Filtros al vacío

La filtración por vacío es una técnica perfectamente establecida en el desaguado industrial. Todos los filtros de vacío trabajan de forma muy similar. Dentro de un tanque de pulpa, se aplica una presión diferencial a través del vacío entre la superficie filtrante y la cara interna del tambor, disco o banda. Esta diferencia de presión provocará que el fluido sea transportado a través del medio filtrante al mismo tiempo que las partículas sólidas son retenidas por la superficie filtrante formando la costra o torta (cake). En aquellas unidades giratorias, la costra será elevada por encima del nivel de la pulpa permitiendo que el aire entre a través de la costra forzando de esta manera a salir al líquido remanente a través de redes de tuberías internas hasta los depósitos de fluido de filtrado.

Son filtros con medio filtrante y en ellos puede aprovecharse la torta y el filtrado. Trabajan a depresión continua para la eliminación del líquido y a presión en un corto intervalo para el desprendimiento de la torta. Admiten filtración con capa previa o sin ella. La filtración se realiza a temperatura ambiente para lodos o fangos minerales en disolución de agua o moderadamente ácidas o básicas y con temperaturas más altas (60- 70º C) para soluciones ácidas o alcalinas.

Funcionan a una presión menor que la atmosférica abajo del septo, por lo común la presión corriente es esencialmente la atmosférica. Por consiguiente se limitan a una presión máxima de filtración de una atmósfera.

Puesto que la lechada de prefiltración se alimenta a la presión atmosférica, puede llegar al tanque del filtro por gravedad o utilizando una bomba de carga baja.

174 La bomba al vacío es un accesorio importante para este tipo de filtros, puesto que es la fuerza impulsora para la filtración y en muchas operaciones industriales el dispositivo de mayor costo. El requerimiento de vacío se calcula como el volumen de aire diluido por área de superficie de filtro efectiva por minuto. El volumen de aire diluido equivale al volumen a la presión actual reducida. La elección de la bomba va a depender de los recursos económicos de la empresa. La elección de la bomba va a depender de los recursos económicos de la empresa.

En general su estructura considera un medio filtrante soportado sobre un sistema de drenaje, debajo del cual la presión se reduce al conectar un sistema de vacío. Los filtros pueden ser intermitentes o continuos, siendo estos últimos los de uso más común.

La principal justificación de la filtración a vacío es su adaptabilidad a los sistemas continuos.

Las ventajas de estos filtros son:

- Se pueden diseñar como filtros continuos y eficaces. - Utilizan poca mano de obra.

- La superficie de la filtración se puede abrir a la atmósfera y por consiguiente, es fácil llegar a ella para efectuar inspecciones y reparaciones.

- Los filtros continuos al vacío manejan un mayor tonelaje de sólidos que todos los demás tipos de filtros combinados.

- Manteniendo poco costoso. Sus principales desventajas son: - Se debe mantener el sistema al vacío.

- No se pueden usar filtros a un punto normal de ebullición bajo o a una temperatura de operación elevada.

- La mayoría de los filtros al vacío no pueden manejar sólidos compresibles, cuya filtración es difícil.

- Los filtros continuos al vacío son inflexibles, no ofrecen un buen desempeño si su corriente de alimentación cambia con respecto a la velocidad, la consistencia y el carácter de sólido.

- Por otra parte, los filtros al vacío intermitentes o también llamados por lotes, tienen un aprovechamiento limitado en la industria química.

Se clasifican en dos grandes grupos:

a).- Filtros intermitentes al Vacío: Dentro de esta clasificación se encuentran incluidos muchos filtros, como por ejemplo el filtro Butters, Galigher y el filtro Moore, dentro de los cuales el más importante es sin duda este último.

175 b).- Filtros continuos al Vacío: Dentro de los filtros de vacío continuos (filtros convencionales) están los filtros de tambor, de disco y los horizontales de banda o correa. Existe también el filtro cerámico, que es similar al de disco pero el vacío es generado gracias al principio de capilaridad.

1.- Filtro Moore

Fue el primero en utilizar la filtración a vacío en escala industrial. La hoja filtrante consiste en un bastidor sobre el cual se tensa un saco que constituye el filtro.

El bastidor es rectangular y echo de un tubo perforado conectado a un sistema de vacío. El aplastamiento del saco se impide por medio de listones de madera cosidos a él verticalmente y con huecos entre sí para la evacuación del filtrado.

Cuando se sumerge la hoja en el material a filtrar y se aplica vacío, se forma la torta exterior de la hoja, mientras que el filtrado se extrae a través de ella. Varias hojas suspendidas unas junto a otras constituyen una cesta, cuya capacidad es directamente proporcional al número de hojas multiplicado por área de las dos caras de una hoja.

Cuando la torta es suficientemente gruesa, se saca la cesta fuera del tanque de alimentación y se le transporta mediante una grúa al tanque de lavado, manteniendo el vacío por medio de unamanguera flexible. Después del lavado pertinente, se levanta la cesta nuevamente y se transporta a la tolva de descarga, sitio en el cual se suprime el vacío y se aplica aire a presión. La presión infla los sacos y descarga las tortas. Esta se desprende gracias a la acción lubricante del agua de lavado unidad al peso de la torta y el encorvamiento de la tela.

Las ventajas del filtro Moore son: - Su simplicidad de funcionamiento.

- La facilidad de inspección de las hojas después de la descarga de la torta.

- La facilidad con que se puede reemplazar una hoja nueva en lugar de alguna que se encuentre defectuosa.

- Su adaptabilidad a los ciclos prolongados de formación de tortas de lavado completo.

Las desventajas del filtro Moore son: - La tosquedad del sistema.

- Los requisitos de espacio y los riesgos inherente a la posibilidad de que secciones de torta se caigan de las hojas durante el transporte entre un tanque y otro, si ocurriera esto, el lavado sería ineficaz, por lo que requiere un control riguroso.

176 Se han usado filtros Moore en la industria metalúrgica y en la fabricación de ciertos pigmentos. Actualmente han sido reemplazados, por lo general con filtros continuos al vacío.

2.- Filtros de Tambor

Estas unidades tienen un amplio rango de aplicaciones y son seleccionadas allí donde se requiere en la costra una mínima humedad residual o bien se necesita un lavado efectivo de la costra.

Figura 99: Representación esquemática de un filtro de tambor

Consiste en un cilindro dispuesto horizontalmente, cuya superficie exterior está formada por una plancha perforada (rejillas de drenaje) sobre la que se fija la tela filtrante. El tambor filtrante está sumergido en la suspensión a tratar. La aplicación de vacío al medio filtrante origina la formación de un depósito o torta sobre la superficie exterior del tambor, conforme este va pasando, en su giro, por la suspensión. El tambor está dividido en segmentos cada uno de los cuales va conectado a la pieza giratoria de la válvula distribuidora, por la cual se aplica el vacío, se separa el líquido filtrado y los de lavado y llega al aire. Estos sectores tienen normalmente unos 30 cm de ancho y una longitud igual a la generatriz del tambor. El tambor tiene una velocidad de rotación muy baja de 1 a 2 r.p.m. Conforme el tambor gira en el sentido de las agujas del reloj la torta va adquiriendo espesor progresivamente, mientras que el líquido filtrado continúa pasando hacia el colector principal. La torta se lava por una serie de boquillas de riego montadas sobre tubos paralelos al eje del tambor llamadas colectores de lavado. Después del lavado la torta puede sufrir un apisonado mediante un rodillo para aumentar su densidad y disminuir su contenido en agua. El líquido de lavado se extrae

177 por escurrido y paso del aire. En la última etapa la torta queda sometida a un soplo de aire a la presión de 0,35 Kg/ cm2 de dentro hacia fuera. Este golpe de aire afloja la torta separándola del medio filtrante y se desprende normalmente con ayuda de un raspador o cuchilla. La superficie de filtrado varía entre 0,3 m2 y 80 m2.

Los filtros de tambor ofrecen una gran flexibilidad en el manejo de una ancha variedad de sustancias y de tamaños de partícula (D80) a través de la modificación de los

puntos de alimentación y del sistema de descarga de la torta. Se utilizan especialmente en trabajos de gran escala, como concentrados de flotación, pulpa de papel y bagazo de caña de azúcar.

En operaciones con pulpas de partículas gruesas debería considerarse la alimentación de la pulpa por la parte superior para provocar la segregación de las partículas gruesas que serían las que primero formarían la torta sobre la tela filtrante con una elevada permeabilidad.

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.

Es decir, el tipo de descarga seleccionado para el filtro de tambor va a depender de las características del material que se va a manejar (tendencia a cegar la tela filtrante, contenido de partículas fibrosas, etc.) y de los requerimientos de clarificación del filtrado. Los tipos de descarga más comunes son:

Descarga por rascador: Este tipo de descarga consiste en una cuchilla de rascado

situada sobre la superficie del tambor. Durante el ciclo de descarga se emplean un soplado a baja presión de aire para soltar la torta de la tela filtrante y así ser fácilmente descargada por el rascador. Este tipo de descarga no debe emplearse en materiales con tendencia a cegar e incrustarse sobre la tela filtrante.

Descarga por banda saliente: En aplicaciones donde el cegamiento de la tela va a

ser un problema este método de descarga puede ser una solución. En este sistema la tela filtrante se separa del tambor a partir de la zona de desaguado. La torta es descargada gracias a rodillos de pequeño diámetro que rompen la torta y la tela filtrante es lavada completamente a través de chorros de alta presión, tanto en su cara superior como en su cara inferior.

Descarga por rodillo: Este tipo de descarga se emplea en la industria de las arcillas

donde el material tiene tendencia a incrustarse en la tela y hay dificultad para separarlo. En este caso se emplea un rodillo flotante que gira a una velocidad mayor que el tambor y sobre el cual se adherirá la torta que será descargada gracias al empleo de rascadores.

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Descarga con el empleo de cuerdas: Se emplean cuerdas o cadenas paralelas y

separadas unos 10 mm entre sí y que envuelven al tambor y ayudarán a separar a la torta del tambor para posteriormente ser descargada a través de un juego de rodillos, evitando la separación de la tela del tambor. Se emplea en pulpas de materiales muy fibrosos.

Con precapa: Este tipo de filtros se emplea en el filtrado de sólidos que se

encuentra en la pulpa en muy poca cantidad y no son capaces de producir una torta de espesor suficiente para ser descargada a través de los otros mecanismos. El filtro es cubierto por una precapa basada en tierras de diatomeas, perlita o celulosa, manteniendo el tambor en vacío en su ciclo completo. Una cuchilla cortará la superficie de la precapa descargando las partículas que se han adherido a la misma. La precapa actúa como filtro y da lugar a filtrados con contenidos muy bajos de sólidos.

3.- Filtros de Disco

El filtro de discos consiste en un eje central que soporta un número determinado de discos, cada uno de los cuales está conectado a un equipo de vacío. Los discos tienen su parte inferior sumergida en la suspensión, de manera similar al caso del filtro de tambor. Cada disco está cubierto de una tela filtrante y, al igual que en el filtro de tambor, trabaja en ciclos de filtrado-secado-lavado-secado y descarga a medida que el sistema de discos va girando. Las superficies de filtrado varían de 2 m2 a 280 m2. La torta es descargada gracias al empleo de rascadores y el empleo de soplado de aire.

Figura 100: Filtro de disco

Cada disco puede filtrar productos distintos si los líquidos filtrados pueden mezclarse. Si no pueden mezclarse sólo pueden filtrarse dos productos independientes debido a que pueden colocarse dos válvulas distribuidoras, una en cada extremo del eje.

En los filtros de disco el lavado es más difícil de realizar. La ventaja de este equipo en comparación al filtro de tambor, es su gran superficie por unidad de área de piso ocupada, ya que cada disco permite filtrar por ambas caras y se puede acomodar un

179 número bastante grande de discos en un solo equipo. Otra ventaja es la forma modular por sectores en que están construidos los discos, lo que permite mayor facilidad y flexibilidad en el cambio de telas, además, los discos pueden cambiarse independientemente sin afectar ni detener el funcionamiento de los restantes discos del filtro.

3.1.- Filtros Cerámicos

Una variante de los filtros de discos, son los filtros cerámicos. Los filtros cerámicos en apariencia y funcionamiento son muy similares a los filtros de discos convencionales. La diferencia estriba en que los sectores que componen los discos son placas de un material cerámico micro poroso sinterizado como elemento filtrante, basado en óxido de aluminioy óxido de silicio.Además contienen cantidad menores de sodio, magnesio, potasio, calcio y hierro. Debido a la tensión superficial entre el agua y el material hidrofílico de la alúmina sinterizada, a cierto tamaño de poro, estos no evacuan el agua contenido en ellos. La placa cerámica no permite el paso de aire por lo que el consumo de aire es extremadamente bajo.

El mecanismo de operación de un filtro cerámico se debe al desplazamiento del filtrado por aire en el queque. El filtro cerámico está formad o por un conjunto de capilares. Un líquido que moja a un sólido forma un menisco en un tubo capilar y sufre una fuerza de atracción denominada fuerza capilar en la interfase sólido-líquido-aire.

Figura 101: Filtro de disco cerámico

Este tipo de medio filtrantes presentan excelente estabilidad química y térmica, puede ser usado hasta 500 °C de temperatura y soportan muy bien medios ácidos y alcalinos. El tipo de placa filtrante consiste en una capa superior micro porosa y una

180 capa granular de soporte. El material es altamente hidrofílico y existen dos tipos de placas cerámicas disponibles. El primer material posee poros de 1,5 micrones con un punto de capilaridad de 1,6 bar y el segundo posee poros de 2,0 micrones con un punto de capilaridad de 1,2 bar. Al sumergirse los discos dentro de la tina con pulpa, tienen una acción capilar iniciando el proceso de desaguado sin fuerza externa. La permeabilidad del agua es de 1.300 L/(m2*h*bar).

Con estos equipos se consiguen humedades de la torta muy bajas, cercanas a las obtenidas con filtros de presión. El diseño de los sectores que dirige el fluido a través de acciones de capilaridad disminuye los requerimientos de potencia exigidos en las bombas en comparación a los filtros de disco convencionales. Se aplica fundamentalmente en el filtrado de concentrados minerales.

Las etapas del proceso de filtración de un filtro cerámico son: - Formación del queque

La formación del queque toma lugar sobre los discos mientras estos rotan a través de la cuba con pulpa. La acción capilar comienza inmediatamente sin fuerzas externas una vez que la placa entra en contacto con la pulpa. La diferencia de presión extrae el liquido del queque a través del disco cerámico hacia los conductos de filtrado ubicados en el núcleo de la placa. El sólido se comienza a acumular rápidamente en la parte externa del disco mientras tanto el sólido y el aire no penetran la superficie del disco debido a su estructura.

- Secado del queque

Mientras los discos continúan rotando, la acción capilar continúa interrumpidamente a través de la superficie de los discos hasta que todo el liquido remanente es removido del queque. El resultado es una queque seco a una fracción de la energía requerida por un sistema de filtración convencional.

- Descarga del queque

Los raspadores remueven el queque formado desde los discos, dejando una delgada capa de sólidos sobre la superficie. Esta fina capa actúa como protección contra la abrasión mecánica, reduciendo los requerimientos de mantención y extendiendo la vida del disco cerámico.

- Lavado en contracorriente

Durante esta etapa, el filtrado es usado para limpiar los discos, removiendo los residuos de queque y limpiando la estructura micro porosa de los discos. Esto mantiene los discos con una alta eficiencia de filtración y le da una larga vida útil. Este lavado ocurre en cada ciclo inmediatamente después del raspado del queque.

181 - Lavado ultrasónico

El lavado puede ser también realizado mediante ultrasonido con solución ácida, la que es introducida desde el interior de la placa hacia la cuba. Una vez que la cuba este llena el transductor de ultrasonido puede ser activado.

Las variables que afectan la operatividad del filtro cerámico son: - Variables de proceso

Esta son básicamente el tamaño de partículas, gravedad específica, acondicionamiento químico de la pulpa, temperatura y porcentaje de sólidos.

- Variables de operación

Estas variables son el nivel de la cuba, velocidad de giro de los discos y presión del contenedor.

Las ventajas de los filtros cerámicos son: - Bajo consumo de energía.

- Funcionamiento continuo. - Alto vacio.

- Queques con bajo porcentaje de humedad. - Alta velocidad de filtración.

- Alta producción por área de filtrado. - Filtrado limpio.

- Bajo nivel de ruido.

- No requiere telas filtrantes.

- Instalación, operación y mantenimiento simple. 4.- Filtros Horizontales de Banda

El filtro de banda es un equipo muy sencillo compuesto por un marco de acero que soporta un conjunto de rodillos, sobre los cuales gira una banda transportadora de caucho natural u otro elastómero. La banda transportadora se mueve sobre 2 correas de desgaste y se suspende sobre un sistema de agua o aire para evitar desgaste por causa de la fricción. Sobre la banda transportadora está la tela de filtración, que puede ser de monofilamento o punzando. La superficie de filtración consiste en una zona de formación de queque seguida por una zona de secado. Si se requiere, pueden existir varias etapas de lavado y al final del filtro, antes de la descarga del queque, una área de secado.

En su funcionamiento, 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

182 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.Permite la filtración en continuo.