58339655-FILTRACION

FILTRACIÓN Las separaciones mecánicas se agrupan en cuatro categorías diferentes: sedimentación, centrifugación, filtración y tamizado. La forma de separación depende de la naturaleza de la partícula que vaya a ser separada y de la fuerza que actúan sobre ella para separarlas. Las características de las partículas más importantes a tener en cuenta son el tamaño, la forma y la densidad, y en el caso de fluidos, la viscosidad y la densidad. El comportamiento de los diferentes componentes a las fuerzas establece el movimiento relativo entre el fluido y las partículas, y entre las partículas de diferente naturaleza. Debido a estos movimientos relativos, las partículas y el fluido se acumulan en distintas regiones y pueden separase y recogerse, por ejemplo en la torta y en el tanque de filtrado de un filtro prensa. La teoría de filtración es valiosa para interpretar análisis de laboratorios, buscar condiciones óptimas de filtración y predecir los efectos de los cambios en las condiciones operacionales. El empleo de esta teoría esta limitado por el hecho de que las características de filtración se deben determinar siempre en la lechada real de que se trate, puesto que los datos obtenidos con una lechada no son aplicables a otra. Al comparar la filtración a nivel industrial ésta difiere de la del laboratorio en el volumen de material manejado y en la necesidad de manejarlo a bajo costo. Para obtener un gasto razonable con un filtro de tamaño moderado, se puede incrementar la caída de presión del flujo o disminuir la resistencia del mismo. Para reducir la resistencia al flujo el área de filtrado se hace tan grande como sea posible, sin aumentar el tamaño total del equipo o aparato de filtración. La selección del equipo de filtrado depende en gran medida de la economía. Al aplicar la teoría de filtración a la interpretación de datos, las ecuaciones obtenidas son útiles para predecir los efectos de un cambio en cualquier variable, si se determinan las constantes a partir de datos tomados de la lechada en cuestión.

PROCESO DE FILTRACIÓN 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 la partículas sólidas contenidas en la mezcla. El medio filtrante es la barrera que permite que pase el líquido, mientras retiene la mayor parte de los sólidos, los cuáles se acumulan en una capa sobre la superficie o filtro (torta de filtración), por lo que el fluido pasará a través del lecho de sólidos y la membrana de retención. El sistema de filtración va desde un simple colado hasta separaciones altamente complejas. El fluido puede ser un líquido o un gas; las partículas sólidas pueden ser gruesas o finas, rígidas o plásticas, redondas o alargadas, individuales separadas o agregados. La suspensión de alimentación puede llevar una fracción elevada o muy baja de sólidos. En algunos casos, la separación de las fases debe ser prácticamente completa; en otros se desea un separación parcial, por lo que se han desarrollado numerosos filtros para las diferentes situaciones. Termodinámicamente, un filtro es un sistema de flujo. Por medio de un diferencia de presión aplicada entre la entrada de la suspensión y la salida del filtrado, la suspensión circula a través del aparato, en el cual se depositan los sólidos presentes en el flujo, formando un lecho de partículas, por el que debe seguir circulando la suspensión a filtrar. El filtrado pasa a través de tres clases de resistencia en serie: 1. Las resistencias de los canales que llevan la suspensión hasta la cara anterior de la torta, y el filtrado desde que sale del medio filtrante. 2. La resistencia correspondiente a la torta. 3. La resistencia correspondiente al medio filtrante. Con respecto a la distribución de la caída global de presión, se observa que por ser éste un flujo en serie, la diferencia de presión total en el filtro puede igualarse a la suma de las diferencias de presión individuales. En un filtro bien diseñado las resistencias de las conexiones de entrada y salida son pequeñas y pueden despreciarse en comparación con la resistencia de la torta y del

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medio filtrante. Al incrustarse las primeras partículas en las mallas del medio filtrante, se produce una resistencia adicional que afecta al flujo posterior. La resistencia total que se establece sobre el medio, incluyendo la de las partículas incrustadas, se llama resistencia del medio filtrante y es importante durante los primeros momentos de la filtración. La resistencia que ofrecen los sólidos, y que no se debe al medio filtrante, se llama resistencia de torta. La resistencia de la torta es cero al iniciar la filtración, a causa de la deposición continua de sólidos sobre el medio, esta resistencia aumenta continuamente con el tiempo de filtración. La caída total de presión del filtro, es equivalente a la suma de las presiones generadas por el filtro, la torta y el medio: Al despreciar la resistencia de las conducciones, la caída total de presión del filtro en cualquier momento, es igual a la suma de las diferencias de presiones sobre el medio y la torta: Por medio de un balance de masa se obtiene la ecuación fundamental de filtración: donde:

(DP): Caída de presión total (Pa) V: Volumen del filtrado t: Tiempo de filtración A: Área de la superficie filtrante α: Coeficiente de resistencia de la torta Rm : Coeficiente de resistencia del medio filtrante μ: Viscosidad del filtrado C : Concentración de sólidos en la suspensión Filtración a presión constante Para una suspensión determinada en un filtro dado, la variable principal que se puede controlar, es la caída de presión, en la que si la diferencia de ésta es constante, la velocidad de flujo es máxima al comienzo de la filtración y disminuye continuamente hasta el final; este método es llamado filtración a presión constante. Filtración a velocidad constante Al comienzo de la filtración, con frecuencia la resistencia del filtro es grande comparada con la resistencia de la torta, ya que ésta es delgada. En estas circunstancias la resistencia ofrecida al flujo es prácticamente constante, por lo que la filtración transcurre a velocidad casi constante. A través de relaciones matemáticas se puede obtener la cantidad de líquido que ha pasado por el filtro, la caída de presión necesaria para obtener cualquier velocidad de flujo deseada y además determinar la resistencia de la torta de filtración. Compresibilidad de la torta En las tortas obtenidas por filtración, la resistencia específica de ésta varia con la caída de presión producida a medida que ésta se deposita; esto se explica porque la torta se va haciendo más densa a medida que la presión se hace mayor y dispone por ello de menos pasadizos con un tamaño menor para que pase el flujo. Este fenómeno se conoce como compresibilidad de la torta. Tortas muy compresibles serán aquellas que derivan de sustancias blandas y floculentas, en contraste con sustancias duras y granulares, como el azúcar y los cristales de sal, que se ven muy poco afectados por la presión (la velocidad es independiente de la presión).

MEDIOS FILTRANTES La resistencia del material del filtro y la de la capa preliminar de la torta, se combinan en una sola resistencia, que se conoce como resistencia del filtro y que se expresa en función de un espesor ficticio de torta de filtración; este espesor se multiplica por la resistencia específica de la torta, obteniéndose así el valor numérico de la resistencia del filtro.

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El medio de filtración de cualquier filtro debe cumplir con los siguientes requisitos: 1. Retener los sólidos que han de filtrarse con una rapidez después que se inicie la alimentación, dando un filtrado suficientemente claro. 2. No debe obstruirse, o sea velocidad baja de arrastre de sólidos dentro de sus intersticios. 3. Resistencia mínima al flujo de filtrado. 4. Ser químicamente resistente 5. Tener la suficiente consistencia física para resistir las condiciones del proceso (o sea suficiente resistencia para sostener la presión de filtración) 6. Resistencia aceptable del desgaste mecánico. 7. Permitir la descarga limpia y completa de la torta formada. 8. Capacidad para conformarse mecánicamente al tipo de filtro con el cuál se utilizará. 9. Tener un costo que sea amortizado por los gastos del proceso (costo mínimo). Ejemplos de medios filtrantes son: telas, tejidos de fibras, fieltro o fibras no tejidas, sólidos porosos o perforados, membranas poliméricas o sólidos particulados en forma de un lecho permeable. En relación a la resistencia que ofrece el medio de filtración, se sabe que la diferencia de presión, y tal vez la velocidad de flujo lo afecte; además un medio filtrante viejo y usado tiene una resistencia mucho mayor que uno nuevo y limpio. Esta resistencia del medio es considerada constante porque generalmente sólo es importante en los primeros instantes del proceso, de esta manera puede ser determinada a partir de datos experimentales. La resistencia del material del filtro y la de la capa preliminar de la torta, se combinan en una sola resistencia, que se conoce como resistencia del filtro y que se expresa en función de un espesor ficticio de torta de filtración; este espesor se multiplica por la resistencia específica de la torta, obteniéndose así el valor numérico de la resistencia del filtro. Aparatos utilizados en filtración Los aparatos que se utilizan en filtración, constan básicamente de un soporte mecánico, conductos por los que entra y sale la dispersión y dispositivos para extraer la torta. La presión se puede proporcionar en la parte inicial del proceso, antes del filtro o bien se puede utilizar vacío después del filtro, o ambas a la vez, de forma que el fluido pase a través del sistema. La mayoría de los filtros industriales operan a vacío o a presión, es decir, operan a presión superior a la atmosférica. También son continuos o discontinuos, dependiendo de que la descarga de los sólidos sea continua o intermitente. Durante gran parte del ciclo de operación de un filtro discontinuo el flujo de líquido a través del aparato es continuo, pero debe interrumpirse periódicamente para permitir la descarga de los sólidos acumulados. En un filtro continuo, tanto la descarga de los sólidos como del líquido es ininterrumpida cuando el aparato está en operación. Entre los aparatos se cuentan:

1)

Filtros prensa (discontinuo de presión): En estos se coloca una tela o una malla sobre placas, de manera tal que sean los bordes los que soporten a la tela y al mismo tiempo dejen debajo de la tela un área libre lo más grande posible para que pase el filtrado. Las placas se disponen generalmente en forma horizontalmente, aunque con mayor frecuencia cuelgan verticalmente, para así disponer de un área suficiente para la operación que se trate, estas placas son varias y se encuentran apretada por tornillos o una prensa hidráulica; estas placa se disponen en paralelo. Al circular la suspensión, la torta se forma en el lado más alejado de la placa, parte que se conoce con el nombre aguas arriba de la tela. En los primeros instantes de la filtración, la caída de presión en la tela es pequeña y el proceso ocurre a velocidad aproximadamente constante. A medida que transcurre el proceso y, por tanto, crece la torta húmeda, el proceso transcurre a presión constante, situación que perdura en la mayor parte del ciclo de filtración. Una vez que el espacio disponible entre dos placas sucesivas se ha llenado con torta, es necesario desarmar la prensa y extraer la torta.

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Area del filtro (m2)

Numero de placas

10

7/8

3,18

1980

15

13/14

3,54

2150

20

17/18

3,78

2265

25

21/22

4,02

2375

30

27/28

4,38

2550

40

35/36

4,86

2775

50

45/46

5,46

3060

Longitud de la Peso de la maquina prensa (m) (kg)

2)

Filtros espesadores de presión (continuos de presión): El objeto de un filtro espesador es separar parte del líquido contenido en una suspensión diluida para obtener otra concentrada. Tiene la apariencia de un filtro de prensa, sin embargo, no contiene marco y las placas están modificadas. Las placas sucesivas llevan canales apareados que forman, cuando se monta la prensa, una conducción larga en espiral para la suspensión. Los lados de los canales están recubiertas con un medio filtrante mantenido entre las placas. Mientras la suspensión pasa por el canal a presión, una parte del fluido sigue fluyendo por el canal hacia al distribuidor múltiple de descarga de líquido claro. La suspensión espesada se mantiene en movimiento rápido para no obstruir el canal. El número de placas escogido es tal de modo que la diferencia de presión en todo el aparato no exceda de 6 kgf /cm2. En estas condiciones es posible duplicar la concentración de la suspensión de entrada. Si se requiere una concentración mayor, la suspensión espesada en un filtro se introduce nuevamente en un segundo filtro. 3) Filtros rotatorios (continuo de vacío): En este tipo de filtros, el flujo pasa a través de una tela cilíndrica rotatoria, de la que se puede retirar la torta de forma continua. La fuerza más común aplicada es la de vacío. En estos sistemas, la tela se soporta sobre la periferia de un tambor sobre los que se está formando la torta. 4) Filtros centrífugos: En éstos se utiliza la fuerza centrífuga como fuerza motriz; estos aparatos basan su funcionamiento en centrífugas provistas de un cesta perforada que puede tener una tela encima. El líquido pasa al interior de la cesta y por medio de la fuerza centrífuga pasa a través del material filtrante. 5) Filtros de aire: Estos filtros comúnmente son utilizados para quitar el polvo o las partículas suspendidas en las corrientes de aire. En estos aparatos se hace pasar el aire o el gas a través de un tejido, de forma que éste retenga el polvo. Un tipo de estos filtros, el de saco, consiste en una serie de sacos de tela cilíndricos y verticales de 15-30 cm de diámetro, a través de los cuales pasa el aire en paralelo ; el aire cargado de polvo entra en los sacos, generalmente por el fondo, y pasa a través de la malla. Cabe destacar que los filtros anteriormente vistos son a modo de ejemplo destacando el filtro de prensa, el cual fue usado en el laboratorio. Se pueden encontrar una variedad muy amplia de estos en el comercio dependiendo de la finalidad del proceso a realizar.

FILTROS DESCRIPCIÓN Los filtros son equipos en los que se lleva a cabo la operación de separación sólido- líquido denominada filtración. Esta operación consiste en una separación física donde no existe

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transferencia de materia sino que lo que se da es una separación entre distintos estados de agregación. El medio filtrante es la barrera que retiene los sólidos y deja pasar el líquido, puede ser un tamiz, una tela, un tejido de fibras, fieltro, membranas poliméricas o un lecho de sólidos. El líquido que atraviesa el medio filtrante se denomina filtrado.

Distintos tipos de mallas para el

medio filtrante

Un proceso de filtración presenta diversas características que se han de tener en cuenta para clasificar el proceso y seleccionar el equipo adecuado. Los distintos criterios de clasificación que se siguen son de acuerdo a:

•

•

la fuerza impulsora de la filtración o gravedad o presión o vacío o centrífuga el mecanismo de filtración o filtración por torta: si la proporción de sólidos es muy elevada, las partículas quedan retenidas en la superficie del medio filtrante estableciéndose gradualmente una torta de espesor creciente sobre el medio filtrante, con lo que en realidad la filtración se va a realizar a través de la torta. Por tanto la mayor parte de partículas se recogen en la torta filtrante y posteriormente ésta se separa del medio.

o filtración en lecho profundo: la proporción de partículas sólidas es muy pequeña y con frecuencia su diámetro es menor que el de los poros del medio filtrante por lo que las partículas penetran hasta una profundidad considerable antes de ser atrapadas.

•

el objetivo: El objetivo de la filtración puede ser obtener un líquido clarificado, limpio de sólidos o bien el producto sólido lo más seco posible, es decir con la menor cantidad de líquido que se pueda conseguir. Otra finalidad de la filtración, por ejemplo en los tratamientos de aguas, es simplemente depurar el efluente para hacer posible su vertido. • el ciclo de operación:

•

o continuo o discontinuo la naturaleza de los sólidos o torta compresible: si los sólidos son deformables. o torta incompresible: si éstos son rígidos.

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

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Los filtros clarificadores o de lecho profundo se suelen emplear cuando la cantidad de sólidos presentes en el líquido es muy pequeña, siendo de gran aplicación para la depuración de agua y el tratamiento de aguas residuales. En este grupo se tienen los filtros de lecho, los cartuchos filtrantes y otros. Los filtros de cartucho son cada vez más utilizados en la industria por sus buenos resultados. La mayor parte de filtros empleados en la industria química son filtros de torta y dentro de éstos su clasificación suele hacerse en función de la fuerza impulsora (presión, vacío o centrífuga). Si se debe seleccionar entre un filtro de presión o uno de vacío se deben conocer las ventajas e inconvenientes que presentan cada uno de ellos. Los filtros de presión permiten la obtención de tortas con un menor contenido de humedad y los filtros de vacío, aunque permiten un funcionamiento en continuo, el consumo de energía es mayor debido al sistema de vacío y existe una limitación Cartuchos filtrantes en la diferencia de presión aplicable (ya que la presión máxima no puede sobrepasar el valor de 1 atm). A continuación se exponen algunos de los filtros de uso más habitual:

•

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

•

Filtro de hojas: se operan de manera discontinua o por cargas. Consisten en una serie de elementos filtrantes planos, denominados hojas, que se encuentran en el interior de una carcasa presurizada. Como características fundamentales cuenta con una mayor uniformidad y mejor separación de la torta, una mayor facilidad de lavado y de instalación de la tela. Aunque inicialmente diseñado para trabajar a vacío, los tipos posteriormente desarrollados operan a Filtro prensa presión pudiendo aplicar presiones superiores a las que son posibles en el filtro prensa. Se emplea preferentemente en caso de que se requiera un lavado eficaz de la torta. Las hojas pueden tener diferentes formas (rectangulares o circulares) y las carcasas pueden estar dispuestas horizontal o verticalmente.

•

Filtros rotativos a vacío: son muy empleados debido a que trabajan en continuo y a su bajo coste de operación motivado por su funcionamiento automático. Se emplea para

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materiales de filtración poco complicados. Posee una gran capacidad en relación a su tamaño. Dentro de los filtros rotativos se tienen dos tipos: o de tambor rotativo: consiste en un cilindro dipuesto horizontalmente, cuya superficie exterior está formada por una plancha perforada sobre la que se fija la tela filtrante. El cilindro está dividido en una serie de sectores que se encuentran conectados a través de una válvula rotativa. El tambor está parcialmente sumergido en una cuba a que se alimenta la suspensión a filtrar y se aplica vacío en los sectores sumergidos. De esta manera se forma una torta del espesor deseado ajustando la velocidad de rotación del tambor. Para retirar la torta del tambor se pueden seguir varios procedimientos. Lo más frecuente es emplear una cuchilla fija o rasqueta para descargar la torta, pero si resulta difícil de desprender también se puede realizar dicha operación por medio de una cuerda o de un rodillo. o de pre-recubrimiento: se emplea cuando el material forma una torta de elevada resistencia. En primer lugar se provoca la formación de una gruesa capa de un material de muy fácil filtración sobre el medio filtrante para luego que se produzca la filtración a través de esta capa. Así la torta formada es muy delgada y se retira junto con una fina capa del material de recubrimiento. o de discos: consiste en un cierto número de hojas filtrantes circulares montadas sobre un eje horizontal. Su funcionamiento es similar al filtro de tambor, sin embargo proporciona un lavado peor de la torta y su descarga es más difícil. Como ventaja frente al filtro de tambor se tiene que ofrece un área de filtración mucho mayor en el mismo espacio.

• Filtro de banda: presenta una gran flexibilidad

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

•

Filtro Nutscha: existen dos variantes a presión y a

vacío.

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

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o

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

Filtro de banda

Algunos de estos filtros admiten calefacción, lo que permite disminuir la viscosidad del filtrado, aumentar la velocidad de filtración y, además, producir una torta más seca. Si se ha de elegir entre un filtro continuo y uno discontinuo, se debe tener en cuenta que el filtro continuo proporciona una capacidad de producción más elevada para una superficie filtrante dada, aunque la mayoría presenta una limitación de la presión máxima de filtración. El filtro discontinuo se va a emplear cuando la torta filtrante tiene una resistencia elevada. Otro tipo de filtros a señalar son los filtros centrífugos. Ofrecen ciertas ventajas frente a los filtros anteriores como la posibilidad de obtener bajas humedades residuales en los sólidos y la gran capacidad de tratamiento, mientras que, por otra parte, los principales inconvenientes son el elevado coste y el trabajar a altas velocidades, que ocasiona problemas de desgaste. Es frecuente expresar la fuerza centrífuga aplicada en términos de Filtro Nutscha de presión las veces que la aceleración centrífuga supera a la de la gravedad. Así se encuentran valores que pueden oscilar desde las 500 hasta las 50.000g. Entre los filtros centrífugos destacan:

•

Centrífuga de cesta: es la más sencilla y universal. Consiste en una cesta, vertical u horizontal, sobre la que se coloca el elemento filtrante. Como problema presenta la descarga de sólidos, que se debe realizar manualmente y supone una operación bastante lenta. Giran a velocidades comprendidas entre 600 y 1800 rpm.

o

Centrífuga de tornillo helicoidal: tiene forma tronco-cónica y la Centrífuga de cesta vertical alimentación debe ser una suspensión bastante concentrada. Las posibilidades de lavado son bastantes escasas. Alcanza aceleraciones entre 1500 y 2500g. o Centrífuga rascadora o 'peeler': es una máquina de funcionamiento discontinuo mientras que la descarga de la torta se realiza de manera automática por acción de un cuchillo rascador. Las velocidades alcanzadas son bajas (de 500 a 1600g). La capacidad de lavado de la torta es muy buena. Las variantes existentes de este equipo se distinguen en cuanto al tipo de rascador o a la existencia o no de un sifón para dar salida al líquido. o Centrífuga de empuje: tiene funcionamiento continuo. Consiste en una cesta de eje horizontal dotada de un falso fondo constituido por un pistón que se desplaza axial y alternativamente, empujando la torta formada y desplazándola parcialmente fuera de la cesta. La torta debe tener una cierta rigidez para que el

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mecanismo de empuje funcione eficazmente. Como ventaja notable destaca la posibilidad de obtención de la torta con humedades residuales muy bajas. También existen modelos con dos o más cestas concéntricas que giran solidariamente con un eje común. La torta pasa de manera sucesiva de una cesta a otra, actuando la propia cesta interior como empujadora de la exterior.

FUNCIONAMIENTO El funcionamiento de todo filtro se basa en la existencia de una diferencia de presión que obliga a una suspensión a atravesar el medio filtrante. En la superficie del medio filtrante se van a depositar los sólidos presentes formando con su acumulación una torta por la que debe seguir circulando la suspensión a filtrar. En las centrífugas la fuerza impulsora se aporta como energía cinética. El sólido se ve lanzado hacia la periferia, que se encuentra perforada, en la que se va a depositar comprimiéndose hasta formar una torta. Estos equipos se emplean igualmente para el Centrífuga de empuje lavado o el escurrido de sólidos. Los factores principales que afectan a la filtrabilidad son: • • • • • • • •

la naturaleza de la suspensión la fuerza impulsora aplicada la resistencia de la torta a la filtración la temperatura de la suspensión el tamaño de las partículas la concentración de sólidos en suspensión el efecto de la utilización de floculantes y de la agitación la naturaleza del medio filtrante

El medio filtrante debe ser resistente mecánicamente y a la acción corrosiva del fluído, mostrar poca resistencia al flujo del filtrado, así como permitir que la torta se desprenda fácilmente. La secuencia de operaciones que tienen lugar en una filtración se conoce como ciclo de filtración y son las siguientes: Etapa

tiempo

1.- Formación de la precapa

2- 5 min

2.- Recirculación de las aguas madres de la precapa

5- 15 min

3.- Filtración con recirculación de aguas madres

5- 15 min

4.- Filtración

20 min - 10h

5.- Escurrido/ secado de la torta

5- 30 min

6.- Lavado de la torta

2- 60 min

7.- 2º escurrido / secado de la torta

5- 30 min

8.- Descarga de la torta

2- 10 min

9.- Lavado de la tela y preparación para un nuevo ciclo

2- 5 min

Según el tipo de filtro y el modo de operación un ciclo podrá contener más o menos operaciones. En ocasiones se requiere un pretratamiento de la suspensión previo a la filtración. Si la suspensión es diluída y las partículas sólidas decantan fácilmente en el fluído, puede ser interesante efectuar una concentración preliminar en un espesador o añadir un coagulante.

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Si los sólidos de la suspensión son muy finos o viscosos, forman una torta densa e impermeable y obstruyen en seguida el medio filtrante. Por consiguiente, es necesario añadir ciertos aditivos que aumenten la porosidad de la torta. Estos aditivos reciben el nombre de coadyuvantes de filtración. 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 reducción de la resistencia específica de la torta a la vez que aumentan su grosor, y hacen que ésta sea más compresible. Los coadyuvantes se suelen emplear cuando el filtrado es valioso y el residuo puede desecharse. Otra posible utilización de éstos es como precapa, depositando una pequeña cantidad del coadyuvante sobre el medio filtrante antes de comenzar la filtración. Normalmente es necesario realizar un lavado de la torta para recuperar el líquido 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 líquido de lavado durante el período de lavado por desplazamiento. En esta etapa el efluente consiste básicamente en el filtrado que ha quedado sobre el filtro, sin producirse dilución apreciable. De esta manera puede separarse hasta el 90% del filtrado retenido. Durante la segunda etapa, denominada lavado por difusión, el disolvente llega a los huecos menos accesibles del filtro y la concentración de filtrado en el efluente es muy baja. También puede darse durante esta etapa la disolución de alguno de los componentes retenido en la torta. Hay que señalar además la existencia de filtros autolimpiantes. El secado de la torta se suele efectuar por medio de aire caliente o aplicando vacío. Por último señalar que existen dos modos de operación posibles: • a presión constante: la presión de impulsión de la suspensión se mantiene constante durante todo el ciclo de filtración, 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 está por debajo de un mínimo. • 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 dará por terminado cuando se alcance la presión máxima que puede soportar el sistema. En primer lugar se debe conocer la resistencia global que se ofrece ante el paso del líquido. Fundamentalmente el filtrado pasa a través de dos resistencias en serie:  La resistencia total que se establece sobre el medio (incluyendo la de las partículas incrustadas) que se llama resistencia del medio filtrante y es importante durante los primeros momentos de la filtración.  La resistencia que ofrecen los sólidos, 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 filtración, a causa de la deposición continua de sólidos sobre el medio. Esta resistencia aumenta continuamente con el tiempo de filtración. Hay que tener en cuenta que en un filtro bien diseñado las resistencias de las conexiones de entrada y salida son pequeñas y pueden despreciarse en comparación con la resistencia de la torta y del medio filtrante. Por tanto en la filtración por torta los factores más importantes de los que depende la velocidad de filtración son: • la caída de presión desde la alimentación hasta el lado más lejano del medio filtrante. • el área 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

CÁLCULO DE FILTRACIÓN CONTINUA Para calcular la resistencia a la filtración de la torta, suponiendo ésta incompresible, se tiene la siguiente expresión:

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se observa que la resistencia de la torta depende de la porosidad y la superficie específica respectivamente. Y si se desea se puede expresar como resistencia específica (en m/kg):

,

donde es la densidad de la partícula. El gradiente de presión por unidad de altura de torta formada, L, se expresa a través de la ecuación 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 filtración se van acumulando las partículas que forman un determinado volumen de torta, que se puede determinar por medio del parámetro:

Este parámetro representa el volumen de torta formado en el paso de una unidad de filtrado. Sustituyendo en la ecuación del gradiente se obtiene la siguiente expresión:

donde quedan relacionados el volumen de filtrado, V, con la altura de torta, L. Otra manera de establecer dicha relación se consigue con el siguiente cociente:

donde J es la fracción másica de sólidos en la suspensión original. Otro parámetro muy empleado es la masa de torta seca por unidad de volumen de filtrado:

donde m es la masa de torta húmeda por unidad de masa de sólidos secos contenidos en ella. Si se incluye la resistencia del medio filtrante, ésta 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 únicamente de las propiedades de la suspensión y del medio filtrante.

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Si se combinan las dos resistencias señaladas se tiene una ecuación general a partir de la cual se obtienen las ecuaciones de diseño para los distintos tipos de filtración:

CÁLCULO DE FILTRACIÓN CENTRÍFUGA La filtración centrífuga es un caso especial de filtración donde la fuerza de impulsión corresponde a la fuerza centrífuga. Otros tipos de filtración a considerar son: FILTRACIÓN DISCONTINUA CON GRADIENTE DE PRESIÓN CONSTANTE Esta operación es frecuentemente utilizada en la industria. Su expresión matemática se deduce a partir de la ecuación final obtenida anteriormente:

Integrando esta expresión se tiene

y de ahí

Para calcular los parámetros Kp y B se suele recurrir a la regresión lineal de los datos experimentales obtenidos en laboratorio, de esta manera es posible conocer los valores de la resistencia específica de la torta y la resistencia del medio filtrante, Rm. •

LAVADO DE LA TORTA Y TIEMPO DE CICLO

Normalmente las partículas sólidas separadas por filtración 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 filtración. Para los filtros en los que el lavado sigue el mismo recorrido que la filtración usando el mismo gradiente de presión, el caudal de lavado es:

Sin embargo en el caso del filtro prensa no ocurre lo mismo ya que el líquido de lavado pasa a través de una torta el doble de gruesa que la filtrante, por lo que el caudal de lavado resulta ser un cuarto del de filtrado. Además del tiempo de lavado se debe tener en cuenta que se precisa un tiempo adicional para la separación de la torta y la limpieza. Por tanto el tiempo total de ciclo es la suma de los tiempos de filtración, lavado, limpieza y los tiempos muertos entre estas operaciones. •

FILTRACIÓN CONTINUA CON GRADIENTE DE PRESIÓN CONSTANTE

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En estos filtros se considera que la resistencia del medio filtrante es despreciable en comparación con la de la torta, esto quiere decir que B = 0. Así si integramos la ecuación general de la filtración se tiene que el tiempo requerido para la formación de la torta es:

Tomando el tiempo de filtrado como una fracción del tiempo total de ciclo, t = f· tc y sustituyendo en la ecuación global se obtiene:

•

FILTRACIÓN CON CAUDAL DE FILTRACIÓN CONSTANTE

Este tipo de filtración se da cuando se alimenta el filtro con una bomba de desplazamiento positivo, así se tiene que:

Si se parte de nuevo de la ecuación general y se despeja el gradiente de presión:

Igual que en el caso anterior, por regresión lineal se puede obtener el valor de las constantes Kv y C. También es posible expresar la ecuación anterior como una función del tiempo sustituyendo el valor de V por la siguiente expresión:

Se observa que el gradiente de presión aumenta a medida que el espesor de la torta crece y el volumen de filtrado aumenta. Sin embargo este incremento de la presión afecta a las propiedades de la torta y a la velocidad de producción de filtrado. La compresión actúa reduciendo la porosidad, aumentando por tanto la concentración de sólidos y como consecuencia va a variar la resistencia específica de la torta, con lo que la respuesta producida será no lineal. •

TORTA COMPRESIBLE

Si el análisis de los datos de filtración determina que se obtienen distintas resistencias específicas y concentraciones de torta al variar la presión, eso indica que la torta es compresible. En este caso se suele utilizar una relación empírica para ajustar los datos por regresión de la forma: para la resistencia específica o para la concentración volumétrica de la torta

siendo constantes empíricas, donde n se denomina coeficiente de compresibilidad que suele encontrarse tabulado.

APLICACIONES 61211864.doc

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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: clarificación, extracción, lavado de torta, deshidratación y 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 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 winterización. 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.

Planta de tratamiento de mineral

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

Filtración en lecho profundo para purificación de agua

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1.- Espesador 2.- Dosificación de cal 3.- Depósito de reacción 4.- Dosificación de cloruro férrico 5.- Depósito intermedio 6.- Bomba de pistón y membrana 7.- Filtro prensa

Filtración en planta de tratamiento de agua

Otras posibles aplicaciones son:  producción de cemento vía húmeda  para la obtención de sal en salinas, como se muestra en el siguiente diagrama: Detalle de los equipos: 1.- evaporador de cristalización 2.- recipiente de la papilla de cristales 3.- condensador estático 4.- dosificador 5.- centrífugas 6.- secador de lecho fluido



 también es posible el tratamiento de productos peligrosos para el medio ambiente en filtros Nutcha, gracias a su estanqueidad. producción de papel

Máquina de papel

FILTROS DE MANGA DESCRIPCIÓN Los filtros de mangas son considerados como los equipos más representativos de la separación sólido-gas mediante un medio poroso. Su función consiste en recoger las partículas sólidas que arrastra una corriente gaseosa, esto se consigue haciendo pasar dicha corriente a través de un tejido. El tamaño de las partículas a separar por los filtros de mangas será entre 2 y 30 µm. Sin embargo, no es usual disponer de medios filtrantes con poros tan pequeños como para retener las partículas que transporta el gas, debido a que los diámetros de éstas son extraordinariamente pequeños. Por tanto la filtración no comienza a efectuarse de manera efectiva hasta que no se han acumulado una cierta cantidad de partículas sobre la superficie de la bolsa en forma de torta filtrante.

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Distintos tipos de mangas

Así puede decirse que el sistema de filtración que se da en los filtros de mangas es análogo al de los filtros por torta, donde el medio filtrante actúa únicamente como soporte de la torta y es ésta la que realiza realmente la operación. Los filtros de mangas constan de una serie de bolsas con forma de mangas, normalmente de fibra sintética 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 está debajo de la placa a la que se encuentran sujetas las mangas y hacia arriba para introducirse en las mangas. A continuación el gas fluye hacia afuera de las mangas dejando atrás los sólidos. 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 además una serie de paneles para redireccionar el aire, dispositivos para la limpieza de las mangas y una tolva para recoger las partículas captadas. La eliminación de polvo o de las pequeñas gotas que arrastra un gas puede ser necesaria bien por motivos de contaminación, para acondicionar las características de un gas a las tolerables para su vertido a la atmósfera, bien como necesidad de un proceso para depurar una corriente gaseosa intermedia en un proceso de fabricación. En ocasiones el condicionante de la separación será un factor de seguridad, ya que algunos productos en estado de partículas muy finas forman mezclas explosivas con el aire.

TIPOS La característica principal que diferencia unos tipos de filtros de mangas de otros es la forma en que se lleve a cabo su limpieza. Esto además 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. Según este criterio, se tienen tres tipos principales de filtros de mangas:

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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 filtración y otro de limpieza. El tipo más barato y sencillo consiste en un cierto número de bolsas reunidas en el interior de una carcasa. Funciona con una velocidad aproximada de 0,01 m/s a través de la bolsa filtrante. La limpieza se puede llevar a cabo manualmente para unidades pequeñas. Existe también una versión más complicada y robusta que incluye un mecanismo automático de agitación para la limpieza de las telas que puede funcionar por métodos mecánicos, vibratorios o de pulsación. Las bolsas están sujetas a un soporte mecánico conectado a un sistema capaz de emitir sacudidas o vibraciones mediante un motor eléctrico. Al ser el tejido más grueso, se pueden utilizar velocidades frontales más elevadas, de hasta 0,02 m/s, y permite el funcionamiento en condiciones más 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 más cámaras 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 separación de la torta. por aire inverso: existen muchos dispositivos diferentes pero el mecanismo habitual de limpieza consiste en la introducción, en contracorriente y durante un breve periodo de tiempo de un chorro de aire a alta presión 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 difícil separación en una unidad compacta y económica. Este mecanismo de limpieza se denomina también de chorros pulsantes o 'jet pulse' y es más eficaz que las anteriores. -

(izq.)Filtro de mangas tipo 'jet pulse' (der.) 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 química y térmicamente al polvo y al gas que la torta se desprenda fácilmente que la manga recoja el polvo de manera eficiente que sea resistente a la abrasión ocasionada por el polvo el caudal y la velocidad del gas

FUNCIONAMIENTO La separación del sólido se efectúa haciendo pasar el aire con partículas en suspensión mediante un ventilador, a través de la tela que forma la bolsa, de esa forma las partículas quedan retenidas entre los intersticios de la tela formando una torta filtrante. De esta manera la torta va engrosando con lo que aumenta la pérdida de carga del sistema. Para evitar disminuciones en el caudal se procede a efectuar una limpieza periódica de las mangas.

OPERACIÓN DE FILTRACIÓN: 61211864.doc

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Una corriente de gas cargado de polvo entra al equipo, choca contra una serie de paneles y se divide en varias corrientes. Las partículas más gruesas se depositan directamente en el fondo de la tolva cuando chocan contra dichos paneles. Las partículas finas se depositan en la superficie del tejido cuando el gas pasa a través de la bolsa. Una vez que el gas ha sido filtrado, éste fluye (ya limpio) a través de la salida y se descarga a la atmósfera por medio de un ventilador. -

OPERACIÓN DE LIMPIEZA: Las partículas 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 mecánica. El chorro de propulsión actúa periódicamente mediante un controlador automático de secuencia. El polvo recogido en el fondo de la tolva se descarga mediante un transportador de tornillo helicoidal y una válvula rotativa. -

La limpieza de las mangas no es completa en ningún caso debido a la dificultad para desprender la torta en su totalidad y también porque, si se aplicaran procedimientos más vigorosos de limpieza, el desgaste de las mangas sería mayor y se provocaría un mayor número de paradas de planta motivadas por el cambio de las mangas. La eficacia del filtro será baja hasta que se forme sobre la superficie del tejido filtrante una capa que constituye el medio filtrante para la separación de partículas 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 aplicación en la industria es cada vez mayor. La limitación más 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 está constituida la tela para conocer la temperatura máxima que se puede aplicar. Así para fibras naturales la temperatura máxima a aplicar es alrededor de 90ºC. Los mayores avances dentro de este campo se han dado en el desarrollo de telas hechas a base de vidrio y fibras sintéticas, que han aumentado la temperatura máxima aplicable hasta rangos de 230 a 260 ºC. Otros factores que pueden afectar a la operación del filtro de mangas son el punto de rocío y el contenido de humedad del gas, la distribución del tamaño de las partículas y su composición química.

CALCULO Los dos parámetros fundamentales a considerar en el diseño de un filtro de mangas son la velocidad del gas y la pérdida de carga. La velocidad del gas es bastante reducida, por lo que se considera flujo laminar, y se puede aplicar la ecuación de Darci para calcular la velocidad de circulación del gas.

donde k es la permeabilidad del material filtrante, que en la mayoría de los casos se determina de manera experimental.

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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 compactación de la torta de sólidos con la consiguiente elevación de la pérdida de carga, o para impedir la rotura local del lecho filtrante que permitiría el paso de partículas grandes a través del filtro. Para mantener una velocidad aproximadamente constante es evidente que se debe aumentar la presión a medida que aumenta el espesor de la torta. Para realizar esta función de aumento de la presión se dispone de un ventilador o una soplante, que se encargará de impulsar el gas. Normalmente la resistencia del material filtrante es despreciable en comparación con la de la torta de modo que el volumen del gas procesado resulta proporcional a la raíz cuadrada del tiempo de filtración. 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 (práctica de extensa aplicación por su utilidad) si va a haber algún equipo parado durante el proceso (en operación de limpieza, por ejemplo). -

APLICACIONES Los filtros de mangas aparecen en todos aquellos procesos en los que sea necesaria la eliminación de partículas sólidas de una corriente gaseosa. Los filtros de mangas son capaces de recoger altas cargas de partículas resultantes de procesos industriales de muy diversos sectores, tales como: cemento, yeso, cerámica, caucho, química, petroquímica, siderúrgica, automovilística, cal, minera, amianto, aluminio, hierro, coque, silicatos, almidón, carbón, anilina, fibras de granos, etc.

Aplicación típica de un filtro de mangas en una planta de tratamiento de gas

La recogida de polvo o eliminación de partículas dispersas en gases se efectúa para finalidades tan diversas como:

1. Control de la contaminación del aire; como la eliminación de cenizas volantes de los gases de escape en una central eléctrica.

2. Reducción del coste de mantenimiento de los equipos; como la filtración de la toma de aire de un motor o el tratamiento del gas de tostación de piritas previo a su entrada a una planta de ácido sulfúrico 3. Eliminación de peligros para la salud o para la seguridad; como la recogida de polvos silíceos y metálicos resultantes de equipos de molienda y trituración y en algunas operaciones metalúrgicas y en el ensacado. 4. Mejora de la calidad del producto; como la limpieza del aire para la producción de productos farmacéuticos o de película fotográfica.

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5. Recuperación de productos valiosos; como la recogida de partículas procedentes de secadores y hornos de tostación.

6. Recogida de productos en polvo; aplicado a casos como en el transporte neumático.

Planta de incineración de residuos

CICLONES DESCRIPCION Los ciclones son uno de los equipos más empleados dentro de las operaciones de separación de partículas sólidas de una corriente gaseosa, además de poder emplearse para separar sólidos de líquidos. Su éxito se debe en parte a que son equipos de una gran sencillez estructural debido a que no poseen partes móviles y a que apenas exigen mantenimiento. Además destaca el hecho de que, al hacer uso de fuerzas centrífugas en vez de gravitatorias, la velocidad de sedimentación de las partículas se incrementa en gran medida haciéndose más efectiva la separación. Un separador ciclónico está compuesto básicamente por un cilindro vertical con fondo cónico, dotado de una entrada tangencial normalmente rectangular. La corriente gaseosa cargada con las partículas sólidas se introduce tangencialmente en el recipiente cilíndrico a velocidades de aproximadamente 30m/s, saliendo el gas limpio a través de una abertura central situada en la parte superior. Por tanto, se observa que el modelo de flujo seguido por el gas dentro de los ciclones es el de un doble vórtice. Primero el gas realiza una espiral hacia abajo y por la zona exterior, para después ascender por la zona interior describiendo igualmente una hélice. Las partículas de polvo, debido a su inercia, tienden a moverse hacia la periferia del equipo alejándose de la entrada del gas y recogiéndose en un colector situado en la base cónica. Se trata de un equipo muy eficaz a menos que la corriente gaseosa contenga una gran proporción de partículas de diámetro inferior a unos 10 µm. Aunque se puedan emplear ciclones para separar partículas con diámetros mayores de 200 µm, esto no suele ser muy frecuente ya que los sedimentadores por gravedad o los separadores por inercia resultan normalmente más efectivos y menos sujetos a abrasión. Se puede emplear tanto para gases cargados de polvo como de niebla, es decir, para pequeñas partículas líquidas.

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TIPOS Los ciclones convencionales se pueden encontrar en una gran variedad de tamaños y la entrada al equipo puede ser bien rectangular o circular. Una forma de clasificar los distintos tipos se puede efectuar atendiendo a la manera en que se produce la carga y la descarga del equipo y otro modo sería en función de su eficacia: De acuerdo a su disposición geométrica se distinguen los siguientes tipos de separadores ciclónicos: (a)- entrada tangencial y descarga axial (b)- entrada tangencial y descarga periférica (c)- entrada y descarga axiales (d)- entrada axial y descarga periférica El principio de funcionamiento en el cual se basan estos tipos de ciclones es muy similar. (a) Los ciclones de entrada tangencial y descarga axial representan el ciclón tradicional y, aunque se pueden construir con diámetros más grandes, lo más frecuente es que éstos se encuentren entre los 600 y los 915 mm. (b) En los ciclones con entrada tangencial y descarga periférica, el gas sufre un retroceso en el interior del equipo al igual que ocurre en un ciclón convencional. Sin embargo, presenta el inconveniente de que el polvo no es eliminado en su totalidad de la corriente gaseosa, aunque sí se produce una concentración del mismo. (c) En los ciclones con entrada y descarga axial la diferencia fundamental se encuentra en que los diámetros son de menores dimensiones (entre 25 y 305 mm), con lo que gracias a esta característica su eficicencia es mayor aunque su capacidad es menor. (d) Por otra parte, los ciclones de entrada axial y salida periférica proporcionan un flujo directo que es muy adecuado para conectarlos a fuentes de gran volumen, donde los cambios en la dirección del gas podrían ser un inconveniente. Otra posible clasificación de los ciclones se puede realizar en función de su eficacia. La eficacia de un ciclón está determinada en gran medida por su tamaño. Se ha comprobado que los ciclones de menor diámetro son los que proporcionan mejores eficacias en la separación de partículas. Asimismo se observa que la altura total del equipo también afecta a la eficacia, aumentando ésta con la altura. Según este criterio se consideran los siguientes tipos: -

muy eficientes (98 - 99%) moderadamente eficientes (70- 80%) de baja eficiencia (50%)

Existen también los denominados hidrociclones que se encargan de separar las partículas sólidas de líquidos.

FUNCIONAMIENTO El gas se mueve en el interior del ciclón con una trayectoria de doble hélice. Inicialmente realiza una espiral hacia abajo, acercándose gradualmente a la parte central del separador, y a

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continuación se eleva y lo abandona a través de una salida central situada en la parte superior dejando atrás las partículas. Una vez que el gas penetra tangencialmente en el equipo se distinguen dos zonas de características distintas de movimiento: en la zona próxima a la entrada del gas y en aquella más exterior del cilindro predomina la velocidad tangencial, la velocidad radial es centrípeta y la axial de sentido descendente. La presión es relativamente alta. en la zona más interior del cilindro, correspondiente al núcleo del ciclón y con un diámetro aproximadamente igual a 0,4 veces el del conducto de salida del gas, el flujo es altamente turbulento y la presión baja. Se da el predominio de la velocidad axial con sentido ascendente. -

Estas dos zonas se encuentran separadas por el llamado cilindro ideal de Stairmand. Por tanto, cualquier partícula se encuentra sometida a dos fuerzas opuestas en la dirección radial, la fuerza centrífuga y la de rozamiento. Ambas fuerzas son función del radio de rotación y del tamaño de la partícula, por esta razón las partículas de tamaños distintos tienden a girar en órbitas de radios distintos. Como la fuerza dirigida hacia el exterior que actúa sobre la partícula aumenta con la componente tangencial de la velocidad, y la fuerza dirigida hacia el interior aumenta con la componente radial, el separador se debe diseñar de manera que la velocidad tangencial sea lo más grande posible mientras que la velocidad radial debe ser lo más pequeña posible.

Donde: - Fc: fuerza centrífuga - Fd: fuerza de rozamiento - Vt: velocidad tangencial - Vr: velocidad radial - r: radio de la órbita

Existe una órbita de diámetro 0,4De (siendo De el diámetro del cilindro concéntrico de salida de los gases), conocida como cilindro ideal de Stairmand, que separa la zona en la cual las partículas van a ser capturadas de aquella en la que los sólidos escapan junto con el gas. Si la partícula sigue una trayectoria cuya órbita se encuentra dentro del cilindro de Stairmand y con una componente axial ascendente, la partícula abandonará el ciclón sin ser retenida. Si en caso contrario la órbita es exterior a este diámetro 0,4De, entonces la componente axial será descendente y la partícula acabará depositándose en el fondo del ciclón. En cuanto a la eficacia, los ciclones son equipos muy eficaces. Sin embargo se observa que partículas de tamaño menor que el mínimo calculado son capturadas mientras que otras de mayor tamaño salen con el gas. Esto indica que existen otros factores que interfieren en la captura de las partículas, como colisiones entre las partículas y turbulencias que pueden afectar a la eficacia del ciclón. Así se tiene una curva con distintos valores de eficacia para cada diámetro.

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Son capaces de soportar condiciones de operación extremas, de esta forma las temperaturas pueden alcanzar los 1000ºC y presiones de hasta 500 atm. Para un buen funcionamiento del ciclón se debe garantizar que la salida de las partículas se lleve a cabo con una cierta estanqueidad. Se debe impedir que el aire exterior penetre en el interior del ciclón provocando la dispersión de las partículas ya depositadas.

CALCULO Los parámetros clave en el diseño de un ciclón son la eficiencia y la pérdida de carga. Hasta ahora no se ha conseguido definir de manera teórica exacta el funcionamiento de un ciclón. La mayoría de las aproximaciones se hallan en la determinación del diámetro de partícula crítico, es decir, aquel diámetro a partir del cual todas las partículas mayores serían retenidas. Estas aproximaciones establecen ciertas suposiciones relativas al modelo de flujo del gas y a la trayectoria seguida por las partículas en el interior del ciclón. De esta manera surge la siguiente ecuación, conocida como ecuación de Rosin-Rammler, que es bastante exacta para la estimación de la eficacia de los ciclones. En ella se supone que la corriente de gas realiza un determinado número de vueltas a una velocidad constante e igual a la de la entrada de la corriente gaseosa en el ciclón, sin considerar turbulencias ni efectos de mezclado. La eficiencia se define a partir del diámetro de corte que equivale a aquel diámetro para el que la curva de eficiencia tiene un valor del 50%. Este valor constituye una medida del tamaño de las partículas capturadas.

donde: Wi: es una dimensión que representa el ancho de la entrada al ciclón (en la figura aparece como Bc), suele ser función del diámetro del ciclón. N: es el número de vueltas que el gas realiza alrededor del ciclón antes de que salga del área de captura, normalmente se toma N=5. Vc: es la velocidad del gas en la admisión del ciclón. A partir de aquí se puede expresar el rendimiento con la siguiente ecuación, que representa de manera satisfactoria los datos experimentales.

Por otro lado, la pérdida de carga se puede representar por la siguiente ecuación:

K es un parámetro cuyo valor suele ser normalmente igual a 8. La velocidad típica en la admisión de un ciclón suele ser de 15-20 m/s. Esta velocidad se establece por motivos de pérdida de carga, para vencer la pérdida de carga existente se recurre a un ventilador o soplante. Existen dos posibilidades de colocación del ventilador: bien en impulsión o bien en aspiración, colocándolo antes del ciclón en la primera opción o bien tras el ciclón en la segunda opción. Lo normal es que las dimensiones de un ciclón guarden unas determinadas relaciones entre sí como muestra la figura siguiente:

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Bc=Dc/4 De=Dc/2 Hc=Dc/2 Lc=2Dc Sc=Dc/8 Zc=2Dc Jc arbitrario, normalmente Dc/4

APLICACIONES En general sus aplicaciones son muy parecidas a las de los filtros de mangas. Los ciclones se pueden emplear también como equipos de limpieza previos a los filtros de mangas y cuentan con la ventaja de que pueden ser diseñados para tratar con un rango de condiciones químicas y físicas más amplio que cualquier otro equipo de captación de partículas. El siguiente esquema muestra una instalación para separar partículas de distintos tamaños y seleccionar aquel tamaño que interesa y que cumple las especificaciones requeridas:

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Los ciclones se pueden disponer bien en serie, buscando una mejor separación de los sólidos, o bien en paralelo si se ha de hacer frente a grandes caudales. Se suelen emplear para el control de la contaminación del aire de determinadas fuentes, tales como plantas generadoras de electricidad a partir de combustibles fósiles, en hornos de tostación, refinerías petrolíferas, molinos de pasta de papel e incineradores. Entre las aplicaciones de los ciclones hay que destacar también las de los hidrociclones, muy utilizados por ejemplo para la depuración de aguas residuales y en otros sistemas de lavado.

Empleo de un hidrociclón para la depuración de aguas residuales

DIMENSIONAMIENTO DE CICLONES Ciclones convencionales

Con las relaciones geométricas

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Cuando un gas entra en un ciclón su velocidad sufre una distribución, de modo que la componente tangencial de velocidad aumenta con la disminución del radio según una ley de la forma:

Y la aceleración radial es aC = w2.r

Eficiencia de captación Diversos autores investigaron la duración teórica del movimiento de las partículas en el ciclón y estimaron un desempeño teórico del equipo. Varias expresiones teóricas y semi empíricas han sido propuestas para prever la eficiencia de captación de un ciclón, pero existen otros métodos experimentales de mayor confianza

h = Eficiencia de selección D’= Diámetro de corte de para el tamaño de partícula en el que la eficiencia es del 50% en el ciclón considerado. En la práctica lo que se especifica en un proyecto es la eficiencia de separación deseada para partículas de un determinado tamaño. D. Relación empírica de Rossin, Rammler e Intelmann :

B = Largo del ducto de entrada al ciclón; N = Número de vueltas dadas por el gas en el interior del ciclón ( igual a 5 ); v = velocidad de entrada del gas al ciclón basada en un área B.H (se recomienda usar 15 m / s );

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m = viscosidad del gas; r = Densidad del gas; r S = Densidad del sólido. Dimensionamiento

De la ecuación 01 tenemos:

para N = 5

Cálculos: Después de establecido el porcentaje de captación para las partículas de tamaño D especificado en la curva de eficiencia, se halla el valor D/D’. - Se Calcula D’; - Se Calcula- DC (Ecuación 02); - Se especifican las demás dimensiones:

- Para una altura de entrada:

Q = Caudal de entrada v = velocidad admitida. Si H =/ DC/2 Entonces REPROYECTAR EL CICLON !!!

•

Ejemplo: Una corriente de aire a 50°C y 1 atm arrastra partículas sólidas de r S = 1.2 g/cm3 con un caudal de 180 m3/min. Se desea proyectar un ciclón para clasificar partículas de 50m m en suspensión. Solución : 87 % entonces D/D’ = 3 D’= 50 / 3 = 16.67 m m = 16.67 x 10 -4 cm Cálculo de DC y otros parámetros: DC = 13.96.v.(r S - r ).D’2/m Se supone : v = 10 m / s = 1000 cm / s r S = 1.2 g / cm3

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Altura del ducto de entrada : Q = 180 m3 / min = 3x10 6 cm3 / s

H =/ DC/2 entonces REPROYECTAR EL CICLON !!! Nuevo cálculo de DC y parámetros: Se supone : v = 7.5 m / s = 750 cm / s

Altura del ducto de entrada :

H aproximadamente igual a DC / 2 Pérdida de Carga La pérdida de presión en un ciclón es también una perdida de carga, la cual se expresa en forma más conveniente en términos de la presión cinética en las vecindades del área de entrada del ciclón. Estas pérdidas están asociadas a: - Fricción en el ducto de entrada; - Contracción / expansión en la entrada; - Fricción en las paredes; - Perdidas cinéticas en el ciclón; - Perdidas en la entrada del tubo de salida; - Perdidas de presión estática entre la entrada y la salida.

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Sheferd, Lapple y Ter Linden = Consideran que las pérdidas por energía cinética son las más importantes dentro de un ciclón Siendo las únicas que deberían ser consideradas

Ro’’= Densidad del gas compuesto, que se calcula en función de la fracción en volumen de las partículas sólidas.

Ae = Área de entrada = BxH Área de salida = (Pi *D2S )/4

BIBLIOGRAFÍA [1] http://www.enq.ufsc.br/disci/eqa5313/separacao%20sol_liq%20%20de%20gases.htm#Dimensionamento CHRISTIAN HUGO CALDERON ARTEAGA UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MEDELLÍN

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