UNIVERSIDAD VERACRUZANA Facultad de Ciencias Químicas Poza Rica - Tuxpan “REDISEÑO DEL FILTRO PRENSA EN LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS DE LA FACULTAD DE CIENCIAS QUIMICAS DE LA UNIVERSIDAD VERACRUZANA, REGION POZA RICA-TUXPAN”

TRABAJO PRÁCTICO TECNICO PARA APROBAR EL EXAMEN DEMOSTRATIVO DE LA EXPERIENCIA RECEPCIONAL EN EL PROGRAMA DE INGENIERIA AMBIENTAL

PRESENTA: JAIME ERICK REYES PRIOR

DIRECTOR: DR. OSVALDO GONZALEZ PAREDES

ASESOR: ING. JOSE LUIS GALVAN LOPEZ

Poza Rica Ver.

Noviembre 2012

DEDICATORIA

A mi Abuelo que aunque prometiste estar conmigo para verme titulado te dedico esto por que tu fuiste la persona que a pesar de todas las cosas creyó en mi y me apoyo en todos los aspectos, en los momentos mas difíciles aunque no te lo pidiera siempre tuviste algo que decirme para darme ánimos y seguir adelante te agradezco que me hayas querido como lo hiciste y a dios por haber cruzado nuestras vidas por que fuiste un orgullo y una inspiración en mi vida y espero lo sigas siendo en adelante. Recuerdo cada momento, cada consejo y cada palabra pero las que mas recuerdo y han marcado mi vida “cuando te propongas algo no importa como ni lo que te cueste lo importante es cumplir con el objetivo que te propongas” y por eso estoy aquí por esa promesa que te hice Gracias por ser esa persona que creyó y me dedico esos pequeños momentos que fueron grandes enseñanzas y aunque te hayas adelantado se que me estas cuidando como me lo prometiste gracias

A Brenda por que estuviste ahí a pesar de todo, GRACIAS por ser la persona que esta a mi lado, por quererme y procurarse, por esos detalle de los que a veces no me doy cuenta y de los que si me doy pero no se como agradecerte Gracias por todo ese tiempo dedicado hacia mi, y que a pesar de tus actividades siempre tienes tiempo para hacer algo por mi, por ser esa persona especial, mi novia, mi confidente lo mejor que me ha pasado en la vida por todo lo que has hecho, esos ánimos para seguir adelante por esas palabras de aliento y esos regaños y realmente no se como agradecerte todo pero de lo que si estoy seguro es que por ti estoy aquí Gracias por ser la persona que más amo y por seguir a mi lado.

A mis Padres que me apoyaron en las buenas y en las malas les agradezco su tiempo su comprensión y su paciencia por que a veces me desespero pero saben escucharme y aconsejarme en los momentos difíciles gracias por estar conmigo. Mi Mama que siempre me escucha y se preocupa por mi y se que nunca lo dejara de hacer por que me quiere como yo la quiero a ella Mi Papa que a pesar de nuestra relación distante se que cuento con el y se preocupa igual de lo que yo me preocupo por el y se que junto a el somos una base muy fuerte en la familia Los quiero y se que siempre contare con ustedes como siempre contaran conmigo Mi Hermano que sea como sea nuestra relación nos queremos y nos apoyamos te dedico esto para decirte gracias por estar conmigo y aguantar mis cambios de humor te quiero hermano y espero también poder estar contigo y apoyarte

por

que

eres

una

parte

importante

en

mi

vida

CONTENIDO Pagina INDICE DE TABLAS

III

INDICE DE FIGURAS

IV

INTRODUCCION

V

JUSTIFICACION

VII

OBJETIVOS

VIII

CAPITULO I. GENERALIDADES

1

1.1. Medios filtrantes

1

1.1.1.Factores que se deben de tomar en cuenta

1

para la selección de un medio filtrante 1.2. Coadyuvantes de filtración

2

1.2.1 Características de un coadyuvante

2

1.3 Factores que afectan la filtración

2

CAPITULO II. TEORIA BASICA DEL FILTRO RENSA

5

2.1. Teoría fundada en la permeabilidad de la torta

5

2.1.1. Formación de la torta

5

2.1.2. Tortas incomprensibles

8

2.2. Teoría fundada en la resistencia de la torta

9

2.3. Resistencia del medio filtrante y tubería del filtro

10

2.4. Tortas comprensibles

14

2.5. Lavados de la torta

14

I

Pagina CAPITULO III. REDISEÑO E INSTALACION DEL FILTRO PRENSA

16

3.1. Descripción del filtro prensa de placas y marcos a utilizar

16

3.2. Ubicación del equipo

20

3.3. Justificación del rediseño de las plataformas para los tanques

20

3.4. Montaje del equipo

21

3.5. Descripción de accesorios

22

CAPITULO IV. OPERACIÓN DEL EQUIPO

25

4.1. Consideración para la operación del filtro prensa

25

4.2. Procedimiento para la operación

25

CAPITULO V. PRUEBAS DE LABORATORIO

28

5.1. Objetivo

28

5.2. Pruebas de filtración

28

5.3. Balance de materia, (suspensión de cal en agua al 5%)

36

5.4. Balance de materia, (suspensión de cal en agua al 1%)

37

CONCLUSIONES

38

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

39

ANEXOS

40

II

INDICE DE TABLAS Tabla

Página

5.1. Datos registrados en pruebas de filtración

29

5.2. Filtración con suspensión de cal en agua al 5%

30

5.3. Filtración con suspensión de cal en agua al 1%

32

III

INDICE DE FIGURAS Tabla

Página

2.1. Descripción de la filtración

13

3.1. Par de placa y marco de diseño simple

17

3.2. Componentes del filtro prensa de placas y marcos

18

3.3. Diagrama esquemático de la operación del filtro prensa

19

3.4. Localización del equipo

23

3.5. Diseño original del filtro prensa

23

3.6. Rediseño del filtro prensa

24

4.1. Diagrama de flujo de la operación del filtro prensa de placas y marcos

27

5.1. Grafica de la filtración suspensión de cal en agua al 5%

34

5.2. Grafica de la filtración suspensión de cal en agua al 1%

35

IV

INTRODUCCION Debido a la necesidad de utilizar directamente un sistema de filtración en los equipos de operaciones unitarias del laboratorio de la Facultad de Ciencias Químicas de la Región Poza Rica-Tuxpan, fue necesario rediseñar el equipo marca Omega de filtración. En el presente trabajo se definen las características de operación, los servicios a nivel laboratorio, experimental y la aplicación de la teoría para interpretar la información experimental que se puede obtener del equipo de filtración para el laboratorio de equipo pesado de la facultad de ciencias químicas de la universidad zona Poza Rica- Tuxpan. La gran variedad de equipos que se utilizan en el proceso de separación de sólidos contenidos en una suspensión solido-liquido, se clasifican en tres categorías 1.- Separación por asentamiento 2.- Separación por filtración 3.- Separación por compresión De estas categorías la separación por filtración, se subdivide

a su vez en los

siguientes tipos de equipo: Filtración por gravedad Filtración por vacío Filtración por fuerza de centrifuga Filtración por presión Siendo el equipo de filtración por presión, el que se encuentra en el laboratorio de Operaciones Físicas Unitarias. A nivel industria la filtración por presión es similar a la que se realiza a escala en el laboratorio, ya que con esta se aplican lo mismo principios básicos de la dinámica de

V

fluidos, para obtener la información qué resuelva los problemas de operación a escala industrial. Entre otros los filtros de este tipo de uso más común, se tiene el filtro prensa de placa y marcos, que es uno de los más económicos por unidad de superficie filtrante, requiere de un mínimo de espacio para su instalación, así como poco mantenimiento, y opera a diferentes condiciones en frio, en caliente y a altas presiones. Sus principales aplicaciones son, la separación de sólidos, en suspensiones sólido y la clarificación de líquidos según sea el valor del producto. El presente trabajo es desarrollado de la siguiente manera: introducción, primer capítulo; Generalidades de la filtración y medios filtrantes, segundo capítulo; teoría básica del filtro prensa haciendo mención al tipo de tortas resultantes del proceso, el tercer capítulo trata del rediseño del filtro prensa así como su montaje e instalación dentro del laboratorio, cuarto capítulo; hace mención a la correcta operación del equipo, el quinto capítulo; hace referencia a las pruebas y resultados de la filtración realizada y finalmente se presentan las conclusiones.

VI

JUSTIFICACION

El laboratorio de operaciones unitarias cuenta con un filtro prensa marca: OMEGA que fue instalado de manera separada ocupando un gran espacio pero sin conectarse a los equipos, los cuales a veces requieren de los servicios de filtrado y este se tiene que conectar al filtro que se encontraba en forma anclada. También en algunos casos existe la necesidad de trabajar en forma aislada o en trabajos de tesis o de manera foránea. En el presente trabajo se hará referencia al rediseño del equipo de filtración por presión, Considerando que las dimensiones que utilizaba dentro del laboratorio de Operaciones Físicas Unitarias eran de 5 m2 reduciéndolo a un área de 1.5 m2 optimizando su manejo dentro y fuera de las instalaciones donde se localiza. Beneficiando así a las presentes y futuras generaciones de la Facultad de Ciencias Químicas campus Poza Rica – Tuxpan, por tal motivo se lleva a cabo la elaboración del presente trabajo.

VII

OBJETIVO

Llevar a cabo el rediseño del filtro prensa dentro del Laboratorio de Operaciones Físicas Unitarias

OBJETIVO ESPECIFICO

Se modifico el filtro prensa para mejorar su movilidad y reducir el espacio que ocupaba y poder realizar prácticas dentro y fuera del laboratorio .

VIII

CAPITULO I GENERALIDADES 1.1 Medios de filtrantes. El medio filtrante es la parte más importante de un filtrante es la parte más importante de filtro, es el material que retiene las partículas sólidas suspendidas en el líquido dejando pasar a este. La especificación de un medio filtrante se basa en la retención de un tamaño mínimo de partícula, de la eficiencia de separación, así como un término aceptable de vida del medio filtrante dentro del medio ambiental del filtro 1.1.1 Factores que se deben de tomar en cuenta para la selección de un medio filtrante. Capacidad para detener los sólidos con rapidez. Mínimos atascamientos u obstrucciones. Ser física y químicamente resistente a las condiciones de operación. Permitir la descarga limpia y completa de la torta formada. Capacidad para conformarse mecánicamente al tipo de filtro con el cual se utilizara. En la filtración industrial el medio filtrante más comúnmente usado es la lona, sin embargo existen muchos tipos de materiales empleados como medios filtrantes para las distintas aplicaciones. Entre los medios filtrantes disponibles se tienen: Telas de fibras tejidas. Telas metálicas o cedazos. Fieltros prensados o borra de algodón. Tramas no tejido. Papel filtro.

1

Medios porosos rígidos. Membranas poliméricas. Lechos granulares de sólidos particulados.

1.2 Coadyuvantes de filtración Un coadyuvante de filtración es un material solido finamente dividido, formado por partículas duras y fuertes que cuando en masa son incompresibles 1.2.1 Características de un coadyuvante Debe de ser químicamente inerte. Capaz de formar un torta porosa. Debe de ser ligero. El coadyuvante más utilizado comercialmente es la tierra de diatomácea Tierra de diatomácea: Consiste en esqueletos silíceos de organismos marinos muy pequeños conocidos como diatomácea, las cuales consisten en la sílice prácticamente pura tienen una densidad en seco de 128 a 320 Kg/m3

1.3 Factores que afectan la filtración Presión: Cuando la torta se compone de partículas granulares, aumento en la presión deforma Las partículas y esto por lo tanto aumenta la velocidad del flujo. Al utilizar una presión alta inicialmente, las primeras partículas se apelmazan dando lugar a una velocidad constante de filtración baja durante el resto del ciclo, además

2

en una suspensión de homogénea una presión inicial elevada coloca a las partículas coloides de la suspensión al interior de los intersticios. Viscosidad: La velocidad de filtración es inversamente proporcional a la viscosidad del filtrado. La viscosidad de algunos filtrados disminuye mediante la dilución del material pre filtrado con disolventes de baja viscosidad Temperatura: La temperatura es inversamente proporcional a la viscosidad de la mayor parte de los líquidos, por lo tanto las temperatura más elevadas permiten velocidades más elevadas de filtración Concentración de sólidos en la suspensión: Los cambios de concentración pueden afectar en el espesor de la torta y en el atascamiento del medio filtrante requerido para la filtración Tamaño de partícula: El tamaño menor de partícula da como resultado velocidades más bajas de filtración por lo consiguiente producen un contenido de humedad alta. El pre tratamiento de la suspensión facilita la filtración al incrementar el tamaño de la partícula por medios físicos Espesor de la torta: Despreciando la resistencia de los medios filtrantes se ha demostrado que la velocidad promedio y tan apretados como sea necesario para evitar la purga excesiva de las partículas finas

3

Efecto del medio filtrante: Se debe de considerar

un tejido tan abierto como sea posible reducir

los

atascamientos y tan como sea necesario para evitar la purga excesiva de las partículas finas

4

CAPITULO II TEORIA BASICA DEL FILTRO PRENSA

2.1 Teoría fundada en la permeabilidad de la torta

2.1.1 Formación de la torta

Durante la formación de la torta predomina el régimen laminar, y la velocidad lineal del fluido en cualquier instante (v), se representa por la siguiente ecuación (1):

Siendo: V= Volumen de filtrado A= Área del medio filtrante t= Tiempo L= Espesor de la torta µ= Diferencia de prensión a través de la torta ΔPc= Diferencia de presión a través de la torta K= Permeabilidad (propiedad de la torta)

La ecuación (1), es una expresión modificada de la ecuación Henri Darey, y nos describe el flujo del líquido a través del medio poroso, por lo cual se establece la expresión que relaciona a capacidad de filtración dada en cantidades de líquido filtrado (V), o en espesor de la torta (L), con el tiempo de filtración (t); para esta relación se establece un balance de materia entre los sólidos contenidos en a suspensión original y los contenidos de la torta

5

Cantidad de sólidos en la torta = cantidad de sólidos en la suspensión a filtrar.

Siendo:

= porosidad de la torta = = volumen de liquido retenido por la torta = cantidad de sólidos en la suspensión a tratar = densidad del liquido filtrado = densidad de los sólidos que forman la torta

A partir de la ecuación (2), se expresa la dependencia existente entre el volumen del líquido filtrado (v), y el espesor de la torta (L), lo cual se expresa en las siguientes ecuaciones (3) y (4):

6

La ecuación (4), se puede sustituir en la ecuación (1), para proporcionar una relación más conveniente entre (V) y (t).

La ecuación (5), nos representa la velocidad instantánea de filtración dada en relación a las propiedades de la suspensión, de la propiedades de la torta y de la cantidad de filtrado; por lo tanto las únicas variables sujetas al operador son (-ΔPc), el volumen de fitrado (V) y el tiempo, sin embargo la porosidad de la torta (x), y la permeabilidad están expuestas a variaciones. Combinando varios de los términos relacionados con el volumen en la ecuación (5,) se puede definir la constante Cv, (ec. 6) y se expresa de la siguiente manera:

La anterior expresión nos permite por lo tanto que la ecuación (5), se pueda expresar como sigue (7):

7

2.1.2 Tortas incompresibles Cuando la porosidad de la torta permanece relativamente constante durante la filtración, está a su vez con diferencia constante de presión, el valor de

, se

considera constante, por lo tanto la ecuación (5), para el tiempo de filtración es (8):

También se tiene que estableciendo relaciones de los términos en que interviene el espesor de la torta se define la constante C L, de la siguiente manera (9):

(9)

En la expresión anterior se toma en cuenta que Δ

y X son constantes, para lo cual

se tiene que el tiempo de filtración esta dado por lo siguiente ecuación (10):

Teóricamente las constantes

, se puede calcular a partir de las propiedades de

la suspensión y de la torta, sin embargo la permeabilidad y la porosidad son variables desconocidas

8

2.2 Teoría fundada en la resistencia de la torta Otro aspecto de la teoría de la filtración se basa en el concepto de que la velocidad de filtración esta en razón directa de la fuerza impulsora y en razón inversa a la resistencia. En relación a lo interior se tiene mediante un balance de material, la relación siguiente (11):

Siendo:

= proporción de la torta seca a liquido filtrado. De la ecuación (11), despejando L, y sustituyendo en la ecuación (1), tenemos (ec. 12):

La expresión

(1 – X), representa la capacidad de conducción (conductancia

especifica) de la torta, la cual por lo general es constante durante la filtración. La resistencia de la torta depende del espesor y de la naturaleza de la torta, y se expresa teniendo en cuenta que aumenta intensivamente con el transcurso de la filtración por ir aumentado el espesor.

9

El espesor de la torta, es una variable que en la práctica no puede determinarse con exactitud, sin embargo es proporcional al volumen del filtrado, por lo tanto puede expresarse en función de este. Las propiedades que dependen de las características de la torta se incluyen en un factor denominando resistencia específica de la torta. La resistencia específica de torta representa la resistencia ofrecida por unidad de masa de la torta seca depositada sobre la unidad de área de sección normal de flujo a través de la torta y se representa por la siguiente ecuación (13):

2.3 Resistencia del medio filtrante y tubería del filtró En las ecuaciones expresadas anteriormente(

), es la diferencia entre las

presiones de la suspensión de alimentación( aguas arriba de la torta ), y de filtrado (aguas debajo de la torta ), pero con el filtro en funcionamiento no es posible determinar con facilidad dichas presiones; sin embargo la presión de la suspensión en el depósito o en una tubería de conducción considerablemente alejada de la torta y también la del liquido filtrado después de pasar y abandonar el medio filtrante y lejos de la torta, son datos que se pueden determinar fácilmente. Para utilizar la diferencia total de presiones es necesario incluir la resistencia del medio filtrante y de las tuberías o conductos. La contribución a la resistencia total ejercida por el medio filtrante, las tuberías, las llaves, los codos, etc., se expresa como un espesor equivalente de torta ( Lc ),o por un volumen equivalente de filtrado (Vc), es necesario para la formación de una torta espesor equivalente ( Lc ).

10

Para utilizar la fuerza impulsora total o diferencia total de presión (-Δp) se, plantea la siguiente ecuación (14) o (15); esto es para la resistencia del medio filtrante, tuberías, conexiones etc.

Ó

Sin embargo para la resistencia del medio filtrante, se puede describir la ecuación (16):

Esto es

cuando

se trata como una constante empírica, incluye tanto la

resistencia al flujo en las conexiones de tuberías hacia y desde filtro como la resistencia del medio filtrante. De acuerdo con las ecuaciones anteriores la velocidad de filtración se expresa de la siguiente manera (ec. 17):

11

Siendo:

Por lo cual se modifica la ecuación (18) anterior a esta expresión quedando:

Siendo: = volumen de filtrado necesario para formar una torta de filtración, cuya resistencia sea igual Rᵐ. El volumen de filtrado V también puede relacionarse con, el numero de Kg de sólidos acumulados en la torta seca, como se muestra en la siguiente ecuación (19)

Siendo: = fracción masa de sólidos en la suspensión = relación de masas de la torta húmeda a la torta seca = densidad del filtrado

Por lo tanto para la filtración a presión constante para - Δᴘ y que (ec. 20):

12

constantes, se tiene

Para evaluar la ecuación (21), es necesario conocer Rᵐ y

ᵅ, lo cual se puede realizar

usando la siguiente ecuación (22).

Al operar el filtro de placas y marcos, la suspensión es alimentada por una bomba centrifuga, las primeras etapas de la filtración se conduce a velocidad constante mejor que a presión constante, conforme la torta va adquiriendo mayor espesor y ofrece mayor resistencia al flujo del fluido, el factor que regula el proceso es la presión desarrollada para la bomba y la filtración se verifica entonces a presión constante. La filtración descrita anteriormente para el filtro prensa de placas y marcos se representa en la siguiente figura

Presión Constante

Velocidad Constante

Volumen Figura 2.1. Filtración para el filtro prensa de placas y marcos

13

En la fig. 2.1, la línea horizontal representa la velocidad constante con la capacidad volumétrica de la bomba hasta que corta a la línea inclinada que represente la presión constante a la que corresponde la presión máxima desarrollada por dicha bomba, la cual continua a presión constante 2.4 Tortas comprensibles La mayor parte de los precipitados forman tortas compresibles, en las que las altas fuerzas

de compresión deforman las partículas solidas, rompen los agregados

fluculentos y forzan a las partículas a estar más juntas; la porosidad y la resistencia especifica como función de la diferencia de presión para tortas compresibles se puede expresar:

Siendo: Resistencia especifica a presión de acero Factor de compresibilidad La ecuación (23), resulta conveniente puesto que sus constantes se determinan con facilidad a partir de una serie de pruebas de filtración a presión constante

2.5 Lavado de la torta Para realizar el lavado de la torta en el filtración de placas y marcos adquirido, se introduce el agua de lavado por el conducto de alimentación, por lo tanto la velocidad de lavado se expresa en función de la velocidad final de filtración, sin embargo cuando la torta llena casi los marcos, el agua de lavado es bloqueada de la misma manera en que sucede con la suspensión de alimentación. Para una filtración a presión constante usando la misma presión de lavado que de filtración, la velocidad final de filtrado es el reciproco de dt/ dV esto es (ec. 24):

14

Siendo Velocidad de lavado Volumen final del filtrado

Para el filtro prensa de placas y marcos la velocidad de lavado es ¼ de la velocidad final de filtración (ec. 25) es.

Después de completar el lavado, se requiere un tiempo adicional para extraer la torta, limpiar el filtro y volver a armarlo. El tiempo total del ciclo de filtrado es la suma del tiempo de filtración, el tiempo de lavado y el tiempo necesario para extracción de la torta y limpieza del filtro.

15

CAPITULO III REDISEÑO E INSTALACION DEL FILTRO PRENSA 3.1 Descripción del filtro prensa de placas y marcos a utilizar Este filtro prensa de placas y marcos es de la marca Omega, soportado sobre una estructura de acero T-304. Constante de 6 placas de filtro de 30 cm. De diámetro cada una, y 5 marcos de 30 cm. De diámetro y 3.81 cm. De espesor cada uno, tanto las placas como los marcos están enumerados para ser colocados alternativamente, adaptando papel filtro sobre ambas caras de cada placa. (fig. 3.1.) Las placas y los marcos se acoplan en conjunto formando una unidad por aplicación del esfuerzo mecánico de un tornillo. Este filtro es de los más sencillos puesto que posee un conducto único para la introducción de la suspensión de alimentación y el líquido de lavado y otro conducto para la salida del filtrado (fig. 3.3.) La suspensión de alimentación penetra por el conducto formado por los orificios situados en las partes superiores de los marcos. Cada marco lleva un orificio que establece comunicación entre el conducto formado y el espacio libre entre el pape filtro. La presión ejercida (2 kg/cm² máx.), sobre la suspensión de alimentación la obliga a pasar a través del papel filtro situado en ambas caras de las placas y a avanzar hacia la salida por el espacio existen entre el papel filtro y las placas. La salida del filtrado es a través de conducto formado por la coincidencia de orificios situados en la parte inferior de cada una de las placas. Los sólidos en suspensión, van siendo retenidos por el papel filtro y se acumulan en el marco hasta llenarlo.

16

El filtro mide 90 cm de largo por 50 cm de ancho, cuenta con una bomba centrifuga marca PURITI

de 1 hᴘ. Para la succión de la suspensión de alimentación, así

también cuenta con un manómetro para la presión de entrada de la suspensión al filtro, una charola para goteo de 55 cm de largo por 38.5 cm. de ancho y un maneral para el cierre del filtro.

Figura 3.1. Par de placa y marco de diseño simple con perforación en la parte superior e inferior, de descarga cerrada.

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Figura 3.2. Componentes del filtro prensa de placas y marcos

1. Cabezal fijo 2. Puente 3. Soportes 4. Largueros 5. Husillo y volante 6. Ferrula de entrada 7. Ferrula de salida 8. Placa filtrante 9. Marco para torta 10. Cabezal móvil 11. Charola para goteo

18

Figura 3.3. Diagrama esquemático de la operación del filtro prensa

Especificaciones

1. Entrada de la suspensión a filtrar 2. Salida del filtrado 3. Placa filtrante 4. Marco para torta 5. Papel filtro

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3.2 Ubicación del equipo. Para la instalación del filtro prensa. Se tomaron en cuenta las siguientes consideraciones. a) Optimizar las condiciones de funcionamiento, abastecimiento de alimentación y movilidad del equipo b) Espacio suficiente, colindante con el equipo para facilitar al usuario la operación y mantenimiento del mismo El filtro prensa,

Se encuentra localizado en la parte suroeste del laboratorio de

OPERACINES UNITARIAS con respecto al portón de acceso principal como se observa en la fig. 3.4 3.3 Justificación del rediseño de las plataformas para los tanques El filtro prensa marca: OMEGA inicialmente fue instalado de manera separada y anclada ocupando gran espacio, ya que contaba con una base metálica con escalerilla de acceso para tanque de alimentación con un área de 1.85 m2 y base metálica para tanque de recepción con un área de 1 m2 y filtro prensa de 1m de largo por 50 cm de ancho y dejando una separación de 1 m entre componentes, ocupando un espacio aproximado de 5 m2 dentro del laboratorio (figura 3.5) Tomando en cuenta el proyecto anterior disponible en el laboratorio se realizo el des anclaje de las bases metálicas cortando, montando y soldándolas a la base del filtro para optimizar su manejo y aprovechar espacio en el laboratorio de operaciones físicas unitarias ocupando un área de solo 1.5 m2. (Figura 3.6)

20

3.4 Montaje del equipo Para iniciar el rediseño se procedió a quitar mangueras y accesorios del filtro, así como el desmontaje de la bomba centrifuga para darle el mantenimiento necesario al equipo. La base metálica del tanque de alimentación se desanclo procediendo al corte de la parte frontal y de la escalerilla de acceso con la que contaba, para facilitar el montaje en la base del filtro, colocándole llantas móviles para poder trabajar con el equipo. Posteriormente se desanclo la base del tanque de recepción eliminándose las patas con las que contaban, colocando llantas móviles y se prosiguió a soldar al resto del equipo, ya teniendo las plataformas unidas a la base se termino de soldar para reforzar la estructura del nuevo diseño, Habiendo terminado el rediseño se realizo el montaje de la bomba y accesorios con mantenimiento previo para proceder a colocar los tanques nuevos de 200L y las conexiones para la nueva tubería. Las mangueras con las que contaban los tanques de alimentación y recepción se eliminaron y se sustituyeron con tubería, válvulas y accesorios de PVC, el tanque de alimentación se conecto hacía la bomba dejando solo un tramo de manquera aproximadamente de 40 cm para poder ver la claridad del filtrado, contando también con tuberías del filtro hacia los tanques haciendo una “T” dejando una válvula como retorno hacia el tanque de alimentación y otra al de recepción, cabe mencionar que la tubería se puede desmontar para darle mantenimiento. Se midieron, cortaron y numeraron los medios filtrantes para colocarlos dentro de las placas, los cuales se plastificaron con pintura de aceite para evitar fugas en el proceso. Finalmente se pinto la estructura y se probó el equipo dejándolo en óptimas condiciones de operación.

21

Para realizar una mezcla homogénea en el tanque de alimentación, se cuenta con una pala de madera de pino.

3.5 Descripción de accesorios:

1. Línea de alimentación (tanque – bomba) 1 conectar macho de 2 ( P.V.C ) 5 niples 2” ( P.V.C ) 2 codo 2 “ ( P.V.C ) 2 reductor 2” a 1” ( P.V.C ) Tubería de 1” ( P.V.C ) 4 niples 1” ( P.V.C ) 1 válvula de 2“( P.V.C ) 3 conectores para manquera de1 ½ ( P.V.C ) Manguera flexible transparente de 1 ½ 4 abrazaderas metálicas de 1 a 2” 2. Línea de salida de filtrado (filtro – tanques de recepción) Tubo de de 1” (P.V.C) 11 coples con rosca de 1” (P.V.C) 3 tuercas unión de 1” (P.V.C) T de 1” (P.V.C) 2 válvulas de 1” (P.V.C) 7 codos 90° de 1” (P.V.C)

22

N O R INTERCOMUNICACION AL LABORATORIO DE FISICO-QUIMICA

31 2

ACCESO PRINCIPAL

Especificaciones 1. Filtro prensa

Figura 3.4. Localización del equipo

Figura 3.5. Diseño original del filtro prensa

23

T E

Figura 3.6. Rediseño del filtro prensa

24

CAPITULO IV Operación del equipo 4.1 Consideraciones para la operación Para poner en macha el filtro, debe de hacerse primeramente una limpieza de toda y cada una de las partes del filtro, principalmente las placas y marcos, los cuales no deben de tener ninguna sustancia extraña al proceso. Antecediendo al montaje de las placas con su respectivo medio filtrante, debe de verificarse que el volante este en su posición abierta, lo cual facilita la maniobra de montaje de placas y marcos, sobre todo cuando se monten los últimos. Las placas tienen un collarín en los ojillos, esto con el fin de sostener el papel filtro por lo cual debe de tenerse cuidado de colocar correctamente estos collarines dentro de os ojillos de los marcos. Aunque las placas y los marcos se pueden montar al azar, es recomendable ensamblar respetando su numeración, debido a que así fueron ajustados durante su fabricación.

4.2 Procedimiento para la operación. 1.- Agitar constantemente la suspensión de alimentación. 2.- Colocar las placas y marcos de acuerdo a su numeración, al mismo tiempo en cada cara de cada placa colocar una hoja de papel filtro 3.-Aplicar presión a las placas y marcos a través del volante mediante el maneral 4.- Checar que todas las válvulas estén cerradas 5.- Abrir válvulas en el siguiente orden:

25

1. Abrir la válvula Nᴑ. 1 ( * ), válvula de salida del tanque de alimentación 2. Abrir la válvula Nᴑ. 2 ( * ) de entrada a la bomba 3. Abrir la válvula Nᴑ. 3 ( * ) salida de la bomba 4. Abrir la válvula Nᴑ. 5 ( * ), válvula de recirculación 6.- Mantener cerrados las válvulas Nᴑ.4 (*)

y Nᴑ.6 (*) salida a la bomba de

recepción 7.-Arrancar la bomba

de alimentación al filtro, en cuanto salga el primer filtrado

registrar el tiempo, para continuar retrasando el tiempo con respecto a intervalos de volumen de filtrado obtenido, así como registrar la presión de entrada al filtro 8.- La filtración se recircula hasta que la suspensión se vea clara en la manquera. 9.- Registrar el tiempo final de filtración y volumen final 10.-Se abre la válvula de salida y se cierran las de recirculación hasta que la suspensión de alimentación se agote o el filtro se encuentre saturado de sólidos 11.- Una vez terminada de filtrar, se abre cuidadosa y lentamente el filtro, esto es para extraer el sistema filtrante. 12.- Lavar cuidadosamente las piezas del filtro, evitando golpear las superficies maquinadas y de sello. (*) Numero de válvulas localizadas en el diagrama de bloques del equipo fig. 4.1

26

Especificaciones Tanque

Filtro prensa

Bomba

Válvulas

Figura 4.1. Diagrama de flujo de la operación del filtro prensa de placas y marcos

27

CAPITULO V PRUEBAS DE LABORATORIO 5.1 Objetivo Establecer los condiciones de operación, volumen de filtrado y tiempo total de ciclo de filtrado Equipo y material utilizado: Filtro prensa y accesorios 2 cronómetros

5.2 Pruebas de filtración Con relación en lo sustentado en el capítulo IV (procedimiento para la operación), se realizaron las pruebas de filtración con una suspensión de cal en agua al 5% y al 1% respectivamente

28

Tabla 5.1. Datos registrados en pruebas de filtración

Suspensión en el

Suspensión de cal en agua

Suspensión de cal en agua

al 5%

al 1%

195.750 L

201.740 L

1.02 g/cm3

1.007 g/cm3

Temperatura

28 °C

28°C

Presión de entrada

2 kg/cm2

2 kg/cm2

tanque De alimentación Volumen

Suspensión filtrada Volumen

181.5 L

187.2 L

0.987 g/cm3

1.0 g/cm3

Temperatura

28°C

28°C

Tiempo de filtración

12.2 min

4.9 min

Ciclo total de filtración

102.2 min

94.9 min

KP

38619.8 s/m6

10014.3 s/m6

B

652.1 s/m3

758.6 s/m3

29

Tabla 5.2. Filtración Suspensión de cal en agua al 5% V (m3)

dV( m3)

0

T( s)

Dt( s)

dt/dV( s/m3)



Ṽ( m3)

0

0.0368842

0.0368842

26

26

704.9

0.0184

0.0397215

0.002837

37

11

3877.3

0.0384

0.0425582

0.002837

45

8

2819.8

0.0411

0.0453960

0.002837

51

6

2114.9

0.0439

0.0482332

0.002837

60

9

3172.3

0.0468

0.0510705

0.002837

68

8

2819.8

0.0496

0.0539077

0.002837

77

9

3172.3

0.0524

0.0567450

0.002837

81

4

1409.9

0.0553

0.0595822

0.002837

91

10

3524.8

0.0581

0.0624195

0.002837

98

7

2467.3

0.0609

0.0652567

0.002837

108

10

3524.8

0.0638

0.0680940

0.002837

116

8

2819.8

0.0666

0.0709312

0.002837

125

9

3172.3

0.0695

0.0737685

0.002837

135

10

3524.8

0.0723

0.0766058

0.002837

143

8

2819.8

0.0751

0.0794430

0.002837

152

9

3172.3

0.0780

0.0822802

0.002837

163

11

3877.3

0.0808

0.0851175

0.002837

172

9

3172.3

0.0836

0.0879547

0.002837

185

13

4582.3

0.0865

0.0908920

0.002837

197

12

4229.8

0.0893

0.0936392

0.002837

207

10

3524.8

0.0922

0.0964665

0.002837

219

12

4229.8

0.0950

0.0993057

0.002837

231

12

4229.8

0.0978

0.1021410

0.002837

245

14

3934.7

0.1007

0.1049782

0.002837

258

13

4582.3

0.1035

0.1078155

0.002837

272

14

4934.7

01063

0.1106527

0.002837

284

12

4229.8

0.1092

30

0.1134900

0.002837

297

13

4582.3

0.1115

0.1163272

0.002837

312

15

5287.2

0.1149

0.1191645

0.002837

327

15

5287.2

0.1177

0.1220017

0.002837

342

15

5287.2

0.1205

0.1248390

0.002837

356

14

4934.7

0.1234

0.1276762

0.002837

370

14

4934.7

0.1262

0.1305135

0.002837

386

16

5639.7

0.1290

0.1333508

0.002837

402

16

5639.7

0.1319

0.1361880

0.002837

422

20

7049.7

0.1347

0.1390252

0.002837

440

18

6344.7

0.1376

0.1518625

0.002837

457

17

5992.2

0.1406

0.1446997

0.002837

477

20

7049.7

0.1432

0.1475370

0.002837

497

20

7049.7

0.1461

0.1503743

0.002837

510

13

4582.3

0.1489

0.1532115

0.002837

525

15

5287.2

0.1517

0.1560488

0.002837

544

19

6697.2

0.1546

0.2688860

0.002837

565

21

7402.1

0.1574

0.1617233

0.002837

587

22

7754.6

0.1603

0.1645605

0.002837

605

18

6344.7

0.1631

0.1773978

0.002837

626

21

7402.1

0.1659

0.1702350

0.002837

645

19

6697.2

0.1673

0.1730723

0.002837

667

22

7754.6

0.1716

0.1759095

0.002837

687

20

7049.7

0.1744

0.1787468

0.002837

708

21

7402.1

0.1773

0.1815840

0.002837

732

24

8459.6

0.1801

31

Tabla 5.3. Filtración Suspensión de cal en agua al 1% V( m3)

dV( m3)

0

T( s)

dt (s)

dt/dV (s/m3)



Ṽ( m3)

0

0.0368842

0.0368842

19

19

515.1

0.0184

0.0397215

0.002837

38

19

6697.2

0.0384

0.0425582

0.002837

40

2

704.9

0.0411

0.0453960

0.002837

42

2

704.9

0.0439

0.0482332

0.002837

45

3

1057.4

0.0468

0.0510705

0.002837

46

1

352.4

0.0496

0.0539077

0.002837

48

2

704.9

0.0524

0.0567450

0.002837

53

5

1762.4

0.0553

0.0595822

0.002837

55

2

704.9

0.0581

0.0624195

0.002837

59

4

1409.9

0.0609

0.0652567

0.002837

60

1

352.4

0.0638

0.0680940

0.002837

64

4

1409.4

0.0666

0.0709312

0.002837

67

3

1057.4

0.0695

0.0737685

0.002837

70

3

1057.4

0.0723

0.0766057

0.002837

74

4

1409.9

0.0751

0.0794430

0.002837

78

4

1409.9

0.0780

0.0822802

0.002837

79

1

352.4

0.0808

0.0951175

0.002837

81

2

704.9

0.0836

0.0879547

0.002837

84

3

1057.4

0.0865

0.0907920

0.002837

90

6

2114.9

0.0893

0.0936292

0.002837

97

7

2467.3

0.0922

0.0964665

0.002837

99

2

704.9

0.0950

0.0993037

0.002837

100

1

352.4

0.0978

0.1021410

0.002837

105

5

1762.4

0.1007

0.1049782

0.002837

113

8

2819.8

0.1035

0.1078155

0.002837

117

4

1409.9

01063

0.1106527

0.002837

119

2

704.9

0.1092

32

0.1134900

0.002837

123

4

1409.9

0.1115

0.1163272

0.002837

131

8

2819.8

0.1149

0.1191645

0.002837

135

4

1409.9

0.1177

0.1220017

0.002837

139

4

1409.9

0.1205

0.1248390

0.002837

142

3

1057.4

0.1234

0.1276762

0.002837

148

6

2114.9

0.1262

0.1305135

0.002837

155

7

2467.3

0.1290

0.1333508

0.002837

161

6

2114.9

0.1319

0.1361880

0.002837

167

6

2114.9

0.1347

0.1390252

0.002837

172

5

1762.4

0.1376

0.1518625

0.002837

176

4

1409.9

0.1406

0.1446997

0.002837

182

6

2114.9

0.1432

0.1475370

0.002837

192

10

3524.8

0.1461

0.1503743

0.002837

199

7

2467.3

0.1489

0.1532115

0.002837

204

5

1762.4

0.1517

0.1560488

0.002837

210

6

2114.9

0.1546

0.2688860

0.002837

219

9

3172.3

0.1574

0.1617233

0.002837

225

6

2114.9

0.1603

0.1645605

0.002837

230

5

1762.4

0.1631

0.1773978

0.002837

243

13

4582.3

0.1659

0.1702350

0.002837

252

9

3172.3

0.1673

0.1730723

0.002837

262

10

3524.8

0.1716

0.1759095

0.002837

269

7

2467.3

0.1744

0.1787468

0.002837

276

7

2467.3

0.1773

0.1815840

0.002837

280

4

1409.9

0.1801

0.1844213

0.002837

286

6

2114.9

0.1830

0.1872585

0.002837

296

10

3524.8

0.1850

33

Grafica de filtracion Suspension de cal en agua al 5% 10,000

8,000

6,000

Kp

4,000

2,000

B 0 0

0,05

0,1

Figura 5.1.

34

0,15

0,2

Grafica de filtracion Suspension de cal en agua al 1% 8,000 7,000 6,000

5,000 4,000

3,000

Kp

2,000 1,000

B 0 0

0,05

0,1

Figura 5.2.

35

0,15

0,2

5.3 Balance de materia Suspensión de cal en agua al 5%

M1=200kg

M3

Balance total

M2=181.5kg

M1 = M2 + M3 M1 = 190 kg agua + 10 kg cal M1 = 200 kg M2 = 181.5 kg M3 = masa de torta húmeda = torta húmeda 1251.4 kg/m3 = (1251.4 kg/m3)(7)(π)(0.1365m)2(0.0344m) = 17.6 kg. Por lo tanto M1 es igual a: M1 = 181.5 kg + 17.6 kg M1 = 199.1 kg

36

5.4 Balance de materia Suspensión de cal en agua al 1%

M1=200kg

M3

Balance total

M2=187.2kg

M1 = M2 + M3 M1 = 198 kg agua + 2 kg cal M1 = 200 kg M2 = 187.2 kg M3 = masa de torta húmeda =torta húmeda 2169.6 kg/m3 = (2169.6 kg/m3)(7)(π)(0.1365m)2(4.3x10-3m = 3.8 kg. Por lo tanto M1 es igual a: M1 = 187.2 kg + 3.8 kg M1 = 191.0 kg

37

CONCLUSIONES Al término de elaboración de este trabajo se cumplieron sus objetivos como a continuación se indica: El objetivo principal de este trabajo (practico-técnico) consistió en el rediseño del equipo de filtración, dentro del laboratorio de OPERACIONES UNITARIAS, se realizó un manual de operación del filtro, así como la descripción de sus accesorios, los cuales son de ayuda fundamental, para una operación correcta y eficiente del mismo Se realizaron pruebas de laboratorio, para comprobar el funcionamiento y eficiencia del mismo] RECOMENDACIONES. Los tanques y tubería con las que cuenta el equipo soportan una temperatura máxima de 85°C por lo cual, para operar el equipo en procesos que necesiten mayor temperatura, se deberá tomar en consideración lo anterior. El manejo de placas y marcos, tanto de válvulas de (P.V.C), se harán con extremo cuidado no golpeándolas, para evitar fisuras (válvulas de P.C.V) o deformación de (placas y marcos). El filtro no puede operar sin alguna de las placas y marcos, puesto que el tornillo de cierre no es lo suficiente largo para cerrar, si faltara uno de ellos

38

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 1. A. Wenzel Leonard, Bryce Andersen L, Maus Louis, W. Clump Curtis (1970). Principios de operaciones unitarias. Editorial Continental S.A, México D.F. (pag. 656-659) 2. Granger Brown George (1965). Operaciones básicas de la ingeniera química. Editorial Marín, Barcelona, España. (pág. 151-154) 3. H. Walker William, H. Mc Adams William, R. Gilliland Edwin, Warren K. Lewis (1967). Principios de ingenieria quimica. Editorial Continental, S.A (pag. 256260) 4. Ocon García Joaquín, Tojo Barreiro Gabriel (1965). Operaciones Básicas tomo II. Madrid España. (pág. 341-343) 5. Smith C. Julian, Mc abe L. Warren (1981). Operaciones básicas de ingeniería química. Editorial Reverte S.A. México D.F. (Pág. 921)

39

ANEXOS COSTOS DE INVERSION JUSTIFICACION DE INVERSION Objetivo.- se inicia con la determinación de los objetivos básicos del proyecto, estos son los juicios de valor que proporciona las guías de planeación, política y de control Costos. En esta actividad se realiza 1) estimados de costos 2) controlar los costos de desarrollo de un proyecto 3) detectar desviaciones para tomar acciones correctivas pertinentes 4) sacar conclusiones de resultados contenidos para usarlos en otros estimados

Compras En esta actividad se cotiza el equipo y materiales necesarios para realización del proyecto, haciendo tablas comparativas, a partir de la información (presupuesto) recabada Inversiones Inversión total.- es el capital necesario para la construcción y operación de un proyecto La inversión total se divide en: 1) inversión física o material.

40

2) inversión secundaria 3) inversión de rediseño Inversión física o material se compone: a) Costo del filtro b) Costo de instalación c) Costo de (tanque de alimentación y tanque de recepción) d) Mangueras, tubería y válvulas de P.V.C e) Soportes y accesorios para tubería y mangueras f) Producto químico( cada inicial ) g) Equipo de limpieza Inversión secundaria se integra: a) Producto químico b) Prueba de funcionamiento c) Costo de arranque del equipo d) Energía eléctrica e) Materia prima / corrida

Inversión de rediseño se compone de: a) Manguera b) Tubería, Válvulas, Accesorios PVC c) Tanques d) Soldadura e) Accesorios metálicos f) Membrana Filtrante g) Mantenimiento general, Integrándole la inversión secundaria debido al cambio de costos de los mismos.

41

Calculo de costos de inversión

Inversión del proyecto inicial

Inversión física Costo de filtro

$ 48,800.00

Costo de instalación del filtro

170.00

Costo del equipo secundario

898.00

Accesorios del equipo secundario

2,545.00

Soporte y accesorios para

299.50

(tubería, mangueras) Equipo de limpieza

72.00

Inversión física total

53,144.50

Inversión secundaria Producto químico (para prueba de

$ 12.00

funcionamiento del filtro) Prueba de arranque del equipo

70.00

Energía eléctrica ( $/Kw)

5.00

Agua potable ($/mᶟ)

3.00

Materia prima / corrida

20.00

Inversión secundaria total

110.00

42

Inversión de rediseño

Inversión física Manguera

$ 30.00

Tubería, válvulas, accesorios P.V.C

800.00

Tanques

300.00

Soldadura

250.00

Accesorios metálicos

900.00

Membrana filtrante

250.00

Mantenimiento general

400.00

Inversión física total

2930.00

Inversión secundaria Producto químico (para prueba de

$ 30.00

funcionamiento del filtro) Prueba de arranque del equipo

100.00

Energía eléctrica ( $/Kw)

120.00

Agua potable ($/mᶟ)

38.00

Materia prima / corrida

60.00

Inversión secundaria total

348.00

43

Fotografías

PLATAFORMAS SOLDADAS A LA ESTRUCTURA DEL FILTRO

EL EQUIPO SE ACONDICIONO CON RUEDAS

44

SE ELIMINARON TANQUES DE 1100 L POR TANQUES DE 200 L

SE CAMBIARON MANGUERAS POR TUBERIAS DE PVC

45

SE REDUJO EL AREA QUE OCUPA DENTRO DEL LABORATORIO

VISTA FINAL DEL EQUIPO DE FILTRACION

46