FILTRACIÓN

FILTRACIÓN

INTRODUCCIÓN……….4



CAPÍTULO 1

FILTRACIÓN

 Definición ……….4 – 5  Principales Aplicaciones en la industria……….5 – 8

Industria de Pinturas y Tintas

Industria Alimentaria y Agropecuaria

Industria Química y Petroquímica

Reciclado y Medio Ambiente

Industria Farmacéutica y Biotecnología

Pulpa y Papel

Industria Minera

 Clasificación de Filtración……….……….………..8 – 14 Clasificación de las Operaciones.

Procesos de Separación Física- Mecánica. Clasificación de los Procesos de Separación.

La filtración y los filtros se pueden clasificar en varias formas. Otras Características de la Filtración.

Características del Medio Filtrante.

 Aplicaciones de la Operación de la Filtración……….……..14 – 16



CAPÍTULO 2

TEORIA DE LA FILTRACIÓN

 Teoría de la filtración……….17 – 20 Filtración a presión constante.

Filtración a velocidad constante.

Filtración a presión y velocidad variables.



Fundamentos de la filtración………20 - 26

Fundamentos de la clarificación

Fundamentos de la filtración de torta

Caída de presión a través de la torta de filtración

 Medios Filtrantes ………...26 – 29 Telas de Fibras Tejidas. Telas Metálicas o Cedazos. Fieltros Prensados y Borra de Algodón. Tramas no Tejidas. Papeles de Filtro. Medios Porosos Rígidos. Membranas Poliméricas. Lechos Granulares de Sólidos Particulados



Aspectos Teóricos……….29 – 30



CAPÍTULO 3

EQUIPOS PARA LA FILTRACIÓN

 Filtros de Torta………31  Filtros Intermitentes de Torta……….…32 - 33

Filtros Nutsche Filtro de Placas Horizontales

 Filtro Prensa……….………33 - 35 Filtro Prensa de Placas y Marcos Filtro Prensa de Placas Huecas

 Filtros Tubulares con Formación Externa de la Torta………35 - 36  Filtros de Hojas a Presión……….……….36 - 39

Filtros Horizontales de Hojas de Presión Filtros Verticales de Hojas de Presión

 Filtro Idrex HLF……….………40  Filtros con Formación Continua de la Torta……….……….40  Filtros de Tambor Giratorio……….………..40 - 41  Filtros con Descarga por Cuchilla……….….41 - 42  Filtros con Descarga por Medio de Cuerdas………42 - 43  Filtros con Medios Eliminables……….……….43 - 44

Filtro con Descarga por Medio de Banda Coilfilter

 Filtros con Descarga por Medio de Rodillos………44 - 45  Filtro de Tambor con un solo Compartimiento…….………45 - 46  Filtro Fest………..46 - 47  Filtros Continuos con Precapa……….……..47 - 48  Filtros de Disco……….48  Filtros Horizontales al Vació……….49 - 50  Filtros Horizontales Tipo Paila, con descarga de tornillo y de

plancha……….50 - 51

 Filtros de Pailas Inclinables………..51 - 52  Filtro de Banda Horizontal……….……..52 - 53  Espesadores del Filtro……….………..54 - 56  Filtros de Clarificación……….………56 - 57  Prensas de Placas y Filtros de Discos………..58 - 59  Clarificadores de Cartucho……….………59 - 63

Filtros mecánicas o de borde Flexibilidad Filtro Cyclamatic

 Filtros a Presión con Precapa……….63  CAPÍTULO 4

 ANEXO  Práctica de Filtración……….67 – 78  BIBLIOGRAFÍA……….………79 CAPÍTULO 1 FILTRACIÓN

INTRODUCCIÓN

En las industrias de procesos químicos y físicos, así como en la de procesos biológicos y de alimentos, existen semejanzas en cuanto a la forma en que los materiales de entrada o de alimentación se modifican o se procesan para obtener materiales finales de productos químicos entre otros. Es posible considerar estos procesos químicos, físicos, clasificarlos en una serie de etapas individuales y diferentes, llamadas operaciones unitarias. Sin embargo el término ‘’Operaciones Unitarias’’ ha sido sustituido por ‘’Procesos de Separación’’.

DEFINICIÓN

La filtración es la separación de una mezcla de sólidos y fluidos que incluye el paso de la mayor parte del fluido a través de un medio poroso, que retiene la mayor parte de las partículas sólidas contenidas en la mezcla. Filtración es el nombre de la operación unitaria. Un filtro es un equipo de las operaciones unitarias por medio del que se realiza la filtración. El medio filtrante es la barrera que permite que pase el líquido, mientras retiene la mayor parte de los sólidos.

Las aplicaciones de los procesos de filtración son muy extensas, encontrándose en muchos ámbitos de la actividad humana, tanto en la vida doméstica como de la industria general, donde son particularmente importantes aquellos procesos industriales que requieren de las técnicas químicas.

La filtración se ha desarrollado tradicionalmente desde un estudio de arte práctico, recibiendo una mayor atención teórica desde el siglo XX. La clasificación de los procesos de filtración y los equipos es diversa y en general, las categorías de clasificación no se excluyen unas de otras.

La variedad de dispositivos de filtración o filtros es tan extensa como las variedades de materiales porosos disponibles como medios filtrantes y las condiciones particulares de cada aplicación: desde sencillos dispositivos, como los filtros domésticos de café o los embudos de filtración para separaciones de laboratorio, hasta grandes sistemas complejos de elevada automatización como los empleados en las industrias petroquímicas y de refino para la recuperación de catalizadores de alto valor, o los sistemas de tratamiento de agua potable destinada al suministro urbano.

PRINCIPALES APLICACIONES EN LA INDUSTRIA

Las aplicaciones de la filtración en la industria se pueden considerar en 3 categorías. La primera incluye todas las aplicaciones en las que la suspensión que contiene grandes cantidades de sólidos insolubles se separan en los sólidos y líquidos que la componen, formándose una torta en la parte anterior del medio conociéndose el proceso como filtración por torta o de torta.

La segunda categoría se denomina clarificación y en esta se quitan pequeñas cantidades de un sólido insoluble a un líquido valioso donde el propósito es generalmente producir un líquido claro.

La tercera se denomina microfiltración donde se separan partículas muy finas por lo general microorganismos de los alimentos.

En particular los filtros prensa tienen una amplia aplicación en la separación sólido-líquido. Se utilizan mucho para el filtrado y clarificación de numerosos líquidos, también tienen utilidad en las industrias químicas o en las de los textiles artificiales, industria azucarera, cervecería, vinificación, industrias aceiteras, industria cerámica o

en ciertas industrias extractivas. Actualmente los filtros prensa tienen un uso preferencial en muchas industrias por los altos rendimientos obtenidos, factor determinante en la industria pesada y minera, donde se exigen respuestas muy efectivas con equipos de nivel técnico especial.

Industria de Pinturas y Tintas

Muchas aplicaciones en esta industria demandan un servicio fiable de 24 horas/ 7 días a la semana. Un ambiente corrosivo, elevadas temperaturas y a menudo una atmosfera inestable requiere un diseño adecuado. Los sistemas de filtración se crearon para cumplir con estos requisitos. Los sistemas convencionales como los filtros de tambor y centrifugadoras han sido sustituidos satisfactoriamente por los Filtros Prensa.

Aplicaciones típicas:

 Dióxido de titano (TiO2)(acabado/ desalinización y desechos/neutralización)  Sosa caustica

 Ácidos

 Revestimientos

Industria Alimentaria y Agropecuaria

Los Filtros Prensa y los sistemas de purificación de jugo son aplicaciones estándar para la industria azucarera. Un diseño de altas prestaciones, así como un alto nivel de automatización convierte estos filtros en la elección ideal para muchas aplicaciones en este mercado.

Las aplicaciones más comunes:

 Cerveza

 Aceites alimentarios

 “Energías Verdes” (Bioetanol)  Residuos animales

 Azúcar y procesos de endulzamiento Industria Química y Petroquímica

Los sistemas de Filtro Prensa ofrecen amplias capacidades con procesos completamente automatizados para esta industria. Materiales resistentes a la corrosión y abrasión y un diseño sólido para una operatividad de 24 horas/7 días a la semana, convierte estos sistemas de filtración en la elección ideal para este mercado. Las aplicaciones típicas:

 Carbonato de calcio(CaCO3)  Sulfuro de bario (fluido acabado)  Silicatos (producto y desecho)  Polímeros (fibras)

 Solución de salmuera(refrigeración de recuperación)

Reciclado y Medio Ambiente

Para este tipo de industria, se tienen varios diseños de Filtro Prensa, además de asistencia en el desarrollo en nuestro laboratorio de ensayo.

Las aplicaciones más comunes:

 Procesamiento de piedras(cortar, aplicaciones de pulido y lavado de grava)  Fibras de plástico(reciclaje de alfombras)

 Centrales eléctricas (desulfuración de gases de combustión, REA)  Desechos industriales

 Desechos químicos

Industria Farmacéutica y Biotecnología

La demanda de procesos meticulosamente controlados y unos entornos limpios se pueden cubrir con los sistemas de Filtro Prensa.

Las aplicaciones son:  Levadura  Biosólidos  Algas  Plasma sanguíneo  Enzimas Pulpa y Papel

A pesar de que las centrifugadoras son la elección preferida como equipo de deshidratación en esta industria, los sistemas de Filtro Prensa han mostrado mejores

resultados con relación a la tasa de captura de sólidos, contenido de humedad final y eliminación de sal (lavado de torta).

Las aplicaciones más comunes:

 Licor verde (Recuperación en sosa)

 Tratamiento de residuos de revestimiento

Industria Minera

La demanda de Filtro Prensa de grandes capacidades para entornos duros, convierte a los sistemas de Filtro Prensa Putsch® con su innovador sistema de descarga de tortas, en una opción económica para esta industria.

Las aplicaciones típicas:

 Concentrado de minerales  Lodos de flotación

 Carbón

 Arcilla (caolín, bentonita, cerámica)

CLASIFICACIÓN

Clasificación de las Operaciones Unitarias.

Las operaciones unitarias son de naturaleza física. Se pueden dividir en 5 grandes grupos:

2. Transmisión de calor. 3. Mezclado.

4. Separación: Destilación, extracción, absorción, adsorción, evaporación, cristalización, humidificación, secado, filtración y centrifugación.

5. Manejo de sólidos: Compresión, molienda, tamizado etc. No hay una clara división entre algunas operaciones

Procesos de Separación Físico-Mecánico

Son los Procesos en los que se usan las fuerzas físicas y se utilizan aparatos o técnicas mecánicas para llevar a cabo la separación de moléculas solidas.

Las fuerzas físico-mecánicas incluyen la gravitación y la centrifugación, las fuerzas mecánicas mencionadas y las fuerzas cinéticas causadas por flujos. Las corrientes de partículas o fluidos se separan debido a los diferentes efectos que sobre ellas producen estas fuerzas.

Clasificación de los Procesos de Separación.

1. Filtración: El problema general de la separación de partículas sólidas en líquidos se puede resolver usando gran diversidad de métodos, dependientes del tipo de sólidos de la proporción de sólidos a líquidos en la mezcla, de la viscosidad de la solución y de otros factores. En la filtración se establece una diferencia de presión que hace que el fluido fluya a través de poros pequeños que impiden el paso, de las partículas sólidas las que, a su vez, se acumulan sobre la tela como torta porosa.

2. Precipitación y sedimentación: En la precipitación y la sedimentación las partículas se separan del fluido debido a las fuerzas gravitacionales que actúan sobre las partículas de tamaños y densidades diferentes.

3. Precipitación y sedimentación por centrifugación: En las separaciones por centrifugación, las partículas se separan del fluido a causa de las fuerzas que actúan sobre las partículas de tamaños y densidades diferentes.

4. Reducción Mecánica de tamaño y separación: En la Reducción mecánica de tamaño, las partículas solidas se fragmentan por medios mecánicos en tamaños más pequeños y se separan de acuerdo con sus dimensiones.

En el presente trabajo solo se enfocará en el proceso de Filtración, proporcionando un análisis y así un diseño de una operación de filtrado a nivel planta piloto en Fes Zaragoza.

La filtración se considera como una operación unitaria y está comprendida las separaciones mecánicas, basadas en diferencias físicas de las partículas se define como la separación de las partículas sólidas suspendidas en un fluido forzándolas a pasar a través de un medio poroso, fibroso o granular. La filtración tiene por objeto lo siguiente:

1. Clarificación de sólidos 2. Recuperación de sólidos 3. Recuperación de líquidos 4. Recuperación de ambas fases

5. Filtración para facilitar otras operaciones como: presecado, lavado de materiales solubles depositados en los sólidos, etc.

En la filtración, las partículas suspendidas en un fluido, ya sea líquido o gas, se separan mecánicamente o físicamente usando un medio poroso que retiene las partículas en forma de fase separadas que permiten el paso del filtrado sin sólido. Las filtraciones comerciales cubren una amplia gama de aplicaciones. El fluido puede ser un gas o un líquido. Las partículas sólidas suspendidas pueden ser muy finas (del orden micrómetros) o bastantes grandes, muy rígidas o plásticas, esféricas o de forma muy irregular, agregados o partículas individuales. El producto valioso puede ser el filtrado sin sólidos o la torta sólida. En algunos de los casos, se requiere una eliminación completa de las partículas sólidas y en otros, basta una eliminación parcial.

La alimentación o suspensión de entrada puede contener una gran carga de partículas sólidas o una proporción baja. Cuando la concentración es mínima, los filtros operan por tiempos muy largos, antes de que sea necesario limpiar el medio filtrante. Debido a la gran diversidad de problemas de filtración, se ha desarrollado un enorme número de equipos de filtración.

El equipo de filtración difiere del de laboratorio únicamente en lo que respecta a la cantidad de materia que se maneja y en la necesidad de operar en bajos costos.

1. Por la fuerza impulsora. Se induce el flujo del filtrado por el medio filtrante mediante la carga hidrostática (gravedad), presión sobreatmosférica o vacio aplicado corriente abajo del citado medio o fuerza centrífuga a través de este último. La filtración centrifuga se asocia por lo común a la sedimentación centrífuga, y ambas son objeto de estudio bajo el título “Centrífugas”.

2. Por el mecanismo de filtración. Aunque el mecanismo para la separación y acumulación de sólidos no se comprende claramente, dos modelos suelen ser considerados y constituyen la base para la aplicación de la teoría al proceso de filtración. Cuando los sólidos quedan detenidos en la superficie de un medio de filtración y se amontonan unos sobre otros para formar una torta de creciente espesor, la separación es conocida como filtración de torta. Cuando los sólidos quedan atrapados dentro de los poros o cuerpo del medio filtración, se le denomina medio filtrante de profundidad, o filtración clarificadora.

3. Por la función. La meta del proceso de filtración puede ser la obtención de sólidos secos (la torta es el producto de valor), líquido clarificado (el filtrado es el producto valioso) o ambas cosas. La recuperación de buenos sólidos se obtiene mejor mediante la filtración de la torta, mientras que la clasificación del líquido se logra ya sea por la filtración de profundidad o de torta.

4. Por ciclo operacional. Los filtros pueden ser intermitentes (por lotes) o continuos y los filtros por lotes se pueden manejar con una fuerza impulsora de presión constante, a la velocidad constante o en ciclos variables, con respecto tanto a la presión como la velocidad. El ciclo por lotes puede variar grandemente, dependiendo del área del filtrado y la carga de sólidos.

5. Por la naturaleza de los sólidos. La filtración de tortas puede incluir una acumulación de sólidos o sustancialmente incompresibles, que corresponde, más o menos, en la filtración de medio del filtro, a partículas deformables y rígidas. El tamaño de partículas o de agregados de partículas puede ser del mismo orden de magnitud que el tamaño de poros mínimos de la mayor parte de los medios de filtración (1 a 10 micras y mayores) o más pequeños (de 1 micra hasta las dimensiones de las bacterias o, incluso, las moléculas grandes).

Otras Características de la Filtración

De modo general, la eficiencia de remoción de partículas suspendidas en medio filtrante, está relacionada con las siguientes características de la suspensión:

1. Tipo de partículas suspendidas 2. Tamaño de las partículas suspendidas 3. Densidad de las partículas suspendidas

4. Resistencia o dureza de las partículas suspendidas (flóculos) 5. Temperatura del agua a ser filtrada

6. Concentración de partículas en el afluente 7. Potencial Zeta de la suspensión

8. PH del afluente

1. Tipo de Partículas Suspendidas

La filtración de flóculo que no sedimentan en una planta de ablandamiento difiere sustancialmente del caso en que se tienen flóculo provenientes de pretratamiento con una sal de fierro o aluminio. Por otro lado, el tipo de partículas primarias presentes en el agua cruda influye en la eficiencia de la filtración. Por ejemplo, la existencia de algas en el afluente a los filtros de una instalación de filtración directa, influye en la formación de curvas de pérdida de carga más acentuadas que aquellas en el que el

afluente solo posee partícula

s suspendidas coaguladas de arcilla o sílice.

2. Tamaño de las Partículas Suspendidas

Existe un tamaño crítico de partículas suspendidas, del orden de 1μm, para la cual se tiene menos oportunidad de contacto entre la partícula suspendida y el grano del medio filtrante. Este hecho se puede observar desde el principio cuando el medio filtrante está limpio, hasta el final de la carrera de filtración. Algunos productos químicos, como los coagulantes tradicionales y polímeros pueden usarse para ajustar el tamaño de las partículas suspendidas de modo de obtener una eficiencia mayor. Las partículas menores que el tamaño crítico serán removidas eficientemente debido a la acción de otros mecanismos, como la interceptación y sedimentación.

Cuanto mayor sea la densidad de las partículas suspendidas, mayor será la eficiencia de remoción de las partículas de tamaño superior al crítico mencionada anteriormente.

4. Resistencia o Dureza de los Flóculo

La dureza de los flóculo es otro factor importante en la filtración rápida, pues los flóculo débiles tienden a fragmentarse y penetrar fácilmente en el interior del medio filtrante, favorecido que ocurra el traspase final de la turbidez límite, mientras que los flóculo duros o resistentes no se fragmentan fácilmente, pero producen una pérdida de carga mayor.

5. Temperatura

En general, el aumento de temperatura conduce a una eficiencia mayor pues se tiene un aumento de energía termodinámica en las partículas del agua y consecuentemente, la difusión se vuelve un mecanismo importante cuando se tienen partículas suspendidas menores de una micra. Por otro lado, la disminución de la viscosidad facilita la acción del mecanismo de sedimentación de partículas de 1μm.

6. Concentración de Partículas Suspendidas

Cuando el medio filtrante se encuentra limpio la eficiencia de remoción depende de la concentración de partículas en el afluente. Después del algún tiempo de filtración, la eficiencia de remoción aumenta con el aumento de concentración de las partículas suspendidas en el afluente, pues las partículas retenidas hacen de colectoras con otras partículas suspendidas. Evidentemente. Al existir una eficiencia de remoción mayor con el aumento de concentración, la curva de pérdida de carga en función del tiempo será más acentuada.

7. Potencial Z

Cuando las partículas suspendidas y los granos del medio filtrante tienen potencial Z del mismo signo, la interacción entre las capas dificulta la adherencia, reduciendo la eficiencia de remoción. Como los materiales filtrantes usuales presentan potenciales Z negativas, sería conveniente que las partículas suspendidas tuviesen potencial Z negativo.

8. PH del afluente

El pH influye en la capacidad de intercambio iónico entre las partículas suspendidas y los granos del medio filtrante. Para valores pH inferiores a 7,0 disminuye el intercambio de cationes y aumenta el intercambio de aniones sobre las superficies positivas; mientras que para los valores pH superiores a 7,0 se produce un aumento en el intercambio de cationes y una disminución en el intercambio de aniones sobre las superficies negativas.

CARACTERISTICAS DEL MEDIO FILTRANTE

Entre las características del medio filtrante que influyen en la filtración se destacan:  el tipo del medio filtrante

 El tamaño efectivo del material filtrante  El espesor de la capa filtrante

Tipo del Medio Filtrante

El tipo del medio filtrante debe seleccionarse basándose en la calidad que se desea para el agua filtrada. Adicionalmente, también debe tenerse en cuenta, la duración de la carrera de filtración y la facilidad de lavado. Un medio filtrante ideal es aquel de una determinada granulometría y granos de un cierto peso específico, que requiere una cantidad mínima de agua para ser lavado específicamente y que es capaz de remover la mayor cantidad posible de partículas suspendidas, produciendo un efluente de buena calidad.

Tamaño Efectivo del Medio Filtrante

Los materiales filtrantes se especifican sobre la base de por lo menos cuatro características:

 Tamaño efectivo

(

T

e) : en relación al porcentaje (en peso) que pasa por las mallas de una serie granulométrica, el tamaño efectivo se refiere al tamaño de granos correspondientes al porcentaje de 10%.

 Coeficiente de uniformidad

(

C

u

)

_{: con relación al porcentaje (en peso) que} pasa por las mallas de una serie granulométrica, el coeficiente de uniformidad es igual a la relación entre el tamaño de los granos correspondientes al 60% y el tamaño de los granos correspondiente al 10%.

 Forma: la forma de los granos normalmente se evalúa en función del coeficiente de esfericidad

(

C

e) , que es igual a la relación entre el diámetro de una esfera, de velocidad de sedimentación igual a la del los granos considerado, y el tamaño medio de los granos entre dos mallas consecutivas de la serie granulométrica, entre las que se preparó el medio filtrante.

 Peso específico

(

P

e

)

: el peso específico del material es igual al peso de los granos dividido por el volumen efectivo que ocupa los granos.

Estas cuatro características son muy importantes para especificar los materiales que componen un medio filtrante de dos o más capas.

Espesor de las Capas Filtrantes

La operación ideal de un filtro es aquella en que la perdida de carga máxima se produce en el mismo instante en que el efluente presenta la turbiedad límite, conforme se puede observar cualitativamente en la Figura 5 que muestra la curva de pérdida de carga y del espesor del medio filtrante, para una determinada tasa de filtración, turbiedad límite fijada, pérdida de carga límite fijada, e invariables las demás características de la suspensión y del medio filtrante.

Aplicaciones de la operación filtración.

Entre las aplicaciones de los filtros se debe mencionar que, aparte de la filtración propiamente dicha, éstos pueden realizar otras funciones de separación sólido-líquido como:

 Extracción,  Lavado de Torta,  Deshidratación

 Recuperación de Sustancias.

La filtración se emplea en un gran número de procesos relacionados con industrias muy diversas; como ejemplo se citan las siguientes:

 Química: Filtración de azufre fundido, silicato sódico, ácido cítrico, resinas y fibras sintéticas, plásticos.

 Farmacéutica: Producción de vitaminas y antibióticos

 Alimentaria: Filtración de glucosa, fructosa y azúcares, jugos de frutas, cerveza, vino,

En la producción de azúcar se emplean filtros de vacío siempre que es necesaria la separación de materia sólida de un líquido, también aparecen centrífugas. En la producción de zumos de frutas, hay que señalar que está aumentada la utilización de filtros para espesamiento de tipo continuo frente a los típicos decantadores.

En el embotellado vino o zumos de frutas, se emplean los filtros de placas como filtro final para la esterilización. Otros usos de los filtros en la industria del vino se dan en bodega para filtración clarificante y eliminación de turbidez si se coloca el filtro entre dos tanques.

 Industria del aceite: Pulido de aceites, blanqueo y dimerización.  Agroquímica: Producción de insecticidas

 Petroquímica: Separación de distintos componentes como la posibilidad de obtención de parafinas cristalinas de las que no lo son

 Recuperación y refino de metales:

Por ejemplo filtración de sales de zinc, cobre, níquel, etc.

Otro ejemplo es el tratamiento de minerales sulfurosos para la extracción de oro. El mineral después de ser concentrado en el circuito de flotación, debe ser lavado para eliminar las sales en exceso que tienen un efecto perjudicial en el proceso posterior de tostación. El método elegido para este proceso es el de filtración porque no sólo consigue el lavado requerido sino que produce una torta que se puede transportar

fácilmente al lugar de tostación. La filtración y el lavado se llevan a cabo usando dos filtros de banda que producen una torta con una humedad aproximada del 15%.

 Cerámica, Pinturas, pigmentos, tintes, barnices - Tratamiento de aguas residuales:

Tanto urbanas como procedentes de instalaciones industriales. La filtración aparece en el acondicionamiento de aguas residuales y en el tratamiento de fangos.

La filtración de agua implica su paso a través de capas de arena, carbón y otros materiales granulares para eliminar microorganismos y cualquier flóculo o sedimento que pudiera quedar.

También se emplean los filtros prensa en la filtración de fangos urbanos. El acondicionamiento se realiza con cal y cloruro férrico que mejora el espesamiento. Se consiguen humedades residuales del 50%.

Otras posibles aplicaciones son:

 Producción de cemento vía húmeda

 Para la obtención de sal en salinas, como se muestra en el siguiente diagrama:  También es posible el tratamiento de productos peligrosos para el medio

CAPÍTULO 2 TEORIA

TEORÍA DE LA FILTRACIÓN

La filtración ha evolucionado como un arte práctico, en vez de desarrollarse como una ciencia teórica. Sin embargo, la teoría la filtración ha recibido una atención continua desde los primeros trabajos de Carman y Ruth, hace medio siglo. Los esfuerzos teóricos han consistido, principalmente, en la cuantificación de la relación común de velocidad.

Velocidad = fuerza de impulsora / resistencia

Donde, para el caso general de la filtración, la resistencia es la suma de la resistencia del medio filtrante y la de la torta. En años recientes se ha incrementado la aplicación de la teoría a los problemas industriales con el estímulo de varios científicos, en especial Tiller y Pruchas.

La teoría de la filtración, aunque nunca se utilizo como base exclusiva para el diseño de un filtro para una operación dada, es valiosa para interpretar análisis de laboratorios, buscar las condiciones óptimas de filtración y predecir los efectos de los cambios en las condiciones operacionales. El empleo de la teoría de filtración esta limitados por el hecho de que las características de filtración se deben determinar siempre en la lechada real de que torta, puesto que los datos obtenidos con una lechada no son aplicables a otra. Esto es cierto si consideramos la naturaleza y el historial de las partículas sólidas y su interacción, cuya complejidad empieza a recibir la atención necesaria.

Una vez que se forma la capa de partículas sólidas en el medio filtrante, su superficie actúa como medio filtrante, de modo que los sólidos se depositan y se agregan al espesor de la torta, mientras que el licor claro pasa por ella. Por consiguiente, la torta se compone de una masa a granel de partículas de formas irregulares, por entre las cuales corren canales pequeños. El flujo de licor a través de los canales es siempre aerodinámico y, por tanto, se puede representar por medio de la ecuación de Poiseuille, que se adapta en la forma:

dV

Adθ

=

P

μ

[

αW

A

+

r

]

(1)

La velocidad de filtración se expresa adecuadamente en función del volumen de filtrado recogido V , el área de la superficie de filtración A y el tiempo θ . P es la caída total de presión en el medio de filtro y la torta depositada en él. La viscosidad es la del filtrado.

La velocidad se puede expresar también en términos de

W

, la masa de sólidos acumulados en la torta seca, correspondiente a V . W se relaciona con V mediante un balance simple de materiales, * de modo que:

W=ωV =

_1−mc

ρc

V

(2)

En donde

ω

es la masa de sólidos de la torta seca por unidad de volumen de filtrado; ρ , la densidad del filtrado; c , la fracción de masa de los sólidos de la torta en lechada (o suspensión), y

m

, la relación de masas de la torta con la presión mediantes la expresión

α=α ´ P

s (3)

En donde α ´ es una constante determinada en gran parte por el tamaño de las partículas que forman la torta;

s

, la compresibilidad de la torta, que varía de cero para las tortas e incompresibles, como las de diatomita y arena fina, a 1.0 para las tortas muy compresibles. Para la mayor parte de las lechadas industriales,

s

se encuentra entre 0.1 y 0.8. El símbolo r representa la resistencia del área unitaria del medio de filtración; pero incluye otras pérdidas (aparte de las que se producen a través de la torta y el medio) en el sistema, donde P es la caída de presión.

Para utilizar la ecuación (1) es necesario conocer el patrón del proceso de filtración, es decir, la variación de la velocidad del flujo y la presión con respecto al tiempo. Por lo general, el mecanismo de bombeo determina las características del flujo de filtración y sirve de base a las tres categorías siguientes:

1. Filtración a presión constante. El mecanismo de impulso es gas comprimido, que se mantiene a una presión constante.

2. Filtración a velocidad constante. Se utilizan varios tipos de bombas de desplazamiento positivo.

3. Filtración a presión y velocidad variables. El empleo de una bomba centrifuga da por resultado este patrón: la velocidad de descarga disminuye al incrementar la contrapresión.

Filtración a presión constante. La ecuación (1) se puede integrar como sigue para filtración a presión constante, dando la relación entre las mediciones de filtrado y el tiempo total.

_{V / A}

θ

=

_{2 P}

μα

W

_A

+

μr

_P

(4a)

V / A

θ

=

μαω

2 P

W

A

+

μr

P

(4b)

V / A

θ

=

μαω

2 P(1−mc)

V

A

+

μr

P

(4c)

Para una filtración dada a presión constante, esto se puede simplificar a

V / A

θ

=

K

p

W

A

+

c=K ´

p

V

A

+

c

(4d)

En donde

K

p

, K ´

p

, c

son constantes para las condiciones empleadas. Se debe observar que

K

p

, K ´

p

, y c

_{dependen de la presión de filtración no sólo del modo} explicito evidente, sino también en el sentido implícito de que α , m y r son, generalmente, dependientes de

P

.

Filtración a velocidad constante. Para tortas sustancialmente incomprensibles, se puede integrar la ecuación (1) para una velocidad constante de alimentación de lechada al filtro, con el fin de obtener las siguientes ecuaciones, en las cuales se considera la resistencia del medio filtrante como el componente equivalente de presión constante

que se debe deducir de la caída total creciente de presión para dar la presión variable a través de la torta del filtro

V / A

θ

=

1

velocidad por unidad de á rea

=

μα

P−P

1

W

A

(5a)

Que se puede escribir también como:

θ

V / A

=

μα

P−P

₁

W

A

=

¿

μαρc

(

P−P

₁

)

(1−mc)

V

A

(5b)

En esas ecuaciones,

P

1 es la caída de presión en el medio del filtro

P

₁

=

μr (

V

Aθ

)

Para una operación dada a velocidad constante, las ecuaciones se pueden simplificar a

V / A=P /K

r

+

C ´

(5c)

En donde

K

r

y C ´

son constantes para las condiciones dadas.

Filtración a velocidad y presión variables. El modelo de esta categoría complica la utilización de la ecuación de velocidad básica. El método de Tiller y Crump puede ser utilizado para integrar la ecuación cuando existe la curva característica de alimentación de la bomba.

FUNDAMENTOS DE LA FILTRACIÓN

La filtración es un ejemplo especial del flujo a través de medios porosos. En

filtración tales resistencias aumentan con el tiempo a medida que el medio

filtrante se va obstruyendo o se forma una torta de filtración. Las principales

magnitudes de interés son la velocidad de flujo a través del filtro y la caída de

presión en la unidad. A medida que transcurre el proceso, o bien disminuye la

velocidad de flujo o aumenta la caída de presión. En la llamada filtración a

presión constante la caída de presión permanece constante y la velocidad de

flujo va disminuyendo con el tiempo; menos frecuente es que la presión

aumente progresivamente para dar lugar a la llamada filtración a velocidad

constante.

Una ecuación general para todos los tipos de filtración a presión constante fue

desarrollada por Hermans y Bredéeg en 1935. Su ecuación es

d

2

t

d V

2

=

k

1

(

dt

dV

)

n

(1)

V = volumen de líquido filtrado, o simplemente filtrado, recogido durante el

tiempo t

k, n = constantes

En la filtración de clarificación n puede ser 2,

3

2 , o 1, dependiendo del

mecanismo para el cual se deposite la partícula. En la filtración de torta n = 0.

Para la filtración a velocidad constante la ecuación de Hermans-Bredée es

d (∆ P)

dV

=

k

2

(

∆ P)

(2)

Donde ΔP es la caída de presión a través del filtro y n tiene los mismos valores

que en la Ecuación anterior.

El tratamiento que sigue se refiere fundamentalmente a la filtración de

líquidos, si bien fundamentos similares son aplicables a la filtración de gases.

Fundamentos de la clarificación

Si las partículas sólidas que han de separarse obstruyen completamente los

poros del medio filtrante, y la velocidad de obstrucción es constante con el

tiempo, el mecanismo se conoce como coludo directo, para el cual n en las

Ecuaciones (1) y (2) adquiere el valor 2. El colado directo se produce en raras

ocasiones.

Mucho más frecuente es que las partículas bloqueen parcialmente los poros

dando lugar a una gradual reducción del tamaño de los mismos; este mecanismo

recibe el nombre de bloqueo estándar, para el que n = 3/2. Ocasionalmente,

durante la transición entre la clarificación y la formación de la torta puede

haber un período durante el cual n = 1, recibiendo entonces el nombre de

bloqueo intermedio.

El bloqueo estándar es el mecanismo habitual en los filtros de clarificación. Con

n = 3/2, la integración de la Ecuación (1) conduce a las siguientes ecuaciones

para la filtración a presión constante

q=q o (1 – K

2

V )

2

(3)

t

V

=

k

2

1+

1

q

₀

(4)

Donde

q = dV/dt, es la velocidad volumétrica de flujo a través del filtro

qo = velocidad de flujo para t = 0

K3 =constante igual a k2/2q0

1/2

∆ P

∆ Po

=

1

(1−K

3

V )

2

(5)

Donde

ΔPo = es la caída de presión al comienzo de la filtración.

Fundamentos de la filtración de torta

En la filtración de torta el líquido pasa a través de dos resistencias en serie: la

de la torta y la del medio filtrante. La resistencia del medio filtrante, que es la

única resistencia en los filtros clarificadores, normalmente sólo es importante

durante las primeras etapas de la filtración de torta. La resistencia de la torta

es nula al principio y aumenta con el tiempo a medida que transcurre la

filtración. Si la torta se lava después de la filtración, ambas resistencias son

constantes durante el período de lavado, y la del medio filtrante es

generalmente despreciable. La caída total de presión en un instante cualquiera

es la suma de las caídas de presión en el medio filtrante y en la torta. Si Pa es

la presión interior, Pb la presión exterior y p’ la presión en el límite de

separación entre el medio filtrante y la torta,

∆ P=Pa−Pb=( Pa−P ’)+(P−Pb)=∆ P

_c

+

∆ P

_m

(6)

donde

Δp = caída global de presión

Δp, = caída de presión en la torta

Ap, = caída de presión en el medio filtrante

La Figura 1 muestra esquemáticamente una sección transversal de la torta de

filtración y del medio filtrante para un tiempo definido t a partir del comienzo

del flujo de filtrado. Para este tiempo el espesor de la torta, medido desde el

medio filtrante, es Lc. El área del filtro, medida perpendicularmente a la

dirección de flujo, A. Considérese la delgada capa de torta de espesor dL

situada en la torta a una distancia L del medio filtrante. Sea la presión en este

punto p. Esta capa consta de un delgado lecho de partículas sólidas a través de

las cuales fluye el filtrado. En un lecho filtrante la velocidad es

suficientemente baja para asegurar que el flujo es laminar. En consecuencia, se

puede utilizar la Ecuación (7.18) como punto de partida para el tratamiento de

la caída de presión a través de la torta, teniendo en cuenta que Δp/L = -dp/dL,

y que para flujo laminar k2 en la Ecuación (7.18) es 0. Si la velocidad del

filtrado se representa por U, la Ecuación (7.18) se transforma en 4

dp

dL

=

k

₃

μu (1−ε)

2

(

Sp

up

)

2

g

_c

ε

3

(7)

donde

dp/dL = gradiente de presión para el espesor L

p= viscosidad del filtrado

u = velocidad lineal del filtrado basado en el área del filtro

sp = superficie de una sola partícula

vp = volumen de una sola partícula

E = porosidad de la torta

k, = constante

Figura 1. Sección transversal del medio filtrante y de la torta mostrando los gradientes de la presión: P presión del fluido, L distancia desde el medio filtrante

Para partículas de tamaño y forma definida

dispuestas al azar, k3 = 4,167.

La velocidad lineal u viene dada por la ecuación

u=

dV

dt

A

(8)

donde

V es el volumen de filtrado recogido desde el

comienzo de la filtración hasta el tiempo t. Puesto que el filtrado tiene que

pasar a través de toda la torta, V/A tiene el mismo valor para todas las capas y

u es independiente de L.

El volumen de sólidos en la capa es A (l - E) dL, y si pp es la densidad de las

partículas, la masa dm de sólidos en la capa es

dm=ρ

p

(

l−ε) A dL(9)

Eliminando dL de las Ecuaciones (7) y (9) se obtiene

(10)

Tortas de filtración compresible e incompresible. En la filtración a bajas

caídas de presión de suspensiones que contienen partículas rígidas y uniformes,

todos los factores del segundo miembro de la Ecuación (10), excepto m, son

independientes de L. y la ecuación es directamente integrable para el espesor

de la torta.

Si m, es la masa total de sólidos en la torta, el resultado es

(11)

Las tortas de filtración de este tipo reciben el nombre de incompresibles. Para

utilizar la Ecuación (11) se define una resistencia específica de la torta, α,

definida por la ecuación

(12)

Donde

Para tortas incompresibles α es independiente de la caída de presión y de la

posición en la torta.

La mayor parte de las tortas que se encuentran en las operaciones industriales

no están formadas por partículas rígidas individuales. La suspensión consiste en

una mezcla de aglomerados, o flóculos, consistentes en débiles acoplamientos

de partículas muy pequeñas, y la resistencia de la torta depende de las

propiedades de los flóculos en vez de la geometría de las partículas

individuales7. Los flóculos se depositan sobre la cara de la torta situada aguas

arriba y forma un complicado entramado de canalillos para los que la Ecuación

(10) no es estrictamente aplicable. La resistencia de tal suspensión depende

del método utilizado en la preparación de la suspensión así como a la edad y

temperatura del material. Por otra parte, los flóculos son distorsionados y

rotos por las fuerzas existentes en la torta, de forma que los factores E, k

3 y

sp/vp varían de una capa a otra.

Una torta de filtración de este tipo se denomina compresible, y en ella α varía

de un lugar a otro; también varía con la presión aplicada y, en algunos casos,

con el tiempo. En consecuencia, la Ecuación (11) no es estrictamente aplicable.

Sin embargo, en la práctica, la variación de α con el tiempo y la localización se

suele ignorar. Para los cálculos se obtiene experimentalmente un valor medio

para el material que se filtra. A veces los experimentos se realizan a

diferentes presiones

de forma que α puede correlacionarse con la caída de

presión.

Resistencia del medio filtrante. La resistencia del medio filtrante R, se puede

definir, por analogía con la Ecuación (12), mediante la ecuación

(14)

La resistencia del medio filtrante Rm varía con la caída de presión y con el

tiempo y la limpieza del medio filtrante, pero como sólo es importante durante

las primeras etapas de la filtración, casi siempre resulta satisfactorio suponer

que es constante durante cualquier filtración y obtener su valor a partir de

datos experimentales. Cuando Rm se trata como una constante empírica, incluye

también cualquier resistencia al flujo que pueda existir en las líneas de acceso

y salida del filtro.

A partir de las Ecuaciones (12) y (14),

(15)

Desde un punto de vista estricto, la resistencia de la torta α es una función de

Δpc, en vez de Δp. Durante la etapa importante de la filtración, que es cuando

la torta tiene un espesor apreciable, Δpm es pequeño en comparación de Δpc y

el efecto sobre el valor de α al efectuar la integración de la Ecuación (11)

sobre un intervalo Ap en vez de Ap, puede ignorarse con toda seguridad. Por

tanto, en la Ecuación (15) α se toma como una función de Ap.

Al utilizar la Ecuación (15) es conveniente sustituir u, la velocidad lineal del

filtrado, y m, la masa total de sólido en la torta, por funciones de V, el volumen

total de filtrado recogido durante el tiempo t. La Ecuación (8) relaciona u y V,

y un balance de materia relaciona mc y V. Si c es la masa de partículas

depositadas en el filtro por unidad de volumen de filtrado t, la masa de sólidos

en el filtro en el tiempo t es Vc, y

mc = Vc (16)

Sustituyendo u de la Ecuación (8) y m, de la Ecuación (16) en la Ecuación (14),

se obtiene

MEDIOS FILTRANTES

Todos los filtros requieren un medio filtrante para la retención de sólidos, ya sea que el filtro esté adaptado para la filtración de torta, medio filtración o filtración de profundidad. La especificación de un medio de filtración está basada en la retención de un tamaño mínimo de partícula y eficiencia de separación, así como también en un término aceptable de vida del medio filtrante dentro del medio ambiental del filtro. Para la filtración de la torta, la selección del medio filtrante incluye la optimización de los siguientes factores:

1. Capacidad para detener los sólidos sobre sus poros con rapidez, después de que se inicia la alimentación (o sea, propensión mínima a las purgas).

2. Velocidad baja de arrastre de sólidos dentro de sus intersticios (o sea, propensión mínima a los atascamientos).

3. Resistencia mínima al flujo de filtrado (o sea, velocidad elevada de producción). 4. Resistencia a los ataques mínimos

5. Suficiente resistencia para sostener la presión de filtración 6. Resistencia aceptable al desgaste mecánico.

7. Capacidad para descargar la torta con facilidad y limpieza.

8. Capacidad para conformarse mecánicamente al tipo de filtro con el cual se utilizara.

9. Costo mínimo.

Para la filtración con medios filtrantes, se aplican los atributos 3, 4, 5,8 y 9 de la lista anterior y es preciso agregarles:

a) Capacidad para retener los sólidos que se requieren

b) Libertad de descarga de pelusa o algún otro material adulterador en el filtrado c) Capacidad para no atascarse con rapidez (o sea, larga duración).

En la selección del medio filtrante se incluyen innumerables tipos de telas, tejidos de fibras fieltro o fibras no tejidas, y sólidos porosos o perforados, membranas poliméricas o sólidos particulados en forma de un lecho permeable. Todos los tipos de medio filtrantes se encuentran disponibles en gran variedad de materiales.

Telas de Fibras Tejidas.Para la filtración de torta estas telas son el tipo más usual de medio filtrante. Existen gran variedad de materiales con sus factores de resistencia química y temperatura. Aparte del material de las fibras, ciertas características de construcción describen la tela filtrante, a saber: 1)tejido, 2)estilo, 3)peso, 4)cuenta, 5)pliegues, y 6)número de hilaza. De los muchos tipos de tejidos disponibles sólo cuatro son utilizados en forma amplia con medios filtrantes: lisos (cuadrados), tejido, sarga, tejido de cadena y satín.

Todos estos tejidos se pueden confeccionar a partir de cualquier fibra textil, natural o sintética. Se pueden tejer de hilazas de multifilamentos o monofilamentos continuos. El desempeño de la tela para filtros depende del tejido y del tipo de hilaza, y sus graduaciones se indican en la tabla 19-11.

Telas Metálicas o Cedazos. Existen en varios tipos de tejidos en níquel, cobre, latón, bronce, aluminio, acero, acero inoxidable, Monel y muchas otras aleaciones. En el tejido liso, el espaciamiento más cerrado del alambre que existe es el de malla 400, lo cual limita el empleo de este tejido con las pulpas, las lechadas cristalinas gruesas, etc. Los llamados “tejidos holandeses” emplean alambres largos y rectos, relativamente anchos y de espaciamiento recto que permiten que el relleno, torcido y relativamente pequeño, se pueda tejer en forma mucho más cerrada, proporcionando un buen medio para la filtración de pulpas y cristales finos. Sin embrago, este tipo de tejido tiende a atascarse con facilidad cuando se filtran partículas suaves y amorfas; utilizando la filtración conveniente se simplifica este problema. La gran resistencia a la corrosión y a la alta temperatura mediante la selección adecuada de metales, hace que en filtraciones hechas con medios filtrantes metálicos sean recomendables, sobre todo por su larga vida. Esta ventaja se acentúa muy especialmente cuando se maneja materias tóxicas en filtros cerrados en que es menor una exposición mínima del personal de mantenimiento.

Fieltros Prensados y Borra de Algodón. Estos materiales se utilizan para filtrar partículas gelatinosas de pinturas, soluciones de hilados y otros líquidos viscosos. La

filtración se produce mediante la deposición de las partículas sobre las fibras a través de la trama.

Tramas no Tejidas. Están hechas de fibras sintéticas como poliéster, nylon, o poliolefinas. Estas tramas son autoadheribles en capas que preceden a la extrusión de la fusión; son más ligeras y más delgadas que los fieltros y a menudo se utilizan en multicapas. El peso de la trama puede variar entre 14 a 369

g/m

2 (0.4 a 10.9

oz / yd

2 _{). En la gama de bajo peso se emplean para la filtración por gravedad de} aceites ligeros, mientras que las de mayor peso son utilizadas para fluidos muy viscosos y para separar partículas tan pequeñas como de 5 μm de diámetro.

Papeles de Filtro. Estos papeles se suministran en una amplia gama de permeabilidad, espesor y resistencia. Por lo que se refiere a las características de este material, poseen baja resistencia; sin embrago, requieren una placa de fondo como soporte. Medios Porosos Rígidos.Estos medios se encuentran disponibles en hojas o placas y en tubos. Los materiales utilizados incluyen acero inoxidable sinterizado y otros metales, grafito, óxido de aluminio, sílice, porcelana y algunos plásticos, gama que permite un amplio intervalo de resistencia a la temperatura y a los productos químicos. La mayor parte de las aplicaciones son para la clarificación.

Membranas Poliméricas. Estas membranas se utilizan en las aplicaciones de filtración para la separación de partículas finas, por ejemplo, en la microfiltración y ultrafiltración (la clarificación incluye la eliminación de partículas de 1

μm

y menores). Las membranas se fabrican con diversos materiales y los más comunes son los acetatos de celulosa y las poliamidas.

Lechos Granulares de Sólidos Particulados. Los lechos de sólidos, por ejemplo, arena o carbón, se utilizan como medio filtrante la clarificación de agua o soluciones químicas que contienen pequeñas cantidades de partículas en suspensión. Se pueden adquirir los gránulos para filtro con el diámetro de partícula deseada. Con frecuencia, los lechos se fabrican en capas de diferentes materiales y varios tamaños de partícula.

TABLA 19-11 EFECTOS DE LOS TIPOS DE TEJIDOS E HILAZAS SOBRE LOS MEDIOS FILTRANTES

Velocidad más alta de flujo Mayor retención Mejor descarga de torta Menor humedad en las tortas Resistencia a la aglutinación Tejidos: Burdo o liso……. 4 1 4 4 4 Cruzado………….. 2 3 2 2 2 Cadena……….. 3 2 3 3 3 Satín……… 1 4 1 1 1 Hilaza: De un hilo……….. 1 3 1 1 1 De hilos múltiple………. 2 2 2 2 2 Embobinada……. 3 1 3 3 3

Aspectos Teóricos

Filtración

La filtración es una de las técnicas de separación más antiguas. Es un método físico-mecánico para la separación de mezclas de sustancias compuestas de diferentes fases (fase = componente homogéneo en un determinado estado de agregación). Un medio filtrante poroso es atravesado por un líquido o gas (fase 1) y las partículas sólidas o gotículas de un líquido (fase 2) quedan retenidas en la superficie o en el interior del medio filtrante.

En función de las fases se distinguen diferentes campos de aplicación: Filtración de

 Partículas sólidas de líquidos (suspensiones)  Partículas sólidas de gases

 Gotículas líquidas de gases (aerosoles)

 Gotículas de un líquido no miscible de otro líquido (emulsiones) con ayuda de la filtración se pueden separar componentes sólidos de suspensiones o gases, así como componentes líquidos de aerosoles o emulsiones. Mediante un filtro

hidrófobo se puede filtrar p.ej. agua de combustibles. Aire u otros gases se pueden limpiar de aerosoles de agua, aceite o alquitrán. Con ayuda de la filtración se pueden separar componentes sólidos de suspensiones o gases, así como componentes líquidos de aerosoles o emulsiones. Mediante un filtro hidrófobo se puede filtrar p.ej. agua de combustibles. Aire u otros gases se pueden limpiar de aerosoles de agua, aceite o alquitrán. En función del problema o bien de la finalidad de la filtración, se distingue entre filtración de separación o filtración clarificante. En el caso de la filtración de separación, se trata de recuperar un determinado sólido de un líquido (torta de filtrado) para seguir trabajando con el sólido. Aquí no es imprescindible que todas las partículas sean eliminadas del líquido. Contrariamente, en la filtración clarificante, el líquido se debe limpiar en lo posible completamente de componentes indeseados o precipitados, para poder seguir trabajando con el líquido purificado. La filtración tiene una amplia gama de aplicaciones: desde el procedimiento analítico en el laboratorio hasta aplicaciones técnicas en grandes líneas de producción. En prácticamente todas las ramas industriales.

La elección del tipo de filtro más adecuado depende de muchos factores diferentes: de la especie, cantidad y tamaño de partículas a separar, de la especie, volumen y temperatura del medio a filtrar, así como del método de filtración y de la precisión requerida. Las exigencias para el filtro son tan diferentes como lo son cada uno de los campos de aplicación. Se tienen que tener en cuenta las características químicas y físicas de la muestra a filtrar, así como el consiguiente análisis o manipulación del precipitado o del filtrado.

CAPÍTULO 3

EQUIPOS PARA LA FILTRACIÓN

FILTROS DE TORTA

Los filtros en los que se acumulan cantidades apreciables y visibles de sólidos sobre la superficie del medio filtrante se conocen como filtros de torta. La lechada de alimentación puede tener una concentración de sólidos que varía desde 1% hasta más de 40%. El medio filtrante en que se forma la torta es relativamente abierta, para minimizar la resistencia al flujo ya que, una vez que se forma la torta, ésta se vuelve un medio filtrante eficaz. Por consiguiente, el filtrado inicial puede contener cierta cantidad inaceptable de sólidos, hasta que se logra la formación de la torta. Esta situación se puede tolerar debido a la recirculación del filtrado hasta obtener una claridad aceptable, o bien, mediante la instalación de un filtro de pulido, aguas abajo (del tipo de clarificación).

Los filtros de torta se utilizan cuando el producto deseado de la filtración son los sólidos, el filtrado o ambos. Cuando el filtrado constituye el productos deseado, el grado de eliminación del líquido en la torta por lavado o soplado con aire o gas comprimido se convierte en una optimización económica. Cuando la torta constituye el producto deseado, el incentivo es la obtención de una torta pura por lavado, soplado o, en ocasiones, el prensado mecánico para la extracción del líquido residual.

En la filtración de la torta está implícita la eliminación y el manejo de los sólidos, ya que por lo general la torta está relativamente seca y compactada. Las tortas pueden ser pegajosas y difíciles de manejar; en consecuencia, la capacidad del filtro para descargar la torta limpiamente es un criterio importante en la selección del equipo. Desde el punto de vista de la operación, algunos filtros son dispositivos intermitentes, pero otros son continuos. Esta diferencia proporciona la base principal para la clasificación de los filtros de torta en el análisis que se presentan a continuación. La fuerza impulsora por medio de la cual funciona el filtro carga hidrostática (“gravedad”), presión proporcionada por una bomba o un colchón de gas, o presión atmosférica (“vacio”) se utiliza como un criterio secundario.

Filtros Nutsche

El Nutsche es uno de los filtros intermitentes más simples y consiste en un tanque con un fondo falso, perforado o poroso, sobre el que se apoya el medio filtrante, o bien, actúa como el medio filtrante. La lechada alimenta al recipiente del filtro y la separación ocurre mediante el flujo por gravedad, presión, vacio o una combinación de estas fuerzas. El término “nutsche” es la expresión en alemán para succión y el vació es la modalidad común de operación.

El diseño de la mayor parte de los filtros nutsche es muy sencillo y, a menudo, los puede fabricar el usuario a bajo costo. Este filtro se utiliza con frecuencia en el laboratorio, la planta piloto o la operación de una planta pequeña. Sin embargo, para el procedimiento a gran escala, el área excesiva de piso que involucra la unidad de filtración, y dificultad para eliminar la torta son factores disuasivos. Para las operaciones a pequeña escala, la torta puede someterse a un procesamiento posterior por medio de su reprecitación o redisolución, o bien, puede eliminarse manualmente (mediantes una pala) o a través de dispositivos para su descarga mecánica; que en ocasiones son complicados.

Filtro de Placas Horizontales

El filtro horizontal a presión múltiple consta de varias placas horizontales con un drenado circular y guías, apiladas dentro de una cubierta cilíndrica. El precipitado se distribuye en las placas por medio de un maneral de alimentación central o anular. La filtración se continúa hasta alcanzar la capacidad de torta de la unidad o hasta la velocidad del filtrado se vuelve demasiado lenta, debido a la resistencia de la torta. El montaje del filtro puede incluir una placa de barrido en el fondo para extraer la porción inferior de un ciclo. A la torta se puede aplicar un lavado o un soplado con aire. La torta se extrae manualmente al abrir el recipiente, sacar las placas y raspar o utilizar una manguera para eliminar los sólidos. El filtro es compacto, tiene una buena distribución de la torta y un lavado eficaz de la misma La unidad se puede limpiar y esterilizar fácilmente. Sin embargo, está limitada por su tamaño pequeño, los elevados requerimientos de mano de obra y la necesidad de abrir la unidad para eliminar la torta.

Sección de elevación del filtro de placas horizontal (Perry)

El filtro es adecuada para las aplicaciones en las están incluidas velocidades intermitentes de flujo o pequeñas cantidades de torta y las condiciones de limpieza o esterilidad son esenciales, por ejemplo, en la industria alimentaria y farmacéutica. También es particularmente útil en las plantas piloto y en las pequeñas plantas de especialidades, donde el equipo debe ser lo suficientemente flexible para manejar una sucesión de productos y corrientes del proceso.

Filtro Prensa

El filtro prensa, uno de los filtros que con más frecuencia se utilizaban en los primeros años de la industria química, aún se emplea ampliamente. A menudo se le conoce, en forma genérica y errónea, como filtro de placas y marcos, del que probablemente existen más de 100 variaciones de diseño. Los dos diseños básicos más populares son el diseño de placas de lavado o placas y marcos y el filtro prensa de huecas. Ambos se encuentran disponibles en gran variedad de materiales: metales con o sin recubrimiento, plásticos y de madera.

Filtro prensa de placas y marcos

Uno de los tipos de filtros más importantes es el filtro prensa de placas y marcos, que se muestra en la figura 1 a. Estos filtros consisten de placas y marcos alternados con una tela filtrante a cada lado de las placas, Las placas tienen incisiones con forma de canales para drenar el filtrado en cada placa. La suspensión de alimentación se bombea en la prensa y fluye a través del conducto al interior de cada uno de los marcos abiertos, de manera que va llenando los espacios vacíos. El filtrado fluye entre la tela filtrante y la superficie de la placa, a través de los canales y hacia el exterior, mientras los sólidos se acumulan como torta en los marcos.

La filtración continúa hasta que los marcos quedan completamente llenos de sólidos. En la figura 1 a, todas las salidas de descarga comunican a un cabezal común. En muchos casos, el filtro prensa tiene una descarga abierta individual para cada marco, que permite una inspección visual para verificar la transparencia del líquido filtrado. Si una de las salidas descarga líquido turbio debido a una perforación de la tela o a otras causas, se puede cerrar por separado y continuar con la operación. Cuando los espacios están totalmente llenos, las placas y los marcos se separan y se extraen las tortas. Después se vuelve a armar el filtro y se repite el ciclo.

Si se desea lavar la torta, ésta se deja en los marcos y se procede a un lavado transversal, como se muestra en la figura 1 b. En este tipo de prensa existe un canal aparte para la entrada del agua de lavado, que penetra a la unidad y a las placas a través de aberturas situadas detrás de las telas filtrantes, en placas alternadas. El agua de lavado fluye a través de la tela, pasa por la totalidad de la torta (no por una mitad, como en la filtración), a través de la tela filtrante, del otro lado de los marcos, y por último, pasa al canal de descarga. Nótese que la figura 1 b ilustra dos tipos de placas: las que tienen conductos para admitir el agua de lavado por detrás de la tela filtrante, y las que están alternadas con las anteriores y carecen de dichos conductos. Las prensas de placas y marcos presentan los inconvenientes comunes a todos los procesos por lotes. El costo de mano de obra para extraer las tortas y volver a ensamblar la unidad, más los costos fijos por tiempos muertos, pueden constituir una porción muy elevada de los costos totales de operación. Algunos modelos modernos de prensas de placas y marcos tienen un juego duplicado de marcos montados en un eje giratorio. Mientras se usa la mitad de los marcos, la otra mitad se descarga y se

limpia, lo que reduce los costos de mano de obra. Existen también sistemas automatizados que se han aplicado a estos tipos de filtros.

Los filtros prensa se usan en los procesos por lotes pero no se pueden emplear para procesos de alto rendimiento. Se manejan con facilidad, son versátiles y de operación flexible y se pueden utilizar a altas presiones si es necesario, con soluciones viscosas o cuando la torta de filtro tiene una gran resistencia.

Filtro Prensa de Placas Huecas

Estos filtros son similares en apariencia a los de placas y marcos, pero solo constan de placas. Las dos caras de cada placa son huecas, para formar una cámara en la que se acumula la torta entre las placas adyacentes. Este diseño tiene ventajas de utilizar aproximadamente la mitad de las uniones de un filtro de placas y de marcos, lo que hace que el cierre a presión sea más seguro.

Filtros Tubulares con Formación Externa de la Torta

Se dispone de varios diseños de filtros con los tubos verticales apoyados en una placa para tubos en la cámara del filtrado, dentro de un recipiente cilíndrico vertical. Los tubos pueden ser de tela de alambre, cerámica porosa, carbón, plástico, metal o alambre arrollado y pueden tener una tela filtrante en la parte exterior. Con frecuencia se aplica una precapa de ayuda para filtrado a los tubos. La lechada se alimenta por la parte inferior del recipiente vertical. El filtrado pasa del exterior al interior de los tubos y descarga en una cámara de filtrado, colocada en la parte superior o inferior del recipiente. Los sólidos forman una torta en la parte exterior de los tubos y el área del filtro se incrementa a medida que se acumula la torta más gruesa. El ciclo de filtración continua, hasta que la presión diferencial alcanza un nivel especifico, o hasta que se obtiene una torta con un espesor de aproximadamente de 25mm (1in).

Filtros de hojas a presión

Se asemejan a los filtros de placas y marcos por el hecho de que la torta se deposita sobre cada uno de los lados de la lámina y el líquido filtrado fluye hacia la salida por los canales existentes entre las telas mecánicas de las láminas que sostiene a las dos tortas. Las láminas trabajan sumergidas en la suspensión a tratar. Los filtros Sweetland, el filtro rotatorio de láminas, el filtro

Kelly, operan por cargas es por ello que son funcionamiento discontinuo.

Los filtros de láminas pueden ser muy grandes como por ejemplo, los empleados en la obtención de hidróxido de magnesio a partir del agua de mar. Este tipo de filtro es el que muestra en la figura. Las bolsas filtrantes van suspendidas de un pueste grúa, para pasarlas desde la cuba de filtración a la de lavado.

Sección de hoja filtradora de alambre prerrecubierto.

Filtros Horizontales de Hojas de Presión

Para la filtración de líquidos con mayor contenido de sólidos en aceite comestible, alimentos y químicos de la industria farmacéutica. Áreas de hasta 200 M con descarga de la torta seca o húmeda. Apertura y cierre del filtro hidráulico operaba pinza bayoneta. Shell o de retracción del haz.

Aplicaciones:

 Industrias del aceite de mesa.  Las plantas de plaguicidas

Filtros Horizontales de Hojas de Presión

Filtros verticales de hojas de presión

Para la filtración de líquidos con contenido de sólidos de hasta 5 a 7% en aceite comestible, productos químicos, alimentos e industria farmacéutica. Áreas de hasta 100 M con descarga de la torta seca o húmeda.

Aplicaciones:

 Industrias del aceite de mesa.  Industrias Farmacéuticas.