Practica 1 Filtro Prensa

7/25/2019 Practica 1 Filtro Prensa

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Laboratorio de Operaciones Unitarias I

Prctica 1. Filtro Prensa - pgina1

PRCTICA 1FILTRO PRENSA

Objetivo

Obtener los parmetros que describen al filtro prensa como son la resistencia especfica de la torta y

la resistencia del medio filtrante. Aunado a esto, conocer su operacin para comprender elcomportamiento que presenta el filtro prensa y la eficiencia de ste en comparacin con otrosmedios de filtracin.

Introduccin

La filtracin es una operacin unitaria en la cual se separa un slido de un fluido, generalmenteeste fluido es un lquido y forma una suspensin con el slido. Esta separacin se hace a travs deun medio filtrante, el cual retiene el slido y deja pasar el lquido.

Dentro de los diversos tipos de filtros existentes, se encuentran los filtros prensa, los cualesconsisten en una serie de placas que estn cubiertas con el medio filtrante, el cual puede ser de lona

u otro material semejante.

La secuencia tpica de operacin de un filtro prensa es la siguiente:1) Alimentacin de la mezcla por medio de una bomba hasta las placas filtrantes.2) El flujo de alimentacin es forzado a pasar por el medio filtrante.3) El fluido que ha pasado por las placas es descargado por la tubera de salida.4) Una vez que la torta acumulada en el medio filtrante impide el paso del fluido, se

suspende la filtracin, se desarma el filtro y se lavan las placas, se descarga la torta y selimpia el medio filtrante. Finalmente, se procede a armar el filtro para operarnuevamente.

Teora de filtrado

La Figura No. 1 muestra una seccin transversal de una torta de slido y un medio de filtracin aun tiempo definido (t) tomado desde el inicio del flujo de filtrado. A este tiempo, el grosor de latorta es (L). El rea de la seccin transversal del filtro "A" y la velocidad lineal del filtrado endireccin (L) es "v", basada en el rea de filtrado" A".

Fig. No. 1.- Esquema de filtracin, en el que se puede observar el medio filtrante y

los slidos que forman la torta, que a la vez ayudan al proceso.


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El flujo de filtrado a travs de la "cama empacada" de la torta puede ser descrita por una ecuacinsimilar a la de Hagen-Poiseuille suponiendo que en los canales de la torta existe flujo laminar. Lasiguiente ecuacin nos da la ley de Hagen-Poiseuille para flujo laminar en un tubo recto:

Q = 8 L( - P) R

4

(1 )

Esta ecuacin puede ser escrita de la forma:

L

- P =

gcD

2

3 2 v ( 2 )

Para flujo laminar en una cama empacada, la relacin de Carman-Koseny es similar a la ecuacin(2):

L

-Pt =gc

3

k1 v ( 1- )2

So

2

(3 )

donde: k1 es una constante especfica para cada tipo de partcula.

es la viscosidad del filtrado en lb/(ft seg). es la fraccin de huecos o porosidad de la torta.

So es la superficie especfica de la partcula en ft2/ft3de volumen de partcula slida.

Pt es la cada de presin de la torta en lbf/ft2.

La velocidad lineal se expresa por:

v =A

dV / dt (4 )

El espesor de la torta puede ser relacionado con el volumen de filtrado Vpor medio de un balancede materia. Si Cs expresa la concentracin (en libras de slido por pie cbico de filtrado), un

balance de materia nos resulta:

L A (1-) p= Cs(V+ L A) (5)

donde p es la densidad de las partculas slidas en la torta de slidos. El trmino final de laecuacin (5) es el volumen de filtrado retenido en la torta. Este es usualmente pequeo y puededespreciarse.

Sustituyendo la ecuacin (4) en la (2) y utilizando (5) para eliminar tenemos:


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A dt

dV =

gc

p 3 A

k1

(1 - ) So

2 C

s V

- Pt

=

A

Cs V

- Pt

( 6 )

dondees la resistencia especfica de la torta (ft/lbm) definida por:

=g

c p

3

k1 (1 - ) So

2

(7)

Anlogamente a la ecuacin (6) para la resistencia del medio filtrado se puede escribir:

A dt

dV =

Rm

- Pf g

c (8)

dondeRmes la resistencia del medio filtrante al flujo del filtrado (en 1/ft) y -Pfes la cada de

presin. Cuando Rm se trata como una constante emprica, incluye la resistencia de la tubera alflujo de filtrado desde y hacia el filtro adems de la resistencia del medio filtrante.

Como las resistencias de la torta y del medio filtrante estn en serie, las ecuaciones (6) y (8) sepueden combinar, dando como resultado:

A dt

dV =

( Cs V / A)+ Rm

- P gc

(9 )

donde -P= -Pt+ -Pf. Algunas veces la ecuacin (9) se modifica como sigue:

A dt

dV =

(V + Ve) C

s/ g

c A

-P (10)

donde Vees un volumen de filtrado necesario para producir una torta ficticia cuya resistencia es

igual a Rm.

El volumen de filtrado Vpuede relacionarse tambin con W, el peso de la torta de slidos secosacumulados:

CxV / (1-m Cx) = CsV = W (11)

donde Cxes la fraccin de peso de los slidos en suspensin, mes la razn entre la masa de la torta

hmeda y la masa de la torta seca y es la densidad del filtrado (lb/ft3).

De la ecuacin (7) se puede ver que la resistencia especfica de la torta es una funcin de la fraccinde huecos y de So. Tambin es una funcin de la presin, dado que sta puede afectar a " ".

Corriendo varios experimentos se puede encontrar la variacin de con -P.


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Tpicamente, la operacin de filtrado se lleva a cabo a presin constante. La ecuacin (9) se puedeinvertir y rearreglar resultando:

dV

dt =

A2 (- P) gc

Cs V +

A (- P) gc

Rm = kp V + B (12)

donde Kpest en seg/ft6y B en seg /ft3, definindose como:

kp =

A2 (- P) gc

Cs (13)

y

B =A (- P) g

c

Rm

(14)

A presin constante, constante y para una torta incompresible, Vy tson las nicas variables en laecuacin (12). Integrando para obtener el tiempo de filtracin tenemos:

t = ( /-P)* { (Cs/2)*(V/A) + Rm (V/A) } (15)

donde Ves el volumen de filtrado en (ft3) colectados en ( t ) segundos.

Para evaluar la ecuacin (6) es necesario conocer y Rm. Esto puede hacerse utilizando la

ecuacin (12):

dt/dV = KpV + B (12)

Se colectan datos de Va diferentes tiempos. Tomando valores de V1y V2a tiempos sucesivos t1y

t2, y calculamos: V = V2- V1y t = t2- t1. Entonces se grafica t/V contra el V promediodurante el intervalo Vprom.= (V1+V2)/2. Se est suponiendo que t/V es aproximadamente

igual a dt/dV.

El mejor ajuste posible a una recta dar con la pendiente Kp y B con el intercepto. Finalmente,

usando las ecuaciones (13) y (14) se pueden obtener los valores de yRm para las condiciones

especficas del experimento.

Como se coment anteriormente, en general el valor de definido por (7) no permanece constantea lo largo del proceso de filtracin si la presin de operacin vara.

En los lechos de partculas rgidasSoy no estn afectadas por la compresin aplicada sobre el

lecho, en cuyo caso permanecen constantes durante el proceso de filtracin y la torta se denominaincompresible, pero si depende de la presin de filtracin, la torta se denomina compresible.

El efecto de la presin sobre la resistencia especfica de la torta se expresa por la relacin sugeridapor Almy y Lewis, aplicable a un intervalo limitado de presiones, que tiene la forma:

= o(-P)s (16)


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siendo ola resistencia especfica a presin cero, lo que correspondera a la resistencia especfica

de la torta si fuera totalmente incompresible (con valor de s = 0), y s es el coeficiente decompresibilidad de la torta que se considera como una constante caracterstica de la sustancia afiltrar, aunque realmente tambin est afectada por la presin. El valor terico de s estcomprendido entre cero y la unidad, pero el intervalo de variacin real corresponde desde 0.9 (paralas sustancias altamente compresibles como los hidrxidos) hasta 0.15. Tomando logaritmos a la

ecuacin (16)

log = log o+ s log (-P) (17)

que para el rango de aplicabilidad es una recta. Haciendo el mejor ajuste estadstico, al graficar versus -Pen papel log-log, el intercepto representa log o y la pendiente a s.

El espesor ptimo de la torta que debe formarse en un filtro prensa depende de la resistenciaofrecida por la torta filtrante y del tiempo necesario para desmontar y habilitar de nuevo la prensa.Aunque la produccin de una torta filtrante delgada tiene como resultado una elevada velocidadmedia de filtracin, es necesario desmontar la prensa ms a menudo, perdindose por lo tanto ms

tiempo en esta operacin.

Para una filtracin llevada a cabo a una presin constante, integrando (12):

t = ( KpV2)/2 + B V (18)

donde trepresenta el tiempo de filtracin. El tiempo para abrir y volver a montar la prensa ( t) esprcticamente independiente del espesor de la torta producida. El tiempo total de un ciclo en el quese recoge un volumen Vde filtrado es entonces t + t, y la velocidad global de filtracin W vienedada por:

W =t + t '

V =

(kp V

2/ 2) + B V + t '

V (19)

Equipo y material utilizado

1. Filtro prensa y accesorios.2. Dos probetas de 1000 ml.3. Dos cronmetros.4. Dos densmetros: uno de 0.9-1.0 y otro de 1.0-1.25. Guantes de hule.6. Vidrio de reloj.7. Charola de plstico7. Dos esptulas grandes.8. Estufa y balanza granataria.9. Carbonato de calcio.


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Procedimiento

Algunos puntos del procedimiento hacen referencia a las Figuras 2 y 3.

1.Verificar que todas las vlvulas (punto 6) de las placas estn cerradas.

2. Acomodar los marcos y las placas de tal forma que estn alternados y permitan que el fluido pasepor los conductos. Asegurarse que la marca que tienen stos en forma de V coincidanperfectamente unos con otros y con la sea del bastidor (un punto rojo en el mismo).

3. Colocar una lona a cada lado de los marcos de manera que los huecos de la lona coincidanperfectamente con los de los marcos.

4. Aplicar presin a los marcos y placas mediante el volante de ajuste.

5. Agitar el tanque de alimentacin (encender agitador).

6. Operar las vlvulas y prender la bomba de tal forma que se utilice el sistema de recirculacin, sinque entre el lquido al filtro. Esto es para ayudar a la uniformidad de concentracin en el tanque de

alimentacin. Preparar y checar la concentracin de la solucin en una concentracin comprendidaentre 5 y 10% peso de carbonato de calcio.

7. Abrir vlvula de descarga al filtro.

8. Fijar una presin de operacin y empezar la toma de tiempos en cuanto salga el lquido filtrado.

9. A volmenes constantes medirles el tiempo de recoleccin.

10. Medir la densidad del filtrado colectado de esta forma.

11. Continuar con las mediciones hasta tomar de 6 a 10 datos de V/t vs t.

12. Descargar y pesar la torta.

13.Tomando una muestra representativa de la torta obtenida en el proceso, determinar su humedadaproximada.

Recomendaciones

1.- Registrar presin de operacin, densidad de la suspensin, nmero de marcos, peso yhumedad de la torta, cada de presin total.

2.- Para evitar que el indicador del manmetro vibre demasiado, cierre un poco la vlvula que seencuentra antes del medidor, hasta la posicin en que el valor que registra quede inmvil, sinque por esto se cierre el flujo.

3.- Procure tener cuidado a la hora de manejar el volante de ajuste, tal que su bata no se acerqueal contacto elctrico y as evitar algn accidente. A la vez, no permita que el agua en la

bandeja situada arriba del contacto se derrame. Para evitar lo anterior se dispone de larecirculacin hacia la bomba.

4.- Al terminar la prctica deber dejar el equipo y el rea del laboratorio correspondiente lo mslimpio posible, dejando la solucin de carbonato en el tanque de alimentacin. Para la


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limpieza tambin se debe de tener en consideracin una brida con cierre de mariposa (justoantes de la bomba) que contiene un cedazo.

Figura No. 2.- Diagrama de un filtro prensa.


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Figura No. 3.- Esquema de un marco y una placa empleados en el filtro prensa.

Cuestionario

1.- Mencione los diferentes tipos de filtros existentes, sus aplicaciones, caractersticas deconstruccin y de operacin, ventajas y desventajas.

2.- Qu debemos tomar en cuenta para seleccionar un determinado tipo de filtro?.

3.- Por qu el filtro prensa es tan comn en la industria?.

4.- Enumerar las caractersticas que debe reunir el medio filtrante, los tipos que existen y dnde sedebe usar cada uno.

5.- Enumerar los factores de los cuales depende la velocidad de filtracin.

6.- De qu manera influye el rea de filtrado en el volumen de filtrado total?.

7.- Explicar los posibles esquemas de lavado de la torta en un filtro prensa.

8.- Bajo operacin a presin constante, Kp y B son realmente constantes? Discutir.

Reportar

1.- El volumen de filtrado total experimental y terico para cada corrida.

2.- La resistencia especfica de la torta para cada corrida.

3.- La resistencia del medio filtrante para cada corrida.

4.- El coeficiente de compresibilidad de la torta.

5.- La eficiencia de la operacin de filtrado (slido recuperado/slido alimentado) para cada corrida.


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Nomenclatura:

A = rea de filtrado ft2.B = Rm/A (-P) gc.

Cs = Concentracin de slidos, lb. de slidos/ft3de filtrado.

Cx = Fraccin peso de slido en suspensin (adimensional).gc = Constante gravitacional, 32.174 lbmft/lbfseg

2

Kp = Cs/A2 (-P) gc.

L = Espesor de la torta, ft.m = masa de torta hmeda/masa torta seca.Rm = Resistencia del medio filtrante, 1/ft

s = Coeficiente de compresibilidad de la torta (adimensional).

So = Superficie especfica de la partcula, ft2/ft.

V = Volumen de filtrado, ft3

W = Peso de la torta, lbm.

= Resistencia especfica de la torta, ft/lb.o = Resistencia especfica de la torta a presin cero, ft/lb.

= Fraccin de huecos de la torta, adimensional.

= Densidad del filtrado, lbm/ ft3

p = Densidad de las partculas slidas en la torta, lb/ft3de slido.

-P = Cada de presin total, lbf/ft2

-Pf = Cada de presin del medio filtrante, lbf/ ft2

-Pt = Cada de presin de la torta, lbf/ft2

t = tiempo total de filtrado, seg.t = Tiempo para abrir y volver a montar la prensa, seg.

W = Velocidad global de filtracin, ft3/seg. = Delta.

Bibliografa

1. Foust, A.S et. al. Principles of Unit Operations, 2a Ed. John Wiley & Sons, New York, USA(1980), pp. 637-642, pp. 656-674.

2. McCabe, W. L. y Smith, J.C., Unit Operations of Chemical Engineering, 3a.Ed., McGraw-HillCo, New York USA (1976), pp. 922-942.

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