FILTRACION AL VACIOCdigo:IQ-603

TRABAJOS DE INVESTIGACIN FORMATIVARevisin: 01

Fecha: 2015/05/21

Pg: 17de17

MATERIA: OPERACIONES UNITARIASGRUPO: 8INTEGRANTES: MORENO ANDRES VILCA YADIRA

INTRODUCCION

La filtracin es un proceso que permite la separacin fsica de partculas suspendidas en un fluido (lquido o gas) a travs de un medio poroso que retiene las partculas y permite el paso del fluido.En el proceso de la filtracin el producto valioso puede ser el fluido sin partculas, el fluido con una porcin de partculas o la torta slida. Dependiendo si la alimentacin presenta una baja cantidad de slidos suspendidos, los filtros en procesos discontinuos operan en un tiempo prolongado hasta que sea necesaria su limpieza por acumulacin.A medida que crece el tamao de la torta esta acta como filtro y aumenta la resistencia al flujo.En la industria se pueden presentar filtros a presin, a vaco o separadores centrfugos, los mismos que pueden operar dependiendo de la descarga de los slidos ya sea en forma continua o discontinua.En los filtros discontinuos el paso del fluido se interrumpe para permitir la descarga de los slidos acumulados a diferencia de los continuos donde la operacin es permanente (Geankoplis, 1998). Tabla 1Gua para seleccin del equipo de filtrado adecuado

Fuente: E., Aguilar, (1997), Diseo de un Filtro Horizontal Rotatorio de Vaco y su Aplicacin en la Fabricacin de cido Fosfrico (Tesis), Guatemala.

FILTRACION AL VACIOLa filtracin al vaco es un proceso fsico que separa mezclas heterogneas permitiendo la purificacin y extraccin del material requerido, este tipo de filtracin es uno de los procesos ms utilizados en la industria qumica principalmente en sistemas continuos donde uno de los accesorios ms importantes de este tipo de filtros es la bomba al vaco puesto que es la fuente impulsora de filtracin. El vaco es obtenido cuando el aire o gas del sistema es removido. (Aguilar, 1997).

MEDIOS DE FILTRACIONEs un medio que permite la separacin de los slidos de una suspensin, las caractersticas que deben considerarse para seleccionar el medio filtrante son: Resistente a los ataques qumicos. Resistente para sostener la presin de filtracin. Resistente al desgaste y friccin. Capacidad para descargar la torta con facilidad y limpieza. Capacidad para conformarse mecnicamente al tipo de filtro. (Aguilar, 1997).

Tabla 2Propiedades de las fibras que influencian la seleccin del medio de filtracin.

Fuente: E., Aguilar, (1997), Diseo de un Filtro Horizontal Rotatorio de Vaco y su Aplicacin en la Fabricacin de cido Fosfrico (Tesis), Guatemala.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS VENTAJAS El medio filtrante puede exponerse a la atmosfera y, por consiguiente facilita la inspeccin del producto y reparaciones posibles. Los costos de mantenimiento son bajos.

DESVENTAJAS Siempre debe mantenerse un sistema de vaco. No se puede emplear este tipo de filtros para sustancias voltiles debido a que el punto de ebullicin es bajo (Aguilar, 1997).

DISEO DE UN SISTEMA DE VACIOEl diseo especfico de un sistema de vaco depender de su funcin, sin embargo, existen algunas reglas generales. Seleccionar un tamao de cmara adecuado para el proceso de vaco. Seleccionar un tiempo conveniente de bombeo requerido para llevar el sistema a la presin de operacin. Este tiempo no es necesario en sistemas continuos. Estimar la velocidad de bombeo requerida en la cmara para la presin a la cual el proceso ser operado. (Aguilar, 1997).

Velocidad de bombeo Rapidez con la que los gases y vapores son removidos del sistema debe darse en (m3/s)

Figura 1: Curvas de la velocidad de bombeo vs presin requeridaFuente: E., Aguilar, (1997), Diseo de un Filtro Horizontal Rotatorio de Vaco y su Aplicacin en la Fabricacin de cido Fosfrico (Tesis), Guatemala

CLASIFICACIONLos filtros al vaco se clasifican en continuos y discontinuos.

FILTROS AL VACIO DISCONTINUOS

Figura 2: Filtro NutchaFuente: V., Ocon, ,(1976) Elementos de la Ingeniera Qumica, Quinta Edicin.Estos filtros estn constituidos de una base que acta como medio filtrante en donde se depositan los slidos de la suspensin a travs de un efecto de succin o vaco que favorece la operacin. La torta es retirada una vez que el filtrado ha sido evacuado o cuando hay excesiva acumulacin de slidos que impiden el paso del flujo del filtrado. La Nutcha es un ejemplo de este tipo de filtros y en relacin a los embudos Buchner son ms pequeos, aproximadamente tienen un dimetro de 1 a 3 (m) en la cual se forma una torta de 100 a 300 (mm) de espesor; es fabricada con materiales resistentes a la corrosin y son poco comunes en procesos a gran escala debido a la extraccin de la torta en determinado tiempo; sin embargo es til en otros procesos en los que se requiere secar la torta antes de su descarga.(Ocon, 1967).

ECUACIONES PARA EL PROCESOEn la mayora de los procesos de filtracin las partculas que forman la torta son pequeas y la velocidad del filtrado a travs del lecho es pequea dando un flujo laminar, por lo que la prdida de presin del fluido se puede expresar con una ecuacin:Ec.1Donde: : Viscosidad del filtrado en (Pa *s) v: velocidad lineal basada en el rea de filtracin (m/s) : Cada de presin en la torta en (N/m2) t : Tiempo de filtracin (s): Constante para partculas aleatorias de tamao y forma definida (4.17) : Concentracin de slidos en el filtrado (kg/ m3)So: rea superficial especfica de las partculas en (m2) de rea de partcula por (m3) de volumen de partculas slidasL: Espesor de torta en (m): Fraccin de espacios vacos o porosidad de la tortaEsta ecuacin proviene de las ecuaciones de Poseuille y Carman Kozeny respectivamente.Ec.2Ec.3

Figura 3: Corte de una torta de filtracinFuente: J., L., GEANKOPLIS,(1998), Proceso de Transporte y Operaciones Unitarias, Tercera Edicin, Mxico.

El espesor de la torta (L) puede relacionarse con el volumen (V) a travs de un balance de masa que se puede ver en la siguiente ecuacin: Ec.4Donde: F: Suspencin a filtrarse Tt: Torta J: Filtrado

Ec.5

Como el trmino representa el volumen del filtrado retenido en la torta. Este suele ser pequeo y se desprecia por lo tanto:

Ec.6La velocidad lineal es:

Ec.7Donde:V: Volumen del filtrado en (m3)

Si introducimos la ecuacin (7) y la ecuacin (1) se tiene:(1)

Ec.8

Ahora (6) en (8)Ec.9 Ec.10Donde: : Resistencia especfica de la torta (m/kg)

Ec.11As tambin se tiene ecuaciones para el medio filtrante Ec.12Donde : Resistencia del medio filtrante (1/m)

Puesto que las resistencias de la torta y del medio filtrante estn en serie, se pueden combinar las ecuaciones (11) y (12), con lo que se obtiene Ec.13Donde:: cada de presin total

La filtracin al vaco en un proceso discontinuo se basa en la siguiente ecuacin que es un reordenamiento de la ecuacin (13):Ec.14

Ec.15

Donde:: es (s/m6)Ec.16 B: (s/m3)Ec.17Como el proceso es a presin constante, por lo tanto tambin lo es y las nicas variables son V y t; de all que integrando con las condiciones:t inicial: 0 y V inicial=0t final: t y V final =VEc.18Ec.19Si a la ecuacin dividimos para V entonces.Ec.20

Donde con la ayuda de una grfica que representa (t/V) en funcin de V a travs de datos experimentales se puede calcular las constantes de filtracin.

Figura 4: Determinacin de una constanteFuente: J., L., GEANKOPLIS,(1998), Proceso de Transporte y Operaciones Unitarias, Tercera Edicin, MxicoFILTROS AL VACIO CONTINUOS

Estos filtros estn sometidos a un estado estacionario, es decir las velocidades de la alimentacin, del filtrado y de la torta son continuas.Los filtros de tambor rotarios son un ejemplo de estos filtros, en los cuales la cada de presin es constante durante el proceso de filtracin. En estos filtros hay un cambio continuo de las condiciones ya que la torta aumenta progresivamente por lo que en estos filtros la resistencia del medio filtrante suele ser despreciable comparndola con la resistencia de la torta.

FUNCIONAMIENTO

El filtro rotatorio continuo al vaco que se ilustra en la figura filtra, lava y descarga la torta con un rgimen continuo. El tambor cilndrico se recubre de un medio filtrante adecuado, se hace girar, y una vlvula automtica en el centro sirve para activar las funciones de filtrado, secado, lavado y descarga de la torta del ciclo de operacin. El filtrado sale por el eje del filtro.La vlvula automtica permite la salida independiente del filtrado y lquido de lavado. Adems, cuando es necesario, se puede usar una conexin para un retrosoplado de aire comprimido poco antes de la descarga, para ayudar que el raspador de cuchilla desprenda la torta. El diferencial mximo de presin para el filtro al vaco es de slo 1 atm. Por consiguiente, este modelo no es adecuado para lquidos viscosos o lquidos que deben estar encerrados. Si el tambor se encierra en una coraza, se pueden usar presiones superiores a la atmosfrica. Sin embargo, el costo de un equipo de presin es de cerca del doble del de un fltro rotatorio de tambor al vaco(Geankoplis,1998)

Figura 5: Diagrama esquemtico de un filtro contino de tambor rotatorio Fuente: J., L., GEANKOPLIS,(1998), Proceso de Transporte y Operaciones Unitarias, Tercera Edicin, Mxico

Estos filtros se rigen a la ecuacin (13)

Ec.21

Donde: : Viscosidad del filtrado en Pa s (lb,/pie * s)V: volumen del filtrado en m3 : cada de presin en la torta en N/m2 (lbr/pie2).t : tiempo de filtracin (s) : Concentracin de slidos en el filtrado (kg/ m3)Rm: Resistencia del medio filtrante al flujo del filtracinA: rea del filtro en (m2) : Resistencia especfica de la torta en (m/kg). Ec.22

Decimos que la resistencia del medio filtrante es despreciable =0

Ec.23

Por lo tanto B= 0.

Entonces la ecuacin queda de la siguiente manera: Ec.24

Integrando con las condiciones:t inicial: 0 y V inicial=0t final: t y V final =V

Ec.25

En un filtro de tambor rotatorio, el tiempo de filtracin t es inferior al del ciclo total tc

Ec.26

Donde

f: fraccin de inmersin del tambor en la suspensintc: tiempo del ciclo total (formacin de la torta)Para el clculo de la velocidad de flujo en estos filtros partimos de las siguientes ecuacionesEc. (22) y Ec. (25) reemplazamos en Ec. (26)

Ec. 27Dividimos para

Donde : velocidad de flujo (m/s)DIMENSIONAMIENTO DEL EQUIPO

Figura 6: Filtro Rotatorio al Vaco

Figura 7: Especificaciones para Filtro Rotatorio al Vaco

EJEMPLO DE APLICACINUn filtro rotatorio de tambor al vaco que sumerge el 33% del tambor en la suspensin se va a utilizar para filtrar una suspensin de CaC03, como se vio en el ejemplo 14.2-l con una cada de presin de 67.0 kPa. La concentracin de slidos en la suspensin es cx = 0.19 1 kg de slido/kg de suspensin y la torta del filtro es tal que los kg de torta hmeda y kg de torta seca = m = 2.0. La densidad y la viscosidad del filtrado se pueden suponer equivalentes a las del agua a 298.2 K. Calcule el rea del filtro necesaria para filtrar 0.778 kg de suspensin/s. El tiempo de ciclo del filtro es de 250 s. La resistencia especfica de la torta se puede representar como = (4.37 x 109) (-P)0.3. , donde -p se da en Pa y cx en m/kg.

DATOSRESOLUCIONPara el agua,p = 996.9 kg/m3,u = 0.8937 x Pa.s

Calculo de la velocidad de flujo del filtrado

A=

BIBLIOGRAFA: J., L., GEANKOPLIS,(1998), Proceso de Transporte y Operaciones Unitarias, Tercera Edicin, Mxico. L., McCabe, C., Smith, P., Harriot, (2007), Operaciones Unitarias en Ingeniera Qumica, Sptima Edicin, Mc Graw-Hill, Mxico. V., Ocon, ,(1976) Elementos de la Ingeniera Qumica, Quinta Edicin. E., Aguilar, (1997), Diseo de un Filtro Horizontal Rotatorio de Vaco y su Aplicacin en la Fabricacin de cido Fosfrico (Tesis), Guatemala.

PRACTICAFILTRACIN AL VACO

2.- OBJETIVOS

2.1. Determinar la resistencia especfica de la torta y la del filtro.

3. FUNDAMENTO TERICO 3.1. Filtracin al vaco3.2. Medio Filtrante3.3. Torta de Filtracin

4. PARTE EXPERIMENTAL 4.1. Materiales y equipos4.1.1. Vaso de precipitacin4.1.2. Balanza analtica4.1.3. Agitador4.1.4. Probeta4.1.5. Bomba de vaco4.1.6. Cronmetro4.1.7. Embudo Buchner4.1.8. Matraz Erlenmeyer

4.2. Sustancias y reactivos4.2.1. Carbonato de Calcio4.2.2. Agua

4.3. Procedimiento4.3.1. Preparar una suspensin de CaCO3 en agua a una concentracin aproximada del 15%.4.3.2. Una vez preparada la suspensin mantenerla en movimiento con el agitador.4.3.3. Armar el equipo de filtracin al vaco.4.3.4. Arrancar la bomba de alimentacin.4.3.5. Medir la variacin del volumen del filtrado con respecto al tiempo.4.3.6. Sacar la torta y descargala cuando el aire de secado no lleve agua.4.3.7. Medir el rea de filtracin ( A = r2 * 2 # de marcos)

5. DATOS5.1. Datos ExperimentalesTabla 5.1-1Datos ExperimentalesVariablesCantidad

Peso de CaCO3(kg)

Peso de agua (kg)

rea del filtro (m2)

Viscosidad de suspensin (Pa.s)

Concentracin de la disolucin (kg/m3)

Temperatura (C)

Tiempo total De filtracin (s)

Presin(Pa)

Tabla 5.1-2Datos ExperimentalesV(g)V(m3)t(s)t/V(s/m3)

6. CLCULOS6.1. Calculo de las constantes de filtracin a travs de la grfica (t/V) vs VEc.20.

6.2. Calculo se la resistencia del medio filtrante

Donde: : Viscosidad del filtrado en Pa s : cada de presin en la torta en N/m2 t : tiempo de filtracin (s) : Concentracin de slidos en el filtrado (kg/ m3)Rm: Resistencia del medio filtrante al flujo del filtracinA: rea del filtro en (m2) : Resistencia especfica de la torta en (m/kg).

7. RESULTADOSTabla 7-1ResultadosVariablesCantidad

Rm (1/m)

(m/kg)

8. DISCUSION9. CONCLUSIONES10. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS10.1. Citas Bibliogrficas10.2. Bibliografa11. ANEXOS11.1. Diagrama del Equipo.11.2. Diagrama (t/V) vs V