 21.75 28.06

Para 500g de carbonato en 5 litros de agua (100gr/Lt) en concentracin:

P=20psi

VOLUMEN

(ml)

100 200 300 400 500 600 700 800


9/26




TIEMPO

(segundos)

5.0 11.03 19.53 32.71 47.06 60.06 87.0 116.0

P=30psi

VOLUMEN

(ml)

100 200 300 400 500 600 700 800

TIEMPO(segundos)

12.65 32.42 52.41 74.0 98.0 124.0 149.0 175.0

P=40psi

VOLUMEN

(ml)

100 200 300 400 500 600 700 800

TIEMPO

(segundos)

16.56 32.83 52.21 71.1 95 113 132.0 152.0


10/26




IV.-RESULTADOS Y DISCUSION

La grafica es T/V vs V para una presin de 20psi para una concentracin de 60g/Lt.

En la tabla se encuentran los datos calculados:

.(11)

pA

CK s

p

2

pA

RB m


0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

160000

0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006

Chart Title

V (m3)

t/v

V (m3) t(s) t/v

0.0001 9.0 90000

0.0002 24 120000

0.0003 40 133333.333

0.0004 58 145000

0.0005 76 152000

bmxBVK

V

t p

2


11/26




Segn la tendencia de los puntos y eliminando algunos, se tiene la tendencia de lagrfica y encontraremos

m = 2*108 Kp = 1*108

B = 78486

Siendo los datos siguientes:

VISCOSIDAD: 0.0008937 Pa * S AREA DE LA SUPERCIFIE: 0.03205 m2

CONCENTRACION: 60 KG/m3

La cada de presin: 137850.3401 N/m2

Luego el = 2.5708*1014

Luego Rm = 3.88004*1011

y = 2E+08x + 78486

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

160000

180000

0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006

t/v

t/v

Linear (t/v)


12/26






V (m3) t(s) t/v

0.0001 9.54 95400

0.0002 21.46 107300

0.0003 32.03 106766.67

0.0004 44.11 110275

0.0005 55.45 110900

Siguiendo la tendencia se tiene la grafica:

94000

96000

98000

100000

102000

104000

106000

108000

110000

112000

0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006

t/v

t/v

y = 1E+07x + 104941

107000

108000

109000

110000

111000

112000

0 0.0002 0.0004 0.0006

t/v

t/v

Linear (t/v)


13/26






V (m3) t(s) t/v

0.0001 6.34 63400

0.0002 11.84 59200

0.0003 16.12 53733.333

0.0004 21.75 54375

0.0005 28.06 56120

Se tiene la lnea de tendencia en la grafica

52000

54000

56000

58000

60000

62000

64000

0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006

t/v

t/v

y = 1E+07x + 49969

53000

53500

54000

54500

55000

55500

56000

56500

0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006

t/v

t/v

Linear (t/v)


14/26




La grafica es T/V vs V para una presin de 20psi para una concentracin de 100g/lt.



0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

160000

0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001

t/v

t/v

y = 1E+08x + 28599

0

50000

100000

150000

200000

0 0.0005 0.001

t/v

t/v

Linear (t/v)

V (m3) t(s) t/v

0.0001 5 50000

0.0002 11.03 55150

0.0003 19.53 65100

0.0004 32.71 81775

0.0005 47.06 94120

0.0006 60.06 100100

0.0007 87 124285.71

0.0008 116 145000


15/26






V (m3) t(s) t/v

0.0001 12.65 126500

0.0002 32.42 162100

0.0003 52.41 174700

0.0004 74 185000

0.0005 98 196000

0.0006 124 206666.67

0.0007 149 212857.14

0.0008 175 218750


0

50000

100000

150000

200000

250000

0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001

t/v

t/v

y = 1E+08x + 145880

0

50000

100000

150000

200000

250000

0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001

t/v

t/v

Linear (t/v)


16/26






V (m3) t(s) t/v

0.0001 16.56 165600

0.0002 32.83 164150

0.0003 52.21 174033.33

0.0004 71.1 177750

0.0005 95 190000

0.0006 113 188333.33

0.0007 132 188571.43

0.0008 152 190000


160000

165000

170000

175000

180000

185000

190000

0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006 0.0007

t/v

t/v

y = 5E+07x + 160628

160000

165000

170000

175000

180000

185000

190000

0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008

t/v

t/v

Linear (t/v)


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Por lo tanto se realiza los clculos y se ubicaran en la tabla siguiente con las ecuaciones:

VISCOSIDAD: 0.0008937 Pa * S

AREA DE LA SUPERCIFIE: 0.03205 m2

CONCENTRACION: 60 KG/m3

.(11)

pA

CK s

p

2

pA

RB m


Para los siguientes clculos es cuando la concentracin es 100Kg/m3

Luego determinaremos el factor de compresibilidad:

s = Factor de compresibilidad (0.1 para los comprensibles).

P= Cada de presin en el medio filtrante N/m2

P(psi) Rm

20 1.05628*1012 3.88004*1011

30 7.9221*1010

7.78181*1011

40 1.05628*1010

4.94054*1011

P(psi) Rm20 3.16885*1011 1.41382*1011

30 4.75328*1011

1.08176*1012

40 3.16885*1011

1.5882*1012

bmxBVK

V

t p

2

sP)(0

)ln(.lnln0

Ps


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Para una concentracin de 60Kg/m3

Luego ubicaremos la tendencia para la grafica:

24.5

25

25.526

26.5

27

27.5

28

11.6 11.8 12 12.2 12.4 12.6

ln

ln

y = -3.5232x + 69.038

24.525

25.5

26

26.5

27

27.5

28

11.6 11.8 12 12.2 12.4 12.6

ln

ln

Linear (ln )

P (N/m2) ln ln P

137850.3401 1.05628*1012

27.68578 11.83392

206775.5102 7.9221*1010

25.09551 12.23939

275700.6803 1.05628*1010 25.38319 12.52707


19/26




Para una concentracin de 100Kg/m3

Luego ubicaremos la tendencia para la grafica:

25.5

26

26.5

27

27.5

28

28.5

11.6 11.8 12 12.2 12.4 12.6

ln

ln

y = 3.59x - 16.639

25.5

26

26.5

27

27.5

28

28.5

11.6 11.8 12 12.2 12.4 12.6

ln

ln

Linear (ln )

P (N/m2) ln ln P

137850.3401 1.413823*1011

25.67473 11.83392

206775.5102 1.081761*1012

27.70961 12.23939275700.6803 1.588164*1012 28.09359 12.52707


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CUESTIONARIO.

Filtro-Prensa de Placas y Marcos

Separacin de slidos de suspensiones por medio de un filtro-prensa de placas y

marcos1

* Filtracin discontinua con formacin de torta1

* Ensayos prcticos a escala de laboratorio

Descripcin

Los filtros-prensa de placas y marcos utilizan, por ejemplo, en la industria de

fabricacin de bebidas, para clarificar los productos intermedios.

Se prepara una suspensin de tierra de diatomeas en agua (se recomienda) en un

depsito. Los slidos se mantienen en suspensin con una bomba y para que no se

sedimente. La bomba trasiega la suspensin a las celdas de separacin del filtro-prensa

de placas y marcos. Una celda de separacin est formada formado por un marco con

filtro y dos placas. Las placas provistas de ranuras y estn recubiertas con tela filtrante.

El filtrado atraviesa la tela filtrante y fluye por las ranuras a un canal continuo de

recogida y se recoge en el depsito de filtrado. Los slidos son retenidos por la tela

filtrante y forma

una torta filtrante de espesor creciente. El aumento de espesor de la torta filtrante

aumenta tambin su resistencia hidrulica. Cuando se llenan las cmaras o se alcanza

una presin diferencial mxima, termina la etapa til de filtracin. Las placas y los


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marcos del filtro-prensa de placas y marcos se desarma el filtro para extraer la torta

filtrante. Para continuar el proceso de filtracin, se tiene que armar el filtro de nuevo

con las placas y los marcos apretndolos con un husillo. La fuerza ejercida por la prensa

de husillo hace se encarga de que no haya fugas de suspensin a travs de las caras de

contacto de las placas y los marcos, obligndola a pasar a presin a travs de la telafiltrante. La velocidad de fitracin a travs del filtro-prensa de placas y marcos se fijs

con una vlvula. La presin diferencial que se origina durante la filtracin se se mide

con indica en un manmetro. El depsito de filtrado tiene una escala graduada para

determinar el caudal con la ayuda de un cronmetro. Se suministra un turbidmetro

para determinar la concentracin de slidos del filtrado. Para realizar los anlisis de los

ensayos, se recomienda disponer de una estufa de bandejas.

1 armario de distribucin, 2 depsito de la suspensin, 3 salida y rebosadero del

depsito de filtrado, 4 depsito de filtrado, 5 prensa de husillo, 6 filtro-prensa de placas

y marcos


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1 depsito con bomba de trasiego, 2 depsito de filtrado, 3 rebosadero, 4 filtro-prensa

de placas y marcos, T termmetro, P manmetro

Principio bsico de un filtro-prensa de placas y marcos: 1 entrada de la suspensin, 2

fuerza aplicada por la prensa, 3 salida de filtrado, 4 cmaras de filtracin, 5 tela

filtrante, 6 marco, 7 placa, 8 torta filtrante

Filtro de hojas: se operan de manera discontinua o por cargas. Consisten en una serie

de elementos filtrantes planos, denominados hojas, que se encuentran en el interior de

una carcasa presurizada. Como caractersticas fundamentales cuenta con una mayor

uniformidad y mejor separacin de la torta, una mayor facilidad de lavado y de

instalacin de la tela. Aunque inicialmente diseado para trabajar a vaco, los tipos

posteriormente desarrollados operan a presin pudiendo aplicar presiones superiores alas que son posibles en el filtro prensa. Se emplea preferentemente en caso de que se

requiera un lavado eficaz de la torta. Las hojas pueden tener diferentes formas

(rectangulares o circulares) y las carcasas pueden estar dispuestas horizontal o

verticalmente.

Filtros rotativos a vaco: son muy empleados debido a que trabajan en continuo y a su

bajo coste de operacin motivado por su funcionamiento automtico. Se emplea para

materiales de filtracin poco complicados. Posee una gran capacidad en relacin a su

tamao. Dentro de los filtros rotativos se tienen dos tipos:

De tambor rotativo: consiste en un cilindro puesto horizontalmente, cuya superficie

exterior est formada por una plancha perforada sobre la que se fija la tela filtrante. El

cilindro est dividido en una serie de sectores que se encuentran conectados a travs

de una vlvula rotativa. El tambor est parcialmente sumergido en una cuba a que se

alimenta la suspensin a filtrar y se aplica vaco en los sectores sumergidos. De esta

manera se forma una torta del espesor deseado ajustando la velocidad de rotacin del


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tambor. Para retirar la torta del tambor se pueden seguir varios procedimientos. Lo

ms frecuente es emplear una cuchilla fija o rasqueta para descargar la torta, pero si

resulta difcil de desprender tambin se puede realizar dicha operacin por medio de

una cuerda o de un rodillo.

Filtro de tambor

pre-recubrimiento: se emplea cuando el material forma una torta de elevadaresistencia. En primer lugar se provoca la formacin de una gruesa capa de un material

de muy fcil filtracin sobre el medio filtrante para luego que se produzca la filtracin a

travs de esta capa. As la torta formada es muy delgada y se retira junto con una fina

capa del material de recubrimiento.


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PROBLEMA DE APLICACIN

Se ha ensayado la filtracin de una suspensin de CaCO3 en agua a 25 C y los datos se

presentan a continuacin:

Tiempo (Seg) Volumen del Filtrado( L)

4.4 0.498

9.5 1.000

16.3 1.501

24.6 2.000

34.7 2.498

46.1 3.002

59 3.506

73.6 4.004

89.4 4.502

107.3 5.009

La experiencia se ha realizado a presin constante (cada de presin en el filtro igual a

338 kPa). El equipo utilizado es un pequeo filtro prensa con un rea de filtracin de

0,0439 m2. La concentracin de la suspensin es de 23,47 kg/m3.


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Calcular las constantes de la ecuacin de filtracin.

t/v V (m3)

8835,3 4,90E-04

9500 1,00E-03

10859 1,50E-03

12300 2,00E-03

13891 2,40E-03

15356 3,00E-03

16828 3,50E-03

18381 4,00E-03

19857 4,50E-03

21421 5,00E-03

Y1 = 123.731683V + 8970.86

0

5000

10000

15000

20000

25000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

V (m3)

t/v


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LABORATORIO FILTRACION

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