DISEÑO FILTROS TALEGAS

Revista Ingenieras Universidad de Medell n

Revista Ingenieras Universidad de Medelln, volumen 7, No. 12, pp. 43-60 - ISSN 1692-3324 - enero-junio de 2008/197p. Medelln, Colombia

DISEO DE FILTROS DE TALEGAS

Carlos Alberto Echeverri Londoo1

Recibido: 11/02/2008Aceptado: 04/04/2008

RESUMEN

Este artculo presenta los criterios generales para el diseo de filtros de talegas para el control de partculas.Palabras clave: control de partculas, filtros de talegas, equipos de control.

BAGHOUSES DESIGN

ABSTRACT

This article shows general criteria for designing baghouses for particle control.Keywords: Particle control, baghouses, control equipment.

Ingeniero Qumico, Magster en Ingeniera Ambiental. Profesor Programa de Ingeniera Ambiental de la Universidad de Medelln.

44 Carlos Alberto Echeverri Londoo

Universidad de Medelln

INTRODUCCIN

Los filtros de talegas son considerados como los equipos ms representativos de la separacin slido-gas. Su funcin consiste en recoger las par-tculas slidas que arrastra una corriente gaseosa hacindola pasar a travs de un tejido. En general,

un filtro es una estructura porosa compuesta de material fibroso que tiende a retener las partculas segn pasa el gas que las arrastra, a travs de los espacios vacos del filtro. El filtro se construye con cualquier material compatible con el gas y las partculas. La figura 1 presenta uno de los diseos que ms se utilizan en filtros de talegas.

Salida delgas limpio

Entrada delgas sucio

Lado del gaslimpio

Talegas

Pieza de sujecinde las talegas

Tolva

Fuente: Wark, K. and Warner, C., 1996.

Figura 1. Filtro de talegas con agitacin mecnica y filtracin interior.

1. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Los filtros de talegas constan de una serie de hileras de talegas de tela en la forma de tu-bos redondos, normalmente de fibra sinttica o natural, colocadas en unos soportes para darles consistencia y encerrados en un compartimien-to. La separacin del slido se efecta hacien-do pasar el aire con partculas en suspensin mediante un ventilador, a travs de la tela que forma la talega. De esa manera, las partculas quedan retenidas entre los intersticios de la tela formando una torta filtrante. La torta se va engrosando y con esto se aumenta la eficiencia

de remocin de partculas y la cada de presin del sistema, por lo cual se procede a efectuar una limpieza peridica de las talegas y evitar as una disminucin en el caudal.

El gas cargado de partculas, al entrar al equipo, fluye por el espacio que est debajo de la placa a la que se encuentran sujetas las talegas, y hacia arriba para introducirse en las talegas. A continuacin el gas fluye hacia afuera de las tale-gas dejando atrs los slidos. El gas limpio fluye por el espacio exterior de los sacos y se lleva por una serie de conductos hacia el ducto de escape o chimenea.

Diseo de filtros de talegas 45

Revista Ingenieras, Universidad de Medelln volumen 7, No. 12, pp. 43-60 - ISSN 1692-3324 - enero-junio de 2008/197p. Medelln, Colombia

2. MEDIOS FILTRANTES

Los medios filtrantes pueden ser telas tejidas o de fieltro. Las telas tejidas presentan una estruc-tura de trenzamiento segn patrones establecidos. Los ms comunes son el tejido diagonal y el tejido satn.

Los diferentes tejidos aumentan o disminu-yen los espacios abiertos entre las fibras, inclu-yendo la resistencia y permeabilidad de la tela. La permeabilidad est relacionada con la cantidad de aire que es filtrada para una determinada cada de presin.

Las telas de fieltro generalmente estn com-puestas por un soporte tejido y un recubrimiento de fibras superpuestas en forma catica; recubri-miento que se realiza a travs de mtodos qumicos, por calentamiento o utilizando resinas. Dicha estructura permite mayor eficiencia en el proceso de captacin de las partculas.

Las telas de fieltro presentan menor dependen-cia entre la eficiencia de remocin de partculas y la formacin de la capa inicial de partculas sobre la superficie del filtro; presentan un espesor dos o tres veces mayor que las telas tejidas y un mejor desempeo en la captura de partculas pequeas.

La seleccin de las telas depende de la compo-sicin qumica, temperatura y humedad de la co-rriente gaseosa, as como de la composicin qumica y fsica de las partculas. La composicin qumica, tanto de la corriente gaseosa como de las partculas, ejerce un efecto sobre el desgaste de la tela.

El comportamiento de un tipo de tela determi-nado slo se aprecia en detalle durante la operacin del filtro. La tabla 1 consigna las caractersticas ms importantes de las diferentes fibras que se utilizan normalmente en la fabricacin de talegas; informacin que se utiliza en la seleccin del tipo de fibra dependiendo de las caractersticas del gas portador y las partculas transportadas.

Tabla 1. Propiedades de los materiales empleados en los filtros de talegas

TELA TEMPERATURA (C) RESISTENCIA

Continua Picos cidos Bases Abrasin Tensin Combustin

Algodn 82 107 Deficiente Muy buena Muy buena Buena S

Dacrn 122 163 Buena Muy buena Muy buena Excelente S

Fibra de vidrio 260 288 Regular Regular Buena Buena S

Nomex 190 218 Mala Excelente Muy buena Muy buena No

Nylon 92 121 Mala Excelente Excelente Excelente S

Orln 127 127 Excelente Regular Buena Buena S

Polipropileno 92 94 Excelente Excelente Excelente Excelente S

Tefln 232 288 Excelente Excelente Regular Buena No

Lana 92 121 Muy buena Deficiente Regular Regular No

Acrlico 127 137 Buena Regular Buena Buena S

Polietileno 65 100 Excelente Excelente Excelente Excelente S

Acetato 71 Mala Mala Buena No

Rayn 94 Mala Regular Buena S

Cermica 900 1000

Fuente: Bentez, J., 1993; Corbitt, R., 1990; Cooper, D. and Alley, F., 2002.



3. MODO DE FILTRACIN

Existen dos modos de efectuar el proceso de filtracin:

3.1. Filtracin interior.

En los filtros de talegas que utilizan la filtra-cin interior, las partculas son colectadas sobre la parte interna de las talegas. El caudal de gas a tratar normalmente entra por la parte inferior del sistema, distribuyendo el flujo a travs de una placa en la cual se ajustan las talegas; el gas limpio sale por la parte superior del sistema (ver figura 2). Cuando se utiliza filtracin interior la talega se soporta con anillos colocados en la zona inferior de la talega.

Gas limpio

Gas sucio

Placa

Fuente: Molina, F., 1996.

Figura 2. Filtracin interior.

3.2. Filtracin exterior.

La utilizacin de la filtracin exterior implica la distribucin del flujo de gas a tratar alrededor de las talegas, y el gas limpio se evacua a travs de una placa superior (ver figura 3). Para filtracin exterior se utiliza normalmente una talega soportada por una estructura interior de alambre.

Fuente: Molina, F. (1996) y Cooper, D. and Alley, F. (2002).

Figura 3. Filtracin exterior.

4. MECANISMOS DE LIMPIEZA

La caracterstica principal que diferencia unos tipos de filtros de talegas de otros es la forma en que se lleve a cabo su limpieza. Esto, adems, con-diciona que el proceso de filtracin sea continuo (la limpieza se realiza sin que cese el paso del aire por el filtro) o discontinuo (es necesario aislar temporalmente el compartimiento que contiene las talegas de la corriente de aire).

En el proceso de filtracin, las partculas son retenidas por los hilos de la tela o medio filtrante. Una vez que los poros se llenan de partculas se crea un medio filtrante nuevo, aumentando con esto la eficiencia de filtracin. Esta eficiencia au-menta hasta llegar a un punto en que la cada de presin es lo suficientemente grande para hacer necesaria la limpieza de ste. La limpieza puede hacerse de forma intermitentemente, por medios mecnicos o neumticos. Se tienen tres tipos principales de filtros de talegas:

4.1. Limpieza por agitacin mecnica.

Se realiza cuando existe la posibilidad de suspender el servicio del filtro durante un corto perodo de tiempo. Por tanto, exige un funciona-miento discontinuo con un ciclo de filtracin y



otro de limpieza. Cuando la filtracin es continua, debe disponerse de una unidad de relevo adicional o, de lo contrario, habr necesidad de suspender el proceso de filtracin.

En la limpieza por agitacin mecnica, usada con filtracin interior, la transferencia de energa se logra suspendiendo la talega de un gancho o una estructura que oscilan accionados por un motor. El movimiento puede ser impartido a la talega de varias formas (vertical u horizontalmente por medio de resortes o sistemas de vibracin), pero el efecto general es de crear una onda sinusoidal a lo largo de la tela. A medida que la tela se mueve hacia afuera de la lnea central de la bolsa durante porciones de la accin de onda, el polvo acumulado sobre la superficie se mueve con la tela. Cuando la tela alcanza el lmite de su extensin, las partculas poseen la inercia suficiente para desprenderse de la tela y descender hacia la tolva. Ver figura 4.

Fuente: Molina, F. ,1996.

Figura 4. Limpieza por agitacin mecnica.

4.2. Limpieza con aire en contracorriente.

En la limpieza con aire en contracorriente, el flujo de gas hacia las talegas es interrumpido en el compartimiento que est siendo limpiado y un flujo en contracorriente (de afuera hacia adentro)

es dirigido a travs de las talegas. Este flujo de gas pliega la talega suavemente hacia sus lneas centrales, lo que causa que la torta de partculas se desprenda de la tela. El desprendimiento es causado por fuerzas cortantes desarrolladas entre las partculas y la tela a medida que esta ltima cambia su forma. La figura 5 ilustra un filtro de talegas con aire en contracorriente.

Fuente: www.osha.gov/SLTC/silicacrystalline/dust/chap-ter_4.html

Figura 5. Limpieza con aire en contracorriente.

4.3. Limpieza por aire a presin.

En la actualidad es el mecanismo ms utilizado. La limpieza se efecta mediante un chorro de aire a alta presin, a travs de un programador de ciclos con variacin regulable de tiempo y pausa, que gene-ra una onda que interrumpe momentneamente el flujo de aire dentro de la talega, haciendo que una cantidad de aire a presin descienda a travs de la talega y la expanda violentamente, fracturando la capa de partculas y hacindola desprender de la misma. Como el tiempo de limpieza de la talega



es muy corto, y slo una fraccin de las talegas se limpia cada vez, se mantiene un flujo continuo a travs del filtro de talegas. Tal como con los filtros de talegas con agitacin mecnica, la tela alcanza su lmite de extensin, y las partculas se separan de la talega. El aire que escapa a travs de la talega lleva las partculas lejos de la superficie de la talega. La figura 6 ilustra un filtro de talegas limpiado con aire a presin. Este mecanismo de limpieza se denomina tambin de chorros por impulso pulsante o jet pulse y es ms eficaz que las anteriores.

Fuente: Molina, F. ,1996.

Figura 6. Filtro de talegas limpiado con aire a presin.

En los filtros de talegas con vibracin mecni-ca y aire en contracorriente es esencial que el flujo de gas que pasa por el filtro se detenga durante la limpieza, para permitir que la capa de partculas caiga. En la prctica, esto se logra sin interrumpir la operacin, sacando de servicio una parte de los compartimientos en un momento dado. La capacidad de un compartimiento se determina a travs del rea de la tela necesaria para la filtracin. La tabla 2 suministra una gua para la estimacin del nmero de compartimientos.

Tabla 2. Gua para el clculo del nmero de compartimientos.

REA DE LA TELA, M2

NMERO DE COMPARTIMIENTOS

1 - 370 2

371 1,114 3

1,115 2,322 4 - 5

2,323 3,715 6 - 7

3,716 5,574 8 - 10

5,575 7,432 11 - 13

7,433 10,219 14 - 16

10,220 13,935 17 - 20

> 13,936 > 20

Fuente: Cooper, D. and Alley, F. ,2002.

5. VELOCIDAD DE FILTRACIN

Una filtracin eficiente requiere que la velo-cidad de filtracin est en el intervalo de 0.005 a 0.050 m/s. La velocidad de filtracin es difcil de estimar, sin embargo, ciertos mtodos permiten una estimacin rpida. Despus de que se ha selec-cionado una tela, la velocidad inicial de filtracin puede ser determinada usando la tabla 3. La co-lumna 1 muestra el tipo de partculas a remover; la columna 2 muestra la velocidad de filtracin para telas tejidas; y la columna 3 muestra la velocidad de filtracin para las telas de fieltro.

Para que el proceso de filtracin sea continuo (la limpieza se realiza sin que cese el paso del aire por el filtro) en los filtros de talegas que utilizan limpieza por agitacin o aire en contracorriente, el rea de filtracin (la cantidad de tela) deber incrementarse para permitir sacar de funciona-miento uno o ms compartimientos para limpieza o mantenimiento. La tabla 4 suministra una gua para ajustar el rea neta de tela para estos dos tipos de filtros de talegas. Dado que los filtros de talegas con aire a presin son limpiados en lnea, no requieren un rea adicional de filtracin.



Tabla 3. Velocidades de filtracin para algunas combinaciones de filtros de talegas y telas.

PARTCULASVELOCIDAD DE FILTRACIN (M/S)

Agitacin/Contracorriente (tela tejida) Aire a presin (fieltro)

Alimento de ganado (granos) 0.018 0.071

Almidn 0.015 0.041

Almina 0.013

Aluminio 0.015 0.081

Arcilla 0.013 0.046

Arena 0.013 0.051

Asbesto 0.015 0.051

Aserrn 0.018 0.061

Azcar 0.010 0.066

Bauxita 0.013 0.041

Cacao. chocolate 0.014 0.061

Cal 0.013 0.051

Caliza 0.013 0.051

Carbn 0.013 0.041

Carbn negro 0.008 0.025

Cemento 0.010 0.041

Cenizas 0.013 0.025

Cosmticos 0.008 0.051

Cromo 0.010 0.053

Cuarzo 0.014 0.046

Detergentes. jabn 0.010 0.025

Feldespato 0.011 0.046

Fertilizante 0.015 0.041

Grafito 0.010 0.025

Harina 0.015 0.061

Humos metlicos 0.008 0.038

Loza 0.018 0.061

Manganeso 0.011

Mineral de hierro 0.015 0.056

xido de aluminio 0.013 0.041

xido de plomo 0.010 0.030

xido de zinc 0.010 0.025

xido frrico 0.013 0.036

Papel 0.018 0.051

Piedra caliza 0.014 0.041



PARTCULASVELOCIDAD DE FILTRACIN (M/S)

Agitacin/Contracorriente (tela tejida) Aire a presin (fieltro)

Alimento de ganado (granos) 0.018 0.071

Pigmentos de pintura 0.013 0.036

Plsticos 0.013 0.036

Polietileno 0.051

Polvo de cuero 0.018 0.061

Polvo de piedra 0.015 0.046

Polvo metlico 0.010 0.048

PVC 0.036

Resina 0.010 0.046

Slice 0.013 0.036

Sulfato frrico 0.010 0.030

Tabaco 0.018 0.066

Talco 0.013 0.025

Yeso 0.010 0.051

Fuente: Bentez, J., 1993; Corbitt, R., 1990; Cooper, D. and Alley, F., 2002

Tabla 4. Gua para estimar el rea total de tela para filtros de talegas que utilizan limpieza por

agitacin o aire en contracorriente.

REA DE TELA NETA (m2)

MULTIPLICAR EL REA NETA POR

1 370 2

371 1,115 1.5

1,116 2,230 1.25

2,231 3,350 1.17

3,351 4,460 1.125

4,461 5,580 1.11

5,581 6,690 1.10

6,691 7,810 1.09

7,811 8,920 1.08

8,921 10,040 1.07

10,041 12,270 1.06

12,271 16,730 1.05

> 16,730 1.04

Fuente: Cooper, D. and Alley, F., 2002.

6. CLCULO DE LA EFICIENCIA DE COLECCIN

Las eficiencias de coleccin en los filtros de talegas generalmente estn entre el 98 y el 99.9%. Dennis y Klemm (1979) propusieron la siguiente ecuacin semiemprica para la eficiencia total en funcin del tiempo de operacin entre los ciclos de limpieza:

(1)

En la cual:

Ptp = Penetracin debida a los poros de la capa

de partculas.Pt

o = Penetracin a travs de la tela inmediata-

mente despus de haber sido limpiada.Pt

mp = Penetracin debida a la morfologa de las

partculas.

a = Decaimiento de la penetracin en la capa de partculas.

W = Densidad no real de las partculas, kg/m2.



La ecuacin anterior muestra que la eficiencia disminuye al aumentar la velocidad de filtracin y que aumenta con la acumulacin de partculas sobre la tela.

La penetracin debida a los poros de la capa de partculas es funcin de la velocidad de filtracin y esta dada por la siguiente ecuacin:

Ptp = bVc (2)

En la cual:

b,c = Constantes empricas.

La penetracin a travs de la tela inmediata-mente despus de haber sido limpiada es indepen-diente de la velocidad y tiempo de filtracin. La penetracin debida a la morfologa de las partculas es funcin de la concentracin de partculas y esta dada por la siguiente ecuacin:

(3)

En la cual:

Cp = Concentracin de partculas, g/m3.

d = Constante emprica.

La densidad no real de las partculas es la masa de las partculas por unidad de rea de la tela y se puede hallar a travs de

W = CpV (4)

En la cual:

Cp = Concentracin de partculas, g/m3.

V = Velocidad de filtracin, m/s.

= Tiempo de filtracin, s.Todos los trminos de las ecuaciones 1 a 3

deben determinarse empricamente.

7. ESTIMACIN DE LA CADA DE PRESIN

La cada de presin en el filtro de talegas est compuesta por la resistencia que presenta la tela,

ms la de la capa de partculas que se forma. La ca-da de presin presentada por la capa de partculas es la que ms contribuye a la cada de presin total en el filtro. A medida que la capa de partculas crece sobre la superficie de la talega, la cada de presin aumenta. En general, puede esperarse una cada de presin mxima de 127 a 254 mm H2O a travs del filtro de talegas.

La cada de presin a travs del filtro de talegas puede ser expresada como:

(5)

En la cual:

P = Cada de presin total, mm H2O.

Ps = Cada de presin a travs del comparti-

miento, mm H2O.

Pf = Cada de presin a travs de la tela, mm

H2O.

Pp = Cada de presin a travs de la capa de

partculas, mm H2O.

La cada de presin a travs del compartimiento usualmente es baja y puede ser ignorada. Cuando la tela del filtro ya se encuentra en funcionamiento, la cada de presin a travs del compartimiento se determina junto con la cada de presin a travs de la tela, por lo que puede decirse que este trmino se hace despreciable o esta contemplado en la cada de presin a travs de la tela.

La cada de presin a travs de la tela se calcula con la siguiente ecuacin:

Pj = K

1V (6)

En la cual:

Pj = Cada de presin a travs de la tela, mm

H2O.

K1 = Factor de resistencia del tejido, mm H2O

- s/m.




Tabla 5. Factores de resistencia para telas de tejido plano.

TELATEJIDO

(HILOS/CM)K1

(mm H2O . s/m)

Algodn18 22 125.0

41 27 138.9

Lana

16 20 29.8

14 13 13.5

11 12 22.7

12 10 45.5

Nylon 15 15 156.3

Orln 29 15 67.6

Fibra de vidrio 13 11 147.1

Dacrn24 16 75.8

30 19 263.2

Tefln 30 28 125.0

Fuente: Perry, R. and Chilton, C., 1986.

Tabla 6. Factores de resistencia para fieltros.

TELAESPESOR

(mm)K1

(mm H2O . s/m)

Lana3.4 92.3

3.3 2688.2

Orln

1.1 111.1

2.2 142.9

3.2 166.7

Acrlico 1.9 142.9

Dacrn

2.0 142.9

6.4 11.8

3.2 100.0

Nylon 3.2 71.4

Tefln1.3 30.3

3.0 115.7


Analizando la ecuacin 6, vemos que la cada de presin ofrecida por la tela del filtro es propor-cional a la velocidad de filtracin.

La cada de presin que se presenta en la capa de partculas que se han acumulado sobre la tela se calcula con la siguiente ecuacin:

(7)

En la cual:

Pp = Cada de presin a travs de la capa de

partculas, mm H2O.K

p = Factor de resistencia debido a la capa de

partculas, mm H2O m - s/g.C

p = Concentracin de partculas en la corrien-

te gaseosa, g/m3.V = Velocidad de filtracin, m/s. = Tiempo de acumulacin de las partculas

o de filtracin, s.

En la ecuacin 7 podemos ver que la cada de presin aumenta directamente con la concentracin de partculas a la entrada y el tiempo de filtracin.

El factor de resistencia debido a la capa de partculas (K2) depende de la densidad, porosidad y tamao de las partculas. El valor de este coeficiente vara inversamente con el tamao de las partculas, o sea que la cada de presin es mayor cuando se estn recogiendo partculas ms pequeas. En la tabla 7 se especifican algunos valores para los factores de resistencia de ciertas partculas.

La limpieza de las talegas no es completa en ningn caso debido a la dificultad para despren-der la capa de partculas en su totalidad. Una aproximacin prctica que se debe hacer cuando se determina la cada travs de la tela del filtro es la de considerar que sta es diferente cuando la tela es nueva. Una vez que la tela ha sido usada, as la limpieza sea buena, su comportamiento nunca ser igual a como era en condiciones originales. La figura 7 presenta la variacin de la resistencia del filtro con diferentes tipos de limpieza y la densidad no real de las partculas (ecuacin 4).



Tabla 7. Factores de resistencia de ciertas partculas.

PARTCULAS K2 (mm H2O m s/g)

833 m 110 m 90 m 45 m 40 m 20 m 2 m

Granito 1.618 2.253 20.277

Fundicin 0.635 1.618 3.871

Yeso 6.452 19.355

Feldespato 6.452 27.957

Piedra 0.983 6.452

Cenizas (negro de humo) 48.337

xido de zinc 16.078

Madera 6.452

Resina (fra) 0.635 25.807

Avena 1.618 9.831 11.265

Maz 0.635 3.871 9.012 9.228

Nota: Clculos basados en mediciones con aire. Para gases diferentes al aire, los valores de K2 estipulados en la tabla se deben multiplicar por la viscosidad real del gas dividida por la viscosidad del aire.


Limpieza pobre

Limpieza promedio

Fact

or d

e re

siste

ncia

de

la te

la (

mm

HO

- s/

m)

2

Limpieza excelente

Densidad no real (g/m )2

K2


Figura 7. Variacin de la resistencia del filtro con el tipo de limpieza.



Ejemplo 1. Estimar las constantes K1 y K2 y estimar la cada de presin para las mismas con-diciones despus de 4200 s (70 min) de operacin continua con base en los siguientes datos para un filtro de talegas recin limpiado. La velocidad de filtracin es 0.0167 m/s y la concentracin de partculas a la entrada es 5 g/m3.

Solucin: Basado en los datos del ensayo, se genera un grfico de la resistencia del filtro en funcin de la densidad no real.

La resistencia del filtro se calcula de la siguien-te forma:

Tabla 8. Datos del ensayo.

Tiempo (s) P (mm H2O)

0 15,30

300 38,75

600 51,49

1200 62,20

1800 70,36

3600 100,95


La densidad no real se calcula de la siguiente forma:

La tabla 9 presenta los datos que deben ser graficados. La figura 8 muestra una curva inicial caracterstica seguida de una lnea recta. La lnea recta se debe a la dependencia que tiene la resis-tencia del filtro de la densidad no real. La parte no lineal de la curva se debe al flujo de gas inicial no uniforme a travs del filtro de talegas. La limpieza

inicial del filtro usualmente hace que la capa de partculas sea descargada en pedazos gruesos e irregulares, dejando algunas partes de la talega muy limpias y otras todava absolutamente sucias, lo cual da como resultado una variacin espacial en el flujo de gas al inicio del ciclo de filtracin. La regresin lineal de la porcin recta de la curva proporciona las constantes K1 (intercepto) y K2 (pendiente):

K1 = 2500 mm H2O - s/m.K2 = 11.75 mm H2O - s- m/g.

Tabla 9. Datos a graficar.

K (mm H2O s/m) W (g/m2)

916 0

2320 25.05

3084 50.1

3725 100.2

4213 150.3

6045 300.6

Fuente: Cooper, D. and Alley, F., 2002

Dentro de la cada de presin total del filtro est la cada de presin a travs del compartimien-to. Dado que el filtro de talegas ya se encuentra en funcionamiento, es difcil diferenciar qu fraccin de la cada de presin se debe al compartimiento y cul se debe a la tela. Por lo tanto, con este mtodo la cada de presin a travs del compartimiento se le atribuye a la cada de presin a travs de la tela. Por lo tanto, la cada de presin total es:

Reemplazando los valores obtenidos hasta el momento se tiene:



K (

mm

- s /

m)

HO 2

W (g / m )2

7000

6000

5000

4000

3000

2000

1000

00 50 100 150 200 250 300 350

K = W +11.75 2500


Figura 8. Resistencia del filtro en funcin de la densidad no real.

8. DISEO DE LOS FILTROS DE TALEGAS

El procedimiento de diseo requiere estimar una velocidad de filtracin (relacin de gas/tela) que sea compatible con la seleccin de la tela y el tipo de limpieza. La seleccin de la tela con respecto a la composicin depende de las caractersticas del gas y de las partculas; la seleccin de la tela con respecto a la construccin (tejidas o de fieltro) depende en gran parte del tipo de limpieza. La es-timacin de una velocidad de filtracin demasiado alta, comparada con una velocidad de filtracin estimada correctamente, conduce a cadas de pre-sin ms altas, mayor penetracin de las partculas (eficiencia de recoleccin ms baja), y una limpieza ms frecuente que conduce a una vida reducida de la tela. Una estimacin de una velocidad de filtracin demasiado bajo aumenta el tamao y el

costo del filtro de talegas innecesariamente. Cada uno de los parmetros para diseo se discuten a continuacin.

En el diseo riguroso de un filtro de talegas se adopta el siguiente procedimiento: - Se estima la cada de presin promedio re-

querida (y una cada de presin mxima, si es necesario) junto con el caudal de gas total.

- Se especifican las caractersticas de operacin del filtro de talegas (o sea, el perodo de filtra-cin, el perodo de limpieza, y el mecanismo de limpieza).

- Se selecciona una velocidad de filtracin con base en las propiedades de las partculas (tabla 3) para calcular el rea de filtracin.

El rea de filtracin se calcula de la siguiente manera:



(8)

En la cual:

A = rea de filtracin, m2.

Q = Caudal de la corriente gaseosa, m3/s.


Para el clculo del rea total, que incluyen los compartimientos que se estn limpiando, se emplea el factor multiplicador de la tabla 4 (nica-mente para filtros de talegas que utilizan limpieza por agitacin o aire en contracorriente).

At = AF (9)

En la cual:

At = rea total de filtracin, m2.

A = rea de filtracin, m2.

F = Factor multiplicador de la tabla 4.

- Se calcula el nmero de compartimientos para el filtro de talegas con base en la tabla 2.

- Se calcula el rea de cada talega, segn el ta-mao de la talega, y el nmero de talegas por compartimiento.

El rea de la talega es:

(10)

En la cual:A

b = rea de filtracin de una talega, m2.

D = Dimetro de la talega, m.

L = Longitud de la talega, m.

El nmero total de talegas es:

(11)

En la cual:

N = Nmero total de talegas.

At = rea total de filtracin, m2.

Ab = rea de filtracin de una talega, m2.

Ejemplo 2. Los gases de escape de un horno de una planta siderrgica tienen un caudal de 110 m3/s a 730 C (1,000 K) y 101.3 kPa. La con-centracin de partculas (xidos de hierro) es de 2.6 g/m3 y el contenido de humedad es del 8%. Disear un filtro de talegas para reducir la emisin de partculas y cumplir con la norma de emisin propuesta por la Agencia de Proteccin Ambien-tal de los Estados Unidos, que para el caso de las plantas siderrgicas es de 50 mg/m3 en base seca y a condiciones de referencia.

Solucin: La concentracin de partculas en la corriente gaseosa en base seca y a condiciones de referencia es:

La eficiencia total de coleccin requerida es:

Esta eficiencia est dentro de los lmites que se pueden lograr con un filtro de talegas adecua-damente diseado. Sin embargo, la temperatura de los gases est sobre los lmites de operacin disponibles para los materiales de las talegas. Se requiere, por lo tanto, de un sistema de enfria-miento, pero debe buscarse una tela para funcio-nar tan caliente como sea posible.

La tabla 1 muestra que la fibra de vidrio puede operar continuamente a temperaturas hasta de 260 C. Experiencias previas muestran que los filtros de fibra de vidrio pueden remover part-culas de xido de hierro con eficiencias mayores al 99.6% en filtros de talegas que emplean aire en contracorriente como mtodo de limpieza y una velocidad de filtracin de 0.013 m/s (Licht, 1980). Se escogen talegas de fibra de vidrio a una temperatura de operacin de 260 C.

Hay, bsicamente, tres alternativas para enfriar los gases a 260 C:



- Dilucin con aire ambiente.

- Intercambio de calor.

- Humidificacin.

La dilucin con aire ambiente genera un aumento considerable en el tamao del filtro de talegas, mientras que la humidificacin aumenta la humedad del gas, producindose una condensa-cin en el filtro o problemas de corrosin al dismi-nuir la temperatura en presencia de gases solubles en agua como los xidos de azufre y de nitrgeno. Con ambos sistemas se pierde la preciosa energa trmica contenida en la corriente gaseosa. Un

intercambiador de calor recupera cerca del 50% de esta energa sin aumentar el rea de filtracin requerida. La figura 9 es un diagrama esquemtico del sistema propuesto.

Asumiendo que la corriente gaseosa se com-porta como aire:

= 0.3524 kg/m3

Cp = 1.08 kJ/kg K

La transferencia de calor que experimenta la corriente gaseosa al pasar de 730 C (1,000 K) a 260 C (533 K) es:

Filtro detalegas

Corriente gaseosa730 C0

Vapor saturado172 C0

25 C0

Agua25 C0

Partculas dexidos de hierro

Gas limpioIntercambiador

de calor


Figura 9. Sistema propuesto para el ejemplo 2.

El cambio de entalpa de 1 kg de agua lquida a 25 C que es convertido a vapor saturado a 172

C (830 kPa) es 2,665.4 kJ. Asumiendo prdidas de energa del 10 %, la cantidad de vapor producido en el intercambiador es:



Para estimar el rea de transferencia de calor, se calcula la media logartmica de la diferencia de temperaturas:

Asumiendo que el coeficiente de transferencia global (U) es 300 W/m2 K, el rea de transferencia de calor es:

La corriente gaseosa entra al filtro de talegas con un caudal de:

La concentracin de partculas para estas condiciones es:

Para una velocidad de filtracin de 0.013 m/s, el rea de la tela es:

El factor multiplicador de la tabla 4 para esa can-tidad de tela es 1.11, por lo tanto, el rea total es:

El rea de una talega, con un dimetro de 0.3 m y una longitud de 8.2 m, es:

El nmero total de talegas es:

Segn la tabla 2, un diseo razonable puede usar 10 compartimientos. El nmero de talegas por compartimiento es de 64 en un arreglo de 8 8. El nmero de compartimientos en funcionamiento se obtiene al dividir el nmero de compartimien-tos totales por el factor multiplicador de la tabla 4, es decir 1.11.

Compartimientos en funcionamiento:

Lo anterior significa que, mientras se realiza la filtracin en 9 compartimientos, uno (1) est en limpieza o en reserva. La duracin del tiempo de filtracin depende de la mxima cada de presin permitida en el filtro de talegas. Asumiendo, para este caso, que la cada de presin permisible es de 255 mm H2O para el filtro de talegas y que la cada de presin en el compartimiento es de 36.71 mm H2O, los factores de resistencia para este filtro de talegas son (Licht, 1980):

Reemplazando los valores obtenidos hasta el momento se tiene:

= 720 s = 12 minLos compartimientos se deben limpiar cada 12

minutos y la secuencia de filtracin es la siguiente: empiezan a funcionar nueve (9) compartimientos y cada 80 segundos se saca uno de funcionamiento y entra en operacin el compartimiento de reserva o el que estaba en limpieza.

8.1. Caractersticas de las partculas.

La distribucin de tamao de las partculas y la adhesividad son las propiedades ms importantes



de las partculas que afectan los procedimientos de diseo. Las partculas ms pequeas pueden formar una capa de partculas ms densa, lo que aumenta la cada de presin e implicara una velocidad de filtracin aplicable mucho menor.

8.2. Tamao de las talegas.

Desde el punto de vista prctico, se recomien-da que la dimensin de una talega no exceda los siguientes valores:

- Dimetro: entre 0.15 y 0.30 m.

- Longitud: entre 1.5 y 12 m.

8.3. Caractersticas de la corriente gaseosa.

La humedad y el contenido de sustancias corrosivas son las principales caractersticas de la corriente gaseosa que requieren una consideracin en el diseo. El filtro y el sistema de ductos aso-ciado deben aislarse y posiblemente ser calentados si ocurre condensacin de la humedad. Tanto los componentes estructurales como los de la tela deben ser considerados, dado que cualquiera de stos puede ser daado. La humedad de la corriente gaseosa no debe ser mayor del 20% en volumen para que se pueda usar este mtodo de control.

8.4. Temperatura.

Para evitar la condensacin en el filtro se reco-mienda que la temperatura de la corriente gaseosa est entre 10 y 20 C por encima del punto de roco. Sin embargo, el costo adicional de un pretratamien-to tendr que ser considerado en lugar de pagar un mayor precio por telas con mayor resistencia a la temperatura.

Hay varios mtodos para enfriar un gas; cada uno de ellos presenta algn inconveniente. Cite-mos algunos de ellos:a. Dilucin con aire: consiste en mezclar la

corriente gaseosa con aire a temperatura am-biente. Es el mtodo ms sencillo y barato, sin embargo, genera un aumento considerable en

el volumen del gas a tratar, aumentando el tamao del filtro de talegas.

b. Intercambio de calor: el gas caliente pasa por un intercambiador de calor para permitir el contacto indirecto de la corriente gaseosa con otro fluido a meno temperatura, como el agua o el aire. Dicho mtodo no es efectivo para temperaturas de la corriente gaseosa menores de 500 C. El problema es que para esto se requieren ms equipos en el sistema y, por lo tanto, los costos son ms elevados. Por otro lado, se puede presentar sedimentacin de las partculas en el interior del intercambiador de calor.

c. Humidificacin: consiste en el enfriamiento de la corriente gaseosa ponindola en contacto directo con pequeas gotas de agua. El agua, al evaporarse, disminuye la temperatura de la corriente gaseosa, pero aumenta la humedad del gas, producindose una condensacin en el filtro o problemas de corrosin al disminuir la temperatura en presencia de gases solubles en agua como los xidos de azufre y de nitr-geno.

8.5. Presin.

Los filtros de talegas pueden ser utilizados para el servicio por presin positiva en las talegas o presin negativa pero nicamente dentro de un intervalo de alrededor de 635 mm H2O. Debido a la construccin de lmina metlica del compar-timento, por lo general no son apropiados para servicios ms severos.

8.6. Medio de filtracin.

El tipo de material del filtro usado en los filtros de talegas depende de la aplicacin especfica y de la composicin qumica asociada a la corriente gaseosa, la temperatura de operacin, la concen-tracin de partculas, y las caractersticas fsicas y qumicas de las partculas. La seleccin de un



material, tejido, acabado, o de su peso especfico se basa principalmente en la experiencia previa. Para las telas tejidas, el tipo de hilo, el dimetro del hilo, y el tejido tambin son factores en la seleccin de telas apropiadas para una aplicacin especfica.

9. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS FILTROS DE TALEGAS

9.1. Ventajas

- Alta eficiencia de remocin de partculas en un intervalo amplio de tamaos de partculas.

- Cada de presin y consumo de energa mo-derado.

- Recuperacin de partculas en estado seco, las

cuales pueden ser reutilizadas.

- Extrema flexibilidad de diseo, proporcionada por la disponibilidad de varios mtodos de limpieza y medios filtrantes.

- Capacidad para manejar una diversidad de materiales slidos.

9.2. Desventajas

- Limitaciones de espacio.

- Posibilidad de explosin por la presencia de chispas en las cercanas de las talegas.

- Por lo general, no es posible manejar materia-les higroscpicos debido a los problemas con la limpieza de las talegas.

- Costos de mantenimiento elevados.

- Limitaciones en el uso por altas temperaturas.

REFERENCIAS

AIR & WASTE MANAGEMENT ASSOCIATION, 1999. Air pollution engineering manual. Van Nostrand Reinhold. New York.

BENTEZ, J, 1993. Process engineering and design for air pollution control. Prentice Hall. New Jersey.COOPER, D. and ALLEY, F, 1990. Air Pollution Control. New Jersey: Waveland Press.CORBITT, R, 1990. Standards handbook of environmental engineering. Mc Graw-Hill. New York.DE NEVERS, N, 1997. Ingeniera de control de la contaminacin del aire. Mc Graw-Hill. Mxico.E. ROBERTS ALLEY & ASSOCIATES, INC, 2001. Manual de control de la calidad del aire. Mc Graw-Hill. Mxico.LIU, D. and LIPTK, B, 2000. Environmental Engineers Handbook. Florida: Lewis Publishers.MOLINA, FRANSCISCO, 1996. Documentos de la asignatura Contaminacin Atmosfrica. Universidad de Antioquia.

Medelln.PERRY, R. and CHILTON, C, 1986. Manual del ingeniero qumico. vol. 5, McGraw-Hill. Mxico, D. F.WARK, K. and WARNER, C, 1996. Contaminacin del aire. Limusa. Mxico.US Department of labor, 2008. Chapter 4 collecting and disposing of dust. ltimo acceso enero 2008.

Documents

DISEÑO FILTROS TALEGAS