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PRÁCTICA: FILTRO PRENSA INTRODUCCIÓN La separación de mezclas heterogéneas sólido-líquido es un proceso necesario, entre otros casos, para la recuperación de sustancias de valor y para el tratamiento de efluentes con sólidos no deseados o viceversa. Uno de los aparatos existentes es el filtro prensa, una operación por lotes en la que se acumulan los sólidos contenidos en una corriente líquida en un medio filtrante. Las características de este medio filtrante determinan su capacidad, efectividad, entre otra información de importancia. Esta práctica se centra en la obtención de algunas de esas características a partir de datos experimentales, además de la eficiencia de remoción de sólidos. Se hará uso de conocimiento de balances de materia, análisis de experimentos y sistemas de manejo de sólidos. OBJETIVOS   

Conocer las características físicas y las aplicaciones del filtro prensa. Obtener datos experimentales de volumen acumulado a través del tiempo para conocer las características del medio filtrante, de la torta formada y del equipo. Determinar la eficiencia del filtro prensa utilizado.

ANTECEDENTES Es común encontrar en procesos industriales la necesidad de separar partículas sólidas del fluido que las transporta. Existen varios tipos de filtración, entre los que se encuentra la filtración de torta. La separación puede tener como fin recuperar alguna de las dos corrientes, ambas o bien tratarlas con mayor facilidad en el caso de que sean residuos. Los equipos en los que se desarrolla esta operación son el filtro prensa y el filtro rotatorio, el primero de ellos utilizado para efectuar separaciones discontinuas en procesos de baja escala. Filtración La filtración es la separación de las partículas sólidas de una solución haciendo pasar la solución por un medio filtrante en el que los sólidos son depositados. El fluido avanza a través del medio debido a un diferencial de presión a través del medio, por lo que también se clasifican en filtros que operan a una presión encima de la atmosférica del lado de entrada del fluido a la membrana y los que operan a presión atmosférica en el lado de la entrada del fluido y en vacío del otro lado del medio. También se clasifican en continuos y discontinuos, dependiendo de la forma de descarga de sólidos. Los filtros se dividen en tres grandes grupos: filtros de torta, filtros clarificadores y filtros de flujo cruzado. Los filtros de torta separan cantidades relativamente grandes de sólidos y comúnmente incluyen aditamentos para lavar la torta y para remover algo del líquido de los sólidos antes de la descarga. Los filtros clarificadores remueven pequeñas cantidades de sólidos, atrapándolas dentro del medio filtrante o en sus superficies externas, para producir un gas limpio o líquidos claros. Los Filtro Prensa

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poros de los medios para filtros clarificadores son mucho más grandes que las partículas a atrapar. En un filtro de flujo cruzado la solución fluye bajo presión a una velocidad bastante rápida, por lo que sólo se forma una pequeña película de sólidos en el medio filtrante; éste es normalmente de material cerámico, metal o polímero. Filtros de torta En estos filtros, algunas de las partículas sólidas entran en los poros del medio al inicio de la filtración, en donde son inmovilizados, pero después inicia la acumulación de más partículas en la superficie. Después de que se forma la torta, ésta es la que realiza la separación, no el medio filtrante, aunque debe ser removida periódicamente. La forma de remoción de la torta determina si es un filtro de torta continuo o discontinuo. Filtro Prensa Es un tipo de filtro discontinuo a presión. Consiste en una serie de platos unidos de forma que creen compartimentos donde los sólidos puedan ser retenidos, esto por medio del medio filtrante contenido en ellos. Los compartimentos son creados por la forma de los platos o por un arreglo de marcos y platos que permite crear espacios entre los medios filtrantes. Estos arreglos son unidos por medio de un tornillo o de un ariete hidráulico. La solución entra por un lado del arreglo, fluyendo por un canal ubicado en una esquina inferior y pasando a través del medio filtrante con ayuda de canales auxiliares. Cuando se detecte un súbito aumento en la presión o la solución cese de salir del filtro se dice que está “atascado”, procediendo entonces a detener la operación y retirar la torta acumulada en las lonas. Medio Filtrante El medio debe cumplir los siguientes requerimientos: 1. Debe retener los sólidos a filtrar, dando un filtrado razonablemente claro. 2. No debe taparse o cegarse. 3. Debe tener resistencia química y resistencia suficiente para soportar las condiciones del proceso. 4. Permitir que la torta sea descargada limpia y completamente. 5. No ser demasiado caro. Tortas de filtrado compresibles e incompresibles A caídas de presión bajas de soluciones que contienen partículas uniformes rígidas, la viscosidad y la velocidad del filtrado, así como el volumen y la superficie de las partículas y la porosidad de la torta no cambian dependiendo de su distancia al filtro. Este tipo de tortas son conocidas como tortas incompresibles, y estas consideraciones permiten el uso del parámetro de resistencia específica de la torta, , que en tortas incompresibles es independiente de la caída de presión y de la posición en la torta.

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La mayoría de las tortas encontradas en la industria no están hechas de partículas individuales rígidas, sino de aglomerados y flóculos que se depositan en la torta y forman canales, por lo que las características de los elementos de la torta y su porosidad varían de capa en capa. Estas tortas son llamadas compresibles. Puede determinarse si una torta es compresible o incompresible por medio de datos experimentales, observando la variación de la resistencia específica de la torta en corridas con diferentes caídas de presión. Si es independiente de , la torta es incompresible. Generalmente, se incrementa con , ya que la mayoría de los lodos son compresibles en cierta medida, y en lodos altamente compresibles, aumenta rápidamente con . Para observar datos de

y

pueden ajustarse ecuaciones empíricas, como: (4)

: Coeficiente de compresibilidad de la torta : Constante empírica Esta ecuación se linealiza y grafica para obtener el coeficiente de compresibilidad de la torta. es cero para lodos incompresibles y es positivo para lodos compresibles. Generalmente cae entre 0.2 y 0.8. Resistencia media del medio filtrante Aunque la resistencia del medio filtrante varía con la caída de presión y con la edad y limpieza del medio filtrante, sólo es importante durante la más temprana etapa de la filtración, así que puede asumirse constante y determinarse su magnitud a partir de datos experimentales. Filtración a presión constante: Cuando la caída de presión se mantiene constante a través del proceso, los datos de tiempo y volumen acumulativos pueden usarse para obtener la resistencia del medio filtrante ( ) y la resistencia específica de la torta ( ) por medio de la representación gráfica de la siguiente ecuación: (1) Del intercepto de la recta se obtiene

por medio de la siguiente definición: (2)

De la pendiente de la línea recta se obtiene

y con la siguiente definición se obtiene : (3)

Donde: : Tiempo de operación : Volumen de filtrado acumulado en el tiempo Filtro Prensa

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: Resistencia específica de la torta (m/kg) : Resistencia del medio filtrante (m-1) : Viscosidad de la suspensión (puede utilizarse la del agua) : Masa de sólidos secos de la torta/Volumen de filtrado : Área de filtración : Diferencia de presión de operación

Eficiencia de la operación La eficiencia de una operación de filtrado se evalúa generalmente a partir de la razón del sólido alimentado y el sólido recuperado. MATERIAL           

Charola de plástico 6 probetas de plástico de 1L Cronómetro Densímetro de 1.00-1.10 Cinta métrica (Flexómetro) Pinzas para crisol Calibrador Vernier Caja Petri (base y tapa) 2 espátulas planas medianas Termómetro de mercurio Carbonato de calcio

DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO Los filtros prensa consisten en una serie de placas que están cubiertas con el medio filtrante, el cual puede ser de lona u otro material semejante. La secuencia típica de operación de un filtro prensa es la siguiente: 1. Alimentación de la mezcla por medio de una bomba hasta las placas filtrantes. 2. El flujo de alimentación es forzado a pasar por el medio filtrante. 3. El fluido que ha pasado por las placas es descargado por la tubería de salida. Una vez que la torta acumulada en el medio filtrante impide el paso del fluido, se suspende la filtración, se desarma el equipo y se lavan las placas, se descarga la torta y se limpia el medio filtrante, se procede a armar el filtro para volver a operar nuevamente.

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Figura 1. Equipo de filtrado

DESARROLLO DE LA PRÁCTICA El siguiente procedimiento abarca una corrida completa. Durante su práctica, se llevarán a cabo dos corridas. Al terminar, asegúrese de lavar el equipo y el material y dejar el lugar de trabajo seco. 1. 2. 3. 4.

Encender el agitador del tanque de suspensión. Tomar una muestra de la alimentación y registrar su densidad. Registrar el peso de las cajas viteri y de la charola de plástico. Calcular y registrar el área de una lona de filtrado. Para obtener el área de filtrado, multiplicar este valor por el número de lonas utilizado. 5. Verificar que las válvulas se encuentren cerradas y que la bomba se encuentre apagada. 6. Armar el equipo: a. Colocar la primera lona en el extremo de alimentación y descarga de la estructura del filtro. La primera lona tiene dos pequeños tubos de plástico en los orificios inferiores que embonan con la estructura. b. Colocar un marco después de la primera lona procurando que los orificios de la parte inferior coincidan. La muesca en forma de “v” debe ir alineada con la marca circular de la estructura. Después colocar una lona teniendo el mismo cuidado para hacer coincidir los orificios. c. Colocar una placa, alineando la muesca con la del marco, y cuidando de nuevo que coincidan los orificios. d. Repetir 4 veces más la secuencia de lona - marco - lona – placa. Al terminar de acomodar los marcos y placas, se debe cerrar la prensa, hasta que los marcos y placas queden perfectamente ajustados.

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Figura 2. Dibujo de marco y placa

7. Comprobar que no existan fugas: a. Abrir la válvula de salida de la bomba (V5). b. La válvula que permite la salida del agua del tanque de almacenamiento (V3) se debe abrir al igual que la válvula que permite su entrada hacia la bomba (V4). c. La válvula que permite la salida del tanque de alimentación (V1) debe encontrarse cerrada. d. Encender la bomba de alimentación y verificar que no existan fugas mayores en el armado. Considerar el equipo listo si sólo existe goteo. e. Fijar una presión de operación para su corrida manipulando la válvula de salida de la bomba. Debe estar entre 0.8 a 1.2 kg/cm2. 8. Comenzar el experimento: a. Cerrar la V3 y V4. b. Abrir V1 y la válvula de entrada de alimentación a la bomba (V2). c. Calcule el volumen de líquido que contiene una probeta llena hasta el borde y utilice ese volumen al registrar los tiempos de llenado. d. Acomodar la manguera de salida del filtro dirigida a la primera probeta y preparar el resto de éstas para no perder filtrado. e. Encender la bomba y verificar que la presión fijada durante la comprobación del armado sea la misma. f. Encienda el cronómetro cuando el líquido comience a salir y no lo detenga hasta que termine la corrida. g. Al llenar la probeta coloque la siguiente y registre el tiempo de llenado de cada probeta. El llenado de probetas es continuo, se recomienda que dos personas se encarguen de la operación y otra anote los tiempos de llenado h. Registrar el tiempo de llenado para cada probeta y vaciarlas según necesite más. Registrar los tiempos para 12 probetas. 9. Apagar la bomba y cerrar V1, V2 y V5. 10. Desajustar el volante del filtro para retirar las lonas y las placas procurando no separarlas y colocarlas de forma vertical cerca de una tarja. 11. Recuperar la torta utilizando las espátulas y colocarla en la charola de plástico. 12. Pesar la torta húmeda y colocar una muestra en la tapa o base de la caja Petri. Registrar su peso y colocar en un horno disponible. Dejar secar 24 horas y registrar el peso de nuevo (Recuerde que este dato le permitirá obtener la fracción de humedad de la torta). 13. Disponga de la torta acumulada en el contenedor de carbonato de calcio.

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Figura 3. Esquema del equipo de filtro prensa

Recomendaciones y precauciones 1. 2. 3. 4.

No encender la bomba hasta asegurarse de la posición correcta de las válvulas. Verificar las condiciones de la suspensión de alimentación Evitar pérdidas de filtrado. Al terminar, armar el sistema nuevamente y pasar agua hasta que la solución de salida esté suficientemente clara.

REPORTE: CÁLCULOS 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Volumen teórico de filtrado. Compare con el volumen experimental. Gráfica de vs . Recuerde que el volumen y el tiempo son acumulados. Resistencia específica de la torta. Resistencia del medio filtrante. Gráfica de vs . Factor de compresibilidad de la torta. ¿Es compresible o incompresible? Eficiencia de la operación.

Cuide las unidades al realizar las operaciones. BIBLIOGRAFÍA Mc Cabe, Warren; Smith, J; Harriot, Peter; Unit Operations of Chemical Engineering 5th Edition, McGraw-Hill 1993 Filtro Prensa

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Laboratorio de Operaciones Térmico-mecánicas ANEXOS Manual de cálculos El volumen teórico de filtrado: (5) : Peso de la torta seca : Densidad de la suspensión alimentada : Fracción másica de los sólidos de la suspensión alimentada : Masa de la torta húmeda/Masa de la torta seca : Volumen teórico del filtrado El volumen experimental de filtrado es el volumen acumulado de filtrado (solución) durante la corrida. Una relación útil para suspensiones con CaCO3 es: (6) Donde: : Densidad del filtrado : Porcentaje en peso de CaCO3 en la suspensión

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