1. Investigar qué es el proceso de
filtración
Es la operación por la cual se separan
los sólidos finamente divididos de los fluidos en cuyo seno están suspendidos,
utilizando una superficie permeable a los fluidos. El fluido en cuestión puede
ser un líquido o un gas.
La filtración consiste en la separación
de un sólido de un fluido por acción del medio filtrante y un gradiente de
presión como fuerza impulsora.
2. ¿Qué tipos de filtros existen?
- Filtros de gravedad. Consiste en un depósito de doble fondo sobre el primero de los cuales, que es perforado, se sitúa la materia filtrante, generalmente arena. El líquido a filtrar se introduce por la parte superior, desde donde cae a un plato que lo distribuye regularmente por toda la superficie del material filtrante, y la que atraviesa por su propio peso, por gravedad, saliendo por la parte inferior. Para que el fondo no se obstruya con la arena, se coloca sobre un lecho de grava. Este tipo de filtros se emplean cuando la cantidad de sólidos que contiene el líquido turbio es muy pequeña.
- Filtros de vacío. Pueden ser de funcionamiento discontinuo o continuo. Los primeros están representados por la nutcha, el material filtrante se deposita sobre el plato filtrante agujereada. Los de función continua son siempre rotatorios.
- Filtros de presión.
- a) Filtros-prensa:
- 1. Filtros prensa de cámaras, están constituidos por el acoplamiento de varias placas cóncavas entre las que se coloca el paño filtrante. El líquido turbio llega impulsado por una bomba.
- 2. Filtros prensa de placas y marcos, el volumen del precipitado recuperado puede ser mayor.
- 3. Filtros prensa de placas y marcos, con placas lavadoras.
- b) Filtros de caja: consta de una caja o carcasa en cuyo interior se alojan unas hojas o bolsas planas cuya parte interior de todas ellas comunica con una misma tubería encargada de recoger el líquido filtrado.
- Centrífugas. Cuando la cantidad de sólido es extremadamente grande se llaman escurridoras o hidroextractores y cuando es muy pequeña, se les llaman clasificadoras.
- Filtros de manga. Consta de un gran depósito cilíndrico o paralelepipédico, dividido longitudinalmente en dos partes. El aire cargado de sólidos penetra en una de las partes, pasa a través de las mangas, donde se filtra, y sale por la parte superior del aparato arrastrado por un aspirador.
- Clarificación: los filtros de gravedad o filtros de arena se emplean cuando la cantidad de sólidos que contiene el líquido turbio es muy pequeña. La operación se designa clarificación, se emplean frecuentemente para clarificar agua con destino a la bebida o a determinados usos industriales. En los filtros clarificadores las partículas del sólido son atrapadas en el interior del medio filtrante, en la cual no se observa ninguna capa de sólidos en la superficie. Las partículas son captadas por las fuerzas superficiales e inmovilizadas dentro de los canales de flujo.
- Por tortas: este tipo de filtros separan grandes cantidades de sólidos en forma de una torta de cristales o un lodo. El medio filtrante es delgado en comparación con el filtro clarificador. Al comienzo de la filtración algunas partículas sólidas entran en los poros del medio filtrante y quedan inmovilizadas, pero rápidamente empiezan a ser recogidas sobre la superficie del medio filtrante. Después de este breve período inicial la torta de sólidos es la que realiza la filtración. La torta se tiene que retirar periódicamente.
4. Factores de los que depende la
velocidad de filtración
Los factores más importantes de los
que depende la velocidad de filtración son:
- La caída de presión desde la
alimentación hasta el lado más lejano del medio filtrante.
- El área 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.
- Filtración a presión constante: El caudal disminuye con el tiempo. Al ir aumentando la resistencia de la torta formada, irá disminuyendo el caudal de filtrado, precisándose disponer de datos del volumen de filtrado recogido frente al tiempo.
- Filtración a caudal constante: La presión aumenta al avanzar la filtración.
6. Investiga cómo se determina
gráficamente la compresibilidad de la torta y la resistencia del medio
filtrante.
Conociendo Kp y B, podemos calcular
mediante las ecuaciones la resistencia específica de la torta (a)
y
la resistencia del medio filtrante (Rm)
De esta forma, al repetir los
experimentos (-∆P) obtenemos las correspondientes resistencias a y Rm. Si
graficamos Rm Vs (-∆P) obtendremos un gráfico que nos permitirá conocer Rm para
cualquier caída de presión dentro del rango utilizado lo cual sería necesaria
para estimaciones y escalado.
Por otro lado, al graficar a Vs. (-∆P)
en papel Log-Log obtendremos una línea
recta que responde a la relación:
la cual nos relaciona la variación de
la resistencia específica de la torta con la caída de presión empleada.
La pendiente de la recta nos permite
evaluar S al cual se le denomina Coeficiente de Compresibilidad.
8. Agrega ejemplos numéricos
En una instalación experimental de
filtración, en la que se ha dispuesto un filtro con 0.30 m2 de
superficie filtrante y se ha operado a 20 °, se ha trabajado con un líquido
turbio que contenía una fracción de sólidos (de precipitado) de 0.025. la viscosidad del líquido madre es de
1.2 centipoises.
Para ver la influencia de la presión se
han practicado dos ensayos, que han dado los siguientes resultados:
V, litros filtrados
|
Tiempo en segundos
|
|
p = 1.98 kg/cm2
|
p = 3.45 kg/cm2
|
|
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
|
14
24.2
37.0
51.7
69.0
88.8
110.0
134.0
160.0
|
9.5
16.3
24.6
34.7
46.1
59.0
73.6
89.4
107.3
|
Se trata de calcular el tiempo que se
necesitará para filtrar en un filtro industrial ya construido, cuya superficie
de filtración es de 20 m2, trabajando a p = const., y a 4.5 kg/cm2,
5 m3 de filtrado.
Para mayor sencillez de las
operaciones supóngase que la resistencia del paño es despreciable frente a la
que ofrece el precipitado.
SOLUCIÓN.
Calculamos para cada caso (para cada
presión) los valores correspondientes de θ/V. Los resultados están en la tabla
siguiente:
V, litros
|
θ/V, (segundos/litros)
|
|
P = 1.98
|
P = 3.45
|
|
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
|
14
16.15
18.5
20.7
23.0
25.4
27.5
29.8
32.0
|
9.3
10.9
12.3
13.9
15.4
16.9
18.4
19.9
21.5
|
La figura representa las dos rectas
que se obtienen al llevar a ejes coordenados los valores de V y θ/V. con estas
gráficas se pueden valorar los coeficientes angulares a1 y a2
mediante la ecuación:
En la cual:
p1 = 1.98 kg/cm2 =
19800 kg/m2
p2 = 34500 kg/m2
a1 = 4.52 seg/litro2
= 1255.5 h/m6
a2 = 3.052 seg/litro2
= 847.7 h/m6
μ = 1.2 poises =
4.32 kg/mh
A=
0.30 m2
w =
25 kg/m3
Así resultan:
α1 = (2)(19800)(0.09)(1255.5) / 4.32(25) = 41431 h2/kg
α2 = (2)(34500)(0.09)(847.7) / 4.32(25) = 48472 h2/kg
Por vía analítica, o gráficamente, se
pueden calcular con estos datos los valores de α´y n. Para ello se tiene:
Log α1 = log
41431 = 4.617
Log α2 = log
48472 = 4.686
Log
p1 = log 1.98 = 0.297
Log
p2 = log 3.45 = 0.538
Trazada con estos valores la gráfica
correspondiente (log α en ordenadas y log p en abscisas), resulta:
Ordenada en el origen = log α´= 3.33; α´
= 2138
Coef. Angular = n = 0.296
La resistencia específica del precipitado
a 4.5 kg/cm2 será:
α4,5 = (2138)(450000.296 )= 50970 h2/kg
Por tanto,
Θ = (50270)(4.32)(25)(25) / (2)(45000)(400) = 3.82 h = 3 h y 50 min.
Vian A., Ocon J., Elementos de ingeniería química,
Editorial Aguilar, 3a edición, Madrid, 1961
https://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/mgilarra/Fluid/Filtracion%202005-2006.pdf
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