F I L T R O SDESCRIPCIONLos filtros son equipos en los que se
lleva a cabo la operacin de separacin slido - lquido denominada
filtracin. Esta operacin consiste en una separacin fsica donde no
existe transferencia de materia sino que lo que se da es una
separacin entre distintos estados de agregacin. La filtracin es una
operacin unitaria donde se consigue la separacin de los slidos que
se encuentran suspendidos en un medio lquido haciendo pasar la
suspensin a travs de un medio poroso, el cual va a retener las
partculas slidas dejando pasar el lquido. Los slidos quedarn
retenidos en funcin de su granulometra y segn sea el tamao de los
poros.
El medio filtrante es la barrera que retiene los slidos y deja
pasar el lquido, puede ser un tamiz, una tela, un tejido de fibras,
fieltro, membranas polimricas o un lecho de slidos. El lquido que
atraviesa el medio filtrante se denomina filtrado.
Distintos tipos de mallas para el medio filtrante
Un proceso de filtracin presenta diversas caractersticas que se
han de tener en cuenta para clasificar el proceso y seleccionar el
equipo adecuado. Los distintos criterios de clasificacin que se
siguen son de acuerdo ha:- La fuerza impulsora de la filtracin.-
Gravedad.- Presin o vaco.- Centrfuga- El mecanismo de filtracin.
Filtracin por torta: si la proporcin de slidos es muy elevada, las
partculas quedan retenidas en la superficie del medio filtrante
establecindose gradualmente una torta de espesor creciente sobre el
medio filtrante, con lo que en realidad la filtracin se va a
realizar a travs de la torta. Por tanto la mayor parte de partculas
se recogen en la torta filtrante y posteriormente sta se separa del
medio.
Filtracin en lecho profundo: la proporcin de partculas slidas es
muy pequea y con frecuencia su dimetro es menor que el de los poros
del medio filtrante por lo que las partculas penetran hasta una
profundidad considerable antes de ser atrapadas.
El objetivo:El objetivo de la filtracin puede ser obtener un
lquido clarificado, limpio de slidos o bien el producto slido lo ms
seco posible, es decir con la menor cantidad de lquido que se pueda
conseguir. Otra finalidad de la filtracin, por ejemplo en los
tratamientos de aguas, es simplemente depurar el efluente para
hacer posible su vertido.- El ciclo de operacin.- Continuo.-
Discontinuo.- La naturaleza de los slidos.- Torta compresible: si
los slidos son deformables.- Torta incompresible: si stos son
rgidos.TIPOSExisten numerosos tipos de filtros dependiendo de
aplicacin a que estn destinados, y como se ha visto anteriormente,
su clasificacin se puede realizar atendiendo a diferentes
criterios, aunque lo ms frecuente es su caracterizacin en funcin de
la fuerza motriz.
Los factores principales a considerar a la hora de elegir un
tipo de filtro frente a otro son: la resistencia especfica de la
torta, la cantidad a filtrar y la concentracin de slidos.
Otra de las caractersticas del filtro a tener en cuenta es la
facilidad de descarga de la torta.
Ante todo lo que va a decidir la eleccin del filtro es el factor
econmico. Normalmente el precio del equipo est directamente
relacionado con el rea filtrante.
Los filtros clarificadores o de lecho profundo se suelen emplear
cuando la cantidad de slidos presentes en el lquido es muy pequea,
siendo de gran aplicacin para la depuracin de agua y el tratamiento
de aguas residuales. En este grupo se tienen los filtros de lecho,
los cartuchos filtrantes y otros. Los filtros de cartucho son cada
vez ms utilizados en la industria por sus buenos resultados.
Cartuchos filtrantes
La mayor parte de filtros empleados en la industria qumica son
filtros de torta y dentro de stos su clasificacin suele hacerse en
funcin de la fuerza impulsora (presin, vaco o centrfuga).
Si se debe seleccionar entre un filtro de presin o uno de vaco
se deben conocer las ventajas e inconvenientes que presentan cada
uno de ellos. Los filtros de presin permiten la obtencin de tortas
con un menor contenido de humedad y los filtros de vaco, aunque
permiten un funcionamiento en continuo, el consumo de energa es
mayor debido al sistema de vaco y existe una limitacin en la
diferencia de presin aplicable (ya que la presin mxima no puede
sobrepasar el valor de 1 atm). A continuacin se exponen algunos de
los filtros de uso ms habitual:
Filtro prensa: es uno de los filtros ms usados debido a su gran
versatilidad, tanto en relacin a la amplia gama de materiales y
como las diversas condiciones de operacin que se pueden aplicar,
adems de su bajo coste de mantenimiento. Se emplea en los casos en
que la resistencia especfica de la torta es elevada y siempre que
la cantidad de slidos no sea tan elevada que obligue a desmontar
frecuentemente la prensa que provocara desgastes excesivos en las
telas. Sin embargo, no est recomendado su uso para tratar grandes
cantidades. Consisten en una serie de elementos cuadrados o
rectangulares, que pueden ser placas y marcos alternados o cmaras,
entre los que se coloca la tela filtrante. De esta forma, se
distinguen dos tipos de filtros prensa: la prensa de placas y
marcos y la prensa de cmaras. La diferencia entre ambas radica en
que la segunda prescinde de los marcos y que el canal de
alimentacin se encuentra en el centro de cada una de las placas en
vez de en una de las esquinas como ocurre en la prensa de placas y
marcos.
Filtro prensa
Filtro de hojas: se operan de manera discontinua o por cargas.
Consisten en una serie de elementos filtrantes planos, denominados
hojas, que se encuentran en el interior de una carcasa presurizada.
Como caractersticas fundamentales cuenta con una mayor uniformidad
y mejor separacin de la torta, una mayor facilidad de lavado y de
instalacin de la tela. Aunque inicialmente diseado para trabajar a
vaco, los tipos posteriormente desarrollados operan a presin
pudiendo aplicar presiones superiores a las que son posibles en el
filtro prensa. Se emplea preferentemente en caso de que se requiera
un lavado eficaz de la torta. Las hojas pueden tener diferentes
formas (rectangulares o circulares) y las carcasas pueden estar
dispuestas horizontal o verticalmente.
Filtros rotativos a vaco: son muy empleados debido a que
trabajan en continuo y a su bajo coste de operacin motivado por su
funcionamiento automtico. Se emplea para materiales de filtracin
poco complicados. Posee una gran capacidad en relacin a su tamao.
Dentro de los filtros rotativos se tienen dos tipos:
- De tambor rotativo: consiste en un cilindro dispuesto
horizontalmente, cuya superficie exterior est formada por una
plancha perforada sobre la que se fija la tela filtrante. El
cilindro est dividido en una serie de sectores que se encuentran
conectados a travs de una vlvula rotativa. El tambor est
parcialmente sumergido en una cuba a que se alimenta la suspensin a
filtrar y se aplica vaco en los sectores sumergidos. De esta manera
se forma una torta del espesor deseado ajustando la velocidad de
rotacin del tambor. Para retirar la torta del tambor se pueden
seguir varios procedimientos. Lo ms frecuente es emplear una
cuchilla fija o rasqueta para descargar la torta, pero si resulta
difcil de desprender tambin se puede realizar dicha operacin por
medio de una cuerda o de un rodillo.
Filtro de tambor
- De pre-recubrimiento: se emplea cuando el material forma una
torta de elevada resistencia. En primer lugar se provoca la
formacin de una gruesa capa de un material de muy fcil filtracin
sobre el medio filtrante para luego que se produzca la filtracin a
travs de esta capa. As la torta formada es muy delgada y se retira
junto con una fina capa del material de recubrimiento.
- De discos: consiste en un cierto nmero de hojas filtrantes
circulares montadas sobre un eje horizontal. Su funcionamiento es
similar al filtro de tambor, sin embargo proporciona un lavado peor
de la torta y su descarga es ms difcil. Como ventaja frente al
filtro de tambor se tiene que ofrece un rea de filtracin mucho
mayor en el mismo espacio.
Filtro de banda: presenta una gran flexibilidad de aplicacin y
alta Capacidad. Permite la filtracin en continuo. Consiste en una
especie de cinta transportadora donde la cinta se ha sustituido por
una banda o tela permeable. La suspensin se alimenta por la parte
superior y en un extremo de la cinta, mientras que por la parte
inferior de sta se hace el vaco y se recoge el filtrado. Se van a
ajustar la velocidad de la cinta y la distancia a la que se aplica
la suspensin para producir una torta del espesor adecuado. La torta
se desprende al final de la cinta.
Filtro de banda
Filtro Nutscha: existen dos variantes a presin y a vaco.
Filtro Nutscha de presin
- A vaco: son filtros de pequea capacidad pero de una gran
simplicidad constructiva. Consisten en un recipiente donde la
alimentacin se realiza por la parte superior y en la zona inferior
se dispone el sistema de vaco. Entre ambas zonas se halla el medio
filtrante.
- A presin: se tienen dos tipos, uno de descarga manual y otro
de descarga automtica. El primero es similar al filtro de vaco
mientras que el segundo est dotado de un agitador que permite el
mantenimiento de la suspensin durante el filtrado y la mejora de la
eficacia por eliminacin de la humedad residual de la torta. Sin
embargo este equipo presenta un precio bastante elevado debido a la
complejidad del sistema.
Algunos de estos filtros admiten calefaccin, lo que permite
disminuir la viscosidad del filtrado, aumentar la velocidad de
filtracin y, adems, producir una torta ms seca.
Si se ha de elegir entre un filtro continuo y uno discontinuo,
se debe tener en cuenta que el filtro continuo proporciona una
capacidad de produccin ms elevada para una superficie filtrante
dada, aunque la mayora presenta una limitacin de la presin mxima de
filtracin. El filtro discontinuo se va a emplear cuando la torta
filtrante tiene una resistencia elevada.
Otro tipo de filtros a sealar son los filtros centrfugos:
Ofrecen ciertas ventajas frente a los filtros anteriores como la
posibilidad de obtener bajas humedades residuales en los slidos y
la gran capacidad de tratamiento, mientras que, por otra parte, los
principales inconvenientes son el elevado coste y el trabajar a
altas velocidades, que ocasiona problemas de desgaste. Es frecuente
expresar la fuerza centrfuga aplicada en trminos de las veces que
la aceleracin centrfuga supera a la de la gravedad. As se
encuentran valores que pueden oscilar desde las 500 hasta las
50.000g. Entre los filtros centrfugos destacan:
Centrfuga de cesta: es la ms sencilla y universal. Consiste en
una cesta, vertical u horizontal, sobre la que se coloca el
elemento filtrante. Como problema presenta la descarga de slidos,
que se debe realizar manualmente y supone una operacin bastante
lenta. Giran a velocidades comprendidas entre 600 y 1800 rpm.
Centrfuga de cesta vertical
Centrfuga de tornillo helicoidal: tiene forma tronco-cnica y la
alimentacin debe ser una suspensin bastante concentrada. Las
posibilidades de lavado son bastantes escasas. Alcanza
aceleraciones entre 1500 y 2500g.
Centrfuga rascadora o 'peeler': es una mquina de funcionamiento
discontinuo mientras que la descarga de la torta se realiza de
manera automtica por accin de un cuchillo rascador. Las velocidades
alcanzadas son bajas (de 500 a 1600g). La capacidad de lavado de la
torta es muy buena. Las variantes existentes de este equipo se
distinguen en cuanto al tipo de rascador o a la existencia o no de
un sifn para dar salida al lquido.
Centrfuga de empuje: tiene funcionamiento continuo. Consiste en
una cesta de eje horizontal dotada de un falso fondo constituido
por un pistn que se desplaza axial y alternativamente, empujando la
torta formada y desplazndola parcialmente fuera de la cesta. La
torta debe tener una cierta rigidez para que el mecanismo de empuje
funcione eficazmente. Como ventaja notable destaca la posibilidad
de obtencin de la torta con humedades residuales muy bajas. Tambin
existen modelos con dos o ms cestas concntricas que giran
solidariamente con un eje comn. La torta pasa de manera sucesiva de
una cesta a otra, actuando la propia cesta interior como empujadora
de la exterior.
Centrfuga de empuje
FUNCIONAMIENTOEl funcionamiento de todo filtro se basa en la
existencia de una diferencia de presin que obliga a una suspensin a
atravesar el medio filtrante. En la superficie del medio filtrante
se van a depositar los slidos presentes formando con su acumulacin
una torta por la que debe seguir circulando la suspensin a
filtrar.
En las centrfugas la fuerza impulsora se aporta como energa
cintica. El slido se ve lanzado hacia la periferia, que se
encuentra perforada, en la que se va a depositar comprimindose
hasta formar una torta. Estos equipos se emplean igualmente para el
lavado o el escurrido de slidos.
Los factores principales que afectan a la filtrabilidad son:
- La naturaleza de la suspensin.- La fuerza impulsora aplicada.-
La resistencia de la torta a la filtracin.
- La temperatura de la suspensin.
- El tamao de las partculas.
- La concentracin de slidos en suspensin.
- El efecto de la utilizacin de floculantes y de la
agitacin.
- La naturaleza del medio filtrante.
El medio filtrante debe ser resistente mecnicamente y a la accin
corrosiva del fluido, mostrar poca resistencia al flujo del
filtrado, as como permitir que la torta se desprenda fcilmente.
Mecanismo de filtracin por torta
La secuencia de operaciones que tienen lugar en una filtracin se
conoce como ciclo de filtracin y son las siguientes:
Etapatiempo1.- Formacin de la precapa2- 5 min2.- Recirculacin de
las aguas madres de la precapa5- 15 min3.- Filtracin con
recirculacin de aguas madres5- 15 min4.- Filtracin20 min - 10h5.-
Escurrido/ secado de la torta5- 30 min6.- Lavado de la torta2- 60
min7.- 2 escurrido / secado de la torta5- 30 min8.- Descarga de la
torta2- 10 min9.- Lavado de la tela y preparacin para un nuevo
ciclo2- 5 min
Segn el tipo de filtro y el modo de operacin un ciclo podr
contener ms o menos operaciones.
En ocasiones se requiere un pretratamiento de la suspensin
previo a la filtracin. Si la suspensin es diluida y las partculas
slidas decantan fcilmente en el fluido, puede ser interesante
efectuar una concentracin preliminar en un espesador o aadir un
coagulante.
Si los slidos de la suspensin son muy finos o viscosos, forman
una torta densa e impermeable y obstruyen en seguida el medio
filtrante. Por consiguiente, es necesario aadir ciertos aditivos
que aumenten la porosidad de la torta. Estos aditivos reciben el
nombre de coadyuvantes de filtracin. Se pueden usar como tales la
perlita, la tierra de diatomeas o la celulosa de madera. Estos
materiales forman lechos de porosidades muy elevadas, provocan la
reduccin de la resistencia especfica de la torta a la vez que
aumentan su grosor, y hacen que sta sea ms compresible. Los
coadyuvantes se suelen emplear cuando el filtrado es valioso y el
residuo puede desecharse. Otra posible utilizacin de stos es como
precapa, depositando una pequea cantidad del coadyuvante sobre el
medio filtrante antes de comenzar la filtracin.
Normalmente es necesario realizar un lavado de la torta para
recuperar el lquido que haya quedado retenido, para ello se utiliza
un disolvente miscible con el filtrado (usualmente agua). El lavado
tiene lugar en dos etapas:
Primero las aguas madres son desplazadas de la torta filtrante
por el lquido de lavado durante el perodo de lavado por
desplazamiento. En esta etapa el efluente consiste bsicamente en el
filtrado que ha quedado sobre el filtro, sin producirse dilucin
apreciable. De esta manera puede separarse hasta el 90% del
filtrado retenido.
Durante la segunda etapa, denominada lavado por difusin, el
disolvente llega a los huecos menos accesibles del filtro y la
concentracin de filtrado en el efluente es muy baja. Tambin puede
darse durante esta etapa la disolucin de alguno de los componentes
retenido en la torta.
Hay que sealar adems la existencia de filtros
autolimpiantes.
El secado de la torta se suele efectuar por medio de aire
caliente o aplicando vaco.
Por ltimo sealar que existen dos modos de operacin posibles:
A presin constante: la presin de impulsin de la suspensin se
mantiene constantedurante todo el ciclo de filtracin, con lo que el
caudal de filtrado resulta variable y decreciente, ya que la
resistencia de la torta aumenta con el espesor de la misma. El
ciclo concluye cuando el caudal de filtrado est por debajo de un
mnimo.
A volumen constante: se intenta mantener fijo el volumen de
filtrado, lo que se exige aplicar presiones crecientes para
compensar los aumentos progresivos de resistencia de la torta. El
ciclo se dar por terminado cuando se alcance la presin mxima que
puede soportar el sistema.
CALCULOEn primer lugar se debe conocer la resistencia global que
se ofrece ante el paso del lquido. Fundamentalmente el filtrado
pasa a travs de dos resistencias en serie:
- La resistencia total que se establece sobre el medio
(incluyendo la de las partculas incrustadas) que se llama
resistencia del medio filtrante y es importante durante los
primeros momentos de la filtracin.
- La resistencia que ofrecen los slidos, y que no se debe al
medio filtrante, que se denomina resistencia de la torta. La
resistencia de la torta es cero al iniciar la filtracin, a causa de
la deposicin continua de slidos sobre el medio. Esta resistencia
aumenta continuamente con el tiempo de filtracin.
Hay que tener en cuenta que en un filtro bien diseado las
resistencias de las conexiones de entrada y salida son pequeas y
pueden despreciarse en comparacin con la resistencia de la torta y
del medio filtrante.
Por tanto en la filtracin por torta los factores ms importantes
de los que depende la velocidad de filtracin son:
- La cada de presin desde la alimentacin hasta el lado ms lejano
del medio filtrante.
- El rea de la superficie filtrante.
- La viscosidad del filtrado.
- La resistencia de la torta.
- La resistencia del medio filtrante y de las capas iniciales de
la torta.
CLCULO DE FILTRACIN CONTINUA
Para calcular la resistencia a la filtracin de la torta,
suponiendo sta incompresible, se tiene la siguiente expresin:
Se observa que la resistencia de la torta depende de la
porosidad y la superficie especfica , respectivamente.
Y si se desea se puede expresar como resistencia especfica (en
m/kg):
Donde es la densidad de la partcula.
El gradiente de presin por unidad de altura de torta formada, L,
se expresa a travs de la Ecuacin de Carman-Kozeny :
siendo U la velocidad superficial de filtrado en un tiempo
t:
Y donde V es el volumen de filtrado recogido para un tiempo
t.
A medida que transcurre la filtracin se van acumulando las
partculas que forman un determinado volumen de torta, que se puede
determinar por medio del parmetro:
Este parmetro representa el volumen de torta formado en el paso
de una unidad de filtrado.
Sustituyendo en la ecuacin del gradiente se obtiene la siguiente
expresin:
Donde quedan relacionados el volumen de filtrado, V, con la
altura de torta, L.
Otra manera de establecer dicha relacin se consigue con el
siguiente cociente:
Donde J es la fraccin msica de slidos en la suspensin
original.
Otro parmetro muy empleado es la masa de torta seca por unidad
de volumen de filtrado:
Donde m es la masa de torta hmeda por unidad de masa de slidos
secos contenidos en ella.
Si se incluye la resistencia del medio filtrante, sta se suele
expresar como una altura de torta equivalente:
Este volumen equivalente, Veq, es el volumen de filtrado
necesario para crear una altura de torta Leq y depende nicamente de
las propiedades de la suspensin y del medio filtrante.
Si se combinan las dos resistencias sealadas se tiene una
ecuacin general a partir de la cual se obtienen las ecuaciones de
diseo para los distintos tipos de filtracin:
CLCULO DE FILTRACIN CENTRFUGA
La filtracin centrfuga es un caso especial de filtracin donde la
fuerza de impulsin corresponde a la fuerza centrfuga.
Otros tipos de filtracin a considerar son:
- Filtracin discontinua con gradiente de presin constante.
- Lavado de la torta y tiempo de ciclo.
- Filtracin continua con gradiente de presin constante.
- Filtracin con caudal de filtracin constante.
- Torta compresible.
FILTRACION CENTRIFUGALa modelizacin de la filtracin en
centrfugas es compleja y los modelos tericos no permiten predecir
con precisin las caractersticas de la filtracin. Esto es debido a
que el rea para el flujo y la fuerza impulsora se incrementan con
la distancia al eje y la resistencia especfica de la torta tambin
vara.
No obstante, la teora de filtracin a presin constante,
anteriormente expuesta, puede modificarse para incluir el efecto de
la fuerza centrfuga, asumiendo flujo laminar, rea aproximadamente
constante, torta formada y resistencia especfica constante.
Con estas premisas se tiene que la velocidad del lquido es igual
a:
Donde q es el caudal de filtracin, A el rea del medio filtrante
y V el volumen de filtrado.
Si se sustituye en la ecuacin bsica de la filtracin dada
por:
donde Rm y mc son parmetros que se obtienen de la agrupacin de
los trminos que aparecen en la ecuacin general de la filtracin:
mc es la masa de torta depositada en el medio filtrante.
Por otra parte la cada de presin debida a la accin centrfuga se
obtiene teniendo en cuenta que , lo que despus de la integracin
queda como sigue:
Si se combinan las dos ecuaciones del gradiente de presin y se
despeja el caudal de filtrado, q, se tiene:
Si la variacin del rea con el radio es demasiado grande para ser
despreciada, el rea debe ser expresada en funcin de unas reas
medias:
Donde:
Es el rea media logartmica de la torta.
Es el rea de la torta media aritmtica.
Es el rea del medio filtrante.
OTROS CALCULOS FILTRACIN DISCONTINUA CON GRADIENTE DE PRESIN
CONSTANTE:
Esta operacin es frecuentemente utilizada en la industria. Su
expresin matemtica se deduce a partir de la ecuacin final obtenida
anteriormente:
Integrando esta expresin se tiene
y de ah
Para calcular los parmetros Kp y B se suele recurrir a la
regresin lineal de los datos experimentales obtenidos en
laboratorio, de esta manera es posible conocer los valores de la
resistencia especfica de la torta y la resistencia del medio
filtrante, Rm.
LAVADO DE LA TORTA Y TIEMPO DE CICLO:
Normalmente las partculas slidas separadas por filtracin
necesitan ser lavadas para eliminar el filtrado atrapado entre los
poros de la torta. Se supone que la estructura de la torta no se
afecta en el lavado y que el caudal de lavado es el mismo que el de
filtracin. Para los filtros en los que el lavado sigue el mismo
recorrido que la filtracin usando el mismo gradiente de presin, el
caudal de lavado es:
Sin embargo en el caso del filtro prensa no ocurre lo mismo ya
que el lquido de lavado pasa a travs de una torta el doble de
gruesa que la filtrante, por lo que el caudal de lavado resulta ser
un cuarto del de filtrado.
Adems del tiempo de lavado se debe tener en cuenta que se
precisa un tiempo adicional para la separacin de la torta y la
limpieza. Por tanto el tiempo total de ciclo es la suma de los
tiempos de filtracin, lavado, limpieza y los tiempos muertos entre
estas operaciones.
FILTRACIN CONTINUA CON GRADIENTE DE PRESIN CONSTANTE:
En estos filtros se considera que la resistencia del medio
filtrante es despreciable en comparacin con la de la torta, esto
quiere decir que B = 0. As si integramos la ecuacin general de la
filtracin se tiene que el tiempo requerido para la formacin de la
torta es:
Tomando el tiempo de filtrado como una fraccin del tiempo total
de ciclo, t = f tc y sustituyendo en la ecuacin global se
obtiene:
FILTRACIN CON CAUDAL DE FILTRACIN CONSTANTE:
Este tipo de filtracin se da cuando se alimenta el filtro con
una bomba de desplazamiento positivo, as se tiene que:
Si se parte de nuevo de la ecuacin general y se despeja el
gradiente de presin:
Igual que en el caso anterior, por regresin lineal se puede
obtener el valor de las constantes Kv y C.
Tambin es posible expresar la ecuacin anterior como una funcin
del tiempo sustituyendo el valor de V por la siguiente
expresin:
Se observa que el gradiente de presin aumenta a medida que el
espesor de la torta crece y el volumen de filtrado aumenta. Sin
embargo este incremento de la presin afecta a las propiedades de la
torta y a la velocidad de produccin de filtrado. La compresin acta
reduciendo la porosidad, aumentando por tanto la concentracin de
slidos y como consecuencia va a variar la resistencia especfica de
la torta, con lo que la respuesta producida ser no lineal.
TORTA COMPRESIBLE:
Si el anlisis de los datos de filtracin determina que se
obtienen distintas resistencias especficas y concentraciones de
torta al variar la presin, eso indica que la torta es compresible.
En este caso se suele utilizar una relacin emprica para ajustar los
datos por regresin de la forma:
- Para la resistencia especfica
- O para la concentracin volumtrica de la torta
Siendo constantes empricas, donde n se denomina coeficiente de
compresibilidad que suele encontrarse tabulado.
APLICACIONESEntre las aplicaciones de los filtros se debe
mencionar que, aparte de la filtracin propiamente dicha, stos
pueden realizar otras funciones de separacin slido-lquido como:
clarificacin, extraccin, lavado de torta, deshidratacin y
recuperacin de sustancias.
La filtracin se emplea en un gran nmero de procesos relacionados
con industrias muy diversas; como ejemplo se citan las
siguientes:
Qumica: filtracin de azufre fundido, silicato sdico, cido
ctrico, resinas y fibras sintticas, plsticos.
Farmacutica: produccin de vitaminas y antibiticos.
Alimentaria: filtracin de glucosa, fructosa y azcares, jugos de
frutas, cerveza, vino.
En la produccin de azcar se emplean filtros de vaco siempre que
es necesaria la separacin de materia slida de un lquido, tambin
aparecen centrfugas.
En la produccin de zumos de frutas, hay que sealar que est
aumentando la utilizacin de filtros para espesamiento de tipo
continuo frente a los tpicos decantadores.
En el embotellado vino o zumos de frutas, se emplean los filtros
de placas como filtro final para la esterilizacin. Otros usos de
los filtros en la industria del vino se dan en bodega para
filtracin clarificante y eliminacin de turbidez si se coloca el
filtro entre dos tanques.
Industria del aceite: pulido de aceites, blanqueo y
winterizacin.
Agroqumica: produccin de insecticidas
Petroqumica: separacin de distintos componentes como la
posibilidad de obtencin de parafinas cristalinas de las que no lo
son
Recuperacin y refino de metales: por ejemplo filtracin de sales
de zinc, cobre, nquel, etc.
Otro ejemplo es el tratamiento de minerales sulfurosos para la
extraccin de oro. El mineral despus de ser concentrado en el
circuito de flotacin, debe ser lavado para eliminar las sales en
exceso que tienen un efecto perjudicial en el proceso posterior de
tostacin. El mtodo elegido para este proceso es el de filtracin
porque no slo consigue el lavado requerido sino que produce una
torta que se puede transportar fcilmente al lugar de tostacin. La
filtracin y el lavado se llevan a cabo usando dos filtros de banda
que producen una torta con una humedad aproximada del 15%.
Planta de tratamiento de mineral
- Cermica, pinturas, pigmentos, tintes, barnices.
- Tratamiento de aguas residuales: tanto urbanas como
procedentes de instalaciones industriales. La filtracin aparece en
el acondicionamiento de aguas residuales y en el tratamiento de
fangos.
La filtracin de agua implica su paso a travs de capas de arena,
carbn y otros materiales granulares para eliminar microorganismos y
cualquier floculo o sedimento que pudiera quedar.
Filtracin en lecho profundo para purificacin de aguaTambin se
emplean los filtros prensa en la filtracin de fangos urbanos (ver
diagrama). El acondicionamiento se realiza con cal y cloruro frrico
que mejora el espesamiento. Se consiguen humedades residuales del
50%.
Otras posibles aplicaciones son:
- Produccin de cemento va hmeda.
- Para la obtencin de sal en salinas, como se muestra en el
siguiente diagrama:
Detalle de equipos:1. evaporador de cristalizacin.2. recipiente
de la papilla de cristales.3. condensador esttico.4. dosificador.5.
centrfugas.6. secador de lecho fluido.
- tambin es posible el tratamiento de productos peligrosos para
el medio ambiente en filtros Nutcha, gracias a su estanqueidad.
- produccin de papel.
Mquina de papel
FILTROS DE MANGAS
DESCRIPCIONLos filtros de mangas son considerados como los
equipos ms representativos de la separacin slido-gas mediante un
medio poroso. Su funcin consiste en recoger las partculas slidas
que arrastra una corriente gaseosa, esto se consigue haciendo pasar
dicha corriente a travs de un tejido. El tamao de las partculas a
separar por los filtros de mangas ser entre 2 y 30 m. Sin embargo,
no es usual disponer de medios filtrantes con poros tan pequeos
como para retener las partculas que transporta el gas, debido a que
los dimetros de stas son extraordinariamente pequeos. Por tanto la
filtracin no comienza a efectuarse de manera efectiva hasta que no
se han acumulado una cierta cantidad de partculas sobre la
superficie de la bolsa en forma de torta filtrante.
Distintos tipos de mangasAs puede decirse que el sistema de
filtracin que se da en los filtros de mangas es anlogo al de los
filtros por torta, donde el medio filtrante acta nicamente como
soporte de la torta y es sta la que realiza realmente la
operacin.
Los filtros de mangas constan de una serie de bolsas con forma
de mangas, normalmente de fibra sinttica o natural, colocadas en
unos soportes para darles consistencia y encerrados en una carcasa
de forma y dimensiones muy similares a las de una casa. El gas
sucio, al entrar al equipo, fluye por el espacio que est debajo de
la placa a la que se encuentran sujetas las mangas y hacia arriba
para introducirse en las mangas. A continuacin el gas fluye hacia
afuera de las mangas dejando atrs los slidos. El gas limpio fluye
por el espacio exterior de los sacos y se lleva por una serie de
conductos hacia la chimenea de escape.
Contienen adems una serie de paneles para redireccionar el aire,
dispositivos para la limpieza de las mangas y una tolva para
recoger las partculas captadas. La eliminacin de polvo o de las
pequeas gotas que arrastra un gas puede ser necesaria bien por
motivos de contaminacin, para acondicionar las caractersticas de un
gas a las tolerables para su vertido a la atmsfera, bien como
necesidad de un proceso para depurar una corriente gaseosa
intermedia en un proceso de fabricacin. En ocasiones el
condicionante de la separacin ser un factor de seguridad, ya que
algunos productos en estado de partculas muy finas forman mezclas
explosivas con el aire.
TIPOSLa caracterstica principal que diferencia unos tipos de
filtros de mangas de otros es la forma en que se lleve a cabo su
limpieza. Esto adems condiciona que los filtros sean continuos o
discontinuos.
- Continuos: la limpieza se realiza sin que cese el paso del
aire por el filtro.
- Discontinuos: es necesario aislar temporalmente la bolsa de la
corriente de aire.
Segn este criterio, se tienen tres tipos principales de filtros
de mangas:
- Por sacudida: se realiza cuando existe la posibilidad de
suspender el servicio del filtro durante un corto periodo de
tiempo. Por tanto, exige un funcionamiento discontinuo con un ciclo
de filtracin y otro de limpieza. El tipo ms barato y sencillo
consiste en un cierto nmero de bolsas reunidas en el interior de
una carcasa. Funciona con una velocidad aproximada de 0,01 m/s a
travs de la bolsa filtrante. La limpieza se puede llevar a cabo
manualmente para unidades pequeas.
Existe tambin una versin ms complicada y robusta que incluye un
mecanismo automtico de agitacin para la limpieza de las telas que
puede funcionar por mtodos mecnicos, vibratorios o de pulsacin. Las
bolsas estn sujetas a un soporte mecnico conectado a un sistema
capaz de emitir sacudidas o vibraciones mediante un motor elctrico.
Al ser el tejido ms grueso, se pueden utilizar velocidades
frontales ms elevadas, de hasta 0,02 m/s, y permite el
funcionamiento en condiciones ms severas que las admisibles en el
caso anterior.
- Por sacudida y aire inverso: se emplea para conseguir un
funcionamiento en continuo, para ello los elementos filtrantes
deben encontrarse distribuidos entre dos o ms cmaras
independientes, cada una de las cuales dispone de su propio sistema
de sacudida y de una entrada de aire limpio. El aire entra en las
mangas en sentido contrario por medio de un ventilador que fuerza
el flujo, de fuera a dentro, lo que favorece la separacin de la
torta.
- Por aire inverso: existen muchos dispositivos diferentes pero
el mecanismo habitual de limpieza consiste en la introduccin, en
contracorriente y durante un breve periodo de tiempo de un chorro
de aire a alta presin mediante una tobera conectada a una red de
aire comprimido. La velocidad frontal alcanza aproximadamente 0,05
m/s y es posible tratar altas concentraciones de polvo con elevadas
eficacias. Mediante este tipo de filtro se pueden tratar mezclas de
difcil separacin en una unidad compacta y econmica. Este mecanismo
de limpieza se denomina tambin de chorros pulsantes o 'jet pulse' y
es ms eficaz que las anteriores.
Filtro de mangas tipo 'jet pulse'Filtro de mangas de limpieza
manual
Para seleccionar el tipo de manga necesaria se debe tener en
cuenta que debe cumplir una serie de condiciones como:
- ser resistente qumica y trmicamente al polvo y al gas.
- que la torta se desprenda fcilmente.
- que la manga recoja el polvo de manera eficiente.
- que sea resistente a la abrasin ocasionada por el polvo.
- el caudal y la velocidad del gas.
FUNCIONAMIENTOLa separacin del slido se efecta haciendo pasar el
aire con partculas en suspensin mediante un ventilador, a travs de
la tela que forma la bolsa, de esa forma las partculas quedan
retenidas entre los intersticios de la tela formando una torta
filtrante. De esta manera la torta va engrosando con lo que aumenta
la prdida de carga del sistema. Para evitar disminuciones en el
caudal se procede a efectuar una limpieza peridica de las
mangas.
OPERACIN DE FILTRACIN:
- Una corriente de gas cargado de polvo entra al equipo, choca
contra una serie de paneles y se divide en varias corrientes.
- Las partculas ms gruesas se depositan directamente en el fondo
de la tolva cuando chocan contra dichos paneles.
- Las partculas finas se depositan en la superficie del tejido
cuando el gas pasa a travs de la bolsa.
- Una vez que el gas ha sido filtrado, ste fluye (ya limpio) a
travs de la salida y se descarga a la atmsfera por medio de un
ventilador.
OPERACIN DE LIMPIEZA:
- Las partculas depositadas en la superficie de la bolsa se
sacuden durante un breve periodo de tiempo por medio de aire
comprimido inyectado desde una tobera hacia la bolsa, o bien de
manera mecnica.
- El chorro de propulsin acta peridicamente mediante un
controlador automtico de secuencia.
- El polvo recogido en el fondo de la tolva se descarga mediante
un transportador de tornillo helicoidal y una vlvula rotativa.
La limpieza de las mangas no es completa en ningn caso debido a
la dificultad para desprender la torta en su totalidad y tambin
porque, si se aplicaran procedimientos ms vigorosos de limpieza, el
desgaste de las mangas sera mayor y se provocara un mayor nmero de
paradas de planta motivadas por el cambio de las mangas.
La eficacia del filtro ser baja hasta que se forme sobre la
superficie del tejido filtrante una capa que constituye el medio
filtrante para la separacin de partculas finas.
Una vez superada la fase inicial, los filtros de mangas son
equipos muy eficientes (sus eficacias sobrepasan con frecuencia el
99,9%), con lo que su aplicacin en la industria es cada vez
mayor.
La limitacin ms importante que se da en los filtros de mangas es
la debida a la temperatura, ya que se debe tener en cuenta el
material del que est constituida la tela para conocer la
temperatura mxima que se puede aplicar.
As para fibras naturales la temperatura mxima a aplicar es
alrededor de 90C. Los mayores avances dentro de este campo se han
dado en el desarrollo de telas hechas a base de vidrio y fibras
sintticas, que han aumentado la temperatura mxima aplicable hasta
rangos de 230 a 260 C.
Otros factores que pueden afectar a la operacin del filtro de
mangas son el punto de roco y el contenido de humedad del gas, la
distribucin del tamao de las partculas y su composicin qumica.
CALCULOLos dos parmetros fundamentales a considerar en el diseo
de un filtro de mangas son la velocidad del gas y la prdida de
carga. La velocidad del gas es bastante reducida, por lo que se
considera flujo laminar, y se puede aplicar la ecuacin de Darci
para calcular la velocidad de circulacin del gas.
Donde k es la permeabilidad del material filtrante, que en la
mayora de los casos se determina de manera experimental.
La velocidad a la que los gases pasan por la tela debe ser baja,
normalmente entre 0,005 y 0,03 m/s, para evitar una excesiva
compactacin de la torta de slidos con la consiguiente elevacin de
la prdida de carga, o para impedir la rotura local del lecho
filtrante que permitira el paso de partculas grandes a travs del
filtro.Para mantener una velocidad aproximadamente constante es
evidente que se debe aumentar la presin a medida que aumenta el
espesor de la torta. Para realizar esta funcin de aumento de la
presin se dispone de un ventilador o una soplante, que se encargar
de impulsar el gas.Normalmente la resistencia del material
filtrante es despreciable en comparacin con la de la torta de modo
que el volumen del gas procesado resulta proporcional a la raz
cuadrada del tiempo de filtracin.
A la hora de determinar la capacidad de un filtro de mangas se
debe tener en cuenta:
- La cantidad de gas a tratar.
- Si se van a disponer varios equipos en paralelo (prctica de
extensa aplicacin por su utilidad).
- Si va a haber algn equipo parado durante el proceso (en
operacin de limpieza, por ejemplo).APLICACIONESLos filtros de
mangas aparecen en todos aquellos procesos en los que sea necesaria
la eliminacin de partculas slidas de una corriente gaseosa.
Los filtros de mangas son capaces de recoger altas cargas de
partculas resultantes de procesos industriales de muy diversos
sectores, tales como:Cemento, yeso, cermica, caucho, qumica,
petroqumica, siderrgica, automovilstica, cal, minera, amianto,
aluminio, hierro, coque, silicatos, almidn, carbn, anilina, fibras
de granos, etc.
Aplicacin tpica de un filtro de mangas en una planta de
tratamiento de gas
La recogida de polvo o eliminacin de partculas dispersas en
gases se efecta para finalidades tan diversas como:
1.- Control de la contaminacin del aire; como la eliminacin de
cenizas volantes de los gases de escape en una central
elctrica.
2.- Reduccin del coste de mantenimiento de los equipos; como la
filtracin de la toma de aire de un motor o el tratamiento del gas
de tostacin de piritas previo a su entrada a una planta de cido
sulfrico
3.- Eliminacin de peligros para la salud o para la seguridad;
como la recogida de polvos silceos y metlicos resultantes de
equipos de molienda y trituracin y en algunas operaciones
metalrgicas y en el ensacado.
4.- Mejora de la calidad del producto; como la limpieza del aire
para la produccin de productos farmacuticos o de pelcula
fotogrfica.
5.- Recuperacin de productos valiosos; como la recogida de
partculas procedentes de secadores y hornos de tostacin.
6.- Recogida de productos en polvo; aplicado a casos como en el
transporte neumtico.
Planta de incineracin de residuosLINKSSe pueden encontrar
numerosas pginas donde aparecen aplicaciones de la filtracin y
distintos tipos de filtros.
Algunas de estas pginas, que se exponen a continuacin, pueden
resultar tiles e ilustrativas:
- Una pgina muy didctica sobre los fundamentos de la filtracin
expuestos de manera concisa y los tipos de filtros ms
significativos.
- Aplicacin de las operaciones de separacin slido-lquido a la
ganadera.
- Es una pgina muy completa sobre tipos de filtros y sus
aplicaciones.
- Se trata de una empresa que fabrica centrfugas y explica la
operacin de filtracin centrfuga.
- Pgina que expone de forma esquemtica los fundamentos de la
filtracin.
- Pgina con programas para el clculo de filtracin.- Pgina
ilustrativa sobre distintos tipos de filtros. LINKS
Se pueden encontrar numerosas pginas donde aparecen aplicaciones
de los filtros de mangas.
Algunas de estas pginas, que se exponen a continuacin, pueden
resultar tiles e ilustrativas:
- Pgina muy completa sobre los principios de funcionamiento de
un filtro de mangas y una descripcin completa del equipo.
- Caractersticas y descripcin del funcionamiento del equipo.
- Descripcin concisa del equipo adems de incluir otros equipos
de separacin de partculas
- Distintos tipos de filtros de mangas.
- Pgina con todo tipo de productos relacionados con los filtros
de mangas.
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