Laboratorio de Operaciones con Slidos 2013-1

PRCTICA 8.

Operaciones de separacin slido-lquido: Filtracin

Sehu Hoyos*, Andrs forero, Ana Mosquera.

Universidad de Antioquia

Departamento de Ingeniera Qumica *sehu100@gmail.com

Resumen: En el presente artculo se llev a cabo el proceso de filtracin a presin constante de una suspensin acuosa de carbonato de calcio al 20% en peso. Se midi la variacin del volumen de filtrado frente al tiempo en

intervalos de 100 ml. Posteriormente se determin la porosidad de la torta una vez conocido el peso hmedo y seco

de la torta obtenindose un valor de La capacidad de filtro fue de

.

Palabras clave: filtracin, torta, medio filtrante, porosidad, presin, velocidad de filtracin.

1. Introduccin

La filtracin es una operacin bsica, muy utilizada en la

industria qumica, consistente en la separacin de

partculas slidas de una suspensin mediante un medio

filtrante que deja pasar el lquido y retiene el slido. Las

partculas slidas retenidas sobre el medio filtrante van

formando un lecho poroso, a travs del cual circula el

fluido, denominado torta filtrante [1]

.

En general, los poros del medio filtrante tendrn una

forma tortuosa y sern mayores que las partculas que

deben separarse, operando el filtro de forma eficaz

nicamente despus de que un depsito inicial haya sido

retenido en el medio.

A medida que avanza el proceso de filtracin aumenta el

espesor de la torta por lo que la resistencia al paso de

fluido es cada vez mayor, pudindose llevar a cabo la

operacin de las siguientes formas:

Filtracin a presin constante: El caudal disminuye con el tiempo.

Filtracin a caudal constante: La presin

aumenta al avanzar la filtracin.

Los volmenes de las suspensiones a tratar variarn desde

grandes cantidades que aparecen en la depuracin del

agua y en el tratamiento de minerales en la industria

minera, hasta cantidades relativamente pequeas de la

industria qumica, en la que la variedad de slidos ser

considerable. En la mayor parte de casos en la industria

qumica lo que interesa son los slidos, siendo sus

propiedades fsicas y tamao de gran importancia. Los

filtros tambin son muy variados: la eleccin del ms

adecuado as como de las condiciones ptimas de

operacin, son funcin de diversos factores entre los que

cabe destacar las propiedades del fluido, especialmente

viscosidad, densidad y propiedades corrosivas, la

naturaleza del slido: tamao y forma de las partculas,

distribucin de tamaos y caractersticas del relleno, la concentracin de los slidos en la suspensin a filtrar, la

cantidad de material a tratar y su valor.

La funcin del medio filtrante es, generalmente, la de

actuar como soporte para la torta filtrante mientras las

capas iniciales de la misma proporcionan el verdadero

filtro. El medio filtrante debe ser mecnicamente fuerte,

resistente a la accin corrosiva del fluido y debe ofrecer

tan poca resistencia como sea posible al flujo de filtrado.

Normalmente se utilizan tejidos, aunque para la filtracin

de lquidos corrosivos en unidades discontinuas los

materiales granulares y slidos porosos resultan tiles.

Una caracterstica importante en la seleccin de un tejido

es la facilidad en la separacin de la torta, factor clave en

el funcionamiento de las unidades automticas existentes

en la industria [1]

.

2. Materiales y equipos

Suspensin de carbonato de calcio.

Probetas y beakers.

Bandejas, esptulas y agitadores.

Balde.

Balanza.

Cronmetro.

Horno de secado.

Filtro y medio filtrante. 3. Datos

Tabla 1. Filtrado & tiempo(s).

4. Ecuaciones

Durante la prctica se trabaj con una solucin de 2 L al

20% de carbonato de calcio, la filtracin se llev a cabo a

una presin constante de 10 psi, equivalente a 7035.4663

. Como medio filtrante se emple papel craft de

forma circular con 20 cm de dimetro.

Resistencia de la torta

De acuerdo a la teora de Carman el tiempo y el volumen

de filtrado se relacionan mediante la siguiente ecuacin

Integrando:

Teniendo la siguiente grfica:

Figura 1. Variacin del volumen de filtracin

Donde

= Viscosidad del filtrado (Kg/m s) .

= Resistencia especfica de la torta (m/kg). = Resistencia especfica del medio filtrante (1/m). = Presin ( . = rea de filtrado ( ). = concentracin de la solucin ( .

Porosidad de la torta

Capacidad del filtro

Donde,

tL: tiempo de lavado

tf : tiempo de filtracin

tm : tiempo muerto

5. Resultados

Figura 1. Variacin experimental del volumen de filtracin

A partir de la ecuacin de la recta, se obtienen los

siguientes datos reportados en la tabla 1.

Tabla 1. Parmetros de filtracin de la torta.

k1 k2 ( (m/kg) (1/m)

3.52 6.24 1.5973 3.54x

Para un tiempo de 8 horas de operacin, teniendo en

cuenta los datos anteriormente hallados, y reemplazando

en la ecuacin 2, se tiene el siguiente volumen

aproximado, mostrado en la tabla 2.

Tabla 2.Volumen de filtracin al final de un tiempo determinado (8

horas)

28800 0.00904

Usando la ecuacin de la porosidad de la torta se obtiene:

Y se obtiene una capacidad de:

6. Anlisis de Resultados

En base a las propiedades de la torta es poco certero dar

una afirmacin de la sensibilidad de esta ante el cambio

de presin ya que dicha experimentacin se hizo a presin

constante. Sin embargo podemos dar una aproximacin

del comportamiento de su sensibilidad en base a la

literatura.

A medida que avanza el proceso de filtracin aumenta el

espesor de la torta por lo que la resistencia al paso de

fluido es cada vez mayor, pudindose llevar a cabo la

operacin de las siguientes formas:

Filtracin a presin constante: El caudal disminuye con el tiempo.

Filtracin a caudal constante: La presin aumenta al avanzar la filtracin.

Existen dos mtodos diferentes de operar en un filtro

discontinuo: si la presin se mantiene constante, la

velocidad de flujo disminuir progresivamente, mientras

que si se debe mantener constante la velocidad de flujo

entonces ser necesario incrementar gradualmente la

presin.

En la mayora de los casos, la compresibilidad de la torta

de filtracin se encuentra entre valores de 0,1 y 0,8 de

manera que la mayor parte del aumento de la prdida de

carga del fluido es consecuencia del medio filtrante. En

general, si el aumento de presin conlleva un aumento

significativo del caudal o velocidad de filtracin, es un

indicio de la formacin de una torta granulada. En

cambio, para las tortas espesas o muy finas, un aumento

de la presin de bombeo no resulta en un aumento

significativo del caudal de filtrado. En otros casos, la torta

se caracteriza por una presin crtica por encima de la

cual, la velocidad de filtracin incluso disminuye. En la

prctica, se prefiere operar a una velocidad constante,

empezando a baja presin, aunque por el empleo

generalizado de sistemas de bombeo centrfugos, las

condiciones habituales son de presin y caudal variables

[2].

En trminos generales los posibles errores que pudieron

presentarse en esta prctica, fueron realmente pocos. Sin

embargo cabe mencionar los errores por parte de la

analista al momento de la toma de datos y de la

preparacin de la torta y errores por parte del instrumento.

y = 3,5211E+08x + 6,2433E+04

R = 9,9822E-01 0

100000

200000

300000

400000

500000

600000

0 0,0005 0,001 0,0015

Teta

/V (

s/m

3)

V(m3)

7. Profundizacin

1. Cules son los factores ms importantes de los que

depende la velocidad de filtracin [1]

?

Los factores ms importantes de los que depende la

velocidad de filtracin son, por lo tanto:

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 torta.

2. Cul es la funcin del medio filtrante? Cules son sus

caractersticas?

La funcin del medio filtrante es, generalmente, la de

actuar como soporte para la torta filtrante mientras las

capas iniciales de la misma proporcionan el verdadero

filtro. El medio filtrante debe ser mecnicamente fuerte,

resistente a la accin corrosiva del fluido y debe ofrecer

tan poca resistencia como sea posible al flujo de filtrado.

Normalmente se utilizan tejidos, aunque para la filtracin

de lquidos corrosivos en unidades discontinuas los

materiales granulares y slidos porosos resultan tiles.

Una caracterstica importante en la seleccin de un tejido

es la facilidad en la separacin de la torta, factor clave en

el funcionamiento de las unidades automticas existentes

en la industria [1]

.

Existen casos en que los slidos a filtrar son muy finos y

forman una torta densa e impermeable, obstruyendo

rpidamente cualquier medio filtrante que sea

suficientemente fino para retenerlos.

3. En el caso en que los slidos a filtrar sean muy finos y

formen una torta densa e impermeable que obstruya

rpidamente cualquier medio filtrante, cmo podra

realizarse la filtracin?

Para stos casos se pueden usar filtros en los cuales la

torta que se genera se va retirando durante el proceso de

modo que no se afecte la capacidad de filtracin y no se

genere obstruccin del medio filtrante. Para el caso en el

cual hay partculas grandes y finas es necesario realizar

procesos de filtracin por etapas.

Algunos ejemplos de filtros que se podran usar para tal

fin son:

Filtros rotatorios. La placa filtrante tiene forma cilndrica

y constituye la parte exterior de un armazn rotativo. Por

el eje del cilindro se va succionando a travs de la placa el

lquido contenido en el recipiente donde est parcialmente

sumergido el cilindro. El slido la torta- se queda en la superficie de la placa filtrante, en donde puede lavarse

con una ducha y se elimina mediante un raspador. Estos

filtros trabajan en continuo y se emplean bsicamente

cuando se desea aprovechar el slido.

Filtro de mangas. Consisten en un haz de mangas textiles

cilindros abiertos por un extremo- mantenido en posicin vertical mediante un armazn adecuado. El gas a

filtrar se hace circular hacia el interior de las mangas

quedando el slido retenido en las caras exteriores, de las

que se desprende por vibracin. Puede darse tambin la

filtracin del exterior al interior, en otros modelos. [3]

4. Cul es la diferencia entre una torta compresible y una

incompresible? Cmo se determina la resistencia

especfica de una torta incompresible?

Las tortas compresibles son aquellas en las cuales un

aumento de la diferencia de presin o de la velocidad de

flujo provoca la formacin de una torta ms densa con

una resistencia ms elevada mientras que en las tortas

incompresibles la resistencia al flujo de un volumen dado

de torta no se ve afectada de forma apreciable por la

diferencia de presin a travs de la torta o por la

velocidad de deposicin del material.

La Resistencia especfica de la torta depende de y de S. Para tortas incompresibles se considera constante, pero

depender de la velocidad de deposicin, de la naturaleza

de las partculas y de las fuerzas existentes entre las

mismas.

Donde

: Porosidad del lecho : Superficie especfica de las partculas por unidad de volumen de las mismas, que supuestas esfricas se

calculan de la siguiente forma: [4]

5. Cul es la relacin entre el espesor de la torta y el

volumen de filtrado?

El espesor de la torta (L) y el volumen de filtrado (V) se

encuentran relacionados por un balance de materia entre

los slidos presentes en la suspensin y en la torta que

lleva a la obtencin de la siguiente expresin: [5]

6. Analice si el siguiente enunciado es falso o verdadero:

la porosidad de la torta disminuye desde la superficie

libre hacia el medio filtrante.

Debido a las prdidas por friccin originadas en el flujo

del filtrado a travs de la torta, existir un gradiente de

presin en el fluido. Las partculas ejercern una accin

retardada sobre el fluido, pero ste ejercer una accin de

compresin sobre las partculas, provocando la

compactacin de la torta. Ya que la fuerza ejercida por el

fluido sobre cada partcula es transmitida a las partculas

ms profundas de la torta, la fuerza de compresin vara

desde un mnimo de cero en la superficie libre hasta un

mximo en el medio filtrante, la presin real depender

del contacto de las partculas de la torta y su estructura,

pero puede expresarse en funcin de la profundidad, de

igual manera, la porosidad de la torta en un punto tambin

es funcin de la diferencia de presiones. Es as como la

porosidad disminuye desde la superficie libre hacia el

medio filtrante [6]

.

7. De acuerdo a la respuesta del numeral 6, aumenta o

disminuye la resistencia?

Conforme disminuye la porosidad, la resistencia de la

torta aumenta y esta tambin es funcin de la profundidad

de la torta, ya que hay menos espacios vacantes para las

partculas, existe una mayor oposicin al paso de las

mismas.

8. Qu efecto tiene la temperatura en un proceso de

filtracin? Para un determinado sistema de filtracin,

afectar el rea?

El mayor efecto de la temperatura en un proceso de

filtracin, sobre todo de slidos incompresibles, radica en

la disminucin de viscosidad del fluido, permitindole

alcanzar velocidades ms elevadas y por ende, mayor

velocidad de filtracin necesitando menor rea de

filtracin.

8. Conclusiones

La filtracin en la industria va desde un simple "colado"

hasta separaciones muy complejas. El fluido puede ser un

lquido o un gas, las partculas pueden ser gruesas, finas,

imperceptibles o estar en solucin, pueden ser rgidas o

plsticas, redondas o alargadas, estar separadas o formar

agregados. La suspensin puede contener una gran

concentracin de partculas o ser stas casi despreciables.

La suspensin o solucin puede estar muy caliente o muy

fra, la operacin puede realizarse bajo vaco o empleando

presiones muy altas.

Referencias.

[1] Filtracin. [En lnea]. Disponible:

http://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/mgilarra/Fluid/

Filtracion%202005-2006.pdf.

[2] Filtracin. [En lnea]. Disponible:

http://es.wikipedia.org/wiki/Filtraci%C3%B3n.

[3] J. COSTA LPEZ, S. CERVERA MARCH, F.

CUNILL GARCA, S. ESPLUGAS VIDAL, C. MANS

TEXID, F. MATA LVAREZ. Curso de Ingeniera

Qumica: Introduccin a los procesos, las operaciones

unitarias y los fenmenos de transporte. Barcelona:

Revert, S.A. , 1991. Pginas 76-79 (ISBN: 84-291-7126-

6).

[4] Universidad autnoma de madrid. Filtracin.

Consultado en lnea el 27 de enero de 2013. Disponible en

[http://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/mgilarra/Fluid/

Filtracion%202005-2006.pdf].

[5]Universidad autnoma de Madrid. Filtracin.

Consultado en lnea el 27 de enero de 2013. Disponible

http://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/mgilarra/Fluid/

Filtracion%202005-2006.pdf.

[6] Coulson, J. M, Fautor, J.F. (2003) Ingeniera qumica:

operaciones bsicas. Tomo II. Revert: Espaa.