OPERACIONES UNITARIAS

LABORATORIO Nº 3
FILTRACIÓN
Objetivos de la práctica
Determinar que existe una relacion de potencias entre la presion y la resistencia de la torta y el medio filtrante. Familiarizar al alumno con el uso de unidades de filtrado que puede encontrar en la industria nacional

Determinar el valor (s-1), exponente al cual se eleva la presion para obtener la resistencia de la torta filtrante.

Determinar el valor de (m-1), exponente al cual se eleva la presion para obtener la resistencia del medio filtrante.

Determinar las expresiones para la resistencia de la torta y el medio filtrante, determinando el valor de A y B, encontrar la ecuacion de flujo del filtro.

Existen numerosos tipos de filtros dependiendo de aplicación a que estén destinados, y como se ha visto anteriormente, su clasificación se puede realizar atendiendo a diferentes criterios, aunque lo más frecuente es su caracterización en función de la fuerza motriz.

Los factores principales a considerar a la hora de elegir un tipo de filtro frente a otro son: la resistencia específica de la torta, la cantidad a filtrar y la concentración de sólidos.
Otra de las características del filtro a tener en cuenta es la facilidad de descarga de la torta.
Ante todo lo que va a decidir la elección del filtro es el factor económico. Normalmente el precio del equipo está directamente relacionado con el área filtrante.

Los filtros clarificadores o de lecho profundo se suelen emplear cuando la cantidad de sólidos presentes en el líquido es muy pequeña, siendo de gran aplicación para la depuración de agua y el tratamiento de aguas residuales. En este grupo se tienen los filtros de lecho, los cartuchos filtrantes y otros. Los filtros de cartucho son cada vez más utilizados en la industria por sus buenos resultados.



La mayor parte de filtros empleados en la industria química son filtros de torta y dentro de éstos su clasificación suele hacerse en función de la fuerza impulsora (presión, vacío o centrífuga).
Si se debe seleccionar entre un filtro de presión o uno de vacío se deben conocer las ventajas e inconvenientes que presentan cada uno de ellos. Los filtros de presión permiten la obtención de tortas con un menor contenido de humedad y los filtros de vacío, aunque permiten un funcionamiento en continuo, el consumo de energía es mayor debido al sistema de vacío y existe una limitación en la diferencia de presión aplicable (ya que la presión máxima no puede sobrepasar el valor de 1 atm). A continuación se exponen algunos de los filtros de uso más habitual:

- Filtro prensa: es uno de los filtros más usados debido a su gran versatilidad, tanto en relación a la amplia gama de materiales y como las diversas condiciones de operación que se pueden aplicar, además de su bajo coste de mantenimiento. Se emplea en los casos en que la resistencia específica de la torta es elevada y siempre que la cantidad de sólidos no sea tan elevada que obligue a desmontar frecuentemente la prensa que provocaría desgastes excesivos en las telas. Sin embargo, no está recomendado su uso para tratar grandes cantidades. Consisten en una serie de elementos cuadrados o rectangulares, que pueden ser placas y marcos alternados o cámaras, entre los que se coloca la tela filtrante. De esta forma, se distinguen dos tipos de filtros prensa: la prensa de placas y marcos y la prensa de cámaras. La diferencia entre ambas radica en que la segunda prescinde de los marcos y que el canal de alimentación se encuentra en el centro de cada una de las placas en vez de en una de las esquinas como ocurre en la prensa de placas y marcos.
Filtro prensa

- Filtro de hojas: se operan de manera discontinua o por cargas. Consisten en una serie de elementos filtrantes planos, denominados hojas, que se encuentran en el interior de una carcasa presurizada. Como características fundamentales cuenta con una mayor uniformidad y mejor separación de la torta, una mayor facilidad de lavado y de instalación de la tela. Aunque inicialmente diseñado para trabajar a vacío, los tipos posteriormente desarrollados operan a presión pudiendo aplicar presiones superiores a las que son posibles en el filtro prensa. Se emplea preferentemente en caso de que se requiera un lavado eficaz de la torta. Las hojas pueden tener diferentes formas (rectangulares o circulares) y las carcasas pueden estar dispuestas horizontal o verticalmente.
- Filtros rotativos a vacío: son muy empleados debido a que trabajan en continuo y a su bajo coste de operación motivado por su funcionamiento automático. Se emplea para materiales de filtración poco complicados. Posee una gran capacidad en relación a su tamaño. Dentro de los filtros rotativos se tienen dos tipos:
- de tambor rotativo: consiste en un cilindro dipuesto horizontalmente, cuya superficie exterior está formada por una plancha perforada sobre la que se fija la tela filtrante. El cilindro está dividido en una serie de sectores que se encuentran conectados a través de una válvula rotativa. El tambor está parcialmente sumergido en una cuba a que se alimenta la suspensión a filtrar y se aplica vacío en los sectores sumergidos. De esta manera se forma una torta del espesor deseado ajustando la velocidad de rotación del tambor. Para retirar la torta del tambor se pueden seguir varios procedimientos. Lo más frecuente es emplear una cuchilla fija o rasqueta para descargar la torta, pero si resulta difícil de desprender también se puede realizar dicha operación por medio de una cuerda o de un rodillo.
Filtro de tambor

- de pre-recubrimiento: se emplea cuando el material forma una torta de elevada resistencia. En primer lugar se provoca la formación de una gruesa capa de un material de muy fácil filtración sobre el medio filtrante para luego que se produzca la filtración a través de esta capa. Así la torta formada es muy delgada y se retira junto con una fina capa del material de recubrimiento.

- de discos: consiste en un cierto número de hojas filtrantes circulares montadas sobre un eje horizontal. Su funcionamiento es similar al filtro de tambor, sin embargo proporciona un lavado peor de la torta y su descarga es más difícil. Como ventaja frente al filtro de tambor se tiene que ofrece un área de filtración mucho mayor en el mismo espacio.

- Filtro de banda: presenta una gran flexibilidad de aplicación y alta capacidad. Permite la filtración en continuo. Consiste en una especie de cinta transportadora donde la cinta se ha sustituido por una banda o tela permeable. La suspensión se alimenta por la parte superior y en un extremo de la cinta, mientras que por la parte inferior de ésta se hace el vacío y se recoge el filtrado. Se van a ajustar la velocidad de la cinta y la distancia a la que se aplica la suspensión para producir una torta del espesor adecuado. La torta se desprende al final de la cinta.
Filtro de banda

- Filtro Nutscha: existen dos variantes a presión y a vacío.
Filtro Nutscha de presión

- a vacío: son filtros de pequeña capacidad pero de una gran simplicidad constructiva. Consisten en un recipiente donde la alimentación se realiza por la parte superior y en la zona inferior se dispone el sistema de vacío. Entre ambas zonas se halla el medio filtrante.

- a presión: se tienen dos tipos, uno de descarga manual y otro de descarga automática. El primero es similar al filtro de vacío mientras que el segundo está dotado de un agitador que permite el mantenimiento de la suspensión durante el filtrado y la mejora de la eficacia por eliminación de la humedad residual de la torta. Sin embargo este equipo presenta un precio bastante elevado debido a la complejidad del sistema.


Algunos de estos filtros admiten calefacción, lo que permite disminuir la viscosidad del filtrado, aumentar la velocidad de filtración y, además, producir una torta más seca.

Si se ha de elegir entre un filtro continuo y uno discontinuo, se debe tener en cuenta que el filtro continuo proporciona una capacidad de producción más elevada para una superficie filtrante dada, aunque la mayoría presenta una limitación de la presión máxima de filtración. El filtro discontinuo se va a emplear cuando la torta filtrante tiene una resistencia elevada.

1. Otro tipo de filtros a señalar son los filtros centrífugos. Ofrecen ciertas ventajas frente a los filtros anteriores como la posibilidad de obtener bajas humedades residuales en los sólidos y la gran capacidad de tratamiento, mientras que, por otra parte, los principales inconvenientes son el elevado coste y el trabajar a altas velocidades, que ocasiona problemas de desgaste. Es frecuente expresar la fuerza centrífuga aplicada en términos de las veces que la aceleración centrífuga supera a la de la gravedad. Así se encuentran valores que pueden oscilar desde las 500 hasta las 50.000g. Entre los filtros centrífugos destacan:
- Centrífuga de cesta: es la más sencilla y universal. Consiste en una cesta, vertical u horizontal, sobre la que se coloca el elemento filtrante. Como problema presenta la descarga de sólidos, que se debe realizar manualmente y supone una operación bastante lenta. Giran a velocidades comprendidas entre 600 y 1800 rpm.
Centrífuga de cesta vertical
- Centrífuga de tornillo helicoidal: tiene forma tronco-cónica y la alimentación debe ser una suspensión bastante concentrada. Las posibilidades de lavado son bastantes escasas. Alcanza aceleraciones entre 1500 y 2500g.

- Centrífuga rascadora o 'peeler': es una máquina de funcionamiento discontinuo mientras que la descarga de la torta se realiza de manera automática por acción de un cuchillo rascador. Las velocidades alcanzadas son bajas (de 500 a 1600g). La capacidad de lavado de la torta es muy buena. Las variantes existentes de este equipo se distinguen en cuanto al tipo de rascador o a la existencia o no de un sifón para dar salida al líquido.

- Centrífuga de empuje: tiene funcionamiento continuo. Consiste en una cesta de eje horizontal dotada de un falso fondo constituido por un pistón que se desplaza axial y alternativamente, empujando la torta formada y desplazándola parcialmente fuera de la cesta. La torta debe tener una cierta rigidez para que el mecanismo de empuje funcione eficazmente. Como ventaja notable destaca la posibilidad de obtención de la torta con humedades residuales muy bajas. También existen modelos con dos o más cestas concéntricas que giran solidariamente con un eje común. La torta pasa de manera sucesiva de una cesta a otra, actuando la propia cesta interior como empujadora de la exterior.
Centrífuga de empuje

DIOXIDO DE CARBONO

LABORATORIO Nº 10
OBTENCIÓN DEL DIOXIDO DE CARBONO

FUNDAMENTO TEORICO
Dióxido de carbono, gas incoloro, inodoro y con un ligero sabor ácido, cuya molécula consiste en un átomo de carbono unido a dos átomos de oxígeno (CO2). El químico escocés Joseph Black lo denominó 'aire fijo', y lo obtuvo a partir de la descomposición de la marga y la caliza, como parte de la composición química de esas sustancias. El químico francés Antoine Lavoisier lo identificó como un óxido de carbono al demostrar que el gas obtenido por la combustión del carbón de leña es idéntico en sus propiedades al 'aire fijo' obtenido por Black. El dióxido de carbono es 1,5 veces aproximadamente más denso que el aire. Es soluble en agua en una proporción de un 0,9 de volumen del gas por volumen de agua a 20 ° C.
El dióxido de carbono se produce por diversos procesos: por combustión u oxidación de materiales que contienen carbono, como el carbón, la madera, el aceite o algunos alimentos; por la fermentación de azúcares, y por la descomposición de los carbonatos bajo la acción del calor o los ácidos. Comercialmente el dióxido de carbono se recupera de los gases de hornos de calcinación, de los procesos de fermentación, de la reacción de los carbonatos con los ácidos, y de la reacción del vapor con el gas natural, una fase de la producción comercial de amoníaco. El dióxido de carbono se purifica disolviéndolo en un solución concentrada de carbonato alcalino y luego calentando la disolución con vapor. El gas se recoge y se comprime en cilindros de acero.
La atmósfera contiene dióxido de carbono en cantidades variables, aunque normalmente es de 3 a 4 partes por 10.000, y aumenta un 0,4% al año. Es utilizado por las plantas verdes en el proceso conocido como fotosíntesis, por el cual se fabrican los carbohidratos, dentro del ciclo del carbono.
El dióxido de carbono se usa para fabricar carbonato de sodio, Na2CO3 · 1OH2O (sosa para lavar), e hidrogeno carbonato de sodio, NaHCO3 (bicarbonato de sodio). Disuelto bajo una presión de 2 a 5 atmósferas, el dióxido de carbono produce la efervescencia de las bebidas gaseosas. No arde ni sufre combustión, por lo que se emplea en extintores de fuego. El extintor de CO2 es un cilindro de acero lleno de dióxido de carbono líquido que, cuando se libera, se expande repentinamente y produce una bajada de temperatura tan enorme que se solidifica en 'nieve' en polvo. Esta nieve se volatiliza (se evapora) al contacto con la sustancia en combustión, produciendo una capa de gas que enfría y mitiga la llama. El dióxido de carbono sólido, conocido como hielo seco, se usa mucho como refrigerante. Su capacidad para enfriar es casi el doble que la del hielo del agua; sus ventajas son que no pasa a líquido sino que se convierte en un gas, produciendo una atmósfera inerte que reduce el crecimiento de las bacterias.
El producto de la combustión total del carbono, el dióxido de carbono, desempeña una importante misión en la naturaleza como componente de las aguas naturales, como producto de la respiración y como materia prima para la asimilación. Es mas denso que el aire y por desplazamiento del aire, se disuelve regularmente en agua, muy lentamente, de manera que la producción debe ser lenta de, lo contrario no se lograría disolver una cantidad apreciable, la solución acuosa es inestable y contiene algo de ácido carbónico que es un ácido débil
PARTE EXPERIMENTAL
Procedimiento
En matraz kitasato se introduce 15g de carbonato de calcio, se arma el equipo de reacción que consta de un matraz y un embudo de decantación, tiene que estar perfectamente asegurado, en el embudo de decantación se introduce ácido clorhídrico unos 30ml 1:2 , luego se abre la llave del embudo para que el ácido entre al matraz, debe el ácido entrar lo mas lentamente posible de preferencia gota agota, la reacción es rápida y el gas se desprendimiento del matraz, el gas se recoge en un tubo seco, luego en agua con hielo y finalmente en dos tubos con agua de barita, uno de ellos debe tener fenoltaleina. Burbujear hasta que se disuelva el precipitado formado, guarde los tubos para uso posterior.

HCl + CaCO3 CO2 + Cl2Ca + H2O
Propiedades físicas
a) olor: inodoro
b) color: incoloro
c) solubilidad:
Propiedades químicas
1) Combustión
Se comprueba que este gas no es comestible
CO2 + O2

2) Formación del bicarbonato.- En los dos tubos antes mencionados, el precipitado que se forma es el carbonato de bario, luego al disolverlo se forma el bicarbonato de bario que es soluble al igual que el calcio y magnesio que son los que forman la dureza del agua.

CO2 + Ba(OH)2 Ba(HCO3)2
3) Carácter ácido.- Las soluciones acuosas del dióxido de carbono presentan carácter ácido, medir el ph de dicha solución y escribir la ecuación de reacción del gas con el agua.
CO2 + H2O H2CO3 Ph= 3,5


4) Precipitación de CO-23 .- En varios tubos de ensayo colocar los diferentes reactivos indicados de 3ml y añadir gota a gota carbonato de sodio hasta notar la aparición de precipitados: Nitrato de plata, cloruro de calcio y Sulfato de cobre.

5) Identificación de CO3-2 y HCO3.- En un tubo mezclamos 2ml de carbonato de sodio con 2ml de bicarbonato de sodio, luego le agregamos cloruro de calcio o bario, gota a gota, hasta que precipite todo el carbonato, luego lo llevamos a la centrifugadora para separar el sólido del líquido, continuamos trabajando con el líquido, que contiene el bicarbonato, el cual le podemos agregar amoniaco o hervirlo para la descomposición del bicarbonato.

RECOMENDACIONES
- Tener cuidado con todo reactivo peligro en la clase de laboratorio
CONCLUSIÓN
- En este laboratorio conocimos las propiedades física y química, relacionando su solubilidad en las aguas naturales y la formación de bicarbonat



CUESTIONARIO Nº 10
LABORATORIO

1.- Si el gas carbónico no es venenoso, porque puede producir la muerte si se entra a una atmósfera de dióxido de carbono.
El dióxido de carbono constantemente se elimina de la atmósfera como parte del ciclo del carbono. Si esto no sucediera, el mundo se calentaría y sería tan caliente como Venus. Los mecanismos que retiran el carbono de la atmósfera se llaman "sumideros de carbono". Los bosques del mundo son un gran sumidero de carbono. Deforestar implica reducir el tamaño de este sumidero, permitiendo que más dióxido de carbono permanezca en la atmósfera. Por otro lado, los recientes desarrollos tecnológicos permiten a los humanos desarrollar un nuevo tipo de sumidero de carbono a través de la captura y el almacenamiento de carbono
2.- Cuáles son las ventajas de la nieve carbónica con respecto al hielo.
Esta nieve se volatiliza (se evapora) al contacto con la sustancia en combustión, produciendo una capa de gas que enfría y mitiga la llama. El dióxido de carbono sólido, conocido como hielo seco, se usa mucho como refrigerante. Su capacidad para enfriar es casi el doble que la del hielo del agua; sus ventajas son que no pasa a líquido sino que se convierte en un gas, produciendo una atmósfera inerte que reduce el crecimiento de las bacterias.
3.- Cuáles son los tipos de durezas en el agua que existen, defina cada una de ellas y como se las puede destruir.
Hay dos tipos de dureza:
Dureza temporal del agua.- se dice que el agua tiene dureza temporal si contiene hidrógeno carbonatos de calcio y de magnesio ya que este tipo de dureza puede eliminarse fácilmente por ebullición.
Dureza permanente del agua.- contienen sulfatos de calcio y de magnesio. Ni la ebullición ni la adición de cal hidratada eliminan este tipo de dureza, sin embargo pueden eliminarse junto con la dureza temporal, mediante la adición de sosa para blanquear, Na2CO3, por el proceso de la permutita.
4.- Cuáles serian las posibles fuentes de dióxido de carbono en muestra región
El dióxido de carbono ha estado ingresando en la atmósfera proveniente de diversas fuentes durante millones de años. Una de estas fuentes, la combustión de combustibles fósiles realizada por los seres humanos, comenzó con la Revolución Industrial. Ahora es una gran fuente de dióxido de carbono y ejerce un importante efecto en el equilibrio del ciclo del carbono.
Veamos de dónde proviene el CO2 en la atmósfera.
Respiración
Los animales extraen oxígeno del aire que respiran. Se combina con azúcares produciendo energía, CO2 y agua. Los peces y otras criaturas acuáticas extraen el oxígeno disuelto del agua en la que viven. La respiración ocurre en las plantas también. Las plantas necesitan energía para crecer. Las plantas verdes son fuentes de CO2 mediante la respiración, y sumideros de CO2 por la fotosíntesis.
Descomposición
Cuando las plantas y animales mueren, comienzan a sufrir procesos químicos que descomponen los compuestos orgánicos que las integran en compuestos más simples, incluso el CO2.
Volcanes
Las erupciones volcánicas producen emisiones sólidas y gaseosas que incluyen CO2.
Difusión fuera de los océanos
El CO2 disuelto es liberado al aire desde los océanos. Como se explicó anteriormente, esto es parte de un proceso de dos vías en el que el CO2 también es absorbido por los océanos. Actualmente hay más CO2 absorbido que liberado. Los océanos son un sumidero neto de CO2.
Intervenciones humanasLas actividades humanas influyen en el flujo de CO2 hacia y fuera de la atmósfera. En los últimos 150 años, estos efectos aumentaron significativamente.