Manual de Laboratorio Operaciones de Manejo de Solidos (1)

Universidad Centroamericana
“José Simeón Cañas”
Departamento de Ingeniería de Procesos y Ciencias Ambientales
MANUAL DE LABORATORIO DE
OPERACIONES DE MANEJO DE SÓLIDOS.
Instructores:
Jorge Fernández
Kevin Martínez
Ciclo 02/2023
Operaciones De Manejo De Sólidos.
Universidad Centroamericana “José Simeón Cañas”.
Índice
Página
Práctica No. 1
✓ Cristalización
3
Práctica No. 2
✓ Secado de sólidos
7
Práctica No. 3
✓ Tamizado
12
Práctica No. 4
✓ Filtración
16
2
Operaciones De Manejo De Sólidos.
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Práctica No.1
CRISTALIZACIÓN
Objetivos
✓ Observar la formación de fases cristalinas obtenidas de soluciones de sólidos a
diferentes concentraciones.
✓ Verificar el fenómeno fisicoquímico de la cristalización contrastándolo con la
información teóricarespectiva.
Introducción Teórica
Un cristal puede ser definido como un sólido compuesto por átomos o moléculas dispuestas en
un arreglo ordenado y repetitivo. Las distancias interatómicas en un cristal de un material
definido son constantes y características de cada material. Debido a que el patrón o distribución
de los átomos o moléculas está repetido en todas direcciones, existen restricciones definidas en
los tipos de simetría que los cristales pueden poseer.
La importancia de los procesos de cristalización a nivel industrial corresponde al considerable
número de materiales que existen o pueden ser comercializados en forma de cristales. Su amplio
uso se debe a la forma altamente favorable y pura de un sólido químico que puede ser obtenido
de soluciones relativamente impuras en una etapa individual de proceso. Ésta puede ser llevada
a cabo a temperaturas relativamente bajas y en distintas escalas que varían desde unos cuantos
gramos hasta miles de toneladas por día.
Las relaciones de equilibrio para sistemas de cristalización son expresadas en forma de datos de
solubilidad los cuales son representados en diagramas de fase o curvas de solubilidad. Los datos
de solubilidad son ordinariamente dados como partes en peso de material anhidro por 100
partes en peso de disolvente total. En algunos casos estos datos son reportados como partes en
peso de material anhidro por 100 partes de solución. Si el agua de cristalización está presente
en los cristales, esto es indicado como una fase separada. La concentración es normalmente
graficada como función de la temperatura y no tiene forma o pendiente definida. También
puede ser descrita como función de la presión, pero para la mayoría de los materiales el cambio
de solubilidad respecto al cambio de presión es muy bajo.
La cristalización puede producirse de distintas formas, en general, la sobresaturación es el
potencial impulsor para las velocidades de nucleación y crecimiento de cristales. La
sobresaturación puede producirse a través de los mecanismos de evaporación de solvente o
enfriamiento de la solución, incluso con una combinación de ambos, en el primer caso, al
elevar la temperatura, parte del solvente se evapora haciendo que la concentración de soluto
en el solvente remanente aumente, por otro lado, en el enfriamiento se calienta una solución
hasta un punto de saturación y se procede a retirar calor para bajar temperatura.
El Diagrama de Miers permite un mejor entendimiento de este fenómeno, en este se
identifican las 3 zonas de un proceso de cristalización, estable, metaestable y lábil.
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Figura No.1 Diagrama de Miers
La solubilidad de algunos componentes es a menudo influenciada por el pH y/o la presencia de
otras impurezas solubles las cuales usualmente tienden a disminuir la solubilidad de los
constituyentes en mayor proporción. Si bien los valores exactos de cualquier sistema con
frecuencia se determinan mejor por mediciones de la composición en el instante, la dificultad
de reproducir los diagramas de solubilidad no se debe subestimar.
Equipo y reactivo
3 Beaker 250 mL
1 Beaker 500 mL
2 Probetas de plástico de 250 mL
2 Probetas de vidrio de 250 mL
2 Escópulas
1 Agitador de vidrio
Balanza semianalítica
2 embudos
2 Vidrio de reloj
Hot plate
Agitador magnético
1 termómetro
Baño termostático
Papel filtro
Estereoscopio
Azúcar refino
Agua destilada
Cordel
Procedimiento
Cristalización bajo saturación
1. Pese el Beaker de 500 mL y anote su peso.
2. Pese 100 g de agua destilada en un Beaker de 250 mL. Trasvasar al Beaker de 500 mL.
3. Agregue 120 g de azúcar. Disuelva con ayuda del agitador magnético.
4. Someta a calentamiento la solución, a la temperatura de 60 °C. Deje calentar por 15
minutos y observe lo que sucede.
5. Contraste con la figura 2.
6. Transferir la mitad de la solución a una probeta de 250 mL
7. Enrolle un pedazo de cordel a un lapicero e introdúzcalo a la probeta.
8. Deje reposar mientras se enfría la probeta con la solución, cuando haya pasado suficiente
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tiempo, tome la probeta e introdúzcalo en el baño, que previamente estará acondicionado
a una temperatura de 1 °C. Deje reposar varios minutos.
9. Pasado unos minutos saque el cordel de la probeta.
10. Tome el estereoscopio y observe.
Cristalización bajo sobresaturación
1. Pesar el Beaker de 250 mL y anotar el peso.
2. Tomar el resto del licor madre en el Beaker y pesar.
3. Llevar a calentamiento a 90 °C y agregar 50g de azúcar (o hasta llegar a la
sobresaturación). Disolver con el agitador magnético. Dejar calentar por 15 minutos y
observar lo que sucede.
4. Contraste con la figura 2.
5. De observar que puede agregarse más azúcar, agregar hasta que la solución no pueda
disolver más.
6. Deje reposar mientras se enfría el beaker con la solución, cuando haya pasado suficiente
tiempo, pese el beaker con la solución, la diferencia de masa con respecto al valor
inicial debe ser el agua removida por evaporación.
7. Tome el beaker y trasvase la solución a la probeta de plástico e introdúzcalo en el
baño, que previamente estará acondicionado a una temperatura de 1 °C. Deje reposar
varios minutos.
8. Pasado el tiempo, se debe tener la presencia de cristales, sepárelos por medio de
filtración, raspe bien las paredes de la probeta.
9. Tome el estereoscopio y observe bajo este los cristales.
Figura No. 2: Diagrama de solubilidad de la sacarosa en agua.
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Cálculos
1. Con la ayuda del diagrama de solubilidad, calcule la masa de cristales que se debió
formar para las condiciones del experimento.
2. Describa que cambios en el proceso de obtención de cristales se realizaron con
respecto a cada solución, explique qué sucede con cada uno (evaporación,
enfriamiento, etc.)
3. Realice una esquematización con ayuda del diagrama de lo que sucedió para ambos
casos. Además, proponga un camino a seguir para obtener más cristales, explicar y
graficar en el diagrama anterior.
Trabajo adicional
1. Investigue distintos procesos en donde se lleva a cabo la cristalización a partir de un
vapor, de una masa fundida y de una solución.
2. Describa y explique el funcionamiento de cuatro equipos de cristalización que se utilizan
en la industria.
3. Investigue por qué es necesario utilizar azúcar refino, ¿qué diferencias habría en una
cristalización con otro tipo de azúcar?
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Práctica No.2
SECADO DE SÓLIDOS
Objetivos
✓ Secar un material sólido y obtener la humedad libre para los diferentes periodos de
secado en un entorno de operación constante.
✓ Construir y analizar las curvas de secado en función del tiempo y de velocidad de secado
en función de la humedad libre.
Introducción Teórica
Secado es el proceso que comúnmente describe el proceso de eliminación térmica de sustancias
volátiles (usualmente agua) para obtener un producto sólido seco. La cantidad de líquido
presente en el sólido se define como humedad y puede reportarse como humedad en base
humedad (kg de agua eliminada/kg de sólido húmedo) y humedad en base seca (kg de agua
eliminada/kg de sólido seco).
La humedad que se encuentra en combinación química con la materia y está presente como una
solución líquida atrapada dentro del sólido o incluso en la microestructura del sólido, en donde
ejerce una presión de vapor menor que la del líquido puro, es llamada humedad ligada. La
humedad no ligada, en un material higroscópico, es la humedad en exceso del contenido de
humedad de equilibrio correspondiente a la humedad de saturación. Toda el agua en un material
no higroscópico es agua no ligada.
La comprensión del proceso de secado consiste en la medición y/o cálculo de las siguientes
variables:
✓
✓
✓
✓
Balances de materia y energía
Termodinámica
Transferencia de calor y masa
Consideraciones de la calidad del material
Cuando un sólido húmedo se somete a un proceso de secado térmico, dos procesos son llevados
a cabo simultáneamente:
1. Proceso de transferencia de energía (principalmente en forma de calor) desde el
ambiente circundante para evaporar la humedad de la superficie.
2. Transferencia de la humedad interna a la superficie del sólido y su posterior evaporación
debido al primer proceso.
La velocidad a la que el proceso de secado se lleva a cabo se rige por la velocidad a la que los
dos procesos anteriores se llevan a cabo. La transferencia de energía en forma de calor desde el
entorno circundante al sólido húmedo se puede producir como resultado de convección,
conducción o radiación, y en algunos casos como resultado de una combinación de estos
efectos. Algunos equipos de secado difieren en el tipo y diseño, dependiendo del método
principal de transferencia de calor empleado.
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Existen parámetros importantes que deben tomarse en cuenta en un proceso de secado:
1. La eliminación de agua en forma de vapor desde la superficie del material que depende
de las condiciones externas como la humedad y flujo del aire, el área de superficie
expuesta, presión y temperatura.
2. El desplazamiento de la humedad ligada en el interior del sólido a través de su
estructura, la cual es una función de la naturaleza física del sólido, temperatura y su
contenido de humedad. Este desplazamiento puede ser debido a los mecanismos de
difusión o efecto capilar.
En una operación de secado cualquiera de los parámetros anteriores puede ser el factor
limitante que regula la velocidad de secado, a pesar de que ambos proceden simultáneamente
en todo ciclo de secado.
El secado es una operación compleja que implica la transferencia transitoria de calor y de masa
con varios tipos de procesos, tales como transformaciones químicas o físicas, que a su vez,
pueden causar cambios en la calidad del producto. Los cambios que pueden ocurrir incluyen la
contracción, cristalización y transiciones vítreas. En algunos casos pueden suceder reacciones
químicas o bioquímicas que pueden conducir a cambios de color, textura, olor, u otras
propiedades del producto sólido.
Es importante tomar en cuenta las siguientes consideraciones para realizar una operación de
secado:
1. Condiciones externas (medio de secado y superficie del material)
Las variables externas esenciales que afectan las condiciones en las que se lleva a cabo el
proceso de secado son: la temperatura, humedad, velocidad, dirección del flujo de aire, forma
física del sólido, conveniencia de agitación durante el secado y la forma en que el sólido es
soportado. Estas variables son importantes, especialmente durante las etapas iniciales de
secado, cuando la humedad no ligada se elimina de la superficie. En ciertos casos, por ejemplo,
en materiales como la cerámica y la madera en la que el encogimiento considerable ocurre, la
tasa de evaporación en la superficie no debe exceder la tasa con que el agua es trasladada desde
el interior de la pieza a la superficie, ya que crea un gradiente de concentración muy grande de
humedad en la pieza en donde las partículas de la superficie quedan fijas en una posición. A
medida que el secado continúa, las regiones internas de la pieza siguen encogiéndose,
desarrollando tensiones con la superficie, esta tensión puede llevar a agrietamientos o
deformaciones en la pieza. En estos casos debe llevarse un control sobre la superficie de secado
a través del empleo de aire con humedades relativas altas, ya que aire húmedo retarda la
evaporación de la superficie, permitiendo que el agua al interior de la pieza absorba energía en
forma de calor reduciendo la viscosidad, disminuyendo el gradiente de humedad entre la
superficie y el interior de la pieza manteniendo al mismo tiempo una velocidad alta y confiable
de remoción de humedad por transferencia de calor.
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La evaporación en la superficie de la materia sólida está controlada por la difusión del vapor
desde la superficie del sólido a la atmósfera circundante a través de una delgada película de
aire en contacto con la superficie.
2. Condiciones internas (material)
Como resultado de la transferencia de calor a un sólido húmedo, un gradiente de temperatura
se desarrolla dentro del sólido mientras se produce la evaporación de humedad desde la
superficie. Esto produce la migración de humedad desde el interior del sólido, la cual ocurre a
través de uno o más mecanismos, llámese, difusión, flujo capilar, presiones internas, los cuales
son creados por la contracción durante el secado, y en el caso de secadores indirectos
(conducción), a través de una vaporización reiterada y progresiva que ocurre recondensando la
humedad a la superficie expuesta. Una apreciación de este movimiento interno de la humedad
es importante después que el proceso de secado alcance el contenido de humedad crítica, ya
que es este factor el que entonces controlará la velocidad de secado. Variables tales como la
velocidad del aire y temperatura que normalmente aumentan la velocidad de evaporación en la
superficie, son de importancia decreciente, excepto para promover tasas de transferencia de
calor. Tiempos de residencia prolongados, y hasta donde sea necesario, las altas temperaturas
se vuelven necesarias.
Determinación experimental de la velocidad de secado
Para establecer experimentalmente la velocidad de secado de un material, se procede a colocar
una muestra en una bandeja. Si se trata de material sólido se debe llenar por completo la base
de la bandeja, de modo que sólo quede expuesta a la corriente de aire de secado la superficie
de dicho sólido. La pérdida en peso de humedad durante el secado puede determinarse a
diferentes intervalos sin interrumpir la operación, colgando la bandeja de una balanza adaptada
a un gabinete a través del cual fluye el aire de secado. Al realizar experimentos de secado por
lotes, deben tomarse ciertas precauciones para obtener datos útiles en condiciones que se
asemejen lo más posible a las que imperaran en operaciones a gran escala. La muestra no debe
ser demasiado pequeña y se debe introducir en una bandeja similar a la que se usará en
producción (similar en forma, tamaño y tipo de material). La relación entre superficie de secado
y superficie de no secado (superficie aislada) así como la profundidad del lecho del sólido deben
ser idénticas. La velocidad, la humedad, la temperatura y la dirección del aire deben ser las
mismas y constantes para simular un secado en condiciones constantes.
Equipo y reactivo
20 crisoles
Balanza analítica
Pinzas para crisol
Horno
Bandeja
6 guineos
9
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Procedimiento
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Enumerar los crisoles de 1 a 10.
Lavar cristalería.
Pesar los crisoles y anotar cada peso en la tabla 1
Cortar de manera vertical rodajas de guineo de la misma dimensión.
Agregar en cada crisol una rodaja de guineo.
Vuelva a pesar los crisoles y anote los datos.
Introducirlos al horno a una temperatura de 105°C.
En intervalos de 10 min, sacar un crisol, en orden correlativo. Inmediatamente pase a
pesarlo (recuerde que los crisoles están a alta temperatura y pueden provocar
quemaduras leves). Esto se hará durante 100 min, hasta que retire los 10 crisoles.
Escriba los valores obtenidos en la Tabla 1.
Tabla 1. Toma de datos
No.
Masa inicial
crisoles
grupo A (g)
Masa inicial
crisol +
guineo
grupo A (g)
Masa final
crisol +
guineo
grupo A (g)
Masa inicial
crisoles
grupo B (g)
Masa
inicial
crisol
+ guineo
grupo B
(g)
Masa final
crisol +
guineo
grupo B (g)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Cálculos
1. Calcule el promedio tanto de masa final, como de masa inicial de cada pareja de
muestra.
2. Calcule el contenido total de humedad evaporada en base seca y húmeda con la
ecuación:
𝑊=
𝑀𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑐𝑟𝑖𝑠𝑜𝑙+guineo − 𝑀𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑐𝑟𝑖𝑠𝑜𝑙+guineo
𝑀𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑐𝑟𝑖𝑠𝑜𝑙+guineo
Donde:
M es la masa del sólido, ya sea final o inicial.
W es el porcentaje de agua eliminada del sólido.
10
𝑥100
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3. Elabore una gráfica en la que se muestre el porcentaje de contenido de agua contra el
tiempo.
4. Construya el gráfico de contenido de humedad libre vrs el tiempo. Para este gráfico
determine cuales segmentos corresponde al periodo de aclimatización del material,
pérdida de la humedad a velocidad constante y la pérdida de humedad a velocidad
decreciente.
5. A partir del gráfico del numeral anterior, construya la gráfica de la velocidad de secado
vrs contenido de humedad libre (Calcule un número suficiente de puntos). Determine el
valor de la cantidad crítica de humedad libre (Xc).
6. Según la forma de la curva de secado a velocidad decreciente, ¿Qué tipo de mecanismo
es más influyente en el movimiento de la humedad a través del sólido?
Trabajo adicional
1. ¿Cómo se clasifican los materiales según su patrón de secado? ¿Qué caracteriza el
comportamiento de secado de dichos materiales?
2. ¿Cómo se clasifican los materiales según su comportamiento frente a entornos de
humedad? ¿Qué cualidades les caracteriza?, mencione algunos ejemplos para cada
categoría.
3. ¿Qué consideraciones deben tomarse para la realización del muestreo de un material
en la elaboración de la curva de secado?
4. El secado requiere de la presencia de humedad para viajar a la superficie del material.
Existen mecanismos por los cuales esto puede ocurrir, ¿Cuáles son?
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Práctica No.3
TAMIZADO
Objetivos
✓ Realizar el análisis granulométrico de una muestra para determinar la influencia de
algunas variables típicas sobre los parámetros más importantes en los procesos de
molienda y tamizado.
✓ Determinar la distribución de tamaños de las partículas de un material y determinar los
porcentajes retenidos de este que pasan por los distintos tamices.
Introducción Teórica
Los métodos de tamizado probablemente son los métodos de análisis más utilizados y
explotados debido a que el equipo, procedimiento analítico y conceptos básicos, son
engañosamente simples. En el tamizado, las partículas se retienen en aberturas de menor
tamaño las cuales constituyen una serie de medidores que permiten y no permiten el paso de
partículas dependiendo del tamaño de estas últimas.
El tamaño de partícula es especificado por la medida reportada en malla de la materia que pasa
o bien por la que queda retenida, así se puede tener el perfil de distribución de los gránulos en
el tamizador de manera gráfica.
Los tamices están constituidos por tela metálica, tela de seda o plástico, barras metálicas, placas
metálicas, placas metálicas perforadas, o alambres de sección transversal triangular. Se utilizan
diferentes metales, siendo el acero al carbono y el acero inoxidable los más frecuentes. El
tamaño de los tamices normalizados está comprendido entre 4 pulg y 400 mallas, también se
dispone de tamices comerciales de tela metálica con aberturas tan pequeñas como 1μm. La
separación en el intervalo de tamaños entre 4 y 48 mallas recibe el nombre de “tamizado fino”
y para tamaños inferiores a 48 mallas el tamizado se considera “ultrafino”.
Los tamices se refieren a menudo a su tamaño de malla, que es número de hilos por unidad
lineal. Los tamices electroformados con aberturas cuadradas o redondas con tolerancias de ± 2
micras se encuentran disponibles comercialmente.
Existen una gran variedad de tamices para distintas finalidades. En la mayoría de los tamices las
partículas pasan a través de las aberturas por gravedad, pero en algunos casos las partículas son
forzadas a través del tamiz por medio de un cepillo o mediante fuerza centrífuga. Existen
partículas que pasan fácilmente a través de aberturas grandes en una superficie estacionaria,
pero otras precisan de alguna forma de agitación, tal como sacudidas, giro o vibración mecánica
o eléctrica. Algunos tipos de tamices más representativos son: Tamices y parrillas estacionarias,
tamices giratorios, tamices vibratorios, tamiz centrífugo, etc.
Actualmente se cuenta con una escala de tamices estándar conocida como Tyler, dicha escala
está basada en una abertura de 0.0029 pulg (0.074 mm) que es la abertura del tamiz patrón de
200 mallas y 0.0021 pulg (0.0053 cm) de diámetro del hilo, tal como ha sido adoptado por la
National Bureau of Standards.
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Para realizar un análisis de tamizado se coloca un conjunto de tamices normalizados acoplados
verticalmente, con el tamiz más pequeño en el fondo y el más grande en la parte superior, las
partículas retenidas sobre cada tamiz se retiran y se pesan, así las masas de los incrementos
individuales sobre cada tamiz se convierten en fracciones másicas. Puesto que las partículas que
son retenidas por un tamiz han pasado a través del tamiz situado inmediatamente encima de él,
se necesitan dos números para especificar el intervalo de tamaños de un incremento: uno para
el tamiz a través del cual pasa la fracción y otro para el tamiz sobre el que es retenida. Así, la
notación 14/20 quiere decir “a través de 14 mallas y sobre 20 mallas”, la notación también
podría escribirse como -14 +20.
En un análisis de tamizado se pueden calcular una variedad de variables:
Superficie especifica
•
Esfericidad(Φ) la cual es independiente del tamaño de la partícula y si esta es esférica
Φ=1, para partículas no esféricas esta se define como
𝛷=
6𝑉𝑝
𝐷𝑝𝑆𝑝
(𝐸𝑐. 1)
Donde
Dp = diámetro equivalente o diámetro nominal de una partícula
Sp = área superficial de una partícula Sp = πDp2
Vp = volumen de una partícula Vp = 1/6πDp3
Tamaño medio de las partículas
•
Diámetro equivalente o promedio (Dp)
𝐷𝑝 =
•
𝐷1 + 𝐷2 + ⋯ 𝐷𝑛−1 + 𝐷𝑛
𝑛
(𝐸𝑐. 2)
Diámetro medio volumen-superficie (DS)
𝐷𝑠 =
1
𝑋
∑( 𝑖 )
𝐷𝑝𝑖
(𝐸𝑐. 3)
Donde Xi es fracción de masa
•
Diámetro medio aritmético (DN)
𝐷𝑛 =
∑(𝑁𝑖𝐷𝑝𝑖) ∑(𝑁𝑖𝐷𝑝𝑖)
=
∑(𝑁𝑖 )
𝑁𝑇
(𝐸𝑐. 4)
Donde NT es el número de partículas en toda la muestra.
•
Diámetro medio de masa (DW)
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𝐷𝑤 = ∑(𝑋𝑖𝐷𝑝𝑖)
•
(𝐸𝑐. 5)
Número de Partículas (Nw)
Si N = m/ρpDp y como Vp = aDp3 entonces
𝑁𝑤 =
1
=
𝜌 𝑝𝑣𝑝
1 =
𝜌 𝑎𝐷3
𝑝
𝑝
1
𝜌𝑝 𝑎 ∑ (
(𝐸𝑐. 6)
𝑋
𝑖
𝐷𝑝𝑖3
)
Donde
Ñp es la densidad de las partículas
Vp es el volumen de partícula
A es un factor de forma de la partícula
Equipo y Reactivo
Azúcar.
Tamices # 18,20,25,30,35,40, 45, 50, 55, 60
Mallas 3/8, 5/8, 3/4, 7/8, 1, 1 ½ pulgadas.
Charola
Balanza semianalítica
1 agitador mecánico.
1 fondo de tamices
Tapadera de tamices
Procedimiento.
1. Pesar 200g de azúcar refino.
2. Seleccionar un conjunto de seis tamices normalizados. Pesar cada uno de los tamices y
anotar sus pesos.
3. Colocar el conjunto de seis tamices normalizados acoplados verticalmente del tamiz de
malla más pequeña en el fondo hasta el de abertura más grande en la parte superior
también poner el fondo en el último tamiz.
4. En el tamiz de arriba colocar la muestra de azúcar a tamizar y tapar la serie de tamices.
5. Colocar el conjunto de tamices en el agitador mecánico, el agitador mecánico tiene una
perrilla donde se controla el tiempo, ahí seleccionar diez minutos.
6. Una vez pasados los diez minutos se procede a pesar lo que ha quedado retenido en
cada malla en la balanza semianalítica.
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Operaciones De Manejo De Sólidos.
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Cálculos
Con los resultados de los tamizados realizar un análisis por tamizado parala azúcar. Compare
resultados y concluya. ¿Qué tamaño de partícula se obtiene en mayor fracción de masa, en
ambos casos?
Hacer un análisis diferencial y acumulativo en los 2 casos. Para lo que se sugiere hacer una
gráfica de fracción másica vrs tamaño de partícula para el análisis diferencial y una de fracción
másica acumulada vrs diámetro de la partícula para el análisis acumulativo.
Trabajo adicional
1. Mencione las principales dificultades que se presentan en un proceso de tamizado.
2. Enumere y detalle los factores que afectan el tamaño del producto.
3. ¿Cómo se especifican las mallas de un tamiz?
4. Explique que es segregación, ¿es un problema o beneficio?
5. Señale diferencias, ventajas y desventajas entre el tipo diferencial y acumulativo de
análisis de tamaño de partículas.
6. Explique la diferencia entre un molino y una trituradora.
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Práctica No.4
FILTRACIÓN
Objetivos
✓ Comprender el funcionamiento de un filtro granular en el tiempo.
✓ Tener conocimiento sobre las variables que controlan la filtración
✓ Aplicar los principios de filtración a la purificación del agua.
✓ Aprender a utilizar un microfiltro y comprender su funcionamiento.
Introducción Teórica
La filtración es la separación de una mezcla líquido-sólido que implica el paso de la mayor parte
del fluido a través de una barrera porosa que retiene la mayor parte de las partículas sólidas
contenidas en la mezcla.
Filtración es el término asignado a una operación unitaria. Un filtro es una pieza de un equipo
de operaciones unitarias mediante el cual se realiza la filtración. El medio filtrante o tabique es
la barrera que deja pasar el líquido mientras detiene la mayor parte de los sólidos, puede ser
una película, tela, papel o un lecho sólido. El líquido que pasa a través del medio filtrante es
llamado filtrado. La forma de llevarse a cabo la filtración como los filtros pueden ser clasificados
de distintas formas:
Por fuerza impulsora: El filtrado se induce a fluir a través del medio filtrante por medio de
presión hidrostática (gravedad), la presión aplicada en la parte superior del medio filtrante, vacío
o presión reducida aplicada en la parte inferior del medio filtrante, o la fuerza centrífuga a través
del medio filtrante. La filtración centrífuga está estrechamente relacionada a la sedimentación
centrífuga, ambos corresponden también al proceso de centrifugación.
Mediante mecanismo de filtración: Aunque el mecanismo para la separación y acumulación de
sólidos no se entiende claramente, los dos modelos (separación y acumulación) son
considerados en general y son base para la aplicación de la teoría para el proceso de filtración.
Cuando los sólidos son detenidos en la superficie de un medio filtrante y un pilote sobre otro
forman una torta de espesor creciente, la separación se denomina filtración de torta. Cuando
los sólidos están atrapados dentro de los poros o el cuerpo del medio filtrante, el fenómeno es
denominado como profundidad, medio de filtración o clarificado de la filtración.
Por objetivo: El objetivo del proceso de filtración puede ser la obtención de sólidos secos (la
torta es el producto de valor), líquido clarificado (el filtrado es el producto de valor), o ambos.
La buena recuperación de sólidos se obtiene por filtración de torta, mientras que la clarificación
del líquido se realiza ya sea por profundidad o filtración de torta.
Por ciclo de funcionamiento/operación: La filtración puede ser intermitente (batch) o continua.
Los filtros por lotes pueden ser operados con fuerzas conductoras de presión constante, a una
velocidad constante, o en ciclos que son variables con respecto a ambos. El ciclo por lotes puede
variar grandemente, dependiendo del área de filtrado o la carga de sólidos.
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Por la naturaleza de los sólidos: La filtración de torta puede implicar una acumulación de sólidos
que son compresibles o sustancialmente incompresibles, correspondiendo aproximadamente a
la filtración por medio filtrante a partículas que son deformables y a aquellas que son rígidas. El
tamaño de partícula o agregado de partículas puede ser del mismo orden de magnitud que el
tamaño mínimo de los poros de la mayoría de medios filtrantes (de 1 a 10 micras y mayores), o
puede ser más pequeño (1 micra hacia abajo a la dimensión de bacterias e incluso de moléculas
grandes). La mayoría de las filtraciones implican sólidos de la gama de tamaño anterior; los
sólidos del último rango de tamaño mencionado pueden ser filtrados, en todo caso, sólo por
filtración en filtros de tipo medio o por ultrafiltración a menos que se conviertan a la gama
anterior de agregación antes de la filtración.
Los métodos de clasificación mencionados no son mutuamente excluyentes. Así, los filtros
generalmente se dividen primero en dos grupos, de filtración por torta y equipos de clarificación,
luego, en grupos de máquinas que ocupan el mismo tipo de fuerza impulsora, más adelante en
tipos continuos y por lotes. Lo anterior es el esquema de clasificación que subyace a la discusión
de los filtros.
Si bien la investigación ha desarrollado una teoría de filtración significativa y detallada, sigue
siendo difícil de definir un determinado sistema líquido-sólido adecuado para determinar los
requerimientos de un filtro llevando a cabo experimentos a pequeña escala. La teoría de
filtración, sin embargo, muestra cómo los datos de prueba pueden ser mejores correlacionando
y extrapolando cuando sea necesario para usarse en cálculos de escala mayor. En la filtración de
torta o superficie, existen dos áreas primarias de consideración: la filtración continua, en la cual
la resistencia de la torta filtrante (sólidos del proceso depositados) es muy grande respecto al
medio filtrante y el drenaje filtrado, y filtrado a presión del lote, en el que la resistencia de la
torta de filtrante no es muy grande con respecto al medio filtrante y el drenaje filtrado. Los
filtros por lotes a presión son generalmente equipados con paños pesados y apretados más una
capa preliminar representando una resistencia significativa que debe ser tomada en cuenta. Los
filtros continuos, excepto por las pre-capas, usan relativamente paños abiertos que ofrecen
poca resistencia comparada con los filtros de torta. La teoría de filtración simplificada para
procesos de filtración por lotes y continuos se basa en la ecuación de Hagen-Poiseuille:
1 𝑑𝑉
𝑃
∙
=
𝐴 𝑑𝛩
𝛼𝜔𝑉
𝜇 ( 𝐴 + 𝑟)
Donde
V es el volumen del filtrado colectado
Θ es el tiempo de filtrado
A es el área del filtro
P es la presión total a través del sistema
ω es el peso de los sólidos de la torta/unidad de volumen filtrado
μ es la viscosidad del filtrado
α es la resistencia específica de la torta
r es la resistencia del paño del filtro más el sistema de drenaje.
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Operaciones De Manejo De Sólidos.
Universidad Centroamericana “José Simeón Cañas”.
Equipo y reactivo
Tierra de diatomea
1 turbidímetro
1 cronómetro
1 embudo
Cascajo
Algodón
12 tubos de ensayo
1 torre de vidrio 10x10x75
1 recipiente metálico
Tierra.
Carbón activado
Arcilla
Arena Gruesa
Arena Fina
Procedimiento
Filtro Granular
1. Anotar la masa de cada uno de los materiales utilizados para construir el microfiltro
2. Para este experimento se utilizará el filtro granular mostrado en la Figura No.1.
Construya una curva de calibración de concentración contra turbidez para las siguientes
soluciones: 0%, 1%, 2%, 3% y 4%p/v (Son soluciones de hidróxido de calcio). Para esto
debe utilizar el turbidímetro, depositando las muestras en los frascos con el debido
cuidado de no tocar con las manos su superficie pues la grasa o suciedad puede afectar
la medición. Tenga el cuidado de agitar las muestras antes de medirlas pues estas
tienden a sedimentar haciendo no uniforme la concentración. Puede que el
turbidímetro no arroje una lectura de turbidez, por lo que en este caso se tendrá que
diluir la muestra hasta que el aparato pueda leerla, luego se tendrá que multiplicar el
valor por el factor de dilución.
3. Prepare una solución problema de arcilla, tierra y arena (2 L inicialmente), cuando se
agote esta solución debe preparar más.
4. Anotar la cantidad de arcilla, tierra y arena utilizada.
5. Agregue la solución problema en la parte superior del filtro, con precaución de que no
se rebalse el filtro, si se llena el filtro deje de agregar la solución hasta que baje el nivel.
6. Al salir la primera gota de solución filtrada tome el tiempo, y comience a tomar muestras
cada diez minutos durante un lapso de 100 minutos.
7. Cuando baje el nivel agregar más solución a manera que nunca se quede sin solución.
8. Para cada muestra, mida la turbidez.
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Operaciones De Manejo De Sólidos.
Universidad Centroamericana “José Simeón Cañas”.
Figura No.1 Filtro Granular.
Cálculos
Filtro Granular
1. Tabule los datos de turbidez y tiempo
2. Construya la gráfica de turbidez vrs tiempo.
3. Contrastando la teoría de filtración, explique el fenómeno observado en la
gráfica de turbidez vrs tiempo.
Trabajo adicional
1. ¿Qué factores afectan el proceso de filtración?
2. ¿Cuál es el efecto de cada uno de los componentes con el que se elaboró el filtro?
3. Investigue, enumere y describa 3 procesos conocidos o representativos en los que se
aplica filtración.
4. Describa y explique el funcionamiento de algunos equipos de filtración a nivel industrial.
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