OPERACIONES UNITARIAS I

EXPOSICION: FILTRACIÓN

OBJETIVO

El objetivo de esta presentación es el de conocer el concepto de filtración, los tipos de filtración, los equipos necesarios para la filtración en el laboratorio y a nivel industrial.

Conocer las características del filtro y la solución problema a tratar.

Conocer el comportamiento del medio filtrante

FILTRACIÓN

“La filtración es la separación de partículas sólidas a partir de un fluido mediante el paso de este a través de un medio filtrante o pared separadora sobre el que se depositan los sólidos”

(C.J.Geankoplis,1998,p.885)

La filtración es la operación unitaria en la que el componente solido insoluble de una suspensión solido-liquido es separado del componente liquido haciendo pasar este a través de una membrana porosa que retiene las partículas solidas en su superficie corriente arriba o dentro de su estructura, o ambos.

Los factores que interviene en la filtración son: la naturaleza de las partículas en aguas residuales:

pH Temperatura Concentración

LABORATORIO INDUSTRIAL

MEDIO FILTRANTE

Un medio filtrante puede ser definido como cualquier material permeable sobre el cual, o en el cual, son separados los sólidos del fluido durante el proceso de filtración.

Por consiguiente, el principal rol del medio filtrante es provocar una buena separación entre los componentes de una suspensión con el mínimo consumo de energía.

El medio filtrante puede consistir en tela, papel o material poroso o tejido cuya función es promover la formación de una torta de sólidos. Un medio filtrante debe cumplir con los siguientes requerimientos:

Tener facilidad para remover la fase sólida dando un filtrado claro, ofrecer la mínima resistencia al flujo y resistencia a las condiciones del proceso

Debe ser químicamente inerte y no tóxico.

Debe permitir facilidad del retiro de la torta limpia y completa.

TIPOS DE MEDIOS FILTRANTES

1.- Telas metálicas, telas naturales y sintéticas, placas de asbesto o celulosa, hojas de papel de celulosa o de fibra de vidrio, sólidos sueltos, etc.

2.- Filtro ayuda: Es un material finalmente dividido que no se compacta ni comprime por la presión que ejerce el líquido al pasar a través de este tipo de materiales.

Son agregados a suspensiones que presentan problemas de comprensibilidad en la filtración, dificultad en la misma o por tamaño de partículas muy pequeñas. Debe ser ligero y formar una torta porosa.

Ejemplo del filtro ayuda: se utiliza el carbón activado, la pulpa de papel, etc.

3.-SUSPENSIONES:

Las suspensiones pueden clasificarse basándose en su concentración y/o en base a la rapidez de filtración: De filtración rápida De filtración mediana De filtración lenta Diluidas Muy diluidas

MECANISMOS DE FILTRACIÓN

PRINCIPIOS TEÓRICOS DE LA FILTRACIÓN:

1.-Retención superficial: se debe a que las partículas de mayor diámetro al tamaño del poro quedan atrapadas formando una torta.

2.-Retención profunda: se debe a que las partículas finas de menor tamaño al diámetro de los poros son retenidas a lo largo de los canales capilares del mismo.

3.-Retención por absorción. retención de partículas finas en el interior de los canales del medio filtrante debido a la atracción electroestática entre las moléculas que forman el filtro y las moléculas mezcladas con el fluido.

EQUIPOS DE FILTRACIÒN

Los filtros se dividen en tres grupos principales:

a)filtros de torta (mecanismo de retención superficial)

b) filtros clarificadores (M. de retención profunda)

c) filtros de flujo transversal (M. de retención por adsorción)

Al comienzo de la filtración en un filtro de torta, algunas partículas sólidas entran en los poros del medio filtrante y quedan inmovilizadas, pero muy rápido otras partículas se depositan sobre la superficie del medio filtrante. Después de este breve periodo inicial, la torta de sólidos es la que realiza la filtración y no el medio filtrante; sobre la superficie se forma una torta de espesor apreciable que es preciso retirar periódicamente.

A) FILTROS DE TORTA

1.-FILTROS DE CARCASA Y HOJAS

Consta de un conjunto de hojas verticales sobre un bastidor retráctil. Durante la operación las hojas permanecen dentro del tanque cerrado. La alimentación entra por un lado del tanque, el filtrado pasa a través de las hojas y sale por un colector de descarga múltiple.

2.-FILTROS DISCONTINUOS

Utilizan una gran presión diferencial a través del medio filtrante para lograr una filtración rápida muy económica con líquidos viscosos o con sólidos finos.

Filtro separador sólido/líquido con agitador, diseñado para los procesos de extracción, filtración y secado al vacío. Desempeño hermético

3.-FILTROS CONTINUOS A VACÍO

En todos los filtros continuos de vacío, el líquido es succionado a través de un medio filtrante en movimiento sobre el que se deposita una torta de sólidos. La torta se aleja de la zona de filtración, se lava, se seca por aspiración y se descarga del medio filtrante para reiniciar el ciclo con la entrada de otra carga de sólidos en suspensión.

4.-FILTRO PRENSA

Un filtro prensa contiene un conjunto de placas diseñadas para proporcionar una serie de cámaras o compartimentos en los que se pueden recoger los sólidos.

Las placas se recubren con un medio filtrante tal como una lona. La suspensión se introduce en cada compartimento bajo presión; el líquido pasa a través de la lona y sale a través de una tubería de descarga, dejando detrás una torta de sólidos húmeda.

5.-FILTRACIÓN CENTRÍFUGA

La presión que resulta de la acción centrífuga obliga al líquido a pasar a través del medio filtrante dejando los sólidos retenidos. Los principales tipos de centrífugas de filtración son:

a)máquinas suspendidas que operan en forma discontinua(los medios filtrantes son lonas o telas metálicas).

b) máquinas automáticas de ciclo corto y centrífugas continuas transportadoras(utilizan tamices metálicos finos).

Las cestas perforadas tienen un tamaño que oscila entre 750 y 1 200 mm de diámetro y entre 450 y 750 mm de altura y giran a velocidades comprendidas entre 600 y 1 800 rpm.

B) FILTROS CLARIFICADORES

Los filtros clarificadores retiran pequeñas cantidades de sólidos o gotitas de líquido a partir de líquidos o gases.

C) FILTRACIÓN DE FLUJO TRANSVERSAL

El principio de la filtración de flujo transversal se puede aplicar a suspensiones concentradas de partículas finas o materiales coloidales o a soluciones fraccionadas de macromoléculas.

FILTRACIÓN CON MEMBRANAS La filtración con membranas es una técnica empleada para

separar partículas de un líquido para purificarlo.En la filtración con membranas, un disolvente atraviesa una membrana semipermeable.

La permeabilidad de la membrana está determinada por el tamaño de los poros de la membrana y actúa como barrera para las partículas que son más grandes que los poros, mientras que el resto del disolvente puede pasar libremente a través de la membrana. El resultado es un fluido limpio y filtrado a un lado de la membrana, con la solución eliminada al otro.

Existen tres procesos de filtración con membranas:

A. Microfiltración [MF]

B. Ultrafiltración [UF]

C. Nanofiltración [NF]

A) Microfiltración [MF] - La MF es un proceso a baja presión para separar los solutos de mayor tamaño de las soluciones acuosas por medio de una membrana semipermeable.

Este proceso se realiza a través de un caudal de solución del proceso que fluye a través de la superficie de una membrana a presión.

Los solutos retenidos (como las partículas sólidas) saldrán del caudal del proceso y no se acumularán en la superficie de la membrana. Los poros oscilan entre 0,1 - 3 µm (micras).

B) Ultrafiltración [UF] - La UF es un proceso a baja presión para separar los solutos de las soluciones acuosas por medio de una membrana semipermeable. La UF proporciona sobre todo una completa barrera contra las partículas más grandes que el tamaño del poro, bacterias y los abundantes y pequeños virus que normalmente se encuentran en el suministro de agua.

La UF funciona con un mecanismo de eliminación en superficie parecido a un colador fino con un tamaño de los poros muy uniforme. Se rechaza cualquier partícula que sea más grande que el tamaño del poro.

El tamaño del poro es aproximadamente de 0,02 µm (micras).

Aplicaciones:

Eliminación de contaminantes macrobióticos [rechazo de Cryptosporidium]

Pre-tratamiento de osmosis inversa [reducción de SDI y TOC (carbono orgánico total)]Reducción de turbidez [coloides, proteínas, moléculas orgánicas grandes]

C) Nanofiltración [NF] – la NF es un proceso de una alta presión de baja a moderada [hasta 450 psi (31 bares)].

El tamaño de los poros oscila entre la UF y la RO. Los poros de las membranas de NF no se han observado nunca al microscopio, pero el agua puede pasar a través de la membrana y las sales multivalentes y los orgánicos con bajo peso molecular son retenidos.

Es difícil predecir el rendimiento de las membranas de NF ya que el rechazo de la membrana se ve influido por el tamaño, la estructura y la carga de los componentes de la solución.

Aplicaciones:

Ablandamiento del agua. Reducción general de TDS (sólidos totales disueltos).

Color y TOC (carbono orgánico total).Separación de materia orgánica de materia inorgánica (en especial, en aplicaciones alimentarias y de aguas residuales).

PROBLEMA

Se cuenta con los siguientes datos para filtrar en el laboratorio una suspensión de CaCO3 en agua a 298.2 °k (25 °C) a presión constante (- AP) de 338 kN/m2.

Calcúlese las constantes α y Rm

El área de la filtración de la prensa de placas y marcos es A= 0.0439 m2 y la concentración de la suspensión es Cs= 23.47 kg/m3

DATOS: T= 298.2 °K (25 °C) M= Kp/2 (-AP) de 338 kN/m2. Viscosidad del agua a 298.2 °K= 8.937 x 10 ^4 A= 0.0439 m2 Cs= 23.47 kg/m3

FORMULAS:

Ecuacion punto pendiente para calcular B

Y- Y0= m(x- x0)

NOMENCLATURA:

La ecuación representa: la ecuación de un línea recta (y=mx+b),

Kp :la pendiente B: el punto de corte con el eje y. α: la resistencia de la torta Rm: la resistencia del medio. C: concentración del solido en la suspensión A: área de filtrado viscosidad

CONCLUSION

Llegamos a la conclusión de que filtración es un método de separación de solido- liquido en el que el solido se queda suspendido en un medio filtrante que puede ser de diferentes materiales, quedando ahí suspendida la torta.

Pasando a través de el medio filtrante el liquido dependiendo de los poros que esta contenga.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

C.J.Geankopolis, Proceso de trasporte y operaciones unitarias 7 ºedicion, paginas 922

MckSmith, 6º edicion, paginas 105