Práctica 6 - Filtración

LABORATORIO DE INGEBNIERÍA QUÍMICA II

Práctica Nº 6: FILTRACIÓN A PRESIÓN CONSTANTE OBJETIVOS Evaluar la reisatencia a la filtración del medio filtrante y de la otrta de filtración. Relacionar la resistencia de la torta de filtración con la caída de presión. FUNDAMENTO TEÓRICO La filtración es una operación básica de la ingeniería química que se puede considerar como un caso particular del flujo de fluidos a través de lechos granulares, con la diferencia de que el espesor del lecho va aumentando con el tiempo. La filtración es un método físico para la separación de mezclas de sustancias compuestas de diferentes fases. fases. Las partículas suspendidas suspendidas en un fluido fluido (líquido o gas) se pueden separar físicamente mediante el uso de un medio poroso que retiene las partículas y que permite el paso del fluido.

Suspensión

Torta de filtración

Medio filtrante Filtrado

Medio filtrante: filtrante: Superficie porosa en la cual quedan retenidas las partículas de sólidos. Torta de filtración: filtración: Constituida por los sólidos acumulados por el medio filtrante. Filtrado: Filtrado: Es el fluido que pasa a través del medio filtrante (Líquido claro). Su principal limitación reside en el hecho de que las características de la mezcla a tratar de partículas sólidas y fluido, por su complejidad e interacción pueden ser muy variables en los diferentes casos reales.

Ing. CARLOS ANGELES QUEIROLO Universidad Nacional del Callao Facultad de Ingeniería Química

LABORATORIO DE INGEBNIERÍA QUÍMICA II

El flujo de líquido o gas a través del filtro se produce debido a la alta presión que se emplea o a un vacío en el extremo opuesto. Las pequeñas aberturas del medio filtrante bloquean el paso de las partículas, las cuales se acumulan en forma de una torta de filtrado la cual actúa a su vez como filtro. Las partículas sólidas que se someten a la filtración pueden tener tamaños muy diversos, variando desde partículas micrométricas a partículas de varios milímetros. En la mayoría de los casos, el tamaño de las partículas es muy pequeño, y a medida que son retenidas por el medio filtrante, se va formando la torta de filtración. Los poros del medio filtrante pueden ser algo mayores que las partículas que deben separarse, sin que se dificulte la operación, ya que al comienzo algunas partículas penetran los poros del medio filtrante, quedando posteriormente retenidas sobre su superficie formando un lecho o torta de espesor progresivamente creciente. Las aplicaciones de los procesos de filtración son muy extensas, encontrándose en muchos ámbitos de la actividad humana, tanto en la vida doméstica como en la industria general La filtración ha recibido una mayor atención teórica a partir de los trabajos de P. Carman en 1937 y B. Ruth en 1946 estudios que fueron progresivamente ampliados en trabajos con medios porosos, por Heertjes (1966) y Tiller (1953 - 1964. ) Varios autores han revisado el estado de los conocimientos en filtración tanto desde una perspectiva práctica en los trabajos de Cain en 1984 y Kiefer, en 1991 como en sus principios teóricos con las publicaciones de Bear, 1988. y Norden en 1994. La teoría de la filtración es frecuentemente empleada para la interpretación de resultados a escala de laboratorio, la optimización de aplicaciones o la predicción de cambios en las condiciones de trabajo. Pérdidas de presión en la filtración El fluido tiene que vencer tres tipos de resistencias en la filtración: Resistencia a través de las tuberías de alimentación al filtro y la resistencia a través de la tubería de descarga. Resistencia del medio filtrante. Resistencia de la torta. Ing. CARLOS ANGELES QUEIROLO Universidad Nacional del Callao Facultad de Ingeniería Química

LABORATORIO DE INGEBNIERÍA QUÍMICA II

La influencia de las resistencias en las tuberías es muy pequeña, por lo que se puede considerar despreciable. La resistencia del medio filtrante tiene importancia en el momento que se inicia la filtración, después cuando se va formando la torta, la resistencia de ésta es mucho mayor. . PA = Presión en la superficie de la torta PB = Presión a la salida del medio filtrante Medio filtrante

Suspensión

PA Torta de filtración

PB

(- P)TOTAL = PB - PA Filtrado

(- P)TOTAL = (- P)torta + (- P)medio filtrante Para la torta, se puede aplicar la ecuación de Carman – Kozeny desarrollada para lechos porosos: (1 – )2 . Vs .  . L (- P)torta = K2 . ------------------3 . Dpe2 . gC L

=  = VS =  = Dpe = gC =

Altura del lecho (torta) Porosidad del lecho Velocidad superficial del filtrado referida al área de filtración Viscosidad del filtrado Diámetro equivalente de las partículas de sólido Constante gravitacional = 9.8067 kg–m / kgf – s2 = 32.174 lb–pie/lbf – s2

En la filtración, se puede considerar que el fluido circula en régimen laminar y en este caso K2 = 150 (1 – )2 . Vs .  . L (- P) torta = 150 . ------------------3 . Dpe2 . gC Para el sólido que constituye la torta y considerando que ésta es incompresible: Vsólido = Vtorta . (1- ) = A . L (1- ) Ing. CARLOS ANGELES QUEIROLO Universidad Nacional del Callao Facultad de Ingeniería Química

LABORATORIO DE INGEBNIERÍA QUÍMICA II

msólido = sólido . Vsólido = sólido . A . L (1- ) L = msólido /

(- P)

sólido

. A . (1- )

(1 – ) . Vs .  . msólido  = 150 . ----------------------torta 3 . sólido . A Dpe2 . gC

Definiendo

como la resistencia de la torta:

150 . (1 – ) = --------------3 . sólido . Dpe2 (- P)

torta

. Vs .  . msólido = ------------------A . gC

Por otro lado, si la torta es incompresible: msólido V = xS = (- P)

≈ V . xS

Volumen del filtrado Concentración suspensión = masa sólido/volumen del filtrado torta

. Vs .  . xS = -------------- . V A . gC

Para el medio filtrante: (- P)medio filtrante = Rm . Vs . Rm VS =  = gC =

/ gC

Resistencia del medio filtrante Velocidad superficial del filtrado referida al área de filtración Viscosidad del filtrado Constante gravitacional = 9.8067 kg–m / kgf – s2 = 32.174 lb–pie/lbf – s2

. Vs .  . xS Rm . Vs . (- P) TOTAL = -------------- . V + -----------A . gC gC

(- P)

TOTAL =

VS .

.  . xS Rm . ----------- . V + ------A . gC gC Ing. CARLOS ANGELES QUEIROLO Universidad Nacional del Callao Facultad de Ingeniería Química

LABORATORIO DE INGEBNIERÍA QUÍMICA II

Siendo el flujo volumétrico de filtración (V) igual al producto de la velocidad de filtración (VS) por el área de la superficie normal a la dirección del flujo (A): VS = ( 1 / A ) . dV / d dV / d = VS . A (- P) TOTAL . A dV / d = ---------------------------.  . xS Rm . ----------. V + ------. A . gC gC .  . xS Rm . d / dV =. ------------------. V + ----------------(- P) TOTAL . A2 . gC (- P) TOTAL . A . gC .  . xS Kp = ----------------(- P) TOTAL . A2 . gC Rm .  = ----------------(- P) TOTAL . A . gC / V =. Kp . V + Ecuación que corresponde a la de una línea recta, y que al evaluar la pendiente y el intercepto, permite evaluar la resistencia de la torta y del medio filtrante.

/ V Kp

V Ing. CARLOS ANGELES QUEIROLO Universidad Nacional del Callao Facultad de Ingeniería Química

LABORATORIO DE INGEBNIERÍA QUÍMICA II

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Preparar 6 litros de una suspensión de carbonato de calcio (< 400 m) en agua, con una concentración de 100 gramos/litro. Encender la compresora, cuidando que las llaves de paso permanezcan cerradas, hasta alcanzar una presión media. Colocar el medio filtrante y sobre éste el tanque que ha de contener la suspensión.

Cargar el tanque con la suspensión preparada, colocar la tapa y realizar los ajustes necesarios, evitando la pérdida de la suspensión.

Abrir las llaves que permitan el paso del aire comprimido, manteniendo cerrada la llave de descarga del tanque de filtración, y regular la presión a la cual se ha de realizar la experiencia. (5, 10 y 15 psi). Alcanzada la presión de trabajo, que se ha de mantener constante, abrir la llave de descarga del líquido de filtrado y medir el volumen con ayuda de una probeta, en función del tiempo.

Ing. CARLOS ANGELES QUEIROLO Universidad Nacional del Callao Facultad de Ingeniería Química

LABORATORIO DE INGEBNIERÍA QUÍMICA II

RESULTADOS Tiempo ( )

Volumen de filtrado (V)

CÁLCULOS Calcular la resistencia de la torta y del medio filtrante Kp . (- P) TOTAL . A2 . gC = --------------------- . xS  . (- P) TOTAL . A . gC Rm = --------------------

Ing. CARLOS ANGELES QUEIROLO Universidad Nacional del Callao Facultad de Ingeniería Química