Filtracion (06 Q)

PRACTICA N 1

FILTRACION

I. OBJETIVO

Comprender los principios bsicos de la Filtracin.

Determinar la resistencia del medio filtrante.

Determinar la resistencia especfica de la torta.

Determinar el factor de comprensibilidad.

II. FUNDAMENTO TEORICO.

La filtracin es un operacin mediante el cual se logra la separacin de partculas

slidas que se encuentran en suspensin de un medio lquido. Para este fin, se requiere

de un medio poroso que retenga las partculas slidas permitiendo el paso del fluido,

adems de una fuerza impulsora (gravedad, presin o fuerza centrfuga). El slido se

retiene sobre el medio filtrante formando una torta porosa.

Torta filtrante

Liquido a filtrar

Medio Filtrante

MECANISMO DE

FILTRACION

Filtrado

La torta se forma gradualmente incrementndose de forma progresiva la resistencia al

flujo. Durante el periodo inicial se depositan partculas en la capa superior de la tela

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA

LABORATORIO DE INGENIERA QUMICA II 1

formndose el verdadero medio filtrante; este depsito inicial puede efectuarse mediante

un Primer flujo especial de material adecuado.

TIPOS DE FILTROS:

Existen numerosos tipos de filtros dependiendo de aplicacin a que estn destinados, y

como se ha visto anteriormente, su clasificacin se puede realizar atendiendo a

diferentes criterios, aunque lo ms frecuente es su caracterizacin en funcin de la

fuerza motriz.

Los factores principales a considerar a la hora de elegir un tipo de filtro frente a otro

son: la resistencia especfica de la torta, la cantidad a filtrar y la concentracin de

slidos.

Otra de las caractersticas del filtro a tener en cuenta es la facilidad de descarga de la

torta. Ante todo lo que va a decidir la eleccin del filtro es el factor econmico.

Normalmente el precio del equipo est directamente relacionado con el rea filtrante. Los filtros clarificadores o de lecho profundo se suelen emplear cuando la cantidad de

slidos presentes en el lquido es muy pequea, siendo de gran aplicacin para la

depuracin de agua y el tratamiento de aguas residuales.

En este grupo se tienen los filtros de lecho, los cartuchos filtrantes y otros.

Los filtros de cartucho: Son cada vez ms utilizados en la industria por sus buenos

resultados. Los Filtros tipo cartucho ofrecen una excelente filtracin de profundidad.

Estos tienen la capacidad de retener partculas hasta de 1 micra y diversos

contaminantes del agua.



La mayor parte de filtros empleados en la industria qumica son filtros de torta y dentro

de stos su clasificacin suele hacerse en funcin de la fuerza impulsora (presin, vaco

o centrfuga).

Si se debe seleccionar entre un filtro de presin o uno de vaco se deben conocer las

ventajas e inconvenientes que presentan cada uno de ellos. Los filtros de presin

permiten la obtencin de tortas con un menor contenido de humedad y los filtros de

vaco, aunque permiten un funcionamiento en continuo, el consumo de energa es mayor

debido al sistema de vaco y existe una limitacin en la diferencia de presin aplicable

(ya que la presin mxima no puede sobrepasar el valor de 1 atm). A continuacin se

exponen algunos de los filtros de uso ms habitual:

Filtro Prensa: Es uno de los filtros ms usados debido a su gran versatilidad, tanto en

relacin a la amplia gama de materiales y como las diversas condiciones de operacin

que se pueden aplicar, adems de su bajo coste de mantenimiento. Se emplea en los

casos en que la resistencia especfica de la torta es elevada y siempre que la cantidad de

slidos no sea tan elevada que obligue a desmontar frecuentemente la prensa que

provocara desgastes excesivos en las telas. Sin embargo, no est recomendado su uso

para tratar grandes cantidades. Consisten en una serie de elementos cuadrados o

rectangulares, que pueden ser placas y marcos alternados o cmaras, entre los que se

coloca la tela filtrante. De esta forma, se distinguen dos tipos de filtros prensa: la prensa

de placas y marcos y la prensa de cmaras. La diferencia entre ambas radica en que la

segunda prescinde de los marcos y que el canal de alimentacin se encuentra en el

centro de cada una de las placas en vez de en una de las esquinas como ocurre en la

prensa de placas y marcos.

Filtros de lecho, (o de arena): Son ejemplos de la

filtracin en profundidad, en el que las partculas

penetran en los intersticios del lecho filtrante,

quedando atrapadas. Se usan para depuracin de

aguas urbanas y tratamiento de aguas residuales

con muy bajos contenidos en slidos. El lavado de

estos lechos ha presentado problemas, hacindose



un retrolavado, con flujo en sentido inverso de aire seguido de agua.

Filtros prensa de placas y marcos: En ellos no se alcanza la cada de presin constante

desde el principio de la filtracin, sino que hay un periodo de filtracin a caudal

constante al comienzo de la misma. Son una serie de placas y marcos alternos

soportados por un par de rales; las placas tienen una superficie acanalada o estriada. El

marco hueco est separado de la placa por una tela filtrante y la prensa se cierra por

medio de un tornillo manual o hidrulico. Entre cada par de placas se forma por tanto

una cmara. La suspensin se introduce por un orificio del marco y el filtrado pasa a

travs de la tela de cada lado, de modo que se forman dos tortas en cada cmara. El

filtrado circula hacia abajo por la superficie de las placas y se descarga a travs de un

grifo. Puede inspeccionarse el filtrado de cada placa, pudindose aislar una de ellas, si

se estropea o aquel no resulta claro. En algunos se prevee la calefaccin por vapor.

Filtro prensa de cmaras: Similar al anterior pero se prescinde de los marcos, y las

cmaras individuales estn formadas entre placas sucesivas. Por tanto, el espesor de la

torta no puede variarse. El canal de alimentacin generalmente difiere del anterior,

siendo por el centro.

En estos dos casos se han obtenido mejoras muy importantes: grandes unidades,

materiales nuevos y ms ligeros, mayores presiones y grado de automatizacin,

escurrido ms completo que facilita el posterior lavado, etc.

Estos filtros presentan: a) gran versatilidad; b) bajo coste de mantenimiento, c) rea

filtrante grande en un espacio reducido, d) fcil deteccin de fugas, e) y sirven tanto si

es el slido o el lquido el producto valioso. Pero tambin presentan una serie de



inconvenientes: a) funcionamiento discontinuo que puede provocar el desgaste de las

telas, y b) no son adecuados para grandes volmenes.

Filtros de hojas: En ellos, la cada de presin constante se

alcanza desde los primeros instantes de la filtracin. Son

apropiados para tratar grandes volmenes de suspensin, de

modo que, para la misma capacidad que un filtro prensa,

ocupan menos espacio. Los hay de diferentes tipos: filtro

Moore, Kelly, Sweetland, Vallez, Nigara, (verticales u

horizontales), etc., dependiendo del tipo de hojas, la mayor o

menor uniformidad y facilidad de separacin de la torta, la

facilidad de lavado y la instalacin de la tela.

En ellos, cada hoja est rodeada de la tela filtrante de modo

que la torta queda depositada en el exterior y el lquido claro

pasa al interior, bien por vaco o por presin.

Filtros rotatorios continuos: Los hay de tambor rotatorio y de discos. Son filtros de

succin, en los que la filtracin, lavado, secado y descarga de la torta se realizan

automticamente, precisando, por tanto, de poca mano de obra.

A) Filtro de tambor: Es un cilindro horizontal que gira parcialmente sumergido en un depsito con la suspensin agitada. La superficie cilndrica est agujereada y se

cubre con la tela. Se succiona haciendo vaco, y el lquido claro atraviesa la tela,

mientras la torta se va formando en la superficie. La capacidad de filtracin

depende de la velocidad de rotacin. Si la torta se resquebraja, se comprime con

una correa.

Presenta una serie de ventajas: a) Tiene un funcionamiento automtico y continuo,

por lo que precisa poca mano de obra; b) Se pueden obtener tortas de cualquier

espesor, sin ms que modificar la velocidad de giro; c) Tienen una capacidad muy

grande.

Los inconvenientes son: a) Funcionan a vaco, lo cual limita la diferencia de

presiones mxima que se puede aplicar y su empleo para lquidos calientes que

tienden a hervir a bajas presiones; b) No se usan para materiales muy impermeables

o difciles de separar de la tela, aunque pueden aadirse coadyuvantes. c) No es

fcil obtener un buen lavado.



B) Filtro de discos: Similares a los anteriores, slo que tienen un cierto nmero de hojas filtrantes dispuestas sobre un eje. Proporcionan peor lavado que el anterior y

la descarga de la torta es ms difcil, pero ofrecen un rea mucho mayor.

Filtros banda: Consisten en una banda continua de tela filtrante que pasa a travs de

unos rodillos giratorios, el fango acondicionado con un polielectrolito se vierte de forma

continua sobre la banda, y posteriormente al pasar entre los rodillos es comprimida y

una placa rascadora va separando el fango deshidratado de la banda. En estos filtros se

consiguen concentraciones del orden del 20% en matara seca.



Para una suspensin determinada en un filtro dado, la variable principal que puede

controla el operador 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 varia 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 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.

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

Koseny Craman.



Adems sabiendo que la velocidad lineal se puede expresar como

Y haciendo un balance de materia en la torta.

De las ecuaciones (2) y (3)

Donde

Por analoga para la resistencia del medio filtrante

Donde:

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:



Donde:

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 est 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 de uso emprico y de uso comn es:

FILTRACIN A PRESIN CONSTANTE

Donde:

Otra forma:



Donde:

III. PARTE EXPERIMENTAL

Equipos y Materiales

- 300gr. de carbonato de calcio en 6 L. - 1 cronometro. - 1 equipo de filtracin. - 1 probeta de 1000 mL. - 1 compresor de aire. - 1 medidor de presin.

Procedimiento

RECONOCIMIENTO DE EQUIPOS



1. Cuerpo del filtro de presin (cilindro sin base de fierro fundido): El material del cilindro depender de la composicin de la solucin a filtrar y de la presin que

soportara las paredes del cilindro.

2. Tapa del filtro de presin: la funcin de esta es la de cerras el sistema hermticamente para evitar variaciones de presin.

3. Prensa de tornillo. 4. Base del filtro de presin. 5. Tubo de descarga. 6. Alimentacin de fluido comprimido 7. Vlvula de compuerta: nos permite regular la presin dentro del filtro. 8. Manmetro.

9. Vlvula de purga de aire comprimido. 10. Rejilla 11. Lona de retencin 12. Compresora



Descripcin del proceso

Preparamos una solucin de carbonato de calcio (cal) de una concentracin de 300g en 6 litros de agua, para esto utilizaremos una balanza mecnica y un

recipiente graduado para el agua.

Armamos el equipo realizando los siguientes pasos: sobre la base ponemos la rejilla y sobre esta la lona de retencin, luego fijaremos el cilindro y agregaremos la

solucin de carbonato de calcio para luego fijar la tapa mediante la prensa de

tornillo.

Luego de encender la compresora tomaremos medicin de tiempo para volmenes

de 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5 y 5.5 litros tomados del tubo de descarga, este

procedimiento lo repetiremos para diferentes presiones 10, 15, 20 y 25 Psia.



Para las cuales obtuvimos los siguientes datos:

P=10psia P=15psia P=20psia P=25psia

Volumen(litros) Tiempo(seg) Tiempo(seg) Tiempo(seg) Tiempo(seg)

0.5 15 7 4 11

1 38 19 18 26

1.5 67 39 31 45

2 96 62 55 63

2.5 129 86 68 81

3 152 111 89 99

3.5 187 138 112 116

4 214 163 132 133

4.5 248 188 154 152

5 282 212 174 169

5.5 317 240 183 185

Observamos la formacin de las respectivas tortas de filtracin. Notando que para las presiones de 20psia y 25psia la torta presenta fisuras.



CLCULOS Y RESULTADOS

Utilizaremos 300 g de cal en 6L de agua:

rea de filtracin:

V(m

3) t(s) t/V

0.0005 15 30000

0.001 38 38000

0.0015 67 44666.6667

0.002 96 48000

0.0025 129 51600

0.003 152 50666.6667

0.0035 187 53428.5714

0.004 214 53500

0.0045 248 55111.1111

0.005 282 56400

0.0055 317 57636.3636

y = 5E+06x + 35040 R = 0.8296

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006

P=10psia



V(m

3) t(s) t/V

0.0005 7 14000

0.001 19 19000

0.0015 39 26000

0.002 62 31000

0.0025 86 34400

0.003 111 37000

0.0035 138 39428.57143

0.004 163 40750

0.0045 188 41777.77778

0.005 212 42400

0.0055 240 43636.36364

y = 6E+06x + 16473 R = 0.8906

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006

P=15psia



V(m

3) t(s) t/V

0.0005 4 8000

0.001 18 18000

0.0015 31 20666.6667

0.002 55 27500

0.0025 68 27200

0.003 89 29666.6667

0.0035 112 32000

0.004 132 33000

0.0045 154 34222.2222

0.005 174 34800

0.0055 193 35090.909

y = 5E+06x + 13152 R = 0.8384

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006

P=20psia



V(m3) t(s) t/V

0.0005 11 22000 0.001 26 26000

0.0015 45 30000 0.002 63 31500

0.0025 81 32400 0.003 99 33000

0.0035 116 33142.85714 0.004 133 33250

0.0045 152 33777.77778 0.005 169 33800

0.0055 185 33636.36364

y = 2E+06x + 25412 R = 0.6899

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006

P=25psia



Hallando el factor de Comprensibilidad

P ln lnP

6.66962E+09 6.89286E+04 22.62082824 11.1408261

1.20053E+10 1.03393E+05 23.20861491 11.5462912

1.33392E+10 1.37857E+05 23.31397542 11.8339732

6.66962E+09 1.72321E+05 22.62082824 12.0571168

De la Grafica:

y = 1.0295x + 11.201 R = 0.9213

22.5

22.6

22.7

22.8

22.9

23

23.1

23.2

23.3

23.4

23.5

11 11.2 11.4 11.6 11.8 12



POR OTRA FORMA:

V(m3) V(m3) t(s) t t/V

0 0

0.0005 0.0005 15 15 30000

0.001 0.0005 38 23 46000

0.0015 0.0005 67 29 58000

0.002 0.0005 96 29 58000

0.0025 0.0005 129 33 66000

0.003 0.0005 152 23 46000

0.0035 0.0005 187 35 70000

0.004 0.0005 214 27 54000

0.0045 0.0005 248 34 68000

0.005 0.0005 282 34 68000

0.0055 0.0005 317 35 70000

y = 6E+06x + 40509 R = 0.547

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006

10 Psia




0 0

0.0005 0.0005 7 7 14000

0.001 0.0005 19 12 24000

0.0015 0.0005 39 20 40000

0.002 0.0005 62 23 46000

0.0025 0.0005 86 24 48000

0.003 0.0005 111 25 50000

0.0035 0.0005 138 27 54000

0.004 0.0005 163 25 50000

0.0045 0.0005 188 25 50000

0.005 0.0005 212 24 48000

0.0055 0.0005 240 28 56000

y = 6E+06x + 24545 R = 0.6541

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006

15 Psia




0 0

0.0005 0.0005 4 4 8000

0.001 0.0005 18 14 28000

0.0015 0.0005 31 13 26000

0.002 0.0005 55 24 48000

0.0025 0.0005 68 13 26000

0.003 0.0005 89 21 42000

0.0035 0.0005 112 23 46000

0.004 0.0005 132 20 40000

0.0045 0.0005 154 22 44000

0.005 0.0005 174 20 40000

0.0055 0.0005 193 9 38000

y = 5E+06x + 21127 R = 0.4199

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006

20 Psia




0 0

0.0005 0.0005 11 11 22000

0.001 0.0005 26 15 30000

0.0015 0.0005 45 19 38000

0.002 0.0005 63 18 36000

0.0025 0.0005 81 18 36000

0.003 0.0005 99 18 36000

0.0035 0.0005 116 17 34000

0.004 0.0005 133 17 34000

0.0045 0.0005 152 19 38000

0.005 0.0005 169 17 34000

0.0055 0.0005 185 16 32000

y = 1E+06x + 30364 R = 0.1585

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006

25 Psia



Hallando el factor de Comprensibilidad

P ln lnP

8.00354E+09 6.89286E+04 22.8031498 11.1408261

1.20053E+10 1.03393E+05 23.2086149 11.5462912

1.33392E+10 1.37857E+05 23.3139754 11.8339732

3.33481E+09 1.72321E+05 21.9276811 12.0571168

De la Grafica:

y = 0.7542x + 14.43 R = 0.9484

22.7

22.8

22.9

23

23.1

23.2

23.3

23.4

11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8 11.9



FILTRO DE MARCOS Y PLACAS

Reconocimiento de equipos

1. Prensa de tornillo 2. Tanque de alimentacin/recepcin 3. Tanque dosificador de arenas 4. Vasija de recepcin 5. Bomba 6. Manmetro de corriente de entrada 7. Manmetro de corriente de salida 8. Dique poroso 9. Placa 10. Marco



Descripcin del proceso

Para el armado de los marcos y placas se debe ter en cuenta que primero se ubica

una placa luego el marco y posteriormente el dique poroso, asi sucesivamente hasta

completar los 6 filtros, al final de estos se ubica una placa sin orificios (placa

ciega).

Luego de haber ensamblado los filtros los ajustaremos con la prensa de tornillo.

Cargamos el tanque de alimentacin con 20litros de agua a la que aadimos una cantidad de carbonato de calcio (cal).

Luego de encender la bomba observamos los manmetros de entrada y salida, observando que a medida que transcurre el tiempo la presin aumenta en la

corriente de descarga hasta llegar a una presin constante de 2.49psia que nos

indica la formacin de la torta filtrante.



Luego de aproximadamente 25 minutos notamos que la solucin del tanque de

alimentacin fue clarificada completamente.

Para observar la formacin de la torta filtrante desrmanos el equipo.



IV. CONCLUSIONES



El volumen de filtrado es el mismo a la misma concentracin de carbonato de calcio lo que varia nicamente es el tiempo de filtrado.

La velocidad de filtrado es directamente proporcional a la variacin de presin impuesta en la experiencia.

Al aumentar el tamao de la torta aumenta la resistencia especfica de la torta. La velocidad de filtrado disminuye gradualmente debido a la formacin y

aumento de volumen de la torta por consecuente aumenta la resistencia.

V. RECOMENDACIONES

Tener cuidado con los instrumentos dentro y fuera del ciclo. Se debe tener cuidado con las tomas de las medidas de presin ya que puede

variar nuestro resultado

.Debe tener un mantenimiento preventivo.

VI. BIBLIOGRAFA

BROWN G.G. "Operaciones Bsicas de la Ingeniera Qumica" Ed. Marin (1965).

COULSON J.M./RICHARDSON J.F. "Ingeniera Qumica" Ed. Revert, tomo II, (1981).

FILTROS DE TIERRAS



PROBLEMA 1

Se cuenta con los siguientes datos para filtrar en el laboratorio una suspensin de

CaCO3 en agua a 298.2 K, a presin constante (-p) de 338 kN/m2. El rea de filtracin

de la prensa de placas y marcos es A=0.0439 m2, y la concentracin de la suspensin es

cS=23.47 kg/m3. Calcule las constantes y Rm con base en estos datos experimentales,

si t es el tiempo en s y V es el volumen de filtrado recolectado en m3.

t V

4.4 0.489*10-3

9.5 1.000*10-3

16.3 1.501*10-3

24.6 2.000*10-3

34.7 2.489*10-3

46.1 3.002*10-3

59.0 3.506*10-3

73.6 4.004*10-3

89.4 4.502*10-3

107.3 5.009*10-3

Solucin

Primero se calculan los datos como t/V y se tabulan en la tabla. Se construye la grfica

de t/V. y se determinan la interseccin que es B=6400 s/m3 y la pendiente, que es

KP/2=3.00*106

s/m6. Por tanto, KP=6.00*10

6 s/m

6.

t V*103

(t/V)*10-3

0 0

4.4 0.489

8.84

9.5 1.000

9.50

16.3 1.501

10.86

24.6 2.000

12.30

34.7 2.489

13.89

46.1 3.002

15.36

59.0 3.506

16.83

73.6 4.004

18.38

89.4 4.502

19.86

107.3 5.009

21.42

A 298.2 K, la viscosidad del agua es 8.937*10-4

Pa.s=8.937*10-4

kg/m.s. sustituyendo

los valores conocidos en la ecuacin y resolviendo



PROBLEMA 2

Un filtro rotatorio de tambor al vaco que sumerge el 33% del tambor en la suspensin

se va a utilizar para filtrar una suspensin de CaCO3, con una cada de presin de 67.0

kPa. La concentracin de slidos en la suspensin es cx=0.191 kg de solido/kg de

suspensin y la torta del filtro es tal que los kg de torta hmeda/kg de torta seca=m=2.0.

La densidad y la viscosidad del filtrado se pueden suponer equivalentes a las del agua a

298.2 K. Calcule el rea del filtro necesario para filtrar 0.778 kg de suspensin /s. el

tiempo de ciclo del filtro es de 250 s. la resistencia especifica de la torta se puede

representar como = (4.37*109) (-p) 0.3, donde -p se da en Pa y en m/kg.

Solucin

Despejando

Para calcular la velocidad de flujo del filtrado,

Al sustituir en la ecuacin, al despreciar y hacer B=0 y al resolver,

Por tanto,

Filtracion (06 Q)

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