Manual Proceso DE Separacion POR Membranas 22-1 PDF

Preview

Summary

MANUAL DE LA ESIQIE...

Description

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS

MANUAL DE PROCESOS DE SEPARACION POR MEMBRANAS Y LOS QUE INVOLUCRAN UNA FASE SOLIDA

Periodo 20-2

0

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS

PROCESOS DE SEPARACION POR MEMBRANAS Y LOS QUE INVOLUCRAN UNA FASE SOLIDA Prácticas INTRODUCCIÓN AL SECADO Y FILTRACIÓN SECADO POR ASPERSIÓN. SECADOR ROTATORIO. FILTRO DE HOJAS SECADOR DE CHAROLAS.

Periodo 22-1

1

PRÁCTICA No. 1 INTRODUCCIÓN AL SECADO Y FILTRACIÓN CONTENIDO I.- OBJETIVO II.- DEFINICIÓN DE LA OPERACIÓN UNITARIA DE SECADO III.- COMPORTAMIENTO GENERAL DEL SECADO IV.- CLASIFICACIÓN DE LOS SECADORES V.- FILTRACIÓN VI.- CONSTRUCCIÓN Y USO DE LA CARTA PSICROMÉTRICA VII.- NOMENCLATURA I OBJETIVO En la práctica de introducción se proporciona a los alumnos, los conocimientos y principios teóricos para efectuar las prácticas correspondientes al Curso de Procesos de Separación por Membranas y los que Involucran una Fase Solida. Conceptual: Adquirir los conocimientos teóricos relacionados a los Procesos de Separación por Membranas y los que Involucran una Fase Solida para comprender el funcionamiento y el análisis matemático que coadyuvé a realizar las prácticas operativas. Desarrollar las competencias orales y escritas, además de potenciar las habilidades investigativas del grupo de aprendizaje. Procedimental: Identificación de los equipos a utilizar. Investigar aspectos concernientes a los Procesos de Separación por Membranas y los que Involucran una Fase Solida y realizar actividades que refuercen los conceptos, integrando los estilos de enseñanza-aprendizaje del grupo. Actitudinal: Fomentar el aprendizaje autónomo y el trabajo en equipo, así como establecer pautas de trabajo como puntualidad, respeto, profesionalismo, derechos y responsabilidades en el laboratorio.

PRIMERA SESIÓN Previo a tu primera sesión realiza las siguientes lecturas:

Elabora en la bitácora un mapa conceptual de la introducción complementando el tema con una inves

Actividad 1

Presentarse a la primera sesión con el mapa conceptual de la introducción.

V DEFINICIÓN DE LA OPERACIÓN UNITARIA DE SECADO En forma general el término secado se refiere a la eliminación del líquido contenido en una sustancia, dicho líquido se puede separar de los materiales mediante una gran diversidad de operaciones tal como: prensado, centrifugación, absorción, evaporación de la humedad por ebullición y transferencia de la humedad a una corriente gaseosa, por otro lado, la operación unitaria de secado, se define como la eliminación de cantidades relativamente pequeñas del líquido contenido en sólidos húmedos hacia una corriente secante, eliminándose el líquido a una temperatura inferior a la de su punto de ebullición. Sin embargo, en la industria, la definición de secado está limitada por las siguientes restricciones. 1.- El producto podrá estar en forma de polvo, granular, escamas o láminas. 2.- El líquido debe ser eliminado como vapor mediante la aplicación indirecta de calor, o utilizando una corriente gaseosa caliente o ambas. 3.- En la eliminación del líquido no se llevará a cabo reacción química alguna. Estas limitaciones evitan considerar las operaciones de prensado, centrifugación, filtración, condensación y absorción, pero no permiten una distinción clara entre secado y evaporación.

El término de evaporación se aplica a la operación de eliminación de cantidades relativamente grandes del líquido contenido en soluciones y la separación se efectúa generalmente a la temperatura de ebullición de la solución. W COMPORTAMIENTO GENERAL DEL SECADO Al secar un sólido húmedo mediante una corriente gaseosa a temperatura y humedad fijas, aparece siempre un patrón general de comportamiento, el cual se representa en las figuras siguientes:

En general cuando se quiere eliminar el líquido de un sólido húmedo, éste se pone en contacto con el medio secante, el cual en la mayoría de los casos es aire caliente y el líquido a transferir es agua. Analizando las figuras 1 y 2 se tiene lo siguiente: (Segmento A-B), periodo denominado Estado Inestable, es cuando al ponerse en contacto un sólido húmedo con una corriente de aire caliente seca, el agua se elimina de su superficie en forma de vapor incorporándose a la corriente secante, estableciéndose en el sólido húmedo un gradiente de concentración entre la humedad interior y la superficial, entonces la humedad interior se difunde hacia la superficie, hasta el momento en que la velocidad de eliminación de humedad alcanza el valor correspondiente al estado estable. (Segmento B-C),periodo denominado de Velocidad Constante, es después de que el sólido ha alcanzado la humedad del punto B, entonces el líquido se mueve hacia la superficie tan rápido como se evapora de ésta, cuando esto ocurre, la velocidad de secado es independiente del contenido de humedad del sólido y sólo puede ser modificada por un cambio en la velocidad del aire o una disminución de la humedad del mismo. (Segmento C-D), periodo denominado Contenido de Humedad Crítica, es cuando el contenido de humedad del sólido disminuye hasta un cierto valor, que la humedad ya no puede moverse hacia la superficie tan rápido como se podría evaporar de ésta y la velocidad de secado empieza a decrecer hasta alcanzar el punto D.

(Segmento D- ), periodo denominado de La Superficie Insaturada, es el que se encuentra inmediatamente abajo del periodo de humedad crítica, y se caracteriza por presentar porciones secas en la superficie, pero la parte húmeda de la superficie continúa secándose a la velocidad del periodo de velocidad constante, la disminución de la superficie húmeda da como resultado una disminución en la velocidad de secado, la cual es independiente del espesor de la capa de sólidos y frecuentemente proporcional al contenido de humedad. Además, como en el periodo de velocidad constante, el secado de la superficie insaturada se incrementa con un aumento en la velocidad del aire y una disminución de la humedad del mismo. Para contenidos de humedad inferiores a aquel del punto D, según figura 2, toda la transferencia de líquido tiene lugar del interior del sólido húmedo hasta detenerse, cuando éste alcanza la humedad de equilibrio que se caracteriza porque la presión de vapor de la humedad del sólido se iguala con la presión parcial de la humedad del gas secante. Cálculo del tiempo de secado. Para el cálculo del tiempo de secado se debe considerar en la curva sus secciones mayores, ya que los factores de control difieren junto con las diferentes porciones de ésta y la velocidad de secado se define como: (1) WSs  d x    N   A  d 

La ecuación (1) puede arreglarse como sigue:

X

X2 d x



 d0

SS

A

 X1

(2) N

Para el periodo de velocidad constante la ecuación (2) puede integrarse fácilmente y N toma el valor de NC y entonces el tiempo de secado es:

  W SS

C

X A NC

Factores que gobiernan la velocidad del secado.

X

C

 1

(3)

Para llevar a cabo la operación unitaria de secado, es necesario tomar en cuenta las variables de que depende la velocidad de secado, mencionando las siguientes:

1) Área de las partículas sólidas expuestas al medio secante. El secado requiere la máxima exposición posible de la superficie húmeda; ejemplo, una torta de material húmedo, tiene características desfavorables para ser secada, mientras que las partículas individuales suspendidas en una corriente de aire presentan características favorables al secado. 2) Gradiente de temperatura.La velocidad de secado en general es proporcional al gradiente de temperatura, entre la del medio secante y la del material a secar. 3) Agitación. El movimiento rápido del material y del medio secante proporciona una transferencia más rápida del líquido a separar. 4) Tamaño de la partícula.El secado se logra por la evaporación de la humedad de la superficie de la partícula, a fin de remover la humedad interna, es necesario que la humedad alcance la superficie por difusión. Esta transferencia tendrá lugar más rápidamente con partículas pequeñas. 5) Estructura de la partícula.Ya que la humedad debe alcanzar la superficie de una partícula para ser evaporada; los materiales que tienen capilares o huecos secan fácilmente, no así los materiales densos, que tienen humedad ocluida difícil de eliminar. IV CLASIFICACIÓN DE LOS SECADORES Para clasificar los secadores se emplean dos métodos: a) El primero se basa en las características y propiedades físicas del material húmedo a secar. Este método es apropiado para utilizarlo como guía en la selección entre un grupo de secadores para su estudio preliminar en un problema específico de secado. b) El segundo método de clasificación se basa en el procedimiento para transmitir el calor al sólido húmedo y revela diferencias en el diseño y funcionamiento de los secadores. La figura 3 muestra un diagrama basado en este método. Secadores directos. En los secadores directos la transmisión del calor para el secado se realiza por contacto directo entre el sólido húmedo y los gases calientes de secado. El líquido vaporizado es arrastrado e incorporado a la corriente secante. Los secadores directos continuos. Suelen manejar más de 45 kg de producto seco por hora y no se pueden manejar más de 23 kg/h cuando el contenido de humedad excede de 2 kg de agua por cada kg de sólido seco. Los costos totales de funcionamiento, para estos secadores, expresados en costo por kg de producto secado, suelen ser inferiores a los de los secadores directos intermitentes.

Secadores directos intermitentes. Se usan para bajas producciones y para manejar productos de costo elevado que exigen manipulación especial. Se caracterizan por largos tiempos de secado (de 6 a 40 horas de secado) y su funcionamiento inestable, pues tanto la temperatura del aire como la humedad, la temperatura del material y el contenido de humedad varían continuamente con el transcurso del tiempo en una parte dada del secador, los costos elevados del combustible y la mano de obra en estos secadores conducen a costos totales más altos de funcionamiento por kg de producto secado. Secadores indirectos. En los secadores indirectos la transmisión del calor para el secado se realiza a través de las paredes que separan el sólido húmedo de la media secante. El líquido vaporizado es eliminado en forma independiente de la media secante. Los secadores indirectos continuos. Pueden trabajar a veces a presiones inferiores a la atmosférica con buenos cierres en los puntos de carga y descarga, se mantienen presiones negativas de 680 a 710 mmHg durante el funcionamiento continuo. Los secadores indirectos intermitentes. Son apropiados para evaporar y secar soluciones o dispersiones, para secar pastas y sólidos granulares y para el secado al alto vacío. Se dividen en dos grupos, en los cuales: a) El sólido permanece estacionado durante todo el ciclo.(secador de charolas) b) El sólido se agita durante el ciclo de secado.(secadores de paila con agitación) Los secadores infrarrojos. Se basan en la transferencia de energía radiante para evaporar la humedad. Esta energía se produce eléctricamente por medio de refractarios incandescentes. El calentamiento infrarrojo se emplea principalmente en el secado de películas de pintura y capas delgadas de materiales. Los secadores dieléctricos. Su característica fundamental es producir el calor dentro de un sólido, por esta razón existen posibilidades para secar grandes objetos macizos, como madera, productos cerámicos, objetos de caucho esponjosos, etc. El costo de la energía puede llegar hasta 10 veces el del combustible necesario en los métodos corrientes. V. FILTRACIÓN En la filtración, las partículas suspendidas en un fluido, ya sea líquido o gas, se separan mecánicamente o físicamente usando un medio poroso que retiene las partículas en forma de fase separada que permite el paso del filtrado sin sólidos. Las partículas sólidas suspendidas pueden ser muy finas (del orden de micrómetros) o bastantes grandes, muy rígidas o plásticas, esféricas o de forma muy irregular, agregados o partículas individuales. El producto valioso puede ser el filtrado sin sólidos o la torta sólida. En algunos casos, se requiere una eliminación completa de las partículas sólidas y en otros, basta con una eliminación parcial.

La alimentación o suspensión de entrada puede contener una gran carga de partículas sólidas o una porción baja. Cuando la concentración es mínima, los filtros operan por tiempos muy largos, antes de que sea necesario limpiar el medio filtrante. Las aplicaciones del proceso de filtración son muy extensas, la variedad de diseño en filtros TIPOS DE EQUIPOS DE FILTRACIÓN 1.- Clasificación de los filtros. Los filtros también se clasifican de acuerdo con su ciclo de operación: por lotes, cuando se extrae la torta después de cierto tiempo, o de manera continua, cuando la torta se va extrayendo a medida que se forma. En otra clasificación, los filtros pueden ser de gravedad, donde el líquido simplemente fluye debido a la presencia de una gran carga hidrostática, o bien puede usar presión a vacío para incrementar la velocidad de flujo. Un método de clasificación muy importante se basa en la colocación mecánica del medio filtrante. La tela filtrante puede estar en serie, en forma de placas planas encerradas, como hojas individuales sumergidas en la suspensión, o sobre cilindros giratorios que penetran en la suspensión. 2. Lecho de filtración. Fig. 1. Este tipo de equipo de filtración es útil en caso en los que pequeñas cantidades relativas de sólidos se separan de grandes cantidades de agua y se clarifica el líquido. Las capas inferiores se componen de piezas burdas de grava que descansan sobre una placa perforada o ranurada. Por encima de la grava hay arena fina que actúa como el medio de filtración real. El agua se introduce en la parte alta del lecho sobre un reflector que dispersa el agua. El líquido clarificado se extrae de la parte inferior.

Fig. 1 Lecho de filtración de partículas sólidas. 3. Filtros prensa de placas y marcos. Fig. 2. Estos filtros consisten 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 de cada placa. La suspensión de alimentación se bombea en la prensa y fluye a través del conducto al interior de cada uno de los marcos abiertos, de manera que va llenando los espacios vacíos. El filtrado fluye entre la tela filtrante y la superficie de la placa a través de los canales y hacia el exterior, mientras los sólidos se acumulan como torta en los marcos.

Fig. 2 Diagramas de filtros prensa de placas y marcos: a) filtración de una suspensión con descarga cerrada, b) lavado de una prensa con descarga abierta. 4. Filtro de hojas. Fig. 3. Es utilizado para grandes volúmenes de suspensión y un lavado más eficiente. Cada hoja es un marco hueco de alambre cubierto con un saco de tela filtrante. Estas hojas se cuelgan en paralelo en un tanque cerrado. La suspensión entra al tanque y la presión llega a la tela filtrante, donde la torta se deposita en el exterior de la hoja. El filtrado fluye por el interior del marco hueco hacia un cabezal de descarga y el líquido es lavado sigue la misma trayectoria de la suspensión. Cando el material valioso no es el sólido, se pueden usar chorros de agua a presión para desprenderlo y eliminarlo sin necesidad de abrir el filtro.

Fig. 3 Filtro de hojas

5. Filtros rotatorios continuos. El filtro rotatorio continúo de tambor al vacío Fig.4. Filtra, lava y descarga la torta con régimen continuo. El tambor cilíndrico se recubre de un medio filtrante adecuado, se hace girar, y una válvula automática en el centro sirve para activar las funciones de filtrado, secado y descarga de la torta del ciclo de operación. El filtrado sale por el eje del filtro. La válvula automática permite la salida independiente del filtrado y líquido de lavado. Además cuando es necesario, se puede usar una conexión para un retrosoplado de aire comprimido poco antes de la descarga, para ayudar a que el rapador de la cuchilla desprenda la torta. Este tipo de filtro no es adecuado para líquidos viscosos.

Fig. 4 Filtro continuo de tambor rotatorio MEDIOS FILTRANTES Y AYUDAS DE FILTRACIÓN El medio para filtraciones industriales debe tener ciertas características:  Que permita separar los sólidos de la suspensión y producir un filtrado transparente.  Los poros no se deben obstruir con facilidad para que la velocidad del proceso no sea demasiado lenta.  El medio filtrante debe permitir la extracción de la torta sin dificultades ni pérdidas  Debe de tener una resistencia suficiente para no rasgarse y no ser afectado por los productos químicos presentes.  El filtrado se puede recircular para una nueva filtración. Ayudas de filtración. En ocasiones se usan ayudas de filtración para ayudar el proceso. Por lo general son tierras diatomáceas, que están constituidos principalmente por sílice no compresible. También se usa celulosa de madera, asbesto y otros sólidos porosos inertes. Estas ayudas de filtración se pueden usar de diferentes maneras; por ejemplo como recubrimiento previo antes de filtrar la suspensión, el cual impide que los sólidos de tipo gelatinoso obstruyan el medio filtrante y permite obtener un filtrado más transparente. También se puede añadir a la suspensión antes de la filtración. Esto aumenta la porosidad de la torta y reduce su resistencia durante el proceso. En un filtro rotatorio, la ayuda de filtración se puede aplicar como recubrimiento previo y durante la operación se desprende junto con la torta.

ECUACIÓN GENERAL DE FILTRACIÓN Considerando que la filtración obedece a los principios de la mecánica de fluidos, se tiene que la velocidad de flujo a través de la torta 𝑑𝑑 � ����� � �������� 𝑑𝑑= ���������� 𝑑

(1) Donde dv = diferencial de volumen dθ = diferencial de tiempo Estimando que el fluido circula por los canales pequeños formados en los intersticios de la torta y el medio filtrante, se puede adaptar la ley de Hagen Poiseuille para expresar la ecuación a la cual se conoce como “Ecuación general de filtración”. 𝑑𝑑 ∆ ∆ (−∆𝑑) 𝑑 = [(𝖺𝑑 ) � + �� ] 𝑑 µ

(2)

𝑑

Donde: ∆P= Caída de presión A= Área de filtración V= Volumen de filtración 𝖺= Resistencia Específica de la torta de sólida C= Concentración de sólidos en la suspensión Rm= Resistencia del medio filtrante µ= Viscosidad del filtrado 𝑑𝑑= Constante de conversión El grupo (𝖺�) 𝑑 representa la resistencia total de la torta de sólidos, y si designamos al termino del 𝑑

paréntesis como K=( 𝖺𝑑 )

(3)

𝑑

el cual es constante para una torta incompresible, y la variable para compresible, quedando: 𝑑𝑑 ∆ ∆(−∆𝑑) = 𝑑𝑑 [𝑑𝑑 + 𝑑𝑑]µ

(2’)

La fuerza impulsora la constituye la presión, y la resistencia total sería la suma de las resistencias del medio filtrante.

V.- CONSTRUCCIÓN Y USO DE LA CARTA PSICROMÉTRICA La carta de humedad también conocida como carta psicrométrica es un gráfico que permite conocer los contenidos de humedad de un gas bajo condiciones específicas de presión y temperatura. Este gráfico también incluye algunas características como son: calor húmedo, volumen húmedo y entalpía. Como es conocido, en las operaciones de humidificación y secado la mezcla más común que se presenta es AIRE-VAPOR DE AGUA y por tanto la presentación de las funcionalidades que describen cada una de las trayectorias de esta gráfica estará desarrollada en base a esta mezcla. 1) Concentración. (Conocida también como humedad absoluta ( Y’ ). Esta medida es representada normalmente por la relación peso, esto es: kgs de vapor de agua contenidos en cad...