Practica 2 Filtracion

 

 

UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA DE LA SELVA

 

FACULTAD DE INGENIERIA EN INDUSTRIAS ALIMENTARIAS Departamento Académico de Ciencia Tecnología e Ingeniería de Alimentos

 

 

ÁREA DE INGENIERIA DE ALIMENTOS

VENTURO AQUINO MIRIAM (0020160199) SUAREZ LASTRA DANTE (0020160180)

LABORATORIO 2 – FILTRACION RESUMEN El proceso unitario de separación de sólidos en una suspensión a trav través és de un me medi dio o po poro roso so se deno denomi mina na fifiltr ltrac ació ión. n. Indu Indust stria rialm lmen ente te es esta ta operación es usada para separar sólidos de líquidos y purificar así corrientes de líquido de interés. En esta esta pr prác áctitica ca obte obtend ndre remo moss va valo lore ress ex expe peri rime ment ntal ales es de la resistencia específica de la torta, resistencia del medio filtrante y el coeficiente de compresibilidad de la torta .

I.

INTRODUCCION

El proceso de filtrado es muy importante y ampliamente utilizado en la industria como es el caso de los vinos en el cual estos utilizan coadyuvantes que son los que aceleran el proceso de filtrado fil trado generando menor tiempo donde aumenta n y mejoran la porosidad del medio filtrante donde los coadyuvantes más utilizados son carbón activado, tierra, talco y diatomeas.   El pr pres esen ente te info inform rme e tr trat ata a de la filt filtra raci ción ón en el cu cual al es un una a operación básica considerado un caso especial del flujo de fluidos de lechos granulares estáticos, en la cual nos permite separar las partículas sólidas de las liquidas provenientes de una suspensión a través de un medio fíltrate como papel filter, tela, placa de porcelana y otros materiales sintéticos , en la cual el fluido considera puede ser liquido (agua) o gas(aire), en el cual los factores de este proceso son temperatura y presión por lo que se considera dos tipos de filtrado que son a presión constante y velocidad constante. 1

 

  La filt filtrac ración ión presió presión n consta constante nte en la prá prácti ctica ca pue puede de hacer hacerse se contr co ntrola oland ndo o la difere diferenci ncia a de pre presió sión n de mo modo do qu que e pe perma rmane nezca zca co const nstant ante e durante todo el proceso. Es evidente que mantener constante la presión, disminuirá la velocidad de filtración, por ir aumenta el espesor de la torta y con ello la resistencia a la filtración. OBJETIVO  

Obte Ob tene nerr ex expe peri rime ment ntal alme ment nte e lo loss valo valore ress co corr rres espo pond ndie ient ntes es a resistencia específica de la torta, resistencia del medio filtrante y el coeficiente de compresibilidad de la torta. II.

MARCO TEORICO

  Desde el punto de vista de la mecánica de fluidos, un filtro es un sistema de flujo. Por medio de una diferencia de presión aplicada entre la entrada de la suspensión y la salida del filtrado, se obliga a circular a través del equipo el filtrado. Durante la filtración los sólidos de la suspensión permanecen en el quipo y forman un lecho de partículas, a través del cual tiene que fluir el lílíqu quid ido, o, pasa pasand ndo o ento entonc nces es a tr trav avés és de tres tres resi resist sten enci cias as en seri serie: e: (1) (1) la resistencia de los canales que llevan la suspensión hasta la cara anterior de la to tort rta a y el fifiltltra rado do de desd sde e qu que e sale sale del del me medi dio o filt filtra rant nte, e, (2) (2) la resi resist sten enci cia a correspondiente a la torta y (3) la resistencia correspondiente al medio filtrante. Durante el lavado de la torta el agua de lavado fluye a través de las mismas resistencias. 2.1. Tipos de filtración

Para una suspensión determinada en un filtro dado, la variable principal que puede controlar el operador es la caída de presión global.   Si la diferencia d de e presión es constante, constante, la velocidad del flujo es máxima al comienzo de la filtración y disminuye continuamente hasta el final. Este método se llama filtración a presión constante.   Cuando varía la caída de presión, se comienza con un valor  pequ que eño que se va aumen umenta tand ndo o a lo la larrgo de la ope perrac ació ión, n, ya se sea a progresivamente o por etapas, para alcanzar un máximo al final. Un método 2

 

consis nsiste te en mant manten ene er consta nstant nte e la vel elo oci cid dad del flflu ujo aumen umenta tan ndo progre pro gresiv sivame amente nte la presió presión n de en entra trada. da. Est Este e mét método odo se lla llama ma fil filtra tració ción n a velocidad constante.   Una sec sección ción de la torta y un medio filtrante al cabo cabo de un tiempo t desde el comienzo del flujo de filtrado nos permite hacer análisis de esta operación. En este instante el espesor de la torta, medido desde el medio filtrante es L.   El ár área ea d del el filtro filtro m medido edido perpendicu perpendicularme larmente nte a la dir direcci ección ón de de flujo es A. En un lecho filtrante la velocidad es lo suficientemente baja para que el flujo sea laminar. Por tanto el flujo del filtrado a través del lecho empacado de la torta puede expresarse usando la ecuación de Poiseville para tubos rectos.

  P 32 μ v -------- = ---------  L D

…………………………………………...………………(1)

Donde: P = caída de presió presión n en N/m2   v = velocidad en el tubo abierto en m/s   D = Diámetro en m   μ = Viscosidad en Pa-s Para flujo laminar en un lecho empacado con partículas puede aplicarse la ecuación de Kozeny Carman:

  P K μ v ( 1- x )2 So2   ------- = ---------------------------------------------- ……………………………….……………………(2)   L x Donde: K= Constante de Kozeny μ = viscosidad del filtrado 3

 

v = velocidad lineal lineal basada en el área de filtrac filtración ión x = porosidad de la torta So= Superficie específica de las partículas P = Caída de presión en la torta La velocidad lineal se puede expresar como:  

V = (dV/dT) / A ………………………………….……………………….. (3)

Donde:  A = área del filtro dV/dt = volumen de filtrado (m3) recolectado en un tiempo (s) Haciendo un balance de materia en la torta  

L A (1-x) ρp = Cs ( V + x LA) ………………………………………………...(4)

Donde: ρp = densidad de las partículas en la torta kg/m 3  

Cs = Kg de sólido/m3 de filtrado

 

X LA= volumen de filtrado retenido en la torta, despreciable.

De las ecuaciones 2 y 3 se tiene ti ene

dV P torta P torta -----= ----------------------------- = ----------------- …………………………………. (5)  Adt K1 (1- x )So μ Cs V μ Cs V   -------------------------------------------------------- ----------------  ρp x A A

Donde:   K1 ( 1 – x) So2 α = -------------------……………………………………….……………………….…(6)   ρp x 4

 

Para la resistencia del medio filtrante, por analogía con la ecuación (5) puede escribirse: dV = ∆P mf  ------- ---------- ……………………………………….…………...(7) A dt μ Rm

    Donde:

Rm = resistencia del medio filtrante ∆Pmf = caída de presión en el medio filtrante. Puesto que las resistencias de la torta y del medio filtrante están en serie pueden combinarse las ecuaciones ecuaciones (5) y (7) y tener finalmente:

   

dV ------A dt

=

∆P ---------------------------------------------- …………………..…………………….…….(8) μ (α Cs V + Rm)

Donde: ∆P = ∆P torta + ∆P mf  2.2. Resistencia específica de la torta

 

La ecuación 6 indica que la resistencia específica de la torta es

una función de la fracción de los espacios vacíos y de la superficie específica de las partículas (So). También es función de la presión, pues esta puede afectar a la porosidad (x) cuando la suspensión esté conformada por partículas compresibles. La variación de α con respecto a la presión puede determinarse por medio de experimentos a diferentes caídas de presión constante.

5

 

Si es independiente de la caída de presión, la torta es incompresible. Por lo general aumenta con P, pues la mayoría de las tortas son algo comprensibles. Una ecuación empírica de uso muy común es:  

α = αο (∆P)S 

……………………………………………………(10)

Donde: αο y S son constantes empíricas y S será 0 para tortas Incomprensibles y suele tener valores entre 0,1 y 0,8.

2.3 Filtración a presión constante

 

Cuando P es constante, la ecuación 8 puede escribirse:

  dt μ α Cs V μ Rm -------- = ----------+ -----------

dt/dV = Kp V + B …………………(11)

2

  dV A  ∆P A ∆P Donde: Kp = s/m6  y B = s/m5 2.4 filtro prensa de placas y marcos.

 

Uno de los filtros más importantes es el filtro prensa de placas y

marcos. Estos filtros consisten en placas y marcos alternados con una tela infiltrante de cada lado de las placas. Las placas tienen incisiones en forma de cana ca nale les, s, pa para ra pode poderr dr dren enar ar el filt filtra rado do en cada cada pl plac aca. a. La susp suspen ensi sión ón de alimentación se bombea en la prensa y fluye a través del ducto al interior de cada uno de los marcos abiertos de tal manera que la suspensión va llenando los espacios vacíos. El filtrado fluye entre la tela filtrante y la superficie de la placa. A través de los canales y hacia el exterior, mientras los sólidos se acumulan como torta en ambos lados de los marcos. La filtración continúa hasta que los marcos quedan completamente llenos de sólidos. 2.5 Medios filtrantes

Los medios filtrantes para filtraciones industriales deben llenar  ciertas características. La primera y más importante es que debe separar los 6

 

sólidos de la suspensión y producir un filtrado transparente. Además, los poros no deben obstruirse con facilidad, para que la velocidad del proceso no sea demasiado lenta. El medio filtrante puede permitir la extracción de la torta sin dificultades ni pérdidas, obviamente, debe tener una resistencia suficiente para no rasgarse y no ser afectada por los productos químicos presentes.  Algunos medios filtrantes de uso muy común son las telas gruesas de loneta, tejidos pesados, fibra de vidrio, papel, filtro de celulosa, telas de lana, nylon, de dragón, y otros tejidos sintéticos. 2.6 Ayudas de filtración

 

En algunos casos se usan ayudas de filtración para acelerar el

proc proces eso o de fil filtr trac ació ión. n. Po Porr lo gene genera ral,l, son son titier erra rass di diat atom omác ácea eass qu que e es está tán n constitu const ituido idoss pri princi ncipal palmen mente te por síl sílice ice no com compri primib mible. le. Tam Tambié bién n se usa la celulosa de madera, asbestos y sólidos porosos inertes. Estas ayudas de filtración pueden usarse de diferentes maneras. Se pueden emplear como pre recubrimiento antes de filtrar la suspensión lo que impide que los sólidos de tipo gelatinoso obstruyan el medio filtrante y proporcionen un filtrado más transparente. También pueden añadirse a la suspensión antes de la filtración. El uso de ayudas de filtración suele estar limitado a los casos en que la torta sea el material que se descarta, o cuando el precipitado puede separarse de la ayuda por medios químicos. III.

MATERIALES Y METODOS

3.1. MATERIALES



02 Papeles filtro fino 40µ



02 Vasos precipitado de 500 ml



02 Probetas de 500 ml



01 Varilla de vidrio 7

 



01 Balanza analítica



02 Embudos de filtración



01 Vernier



01 Cronómetro







01 Bloc de notas y lápiz CaCO3  Agua destilada

3.2. METODOS 

Se armó el equipo de filtración fil tración por gravedad



Se preparó una suspensión de carbonato de calcio en agua al 5% de concentración



Se filtró la suspensión a caída de presión constante obteniéndose datos de volumen de filtrado a diferente tiempo medidos con un cronómetro.



Se utilizaron 2 papel de filtro.

 Área de filtración = 6,50x10− m 5

IV.

2

RESULTADOS Y DISCUSION

4.1. DATOS Cuadro 1. Resultado de la Filtración en papel filtro 1

volumen(ml tiempo(s ) ) 0 50 13.31 75 23 100 31.1 125 41.2 150 52.14 175 62.51 8

 

200 225 250 275 300

75.5 80.49 102.89 116.94 133.96

325

153.74

Cuadro 2. Resultado de la filtración en papel filtro 2

vol olu ume men n(m (ml) l) titiem empo po(s (s)) 0 50 13.09 75 21 100 30.4 125 41.05 150 53.04 175 66.25 200 83.17 225 98.15 250 119.04 275 130.1 300 146.17 325 162.58

Con los datos recolectados y gráficas calcular los valores de Kp, B,



Rm 

Graf Gr afic icar ar en dobl doble e loga logarí rítm tmic ico o la rela relaci ción ón que que ex exis iste te en entr tre e la resistencia Específica y la caída de presión, determinándose de esta forma el coeficiente de compresibilidad (s

∆P = 101600 pa

Área de filtración =6,50x10− m 5

2

Cuadro 3: Filtracion en papel filtro 40 u con caco3

V

V

T

ΔV 9

ΔT

ΔT/ΔV

V

 

(mlm ¿

(m3)

(s)

(m ¿

(s)

0

0

0

0

50

0.000050

13,31

75

0.000075

100

( m3 / s )

(m ¿

0

0

0

0.000050

13,31

266200

0.000025

23,0

0.000025

9,69

387600

0,000625

0.000100

31,1

0.000025

8,1

32400

0,000875

125

0.000125

41,1

0.000025

10,1

40400

0,0001125

150

0.000150

52,14

0.000025

10.94

441600

0,0001375

175

0.000175

62,51

0.000025

10,37

414800

0,0001625

200

0.000200

75,5

0.000025

12,99

519600

0,0001875

225

0.000225

80,49

0.000025

4.99

199600

0,0002125

250

0.000250

102,89

0.000025

22,4

89600

0,0002375

275

0.000275

116,94

0.000025

14,5

56200

0,0002625

300

0.000300

133,96

0.000025

17,02

680800

0,0002875

325

0.000325

163,74

0.000025

19,78

791200

0,0003125

3

3

Datos: Viscosidad:1*10-3 Viscosidad:1*10 -3 pa/s ∆P=101600 pa a temperatura de tingo maria  Área placa= 6.50* 10-5 m2 m2 Cs=50 Kg/m3 Kp=2*10 9 s/m6 B=203489 s/m3   Resistencia especifica de la torta kp =

 μ∗α ∗Cs  A

2

∗

∆P 2

 Kp∗ A ∗∆ P ∝=  μ∗Cs 9

=2∗10 ∗¿ ¿ =1.7174∗10− m− kg− Resistencia especifica del medio filtrante   μ∗ Rm B=  A∗∆ P ∝

∝

11

1

1

10

 

3

 

 Rm =  Rm =

 A∗∆ P∗B  μ 6.50∗10

5

−

101600∗203489

∗

0,001 −1

 Rm =1343841356 m

Cuadro 4: filtración en papel filtro 40 u con caco3

V (ml)

V (m3)

0

0 0.000050

50

T (s)

125 150 175 200

0.000100 0.000125 0.000150 0.000175 0.000200

21 30.4 41.05 53.04 66.25 83.17

0.000225 225 250 275 300 325

(s)

∆V (m3)

∆t/ ∆V (m3/s)

V (m3)

13.09

0.000050

261800

0.000025

7.91

0.000025

316400

0.000625

9.4

0.000025

37600

0.000875

10.65

0.000025

42600

0.0001125

11.99

0.000025

479600

0.0001375

13.21

0.000025

528400

0.0001625

16.92

0.000025

676800

0.000875

14.98

0.000025

599200

0.0002125

20.89

0.000025

83500

0.0002375

11.06 16.07

0.000025 0.000025

44200 642800

0.0002625 0.0002875

16.41

0.000025

65600

0.0003125

13.09 0.000075

75 100

∆T

98.15 0.000250 0.000275 0.000300 0.000325

119.04 130.1 146.17 162.58

Datos:

Datos: Viscosidad:1*10-3 Viscosidad:1*10 -3 pa/s ∆P=101600 pa a temperatura de tingo maria  Área placa= 6.50* 10-5 m2 m2 Cs=50 Kg/m3 Kp=2*10 9 s/m6 11

 

B=257798 s/m3 Resistencia especifica de la torta  μ∗α ∗Cs

  kp  A ∆ P =

2

∗

2

 Kp∗ A ∗∆ P ∝=  μ∗Cs ∝

9

=1∗10 ∗¿ ¿

∝=

−

8585200 m

1

−

kg

1

Resistencia especifica del medio filtrante B=

  μ∗ Rm  A∗∆ P

 A∗∆ P∗B  Rm  μ =

 Rm =

6.50∗10

−5

101600∗257798

∗

0,001 −1

 Rm = 1702497992 m

V.  

CONCLUSIONES

Se halló los valores correspondientes a resistencia especifica de la torta, resistencia del medio filtrante y el coeficiente de compresibilidad de la torta VI.

REFERENCIA B BIIBLIOGRAFICA

IBARZ, A.; B BARBOZA-CÁNOVAS, ARBOZA-CÁNOVAS, G. 2005. Operaciones Unitarias en la Ingeniería Inge niería de Alimentos. Alimentos. Tecn Tecnolog ologia ia de Alime Alimentos. ntos. Madri Madrid, d, España. Mundi-prensa. p. 271. 271. KUHN,, M., BRI KUHN BRIESEN ESEN,, H. 2015. 2015. Dyna Dynamic mic mo modelin deling g of filter-ai filter-aid d filtra filtration tion including surface surface and depth-filtration effects. Revista Ch Chemical emical engineerin technology. technology. Mun Munich. ich. 39(3): 425 – 434.

12

 

KÜHNE, KÜH NE, S., PEU PEUKER KER,, U. 201 2018. 8. Cak Cake e filtra filtratio tion n of mul multic ticomp ompon onent ent susp su spen ensi sion ons. s. Revi Revist sta a Chem Chemic ical al en engi gine neer erin in tech techno nolo logy gy.. Winheim. 41(1): 96 – 101. 101. RIOS, F.E:, ROJAS, ROJAS, C. A. A. 2012 2012.. Eval Evaluacio uacion n del comp comportam ortamento ento d de e la re resi sist stên ênci cia a espe especcific ifica a de la tort torta a em um filt filtro ro pren prensa sa a difere dif erente ntess caída caídass de pre presió sión n y co conce ncentr ntraci acione oness de CaC CaCO3. O3. Tesis Te sis.. Ing Ingeni eniero ero Quim Quimico ico.. .. Huancay Huancayo, o, Perú. Perú. Uni Univer versid sidad ad nacional del centro del Perú. 81p. SALCEDO, M.I., FONT, R. 2011. Operaciones separación solido-fluido. Universidad de alica alicante. nte. 34 p. VII.

CUESTIONARIO

1. De Defi fina na lla a op oper erac ació ión: n: ffil iltr trac ació ión n

Se llega llega a la denom denomina inació ción n de filt filtrac ración ión al proceso proceso de separ separac ación ión de partículas sólidas de un líquido utilizando un material poroso llamado filtro. Esta técnica consiste en verter la mezcla sólido-líquido que se quiere tratar  sobr so bre e un filt filtro ro que que pe perm rmita ita el paso paso de dell lílíqu quid ido o pe pero ro qu que e rete reteng nga a la lass partículas sólidas. 2. Indi Indiqu que e cu cual ales es son las las ap apli lica caci cion ones es de la filt filtra raci ción ón en los pro proce ceso sos s industriales.

son muchos muchos proc procesos esos químicos químicos qu que e se llegan ha utilizar utilizar la filtración filtración por  memb me mbra rana nass para para de desa sala lar, r, di diaf afililtr trar ar y pu puri rififica carr tint tintes es,, pi pigm gmen ento toss y abrillantadores ópticos, limpiar las corrientes de aguas residuales y de la lava vado do,, la conc concen entr trac ació ión n y desh deshid idra rata taci ción ón de mi mine nera rale less co como mo arci arcilllla a caolínica, dióxido de titanio y carbonato y entre otras 3. ¿Q ¿Qué ué en entie tiend nde e por c cla lari rifi fica caci ción ón? ?

La clarificación clarificación es u una na técnica ampliamente difundida en la remoción de turbiedad y color del agua y entre otros compuestos e implica la utilización de coagulantes o polielectrolitos. Estos provocan que las finas partículas que qu e de dete term rmin inan an la tu turb rbie ieda dad d se ag agru rupe pen, n, form forman ando do flóc flócul ulos os cuy uya a precipitación y remoción son mucho más simple 4. Men Mencio cione ne los dif difere erente ntes s tipo tipos s de filtro filtros s de acue acuerd rdo o a su cla clasif sifica icació ción n general. 13

 

De acuerdo a cada fabricante tiene su propia clasificación, los diferentes tipos de filtros para laboratorio pueden agruparse en los siguientes grupos: Papel de filtro estándar. Papel de filtro cualitativo. Papel de filtro cuantitativo. Filtros de fibras. Filtros de membrana. Formatos especiales 5. Indi Indique que co como mo fu funcio ncionan: nan: u un n filtr filtro o a pr presión esión y co como mo un filtro a vac vacío. ío.

Los Filtro Filtross de Pre Presió sión n co con n la del sup superf erfici icie e filtrante filtrante es la suma de las superficies de todas los elementos que se disponen en su interior, situados verticalmente, en paralelo y conectados a un un colector único de salida de filtrado En los filtros de vacío vacío se da la separación separación de sólid sólido-líq o-líquido uido tien tiene e lugar  gracias a la aspiración que imprime una bomba de vacío bajo la superficie donde reposa el producto. Tanto el filtro de Banda de Vacío como el filtro Rotativo de Vacío (Filtro de Tambor) son apropiados para utilizarse en los más diversos procesos de filtracion 6. Me Menc ncio ione ne la las s co cons nsid ider erac acio ione nes s bá bási sica cas s en la se sele lecc cció ión n de un me medi dio o filtrante.

En lo general, entre los principales criterios de selección del material de medio filtrante, se pueden destacar: Compatibilidad y resistencia química con la mezcla. Permeabilidad al fluido y resistencia a las presiones de filtración. Capacidad en la retención de sólidos 7. Menc Mencione ione al me menos nos 6 di diferen ferentes tes tipos de m medio edios s filt filtrante rantes. s.

En los medios filtrantes se pueden obtener de diferentes formas que vienen hacer   Arena. Diatomeas. Filtración piscina. Medios filtrantes. 14

 

Sílex. Vidrio filtrante. Zeolita 8. ¿Qué es u un n fil filtro tro a ayuda yuda y cu cuáles áles son sus cara caracterí cterística sticas? s?

Los filtro ayuda, se puede decir que es aquel producto auxiliar filtrante que finame fin amente nte dividi dividido, do, no interv intervien iene e químic químicam ament ente e en el produc producto to fil filtra trado do (inerte), que no es comprimido por la presión de filtrado (incompresible), que se mezcla fácil e íntimamente (ligero), reteniendo los sólidos 9. ¿Por qué e es s imp importan ortante te ob obtener tener el fa factor ctor de co compre mpresibil sibilidad? idad?

Es importante porque el factor de compresibilidad (Z), conocido también como el factor de compresión, es la razón del volumen molar de un gas con relación al volumen molar de un gas ideal i deal a la misma temperatura y presión 10.. 10

¿Q ¿Qué ué apl aplica icacio ciones nes tie tiene ne el d dete etermi rminar nar los val valore ores sd de e αy R Rm? m?

Los valores que pueden transmitir al medio filtrante, se llama resistencia de torta. La resistencia de la torta es cero al iniciar la filtración, a causa de la deposición continua de sólidos sobre el medio y el Rm establece sobre el medio, incluyendo la de las partículas incrustadas, se llama resistencia del medio filtrante y es importante durante los primeros momentos de la filtración 11.Cómo se calcula Ve ?

Para alcanzar el punto de equivalencia (volumen necesario para completar la reacción) se llama volumen de equivalencia. en la práctica estimamos donde está el punto de equivalencia al observar un cambio físico provocado por la desaparición del analito o aparición de exceso de valorante

15