Características de la filtración a presión constante de una suspensión PDF

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En general esta práctica consiste en estudiar la operación de filtración y el proceso de
lavado, así como la relación que existe entre estos, además de las aplicaciones
industriales de este tipo de equipos, a través del uso del filtro prensa del laboratorio de
operaciones unitarias...

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LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA II Informe presentado al Prof. Nelson Carrasquel

ESTUDIO DE LAS CARACTERÍSTICAS DE LA FILTRACIÓN A PRESIÒN CONSTANTE DE UNA SUSPENSIÒN

Informe Nº 4

Sección 01 Grupo 4 Bachiller Stephany, Camacaro

RESUMEN

En general esta práctica consiste en estudiar la operación de filtración y el proceso de lavado, así como la relación que existe entre estos, además de las aplicaciones industriales de este tipo de equipos, a través del uso del filtro prensa del laboratorio de operaciones unitarias de la universidad Central de Venezuela, operando a presión constante de 10 psig alimentado con una muestra de suspensión Agua-Bentonita previamente agitada en un tanque de almacenamiento con un agitador eléctrico, para iniciar con la experiencia se toma una muestra de Bentonita y agua del tanque previamente agitada se mide su densidad para asegurarnos de que la muestra posee una densidad mayor a la del agua pura y seguidamente medir su masa, posteriormente se realiza el montaje manual del equipo que consta de tres “3” placas filtrantes.. Tanto para la filtración como para el lavado de la torta, se llenaron cinco “5” envases cronometrando el tiempo de llenado, para luego medir las masas y densidades de cada una de las muestra obtenidas, finalmente se desmonta el equipo cronometrando el tiempo requerido para esto y se toma una muestra representativa de la torta formada para estudiar sus dimensiones y propiedades físicas. Entre las conclusiones más relevantes de la práctica se encuentran: las constantes y parámetros de la ecuación de Kozeny : C= 0,000429 m6/h , Vf = -0,00824 m3 , y θf= 2293,94 s . la resistencia especifica de la torta y del medio filtrante fueron de 1,15*10^8 m/kg y 1,48*10^8 1/m respectivamente. Entre la velocidad de lavado y velocidad final de filtración se obtuvo una desviación aproximada de 43,4% . La capacidad del filtro fue de 8,38*10^-6 m 3/h y finalmente existen diferencias notables entre los órdenes de magnitud de los parámetros de filtración obtenidos experimentalmente respecto a los reportados en la bibliografía

INDICE

INTRODUCCIÓN…………………………………………….………………………… 1RESULTADOS Y DISCUSIÓN……..………………..………..…………. …………....2 CONCLUSIONES……………….....................................................................................9 RECOMENDACIONES…………………………………..…………………...…..…..10 BIBLIOGRAFÍA……………………...…………….………………………….………11 ANEXOS…………………………………………………………………………….…11 Cálculos tipo………………………………………….……………….…...…...11 Figuras…………………………………………………...………………......…19 Hoja de datos………………………………………………………………….21

INDICE DE FIGURAS

Figura 1 .- Ajuste lineal de la ecuación de Kozeny…………..……………….…………2 Figura 2.- Corrección del ajuste lineal de la ecuación de Kozeny…....................................3 Figura 3.- Volumen recolectado vs tiempo de lavado……………….……………………5

Figura 4.- Porosidad de la Bentonita en funcion de la densidad del agua…………….20

INDICE DE TABLAS

Tabla 1.- Parámetros descritos por la ecuación de Kozeny…………………………….3 Tabla 2.- Resistencia especifica de la torta y del medio filtrante………………………4 Tabla 3.- Porosidad teórica y experimental…………..…………………………….…...5 Tabla 4.- Velocidad de lavado y velocidad final de filtrado……...………………..…..6 Tabla 5.- Capacidad del filtro………………………………….……………………..…6 Tabla 6.- Comparación entre los órdenes de magnitud…………………………………7

INTRODUCCION

La filtración es un proceso de separación (mecánica) solido- fluido mediante el cual el sólido es separado del fluido en una suspensión haciéndolo pasar a través de un lecho poroso, denominado medio filtrante[3], para la realización de esta práctica se empleó un filtro con formación de torta o queque la cual se produce naturalmente cuando los poros del medio filtrante tienen un tamaño menor que las partículas de la fase discontinua presentes en la suspensión Agua-Bentonita en donde el agua será la fase continua y el mineral llamado Bentonita será el sólido que conformara la fase discontinua. Esta práctica se realizó con la finalidad de estudiar la operación de filtración y el proceso de lavado así como las aplicaciones industriales de este tipo de equipos, para lograr este objetivo se determinara la constante de la ecuación de kozeny , resistencia especifica de la torta, resistencia del medio filtrante, porosidad de la torta obtenida, velocidad de lavado, velocidad de filtrado final, y capacidad del filtro para luego poder identificar el significado, importancia y función de las variables de esta operación unitaria. El método empleado en esta práctica será el de filtración a presión constante, en donde, las únicas variables deberán ser el volumen y el tiempo a medida que avance el proceso de filtración llevado a cabo en un filtro prensa de placas y marcos alternados con una tela filtrante a cada lado de las placas, las placas tienen incisiones con forma de canales para drenar el filtrado en cada placa y la suspension de alimentación se bombea a la prensa con una presión de entrada igual a 10 psig, respecto a la limitaciones de la práctica no se cuenta con la información suficiente para determinar aspectos tales como: las propiedades especificas del medio filtrante y sus atributos químicos y térmicos, así como la descripción detallada del solido floculante (Bentonita) .

ANALISIS Y DISCUSION

Cuando el proceso de filtración se realiza a presión constante las únicas variables son el volumen (V) y el tiempo (t) [3] a partir de esto se desarrolla el siguiente análisis de datos experimentales recopilados durante la práctica:

1. Constantes de la ecuación de Kozeny y explicación del significado y función de sus parámetros en un proceso de filtración.

El uso de la ecuación de Kozeny en operaciones de filtrado a presión constante implica hacer uso de una corrección a la misma, ya que no puede medirse directamente la diferencia de presión a través de la torta debido a la resistencia del tejido filtrante[4], mientras que a su vez de acuerdo a la teoría se ha determinado experimentalmente que a una diferencia de presión dada la porosidad (ε) , permeabilidad(K), cociente entre el peso de la torta húmeda y la torta seca (m) y la resistencia media (α) permanecen constantes e independientes del espesor de la torta , de esta manera se hizo posible obtener las constantes de la ecuación modificada de kozeny como se muestra en el siguiente gráfico.

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Figura 1 .- Ajuste lineal de la ecuación de Kozeny.

De la gráfica anterior se puede observar como la sucesión de puntos experimentales se alejan considerablemente de la tendencia lineal típica de este tipo de procesos con un valor de r2 igual a 0,567 este comportamiento surge como resultado del procedimiento de agregación de Bentonita al tanque agitado, en donde en lugar de agregarse en forma granular se arrojó la Bentonita en forma de solido compacto (piedra) provocando que la mezcla de la suspensión se llevara a cabo lentamente , y por lo tanto la difusión lenta del solido de Bentonita dentro de la mezcla provoco la variación de la densidad durante los primeros tiempos correspondientes a los caudales de densidad incrementada en el tiempo , por esta razón se decide descartar los dos primeros datos tomados durante la experimentación y finalmente se obtiene la siguiente grafica con datos de volumen en el tiempo a densidad constante de la suspensión en cuestión.

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Figura 2.- Corrección del ajuste lineal de la ecuación de Kozeny.

A partir del ajuste lineal que puede observarse en la figura anterior se determinan los valores de las constantes de la ecuación de Koseny y se determinan los valores de la constante C y del volumen ficticio de filtrado respectivamente, estos resultados se muestran a continuación:

Tabla 1.- Parámetros descritos por la ecuación de Kozeny Constante de la ecuación de Kozeny [C] (m6/h) 0,000429

Tiempo del Fluido [θf] (s)

Volumen ficticio [Vf] m3 -0,00824

2293,947

El volumen ficticio “Vf” se define como el volumen necesario para formar cierto espesor de torta, en este caso el resultado negativo podría deberse al cambio de resistencia de la torta que ocurrió durante el proceso de filtrado , debido a que además de la caída de presión existen dos parámetros que se encuentran relacionados con esta y que afectan de igual modo el proceso de filtración, los cuales son: la permeabilidad y la porosidad. En el caso de la permeabilidad, está se encuentra involucrada en el proceso de filtración debido a que refleja la facilidad con la que un fluido fluye a través de una red porosa y, por lo tanto, depende de la estructura de la misma. Mientras que la porosidad, por su parte, surge de la relación entre los espacios vacíos y ocupados por el sólido en el remanente sólido y por lo tanto influye en el flujo del fluido.

2.

Resistencia especifica de la torta y resistencia del medio filtrante.

La resistencia específica es, la fuerza contraria a la fuerza de impulso ofrecida por el espesor de la torta formada a lo largo de la filtración, mientras que La resistencia del medio filtrante es, la fuerza de empuje que ofrece el material o pantalla que retienen los sólidos, aplicada al flujo en sentido direccional a la misma. Los valores obtenidos mediante la práctica se muestran a continuación: Tabla 2.- Resistencia especifica de la torta y del medio filtrante. Resistencia especifica de la torta [ α ] (m/kg) 1,15454*10^8

Resistencia del medio filtrante [ R ] (1/m) 1,48357*10^8

De la tabla anterior puede observarse como la resistencia del medio filtrante muestra un mayor valor en magnitud en comparación a la resistencia especifica de la torta como es de esperarse , dado que esto debe suceder para que la fase continua que retinen los sólidos provenientes del filtrado logre pasar a través de las tortas retenidas entre los marcos del filtro Prensa , a su vez cabe destacar que la resistencia de la torta, resulta de las partículas que se depositan, formando y haciendo crecer su tamaño. Por lo que, si el tiempo de filtración se hace mayor, se incrementará la deposición de partículas, obteniéndose una torta de mayor espesor, la cual ocasionaría una mayor resistencia especifica de la misma, esto afectara al tiempo de filtrado de cierto volumen de suspensión incrementándolo para tortas de mayor espesor (vea Tabla 1), sin embargo , casi siempre resulta satisfactorio suponer que es constante durante cualquier filtración y obtener su valor a partir de datos experimentales, por esto cuando la resistencia del medio se trata como una constante empírica se debe incluir también cualquier resistencia al flujo que pueda existir en las líneas de acceso y salida del filtro.

En el proceso de Filtración de un filtro prensa la formación de una buena torta es crucial para llevar a cabo un proceso Eficiente que brinde resultados satisfactorios, debido a que la la capa de precipitado que se forma entre la superficie de la tela filtrante impedirá el libre paso de la fase continua otorgando una resistencia que permite retener el material filtrado en forma de torta para que así la fase dispersa logre separarse de la fase continua , además, es por esta misma razón que este tipo de procedimientos es utilizados en procesos donde el producto de interés es el sólido retenido entre los marcos .

3. Comparación entre las porosidades teórica y experimental. En la siguiente tabla se presenta la porosidad obtenida de los valores empíricos mediante la experiencia realizada en el laboratorio y la porosidad teórica reportada en la bibliografía: Tabla 3.- Porosidad teórica y experimental. Porosidad Experimental [εexp] (adim) 0,9783

Porosidad Teorica [εteo] (adim) 0,6

Desviacion [Desv] (%) 63,05

Como puede observarse en la tabla anterior la desviación resultante al comparar los valores de porosidad teórica y experimental es de 63,23%, esto puede deberse a que la ecuación utilizada para determinar la porosidad teórica de la bentonita usa una serie de correlaciones donde se considera el diámetro de la partícula y la forma de la deposición de la torta, lo cual la hace más exacta, esto fue posible mediante el uso de la figura 5 ubicada en los anexos de este informe. Respecto a la determinación de la porosidad experimental la misma se calcula considerando solamente la densidad de la Bentonita, de acuerdo a las investigaciones[6] la Bentonita puede variar de densidad en un rango 3

de 1000 a 1800 kg/m por lo tanto la Porosidad experimental, la cual se halla usando un 3

valor de densidad de la Bentonita igual a 1041,19 kg/m a condiciones estándar , es otra de las variables que influye en la desviación de su porosidad real, a su vez este cálculo ignora las propiedades especiales que esta posee, como lo son: su capacidad de hincharse en el agua, insolubilidad y variada composición de especies químicas (SiO2 , AL2O3, CaO, Fe2O3, PPI), 4. Determinación de la velocidad de lavado y compararla con la velocidad final de filtración.

Con la finalidad de lavar el material soluble asi como las impurezas que puedan quedar retenidas por la torta de filtracion se utiliza un disolvente miscible con el filtrado, siendo este el agua el cual es el líquido de lavado más habitual. [5] En la siguiente grafica se muestra la tendencia de los datos recopilados del proceso de lavado del sistema posterior a la etapa de filtración de la suspensión

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Figura 3.- Volumen recolectado vs tiempo de lavado.

Por medio de la figura anterior se puede observar como la curva de datos experimentales se aleja de la tendencia lineal con un valor de r 2 igual a 0,8916 esta desviación se debe a las pronunciadas fluctuaciones de presión de entrada a los rieles de filtrado la cual afecta considerablemente a la velocidad de flujo del líquido de lavado a través de los marcos del equipo. Con fines comparativos, se muestra en la siguiente tabla los valores de velocidad de lavado y filtrado a la misma presión de operacion determinados experimentalmente a través de los datos empíricos obtenidos durante la práctica: Tabla 4.- Velocidad de lavado y velocidad final de filtrado. Velocidad de lavado [Vlavado] (m3/s)

Velocidad de filtrado [Vfiltrado] (m3/s)

3*10^-5

4,3*10^-5

Desviacion [Desv] (%) 43,40

En este filtro el líquido de lavado sigue el mismo camino que el filtrado, y las velocidades del líquido de lavado y de filtrado deben ser iguales, siempre y cuando la caída de presión no se modifique al pasar de la etapa de filtración a la de lavado, otro de los factores que afectan a esta velocidades son las diferencias de densidad entre los líquidos del medio filtrante y el líquido utilizado para el lavado, además, el líquido de lavado no sigue exactamente el camino del filtrado debido a la formación de canalillos y fisuras en la torta , es por esto que la regla expuesta inicialmente (igualdad de velocidades) es solo aproximada[5], como puede observarse en la tabla 4 , donde la diferencia entre la velocidad de filtrado resulto en una desviación de 43,40%.

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

consiguiente la función principal del medio filtrante es provocar una buena separación entre los componentes de una suspensión con el mínimo consumo de energía [5], es decir llevándose a cabo a bajas presiones de entrada del líquido al sistema. Las telas filtrantes más comunes son hechas de material textil, de fibra natural o sintética. A continuación se muestra la capacidad de filtro determinada a partir de los datos experimentales: Tabla 6.- Capacidad del filtro Capacidad del filtro [Cap] (m3/h) 8,38*10^-6

La capacidad del filtro utilizado durante la práctica se determinó usando la relación existente entre el volumen de filtrado y el tiempo total de operación o tiempo de ciclo, a una presión de entrada al filtro prensa de 10 psig , en este caso el valor de la capacidad del filtro obtenido es relativo al desarrollo del procedimiento durante la práctica, ya que este dependen inversamente de los tiempos de montaje, filtrado, lavado y desmontaje del equipo, por lo tanto un equipo de trabajo que realice un montaje y desmontaje más rápido obtendrá un valor de mayor magnitud para la capacidad del filtro lo cual se resume en un proceso más eficiente , si se mantiene la misma velocidad de filtrado y lavado , por lo tanto el valor de capacidad expuesto en la tabla 6 no dependerá de las propiedades del medio filtrante.

6.

Comparación entre los órdenes de magnitud.

A continuación se muestra un cuadro comparativo con los órdenes de magnitud experimentales para la filtración de la suspensión Agua-Bentonita hallados mediante la realización de la práctica y los valores reportados por la bibliografía para la suspensión Agua-carbonato de calcio. Tabla 6.- Comparación entre los órdenes de magnitud. Orden de magnitud experimental Agua-Bentonita

Orden de magnitud según la bibliografía Agua-Carbonato de Calcio

Resistencia especifica

Resistencia del medio filtrante

porosidad

Volumen filtrado

Resistencia especifica

Resistencia del medio filtrante

porosidad

Volumen filtrado

1,15*10^8

1,48*10^8

0,978

0,0082

10^10

10^10

10^-1

10^-4

Antes de proceder a realizar cualquier comparación se debe hacer la aclaratoria de que la bibliografía consultada trabaja a una presión de filtrado de 37 psi mientras que en la experiencia se trabajó con 24 psi aproximadamente, mediante la observación de la tabla 7 puede observarse la similitud que existe entre los datos de resistencia tanto especifica

como del medio filtrante para ambas suspensiones, mientras que la porosidad muestra ordenes de magnitud considerablemente diferentes así como el volumen de filtrado, esto se traduce en que ambos sistemas a pesar de poseer porosidades diferentes respecto a la formación de la torta ofrecen resistencias parecidas lo cual debe dar como resultado volúmenes de filtrado en función al tiempo considerablemente diferentes, en el caso de la bentonita , esta ofrecerá mayor cantidad de volumen de filtrado dada la porosidad de la torta mayor y resistencias parecidas

CONCLUSIONES

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El cambio de densidad de la suspensión a filtrar resulta en una tendencia del inverso de la velocidad de filtración en función al volumen, alejado de la linealidad, mientras que un proceso llevado cabo para una densidad de suspensión constante permite determinar las constante de la ecuación de kozeny así como cada uno de sus parámetros con una menor desviación al comportamiento lineal , obteniendo de esta forma un volumen ficticio y tiempo del fluido característico del sistema, en donde una mayor densidad de la suspensión traerá consigo mayor precipitación del sólido y por lo tanto mayor tiempo del fluido así como un menor volumen ficticio. La resistencia del medio filtrante debe ser mayor a la resistencia especifica de la torta , de forma tal que la resistencia del medio filtrante venza la fuerza de oposición al flujo de fluido a través de la torta y pueda desarrollarse el proceso de filtración. El cálculo de la porosidad de la torta de filtrado debe realizarse rigurosamente considerando las propiedades físico químicas y condiciones del sistema. Se comprueba la desviación de la igualdad entre la velocidad de filtrado final y la velocidad de lavado operando un filtro prensa a la misma presión durante el desarrollo de cada procedimiento. La capacidad de filtro es una variable que dependerá del procedimiento llevado a cabo por los integrant...