Operaciones Unitarias en Ingenieria Quimica Mcabe 7th 1

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    22-Nov-2015

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    $ 6 Operaciones en las que intervienen partculas de slidos

    >>V`>``i>La capacidad de un tamiz se mide por la masa de material que puede recibir como ali-mentacin por unidad de tiempo relacionada a un rea unitaria del tamiz. Capacidad y eficiencia son factores opuestos. Para obtener la mxima eficiencia, la capacidad debe ser pequea, y grandes capacidades se obtienen slo a expensas de una reduccin de la efi-ciencia. En la prctica es deseable un equilibrio razonable entre capacidad y eficiencia.

    La capacidad de un tamiz se controla simplemente variando la velocidad de la alimentacin de la unidad. La eficiencia que resulta para una capacidad dada depende de la naturaleza de la operacin de tamizado. La oportunidad total de paso de una par-tcula de un tamao inferior determinado es una funcin del nmero de veces que la partcula incide contra la superficie del tamiz y de la probabilidad de paso durante un solo contacto. Si el tamiz es sobrecargado, el nmero de contactos es pequeo y la oportunidad de paso como consecuencia del contacto est limitada por la presencia de otras partculas. La mejora de la eficiencia que se obtiene a expensas de la reduccin de la capacidad es el resultado de la consecucin de ms contactos por partcula y mejores oportunidades de paso en cada contacto.

    La probabilidad del paso de una partcula a travs de la criba depende de la fraccin de las aberturas con respecto al total de la superficie, de la relacin del dimetro de partcula con el ancho de la abertura del tamiz, y del nmero de contactos entre la partcula y la superficie de la criba. La capacidad mxima de una criba, como lo demuestra Perry,32h es aproximadamente proporcional a D0.6 pc, donde Dpc es la abertura de la criba, y proporcional a la densidad de la partcula. Para cribas amplias, con aperturas de 1

    4 a 4 in. (6 a 100 mm) de

    tamao, la capacidad flucta entre 1 y 8 toneladas/h ft2 (2.7 a 22 kg/s m2), dependiendo de la densidad del material que est siendo tamizado; para cribas con aperturas de 0.05 a 0.25 in. (1 a 6 mm), la capacidad es de 0.1 a 1.0 toneladas/h ft2 (0.27 a 2.7 kg/s m2).

    A medida que se reduce el tamao de la partcula, el tamizado se vuelve progresi-vamente ms difcil, y la capacidad y la eficiencia son, en general, bajas para partculas de tamaos menores de 150 mallas (0.1 mm).

    /,$ \" -," - ,-La filtracin es la separacin de partculas slidas a partir de un fluido mediante el paso del fluido a travs de un medio filtrante o pared separadora sobre el que se depositan los slidos. Las filtraciones industriales van desde un sencillo colado hasta separaciones altamente complejas. El fluido puede ser un lquido o un gas, y la corriente valiosa pro-cedente de un filtro puede ser el fluido, los slidos o ambos productos. En algunos casos ambas corrientes carecen de valor, como en el caso de la separacin de slidos residuales de un fluido residual antes de su vertido. En la filtracin industrial, el contenido de sli-dos de la alimentacin puede oscilar desde trazas hasta un porcentaje muy elevado. Con frecuencia la alimentacin se modifica de alguna forma mediante un pretratamiento, a fin de aumentar la velocidad de filtracin por medio de calentamiento, recristalizacin o adicin de un coadyuvante de filtracin, tal como celulosa o tierra de diatomeas. Debido a la enorme variedad de materiales que se han de filtrar y las diferentes condiciones de operacin de los procesos se han desarrollado numerosos tipos de filtros,32d, 40a algunos de los cuales se describen en la figura 29.3.

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    El fluido circula a travs del medio filtrante en virtud de una diferencia de presin a

    travs del medio. Por lo tanto, los filtros se clasifican en funcin de este aspecto en: fil-

    tros que operan con presin superior a la atmosfrica en la corriente superior del medio

    filtrante y los que lo hacen con presin atmosfrica en la corriente superior del medio fil-

    trante y a vaco en la corriente inferior. Presiones superiores a la atmosfrica se generan

    por accin de la fuerza de gravedad actuando sobre una columna de lquido, por medio

    de una bomba o soplador, o bien por medio de fuerza centrfuga. Los filtros centrfugos

    se estudian en una seccin posterior de este captulo. En un filtro de gravedad, el medio

    filtrante no puede ser ms fino que un tamiz grueso o un lecho de partculas gruesas ta-

    les como arena. Por lo tanto, en sus aplicaciones industriales los filtros de gravedad es-

    tn restringidos a la separacin del lquido de cristales muy gruesos, a la clarificacin de

    agua potable y al tratamiento de aguas residuales.

    La mayora de los filtros industriales son filtros a presin, a vaco o separadores cen-

    trfugos. Pueden ser tambin continuos o discontinuos, dependiendo de que la descarga

    de los slidos filtrados se realice de forma continua o intermitente. Durante buena parte

    del ciclo de operacin de un filtro discontinuo, el flujo del fluido a travs del mismo es

    continuo, interrumpindose peridicamente para permitir la descarga de los slidos acu-

    mulados. En un filtro continuo la descarga de los slidos y del fluido se realiza de forma

    ininterrumpida mientras el equipo se encuentra en operacin.

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    1,Mecanismos de filtracin: a) filtro de torta; b) filtro clarificador; c) filtro de flujo transversal.

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    Los filtros se dividen en tres grupos principales: filtros de torta, filtros clarificadores y filtros de flujo transversal. Los filtros de torta separan grandes cantidades de slidos en forma de una torta de cristales o un lodo, tal como se ilustra en la figura 29.3a. Con frecuen-cia incluyen dispositivos para el lavado de la torta y para eliminar la mayor parte posible del lquido en los slidos antes de su descarga. Los filtros clarificadores retiran pequeas cantidades de slidos para producir un gas limpio o lquidos transparentes, tales como bebidas. Las partculas del slido son atrapadas en el interior del medio filtrante tal como se indica en la figura 29.3b, o en las superficies externas. Los filtros clarificadores difieren de los tamices en que los poros del medio filtrante son mucho mayores en dime-tro que las partculas a ser eliminadas. En un filtro de flujo transversal la suspensin de la alimentacin fluye bajo presin a velocidades ligeramente altas atravesando el medio filtrante (vase figura 29.3c). Se forma una capa delgada de slidos en la superficie del medio, pero la alta velocidad del lquido mantiene la capa formada. El medio filtrante es una membrana de cermica, metal o de un polmero con poros lo suficientemente pequeos para excluir la mayora de las partculas suspendidas. Parte del lquido pasa a travs del medio como filtrado claro, dejando atrs una suspensin ms concentrada. Como se ver ms adelante, un ultrafiltro es una unidad de flujo transversal que contiene una membrana con aberturas extremadamente pequeas, utilizado para la separacin y concentracin de partculas coloidales y molculas grandes.

    /,"-/",/Al comienzo de la filtracin en un filtro de torta, algunas partculas slidas entran en los poros del medio filtrante y quedan inmovilizadas, pero muy rpido otras partculas se depositan sobre la superficie del medio filtrante. Despus de este breve periodo inicial, la torta de slidos es la que realiza la filtracin y no el medio filtrante; sobre la superfi-cie se forma una torta de espesor apreciable que es preciso retirar peridicamente. Los filtros de torta se utilizan casi siempre para separaciones slido-lquido, con excepcin de los filtros de bolsa para limpieza de gases. Como en el caso de otros filtros, pueden operar con presin mayor que la atmosfrica en la corriente superior del medio filtrante o con vaco aplicado en la corriente inferior. Cualquiera de los tipos puede ser continuo o discontinuo, pero a causa de la dificultad de descargar los slidos contra una presin positiva, la mayora de los filtros de presin son discontinuos.

    `ii`VLos filtros de presin utilizan una gran presin diferencial a travs del medio filtrante para lograr una filtracin rpida muy econmica con lquidos viscosos o con slidos finos. Los tipos ms comunes de filtros a presin son los filtros prensa y los filtros de carcasa y hojas.

    Filtro prensa. Un filtro prensa contiene un conjunto de placas diseadas para proporcionar una serie de cmaras o compartimentos en los que se pueden recoger los slidos. Las placas se recubren con un medio filtrante tal como una lona. La suspensin se introduce en cada compartimento bajo presin; el lquido pasa a travs de la lona y sale a travs de una tubera de descarga, dejando detrs una torta de slidos hmeda.

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    Las placas de un filtro prensa pueden ser cuadradas o circulares, verticales u horizon-tales. Lo ms frecuente es que los compartimentos para slidos estn formados por huecos en las caras de placas de polipropileno moldeado. En otros diseos, el filtro est formado por prensas de placas y marcos como los de la figura 29.4, en donde placas cuadradas de 6 a 78 in. (150 mm a 2 m) de lado alternan con marcos abiertos. Las placas tienen un espesor de 1

    4- a 2 in. (6 a 50 mm), el espesor de los marcos es de 1

    4- a 8 in. (6 a 200 mm).

    Las placas y los marcos se sitan de formar vertical en un bastidor metlico, con telas que cubren las caras de cada placa, y se aclopan estrechamente entre s por medio de un tornillo o una prensa hidrulica. La suspensin entra por un extremo del conjunto de placas y marcos, y pasa a travs de una esquina, hacia el canal que recorre el equipo de modo longitudinal. Los canales auxiliares llevan la suspensin desde el canal de entrada hasta cada uno de los marcos. Aqu los slidos se depositan en las caras cubiertas de tela de las placas. El lquido pasa a travs de las telas, desciende por las canaladuras de las caras de las placas y sale del filtro prensa.

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    1,{Filtro prensa equipado para operacin automtica. (Shriver Filters, Eimco Process Equipment Co.)

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    Despus de armar la prensa, se ingresa la suspensin por medio de una bomba o un

    tanque presurizado a una presin de 3 a 10 atm. La filtracin se contina hasta que no fluya ms licor por la descarga, o la presin de filtracin se eleve sbitamente. Esto ocurre cuando los marcos estn llenos de slido y ya no puede ingresar ms suspensin. Entonces, se dice que la prensa est atestada. Entonces se puede hacer entrar lquido de lavado para extraer las impurezas solubles de los slidos, despus de lo cual la torta se puede insuflar con vapor o con aire para desplazar todo el lquido residual que sea posible. Luego se abre la prensa, y la torta de slidos se extrae del medio filtrante y se deja caer a un transporta-dor o a un depsito de almacenaje. En muchos filtro prensas estas operaciones se realizan automticamente, como en el que se muestra en la figura 29.4. El lavado completo de un filtro prensa puede llevar varias horas, pues el lquido de lavado tiende a seguir los trayectos ms fciles y a evitar las partes ms estrechamente empacadas de la torta.

    Filtros de carcasa y hojas. Para filtrar debajo de las presiones superiores a las que son posibles en un filtro prensa de placas y marcos, para reducir la mano de obra, o cuando se requiere un mejor lavado de la torta, conviene utilizar un filtro de carcasa y hojas. En el diseo en tanque horizontal que se muestra en la figura 29.5 se sita un conjunto de hojas verticales sobre un bastidor retrctil. La unidad mostrada en la figura est abierta para descargarla, mientras que durante la operacin las hojas permanecen dentro del tanque cerrado. La alimentacin entra por un lado del tanque, el filtrado pasa a travs de las hojas y sale por un colector de descarga mltiple. El diseo que se muestra en la figura 29.5 se utiliza con frecuencia para filtraciones con coadyuvantes, tal como se ver ms adelante en este captulo.

    `iL>`>>?VEl filtro de banda Larox es un filtro a presin discontinuo que separa, comprime, lava y descarga de forma automtica la torta. La filtracin tiene lugar entre 2 y 20 cmaras hori-zontales, colocadas una sobre la otra. Una banda de tela filtrante pasa a travs de las cma-ras del filtro en turno. Con la banda sostenida de modo estacionario, se llena cada cmara con slidos durante el ciclo de filtracin. Entonces se bombea agua a alta presin detrs de un diafragma flexible en la cmara lmite, apretando la torta y expulsando de manera

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    1,xFiltro de hojas en un tanque horizontal a presin.

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    mecnica algo del lquido. Con el diafragma liberado, el agua de lavado puede ser pasada

    a travs de la torta, y si se desea la torta es recomprimida por el diafragma. Por ltimo,

    se sopla aire a travs de la torta para eliminar el lquido adicional.

    Entonces las cmaras se abren de forma hidrulica, as que la banda puede moverse

    a una distancia algo mayor que la longitud de una cmara. Esta accin descarga la torta

    de ambos lados del filtro. Al mismo tiempo, parte de la banda pasa entre las boquillas de aspersin para lavado. Despus de que toda la torta ha sido descargada, la banda es dete-nida, las cmaras son cerradas y se repite el ciclo de filtracin. Todos los pasos se efectan de modo automtico por impulsos desde un panel de control. El intervalo de los tamaos del filtro va de 0.8 m2 (8.6 ft2) a 31.5 m2 (339 ft2). El ciclo global es relativamente corto, por lo general de 10 a 30 min, as que estos filtros se utilizan en procesos continuos.

    `V>>VPor lo general, los filtros a presin son discontinuos, mientras que los de vaco son con-tinuos. Sin embargo, un filtro discontinuo a vaco resulta a veces muy til. Una nutcha de vaco es poco ms pequea que un embudo Bchner grande, de 1 a 3 m (3 a 10 ft) de dimetro, y en ella se forma una capa de slidos de 100 a 300 mm (4 a 12 in.) de espesor. Debido a su sencillez, una nutcha se construye con facilidad con materiales resistentes a la corrosin y resulta valiosa cuando han de filtrarse cargas experimentales de una gran variedad de materiales corrosivos. Las nutchas son poco comunes en procesos a gran escala debido a la labor que se desarrolla en la extraccin de la torta; sin embargo, son tiles como filtros a presin en algunas operaciones discontinuas en las cuales la torta debe ser secada en el filtro antes de la descarga.31

    V>>VEn todos los filtros continuos de vaco, el lquido es succionado a travs de un medio filtrante en movimiento sobre el que se deposita una torta de slidos. La torta se aleja de la zona de filtracin, se lava, se seca por aspiracin y se descarga del medio filtrante para reiniciar el ciclo con la entrada de otra carga de slidos en suspensin. En todo momento una parte del medio filtrante se encuentra en la zona de filtracin, otra parte en la zona de lavado y otra en la etapa de descarga de slidos, de forma que la salida de lquido...