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Laboratorio de procesos II
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PREINFORME FILTRACIÓN
Andres F. Solano1, Saul A. Florez2, Jeisson E. Mariño3, Ramiro A. Rivera4, Gustavo A. Rojas5, Laura M. Mantilla6
Estudiantes de la facultad de ingenierías físico químicas
Escuela de ingeniería química
Universidad Industrial de Santander
Email1: [email protected], Email2: [email protected], Email3: [email protected], Email4: [email protected], Email5: [email protected], Email6: [email protected]
I. INTRODUCCIÓN
El problema en la separación de
partículas sólidas de líquidos, puede
resolverse por una diversa cantidad de
métodos, los cuales dependen del tipo de
sólido, la proporción de sólido a líquido
en la mezcla, la viscosidad de la solución
y algunos otros factores.
Uno de los métodos usados para resolver
el problema planteado es la filtración, la
cual establece una diferencia de presión
que hace que el fluido fluya a través de
poros pequeños que impiden el paso de
las partículas sólidas las cuales se
acumulan sobre la tela como torta
porosa.
II. OBJETIVO
El objetivo general de la práctica es
profundizar en la filtración por medio de
la experimentación en el laboratorio,
relacionándola con la teoría
previamente estudiada.
III. MARCO TEORICO
En la filtración las partículas suspendidas
en el fluido se separan físicamente con el
uso de un medio poroso que retiene las
partículas en forma de fase separada que
permite el paso del filtrado sin sólidos.
(Geankoplis, 1998)
Clasificación de la filtración:
- Según la fuerza motriz, se induce el flujo
del filtrado por el medio filtrante,
mediante la carga hidrostática, presión
sobre-atmosférica o vacío aplicada
corriente arriba del medio filtrante,
presión sub-atmosférica aplicada
corriente abajo del citado medio o fuerza
centrífuga. (Perry, 2008)
- Se consideran dos modelos que
constituyen la base de la teoría del
proceso de filtración. Cuando los sólidos
quedan detenidos en la superficie de un
medio de filtración y se amontonan unos
sobre otros para formar una torta
creciente en su espesor la separación es
conocida como filtración de torta,
cuando los sólidos quedan atrapados
dentro de los poros o el cuerpo del
medio de filtración se le denomina medio
filtrante de profundidad o filtración
clarificadora. (Perry, 2008)
- Según el objetivo, la filtración se puede
realizar con el fin de recuperar sólidos
secos (La torta es el producto de valor),
líquido clarificado (el filtrado es el
producto de valor), o ambos. Para el caso
de solidos secos se recuperan de mejor
manera por filtración de torta, mientras
que la clarificación del líquido se lleva a
cabo ya sea por filtración clarificadora o
filtración de torta. (Perry, 2008)
- Según de funcionamiento, la filtración
puede ser intermitente (por lotes) o
continua. Los filtros por lotes se pueden
manejar con una fuerza impulsora de
presión constante, a velocidad constante
o en ciclos variables, con respecto tanto a
la presión como a la velocidad. (Perry,
2008)
- Según la naturaleza de los sólidos. La
filtración de torta puede incluir una
acumulación de sólidos sustancialmente
incompresibles que corresponden más o
menos a partículas deformables y rígidas.
El tamaño de partícula o de agregado de
partículas puede ser del mismo orden de
magnitud que el tamaño de poros
mínimos de la mayoría de los medios de
filtración (1 a 10 micras y mayores) o más
pequeños (de 1 micra hasta las
dimensiones de las bacterias o, incluso
las moléculas grandes). La mayoría de las
filtraciones incluyen sólidos de la primera
gama de tamaños; los de la última se
pueden filtrar sólo mediante la
ultrafiltración, a menos que se conviertan
a la primera gama mediante agregación
antes de la filtración. (Perry, 2008)
Tipos de filtración:
- Filtración de torta, en este las partículas
de sólido se acumulan sobre el filtro,
donde el medio filtrante posee unos
poros que no permiten pasar las
partículas de sólidos, y así se forma una
torta. Es el proceso de filtración por
excelencia, donde dicha torta formada va
creciendo, y por lo tanto, hay que
retirarla o eliminarla cada cierto tiempo.
(Martin, 2011)
- Filtración de lecho profundo o de medio
filtrante, en este caso se pretende
obtener un efluente clarificado sin
partículas finas a partir de un alimento
con bajo contenido en sólidos (menor de
0.1 % en peso). En este tipo de filtración,
lo que se pretende es eliminar sólidos
muy finos y muy diluidos mediante
circulación a través de un lecho granular
con sólidos medios o gruesos.
Generalmente el lecho es de arena, y el
ejemplo más común es la eliminación de
los sólidos en suspensión en el
tratamiento de aguas potables. Por
tanto, no se forma torta, aunque los
lechos tendrán que limpiarse
periódicamente mediante circulación
inversa del fluido. (Martin, 2011)
- Filtración de flujo cruzado o
ultrafiltración, donde los sólidos (desde 5
m hasta 0.03 m) son separados en
flujo tangencial al medio filtrante y
separados continuamente sin
acumulación sobre el medio filtrante,
que son membranas. En este caso, no
todo el caudal de líquido pasa a través
del medio filtrante, sino que existe salida
tanto de un líquido filtrado (sin solutos)
como de una corriente de rechazo, más
concentrada en solutos. Las fuerzas que
provocan la filtración puede ser la
gravedad o la presión hidrostática puesto
que si no hay fuerza impulsora a través
del medio filtrante, no hay caudal de
filtrado (ley de Darcy). (Martin, 2011)
Teoría básica de filtración:
-Caída de presión del fluido a través de la
torta: El flujo del filtrado a través del
lecho empacado de la torta se puede
describir por medio de una ecuación
similar a la ley de Poiseuille, suponiendo
un flujo laminar en los canales del filtro.
(Geankoplis, 1998)
Ec.1
Donde Δp es la caída de presión en N/m*
(lbf/pie2), v es la velocidad en el tubo
abierto en m/s (pie/s), D es el diámetro
en m (pie), L es la longitud en m (pie), p
es la viscosidad en Pa*s o kg/m*s
(lbm/pie*s) y g, es 32.174 Ibm*pie/lbf
*s2.
Para el flujo laminar en un lecho
empacado con partículas,
Ec. 2
Donde k, es una constante igual a 4.17
para partículas aleatorias, de tamaño y
forma definidos, p es la viscosidad del
filtrado en Pa *s (lbm/pie * s), v es la
velocidad lineal basada en el área de
filtración, en m/s (pie/s), E es la fracción
de espacios vacíos o porosidad de la
torta, L es el espesor de torta en m (pie),
Sc es el área superficial específica de las
partículas en m2 (pie2) de área de
partícula por m3 (pie3) de volumen de
partículas sólidas y Δp, es la caída de
presión en la torta en N/m2 (lbf/pie2). En
unidades del sistema inglés, el lado
derecho de la ecuación (14.2-2) se divide
entre g.
La velocidad lineal es
Ec. 3
Donde A es el área del filtro en m2 (pie2)
y V es el total de m3 (pie3) de filtrado
recolectado en el tiempo t s. El espesor
de la torta L puede relacionarse con el
volumen de filtrado V, por medio de un
balance de materia. Si cs es kg de
sólidos/m3 (Ibm/pie3) de filtrado, el
balance de materia nos da
Ec.4
Donde p es la densidad de las partículas
sólidas de la torta en kg/m3 (lbm/pie3)
de sólido. El término final de la ecuación
anterior es el volumen del filtrado
retenido en la torta el cual suele ser
pequeño y se desprecia.
Después de reemplazar y despejar se
obtiene:
Ec. 5
Donde α es la resistencia especifica
Ec. 6
Para la resistencia del medio filtrante se
puede escribir por analogía la siguiente
ecuación:
Ec. 7
Donde R, es la resistencia del medio
filtrante al flujo de filtración en m-1 (pie-
1) y Δpf es la caída de presión. Cuando R,
se trata como constante empírica,
incluye tanto la resistencia al flujo en las
conexiones de tuberías hacia y desde el
filtro como la resistencia del medio
filtrante. (Geankoplis, 1998)
Puesto que las resistencias de la torta y
del medio filtrante están en serie se
pueden combinar las Ec. 5 y 7,
Ec. 8
Algunas veces se puede modificar de la
siguiente manera
Ec. 9
El volumen del filtrado V también se
puede relacionar con W, que son los
kilogramos de sólido acumulado como
torta seca
Ec. 10
Donde c, es la fracción de masa de sólido
en la suspensión, m es la relación de
masa de la torta húmeda respecto a la
torta seca y p es la densidad del filtrado
en kg/m3 (Ibm/pie3).
Tipos de equipos de filtración:
Aunque los equipos para llevar a cabo la
filtración de sólidos están diseñados para
que realicen la operación de forma, en
realidad se lleva a cabo en el interior del
equipo procesos cíclicos discontinuos.
Los dos filtros continuaos más habituales
son los filtros de mangas y los filtros de
tambor. (Martin, 2011)
- Filtros de mangas. En la figura 1 se
muestra un esquema de un filtro de
mangas. Básicamente, se hace circular la
suspensión por un sistema múltiple de
medios filtrante, en los que existen
distintos marcos. Sobre las distintas
mangas se van formando las tortas, por
lo que son retiradas cada cierto tiempo.
De esta manera en estos sistemas,
normalmente, mientras un conjunto de
prensas están trabajando en filtración
(formándose torta), otros están en
limpieza y rascado de torta mediante
circulación inversa.
Figura 1. Fuente (Martin, I)
Estos sistemas normalmente operan a
pérdida de presión constante. El caudal
de filtrado no será totalmente constante
en esta operación, aunque se puede
considerar un caudal medio. (Martin,
2011)
- Filtro de tambor. En la figura 2 muestra
un esquema simple de un filtro de
tambor. Consta de un tambor rotatorio,
que gira con una frecuencia constante,
por cuya superficie desarrollada cilíndrica
está el medio filtrante y penetra el
líquido claro.
Figura 2. Fuente (Martin, I)
El cilindro se encuentra situado en el
interior de un recipiente, sobre el que
alimenta la suspensión a filtrar,
quedando sumergida en la suspensión
parte de la superficie exterior cilíndrica
del tambor. La forma de funcionamiento
es la siguiente; supóngase un trozo de
sección del tambor que está no está
mojada por la suspensión y no tiene
torta. Al girar el tambor, llegará un
momento en que se sumerja, y
comenzará a formarse torta sobre él. A
medida que va girando sumergido, se irá
formando más torta hasta que salga del
depósito. Una vez fuera, sobre ese trozo
de sección no crece más la torta, y en un
punto concreto, un rascador elimina la
torta formada, dejando el trozo limpio y
preparado para volver a entrar en la
suspensión. (Martin, 2011)
IV. BIBLIOGRAFIA
[1] GEANKOPLIS, C. J. Procesos de
transporte y operaciones unitarias. 3ra
edición, Cecsa, México, 1998, pag 885,
891-893.
[2] PERRY. R, GREEN.D. Perry’s chemical
engineers’ handbook. McGraw-Hill, 8th
edition, 2008, pag 18-82.
[3] MARTÍN. I, SALCEDO. R, FONT. R.
MECANICA DE FLUIDOS, Tema 5.
Operaciones separación sólido-fluido.
Universidad de Alicante, 2011, pag 15.
