Universidad Universidad Autónoma Autónoma de Yu Yucatán Facultad de Ingeniería Química
SEPARACIO NES MECÁNICAS
PRÁCTICA 2: FILTRO PRENSA
Integrantes: • • • •
Cintia Andrade Moo Karen González Suaste ulma !icalde Ca" #anessa $re%o Ar%ona Ar%on a
Mtro&' Carlos !u"io Atoc(e I.Q.I
Grupo 2
Práctica 2: Filtro Prensa Separaciones Mecánicas
Índice
Antecedentes))))))))))))))))))))))))))&* Conce+tos teóricos)))))))))))))))))))))))), -escri+ción del ./ui+o))))))))))))))))))))))&0 1"%etivos))))))))))))))))))))))))))))2 Materiales)))))))))))))))))))))))))))&&2 Metodología de la +ráctica)))))))))))))))))))))2 !esultados)))))))))))))))))))))))))))33 Análisis de resultados))))))))))))))))))))))) 34 Conclusión)))))))))))))))))))))))))))35 6i"liogra7ía))))))))))))))))))))))))))&&&35 Ane8os))))))))))))))))))))))))))))&&39
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Práctica 2: Filtro Prensa Separaciones Mecánicas
Antecedentes :a se+aración mecánica se +uede a+licar a mezclas (eterog;neas& :as t;cnicas se "asan en di7erencias 7ísicas entre las +artículas< tales como el tama=o< la 7orma o la densidad& Se a+lican +ara se+arar lí/uidos de lí/uidos< sólidos de gases< lí/uidos de gases< sólidos de sólidos > sólidos de lí/uidos& (3) .stos m;todos es+eciales se "asan en las di7erencias entre la 7acilidad de mo%ado o en las +ro+iedades el;ctricas< o magn;ticas de las sustancias& :a 7iltración es la se+aración de +artículas sólidas contenidas en un 7luido< +asándolo a trav;s de un medio 7iltrante< so"re el /ue se de+ositan los sólidos& :a 7iltración industrial va desde el sim+le colado (asta se+araciones más com+le%as& .l 7luido +uede ser un lí/uido o un gas? las +artículas sólidas +ueden ser gruesas o 7inas< rígidas o 7le8i"les< redondas o alargadas< se+aradas o agregadas& :a sus+ensión de alimentación +uede llevar una 7racción elevada o mu> "a%a 4@'5 en volumen de sólidos& B4 Se denomina filtración al +roceso de se+aración de +artículas sólidas de un lí/uido utilizando un material +oroso llamado filtro. :a t;cnica consiste en verter la mezcla sólido' lí/uido /ue se /uiere tratar so"re un 7iltro /ue +ermita el +aso del lí/uido +ero /ue retenga las +artículas sólidas& .l lí/uido /ue atraviesa el 7iltro se denomina filtrado& (3) :a 7iltración tiene +or o"%eto la clari7icación de lí/uidos< la recu+eración de sólidos > lí/uidos< 7acilitar otras o+eraciones como secado > lavado de materiales etc& :as +rinci+ales varia"les /ue a7ectan al +roceso de 7iltración > /ue de"en tomarse en cuenta +ara seleccionar< dise=ar u o+erar un e/ui+o sonD #aria"les de +rocesoD :a concentración de sólidos< el tama=o de +artícula< la tem+eratura< .l E< :a viscosidad > densidad& #aria"les de dise=oD rea de 7iltración< caída de +resión a trav;s del 7iltro< resistencia del medio 7iltrante< 7lu%o de 7iltrado< Cantidad de sólidos retenidos< umedad de la torta< $iem+o de lavado&
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Práctica 2: Filtro Prensa Separaciones Mecánicas
Conce+tos teóricos :os 7iltros se dividen en tres gru+os +rinci+alesD filtros de torta, filtros clarificadores y filtros de flujo transversal & :os 7iltros de torta se+aran grandes cantidades de sólidos en
7orma de una torta de cristales o un lodo< tal como se ilustra en la figura 1. Con 7recuencia inclu>en dis+ositivos +ara el lavado de la torta > +ara eliminar la ma>or +arte +osi"le del lí/uido en los sólidos antes de su descarga& :os 7iltros clari7icadores retiran +e/ue=as cantidades de sólidos +ara +roducir un gas lim+io o lí/uidos trans+arentes< tales como "e"idas& :as +artículas del sólido son atra+adas en el interior del medio 7iltrante tal como se indica en la figura 1< o en las su+er7icies e8ternas& :os 7iltros clari7icadores di7ieren de los tamices en /ue los +oros del medio 7iltrante son muc(o ma>ores en diámetro /ue las +artículas a ser eliminadas& .n un 7iltro de 7lu%o transversal la sus+ensión de la alimentación 7lu>e "a%o +resión a velocidades ligeramente altas atravesando el medio 7iltrante B7igura& Forma una ca+a delgada de sólidos en la su+er7icie del medio< +ero la alta velocidad del lí/uido mantiene la ca+a 7ormada& .l medio 7iltrante es una mem"rana de cerámica< metal o de un +olímero con +oros lo su7icientemente +e/ue=os +ara e8cluir la ma>oría de las +artículas sus+endidas& Earte del lí/uido +asa a trav;s del medio como 7iltrado claro< de%ando atrás una sus+ensión más concentrada& (1)
Figura ! Mecanismos de fltración
Con a>uda de la 7iltración se +ueden se+arar com+onentes sólidos de sus+ensiones o gases< así como com+onentes lí/uidos de aerosoles o emulsiones& Mediante un 7iltro (idró7o"o se +uede 7iltrar& +&e%& agua de com"usti"les& Aire u otros gases se +ueden lim+iar de aerosoles 3
Práctica 2: Filtro Prensa Separaciones Mecánicas de agua< aceite o al/uitrán& (1)&&.n 7unción del +ro"lema o "ien de la 7inalidad de la
7iltración< se distingue entre 7iltración de se+aración o 7iltración clari7icante& .n el caso de la 7iltración de se+aración< se trata de recu+erar un determinado sólido de un lí/uido Btorta de 7iltrado +ara seguir tra"a%ando con el sólido& A/uí no es im+rescindi"le /ue todas las +artículas sean eliminadas del lí/uido& Contrariamente< en la 7iltración clari7icante< el lí/uido se de"e lim+iar en lo +osi"le com+letamente de com+onentes indeseados o +reci+itados< +ara +oder seguir tra"a%ando con el lí/uido +uri7icado& :a 7iltración tiene una am+lia gama de a+licacionesD desde el +rocedimiento analítico en el la"oratorio (asta a+licaciones t;cnicas en grandes líneas de +roducción& .n +rácticamente todas las ramas industriales se 7iltra H >a sea +&e%& en el análisis de alimentos< el ensa>o de morteros< el análisis de (umos o en el control micro"iológico& Filtro prensa. Un 7iltro +rensa contiene un con%unto de +lacas dise=adas +ara +ro+orcionar
una serie de cámaras o com+artimentos en los /ue se +ueden recoger los sólidos& :as +lacas se recu"ren con un medio 7iltrante tal como una lona& :a sus+ensión se introduce en cada com+artimento "a%o +resión? el lí/uido +asa a trav;s de la lona > sale a trav;s de una tu"ería de descarga< de%ando detrás una torta de sólidos (meda.(1) :as +lacas de un 7iltro +rensa +ueden ser cuadradas o circulares< verticales u (orizontales& :o más 7recuente es /ue los com+artimentos +ara sólidos est;n 7ormados +or (uecos en las caras de +lacas de +oli+ro+ileno moldeado& :as +lacas > los marcos se sitan de 7ormar vertical en un "astidor metálico< con telas /ue cu"ren las caras de cada +laca< > se aco+lan estrec(amente entre sí +or medio de un tornillo o una +rensa (idráulica& :a sus+ensión entra +or un e8tremo del con%unto de +lacas > marcos< > +asa a trav;s de una es/uina< (acia el canal /ue recorre el e/ui+o de modo longitudinal& :os canales au8iliares llevan la sus+ensión desde el canal de entrada (asta cada uno de los marcos& A/uí los sólidos se de+ositan en las caras cu"iertas de tela de las +lacas& .l lí/uido +asa a trav;s de las telas< desciende +or las canaladuras de las caras de las +lacas > sale del 7iltro +rensa&
4
Práctica 2: Filtro Prensa Separaciones Mecánicas
Figura 2! iltro !rensa e"#i!ado !ara o!eración Ecuaciones básicas que definen la filtracin. .l +ro+ósito 7undamental de la 7iltración es o"tener un 7luido li"re de +artículas sólidas o semisólidas llamado 7lu%o de 7iltrado B/& (2) Como el 7lu%o de 7iltrado B/ de+ende de una 7uerza im+ulsora en este caso< una di7erencia de +resiones B' JE > e8iste una resistencia B! del medio 7iltrante > de los sólidos de+ositados /ue se o+one al 7lu%o< lo anterior se +uede e8+resar matemáticamente comoD -onde K es la constante de +ro+orcionalidad / LB'JE!
B3
/ N KO B'JE!
B*
-urante la 7iltración los sólidos se de+ositan so"re el medio 7iltrante< > el es+esor de la ca+a de sólidos Btorta se incrementa< al mismo tiem+o se 7orman canales o ca+ilares entre los sólidos +or donde 7lu>e el 7iltrado en 7orma laminar& :a resistencia de"ida a estos sólidos se incrementa tam"i;n< entonces la cantidad de 7lu%o de 7iltrado disminu>e& (2)
:a ecuación /ue +ermite cuanti7icar la velocidad de un 7luido en canales es la ecuación de Eoiseuille /uien +u"licó< en 304* la cual +ermite +redecir el e7ecto +otencial de la disminución del tama=o del ca+ilar so"re el 7lu%o > en el caso de la 7iltración so"re la resistencia de la torta< una relación matemática del 7lu%o de un lí/uido a trav;s de un ca+ilarD / N Pr4 B JE 0R:
B,
-ondeD / N 7lu%o del 7luido r N radio del ca+ilar B' JE N caída de +resión a trav;s del ca+ilar R N viscosidad del 7luido
5
Práctica 2: Filtro Prensa Separaciones Mecánicas : N longitud del ca+ilar Eosteriormente -arc> en 3059 descri"ió la velocidad del 7lu%o de aguas su"terráneas en estratos del suelo mediante la siguiente relaciónD u N BK3 B' JE :
B4
-ondeD uN velocidad del 7luido< K3 N coe7iciente de +ermea"ilidad del lec(o JE N caída de +resión a trav;s del lec(o : N es+esor del lec(o +oroso -esde el +unto de vista +ráctico es mas im+ortante determinar el 7lu%o de 7iltrado B/ /ue la velocidad del 7luido Bu& Eor otra +arte si el 7lu%o volum;trico en un canal está dado +orD /N d#dtNu A B5 -ondeDd# dt N es el cam"io de volumen con res+ecto al tiem+o B7lu%o volum;trico& AN área transversal del canal .ntonces< si la ecuación B4 se multi+lica +or el área transversal > se introduce la viscosidad del 7luido como otra resistencia al 7lu%o > se sustitu>e en la ecuacuón B5 o"tiene la ecuación modi7icada de -arc>D
q=
(− ∆ P ) dV A ( 6) = K dt μL 1
Si a la ecuación de Eoiseuille< B, se multi+lica tam"i;n +or el área se +uede escri"ir asíD 2
2
dV r (− ∆ P ) π D q= = (7 ) dt 8 μL ( 4 )
Agru+ando las constantes tam"i;n +uede escri"irseD
q=
dV ∆ P A (8 ) = K dt μL
.ntonces la ecuación modi7icada de -arc> B9 > la ecuación de Eoiseuille B0 son e/uivalentes > el coe7iciente de +ermea"ilidad K3 +uede escri"irse como KD
&
Práctica 2: Filtro Prensa Separaciones Mecánicas μL K = (9 ) dV (− ∆ P ) A dt
.sta es la +rimera a+ortación de la teoría +ara determinar la +ermea"ilidad del lec(o > se mide como la cantidad de 7luido /ue +asa< en la unidad de tiem+o& Eara algunos materiales la unidad de +ermea"ilidad es el -arc>& A+licación de las ecuaciones a la 7iltración< determinación de las resistencias& Si la +ermea"ilidad es la 7acilidad con /ue 7lu>e el 7iltrado< el inverso es la resistencia al +aso del 7iltrado&
K
N3! :a resistencia tiene dos com+onentes uno< el de los sólidos de+ositados< BL > otro< del medio 7iltrante B r & !esistencia de la torta:a ecuación B0 +uede escri"irseD q=
dV 1 ∆ P A ( 10 ) = dt α μL
-es+e%ando LD
( )
A (− Δ P ) dt α = = (11) μL dV :a ecuación B33 +ermite determinar la +ermea"ilidad a trav;s de la torta de un es+esor : 7i%o< +ero este cam"ia continuamente? si se su+one /ue cada ca+a /ue se de+osita es constante< entonces< el +roducto del es+esor : +or el área A de 7iltración< es el volumen de la torta de+ositada B v +or unidad del corres+ondiente volumen de 7iltrado& Si # es el volumen total de 7iltrado< entonces el volumen total de la torta de+ositada esD A:N# v-es+e%ando :N# vA B3* :a ec&B3* se +uede sustituir en la α =
A
2
(− Δ P)
μvV
=
( )( dt dV
13
B33
)
'
Práctica 2: Filtro Prensa Separaciones Mecánicas
!escripcin del Equipo
Figura! iltro Prensa 2)*2) marca
.l 7iltro +rensa C1:UM6IA modelo *@ es til +ara em+resas +e/ue=as< está construido de acero ino8ida"le< aca"ado sanitario so"re "ase +ortátil< se +uede suministrar con cámara de inversión +ara do"le 7iltración< utilizado +ara tra"ar con volmenes relativamente +e/ue=os con rendimientos de ,@@ a 5@@ l(r +ara 7iltración clari7icante > +ara 7iltración esterilizante a+ro8imadamente 3@@ l(r& Eor su +e/ue=o tama=o re/uiere +oco es+acio +ara su instalación > es es+ecialmente traslada"le de un lugar a otro& .l 7iltro *@< se viene con motor > "om"a< indicadores de +resión< "ase móvil o 7i%a< cierre con matraca< se constru>e en acero ino8ida"le sanitario totalmente< tiene un área e7ectiva de (
Práctica 2: Filtro Prensa Separaciones Mecánicas 7iltración de @&,3 +ie* B@&@*2 m* +or +laca > marco estándar< "astidor +ara acomodar (asta
*@ +lacas 7iltrantes&
"b#eti$os •
•
-eterminar las constantes de 7iltración a trav;s de +rue"as e8+erimentales en un 7iltro +rensa& .ncontrar el área de 7iltración de un 7iltro industrial +ara un +ro"lema +ro+uesto a +artir de los resultados o"tenidos del o"%etivo anterior&
%ateriales • • • • • • •
eolita Agua $ela de 7iltración 6áscula Cá+sulas de +orcelana 6alanza .s+átulas
&rocedi'iento 3& .n el reci+iente de alimentación de acero ino8ida"le se +re+ara una sus+ensión arti7icial colocando en ;l 3*@ litros de agua > *g de
eolita& -urante la
+re+aración (a> /ue mantener agitada la sus+ensión< durante el transcurso de la +ráctica&
,
Práctica 2: Filtro Prensa Separaciones Mecánicas *& :uego se +one la tela de 7iltración entre cada uno de los +latos > 7i%ar +er7ectamente
los +latos > a+retarlos uno contra otro& Conecte la toma de salida del tan/ue a la entrada del e/ui+o > de la salida de la "om"a a la entrada de rece+ción de lí/uido 7iltrado&
,& Eosteriormente se introduce la mezcla al e/ui+o de 7iltrado +or medio de la "om"a de alimentación recircule la sus+ensión > luego alimentar +oco a +oco al 7iltro sus+ensión 7resca (asta /ue >a no /uede lí/uido en el tan/ue de alimentación< regulando la +resión con la válvula de recirculación > reguladora de +resión a 3 gcm*& A/uí se mide el volumen del 7iltrado con res+ecto al tiem+o&
4& Cuando se o"serve +o"re< recircular a+agar la 6om"a > 7iltro&
si la descarga es mu> toda la sus+ensión o cam"iar el +a+el 1)
Práctica 2: Filtro Prensa Separaciones Mecánicas 5% Medir el área total de 7iltración& !etirar la torta del +a+el de 7iltrado< +esarla > secarla en el sol%
Resulta "os .n la +resente ta"la se encuentran registrados los datos o"tenidos en el desarrollo e8+erimentalD
Ensao
1 ($ál$ula abierta) 2 ($ál$ula /) 3 ($ál$ula 0)
ltura inicial del tanque (c')
ltura final del tanque (c')
*a+da de presin (,gf -c'2)
ie'po (seg)
&eso otal de la 'uestra(,g )
,@
ltura del tanque del filtrado (c') **
9@ ,@
@&55
4@9
@&35,
@
3*&,
@&,
4*,
@&3T0
@&3452
3@&T9
@&*
493
@&3T2
@&34T
9@ Bse ,@ +re+aró de nuevo la mezcla
&eso seco de la 'uestra(, g) @&3*92
$a"la ,&3 In7ormación reca"ada
11
Práctica 2: Filtro Prensa Separaciones Mecánicas .n el tan/ue de alimentación cada cm re+resenta *&*9 litros > cada centímetro en el tan/ue de 7iltrado re+resenta 3&, litros&
•
allando el área de 7itrado rea del 7iltro Nrea del Marco H rea de los 6ordes H rea de +aso del 7iltrado 2
2
2
Área del filtro=( 16 cm ) −2 π (2 cm ) =230.86725 cm ≈ 0.02308 m
2
.l valor de K c está dado +or
k c =
μCα A ∆ P 2
Al integrar de la ecuación anterior entre los limites B@<@ > Bt<# se o"tiene la siguiente e8+resión& 1
=
V
Kc 2
V +
1
qo
.n la grá7ica /ue a continuación se +resente se encuentran los datos reca"ados +ara las tres di7erentes a"erturas de válvulas 35))) 3)))) 25)))
-./0 3&3435%3'/ 2(&&3%,5 R )%,, -./0 311&3,%)3/ 22),1%3' R )%,,
2)))) t7 .s760
15))) 1)))) 5))) )
) -./0 R )
)%)1
)%)1
)%)2
)%)2
)%)3
)%)3
ol#men de fltrado m3
al#la A+ierta al#la 374 a+ierta al#la 172 a+ierta
6inear .al#la A+ierta0 6inear .al#la 374 a+ierta0 6inear .al#la 172 a+ierta0
Gra7ica ,&3D !egresiones lineales +ara las distintas caídas de +resión Utilizando las ecuaciones anteriores > la grá7ica ,&3 se o"tiene /ue
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Práctica 2: Filtro Prensa Separaciones Mecánicas k c = 2 m 0
Y 1
qo
=b
A(ora se a+licaran las ecuaciones corres+ondientes al cálculo de al7a > !m 2
α =
m0 A ∆ P μC
-ondeD
mo= pendiende de la rafica
μ=Vi!co!idad del A"a
C =e! laconcentraci#nde !olido!
∆ P=Caida dePre!i#n
A = Area del filtro
α = $e!i!tencia de la%orta
.l t;rmino C está dado +or la siguiente e8+resión< la cual resulta de realizar un "alance de materiaD
C =
C! mf C! 1− −1 mc &
(
)
.n donde Cs N la cantidad de solido seco entre el volumen de sus+ensión m7 N la masa de la torta (meda mc N la masa de la torta seca
:a resistencia del medio 7iltrante está de7inida +or
$m=
A ∆ P μq 0
Sustitu>endo en la ecuación se o"tiene&
$m=
A ∆ P b μ
:os demás datos se registran en la siguiente ta"laD
13
Práctica 2: Filtro Prensa Separaciones Mecánicas p
939 9 2;3 5 1<2 5
s '3 &eso 4'ed o ,g
&eso seco ,g
*s ,g-'
* '5 1-qo 6 ('-,g) 7' corregid '81 3 a ,g-'3 @&3* @&35, @&3*9 3&@50 3&@5TT 39,@, 3*9, 2&TT.3@ 3&T,4*2.3 2 , 5 3 @&3* @&3T0 @&345 3&*39 3&*39* ,339, *349 0&09.3@ 3&9@T,.33 2 2 0 @&3* @&3T2 @&34T 3&**5 3&**5, ,9,4, *T2, 9&0,.3@ 3&,244*.3 5 T 3 $a"la ,& 3D !esistencia de la torta > resistencia del medio 7iltrante
:a (umedad de la torta se +resenta en la siguiente ta"laD
Ensao
=u'edad > 1 2 3
*@&3T,,942 *3&094*2@9 *3&2T*T023 $a"la ,&* umedad de la torta B"ase seca
Análisis "e Se +uede o"servar /ue e8iste una caída de +resión menor mientras más cerrada se resulta encuentre la válvula de alimentación& .sto es de"ido +rinci+almente a /ue la caída de +resión está relacionada al gasto de alimentación< +uesto /ue ma>or sea este gasto ma>or "os caída de +resión? +or lo /ue al cerrarse la válvula el gasto disminu>e considera"lemente > +or lo tanto como >a se (a"ía mencionado la caída de +resión disminu>e&
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Práctica 2: Filtro Prensa Separaciones Mecánicas Se o"serva /ue al cerrar un +oco la válvula aumenta el tiem+o de 7iltrado
considera"lemente< la causa es evidente >a /ue al ser menor el gasto de entrada al 7iltrado< se tardara más en com+letarse el +roceso& :a (umedad aumenta cuando se cierra la válvula< motivo el cuál es a /ue se le e%erce menor 7uerza al momento de c(ocar con el 7iltro< +or lo /ue no se com+rime com+letamente la torta& :a resistencia del medio 7iltrante > de la torta disminu>en< de"ido a /ue al tener un menor gasto en el 7iltro< este tra"a%a de 7orma más rela%ada > no se 7uerza tanto el +aso del 7luido en el 7iltro& .sto /ue se está mencionando se re7le%a +er7ectamente en el valor de la caída de +resión& :a in7ormación o"tenida de las resistencias se de"e gra7icar contra la caída de +resión +ara +oder caracterizar el material 7iltrado& 12)))))))))) 1))))))))))) ()))))))))) al-a
-./0 '&114,%33/ 5('1'&(,'53%52 R )%(
&)))))))))) 4)))))))))) 2)))))))))) ) 1))))
2))))
3))))
4))))
5))))
&))))
Caida de !resión
Conclusi #n Se determinaron las constantes de 7iltración mediante un tra"a%o en con%unto realizado tanto Gra7ica 4&3D Caída de +resión # resistencia de la torta
en el la"oratorio industrial como los análisis +revios de los resultados o"tenidos< > se encontró /ueD •
:a caída de +resión es +ro+orcional al gasto de alimentación&
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Práctica 2: Filtro Prensa Separaciones Mecánicas :a resistencia del medio 7iltrante > de la torta disminu>en< de"ido a /ue al tener un •
•
menor gasto en el 7iltro& :a (umedad es ma>or al cerrar la válvula&
-e 7orma general se com+rendió más claro el 7uncionamiento del e/ui+o de 7iltro +rensa > se determinó las características de la torta en este caso la zeolita de acuerdo a las condiciones a las /ue se tra"a%ó en la actividad e8+erimental< es im+ortante mencionar /ue cada material tiene sus características > /ue cada uno tiene un +a+el varia"le al ser utilizado como torta en la 7iltración&
$i%liogr a&'a 1. "peraciones unitarias en Ingenier+a Qu+'ica Mc& Ca"e Varren< C& Smit( Wulian< arriot Eeter Mc& GraX'ill S;+tima edición&
2. &rocesos de ?eparacin. (&!@) Ingeniería Química UAM
3. (tt+DXXX&u"&eduo"l/o"l/*@castellano7iltracio&(tml ;. (tt+D+ersonal&us&esm7arevalorecursostecZ7ar7iltracion&+d7
Ane( os
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Práctica 2: Filtro Prensa Separaciones Mecánicas
1'