FILTRACIÓN

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FILTRACIÓN INTRODUCCIÓN………………………………………………………………………………………………………………….4

 CAPÍTULO 1 FILTRACIÓN Definición ………………………………………………………………………………………………….4 – 5 Principales Aplicaciones en la industria…………………………………………….5 – 8

 

Industria de Pinturas y Tintas Industria Alimentaria y Agropecuaria Industria Química y Petroquímica Reciclado y Medio Ambiente Industria Farmacéutica y Biotecnología Pulpa y Papel Industria Minera 

Clasificación de Filtración……………………….…………………….…………………..8 – 14 Clasificación de las Operaciones. Procesos de Separación Física- Mecánica. Clasificación de los Procesos de Separación. La filtración y los filtros se pueden clasificar en varias formas. Otras Características de la Filtración. Características del Medio Filtrante.



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

 CAPÍTULO 2 TEORIA DE LA FILTRACIÓN 

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

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Filtración a velocidad constante. Filtración a presión y velocidad variables.



Fundamentos de la filtración…………………………………………………20 - 26 Fundamentos de la clarificación Fundamentos de la filtración de torta Caída de presión a través de la torta de filtración

Medios Filtrantes ……………………………………………………………………………...26 – 29



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



Aspectos Teóricos…………………………………………………………………….29 – 30



CAPÍTULO 3

EQUIPOS PARA LA FILTRACIÓN  

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

Filtros Nutsche Filtro de Placas Horizontales Filtro Prensa………………………………………………………………………………….………33 - 35



Filtro Prensa de Placas y Marcos Filtro Prensa de Placas Huecas  

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

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

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

Filtro con Descarga por Medio de Banda Coilfilter             

Filtros con Descarga por Medio de Rodillos…………………………………44 - 45 Filtro de Tambor con un solo Compartimiento…….………………………45 - 46 Filtro Fest……………………………………………………………………………………………..46 - 47 Filtros Continuos con Precapa………………………………………………….……..47 - 48 Filtros de Disco……………………………………………………………………………………………….48 Filtros Horizontales al Vació…………………………………………………………….49 - 50 Filtros Horizontales Tipo Paila, con descarga de tornillo y de plancha…………………………………………………………………………………………………………….50 - 51 Filtros de Pailas Inclinables……………………………………………………………..51 - 52 Filtro de Banda Horizontal……………………………………………………….……..52 - 53 Espesadores del Filtro………………….…………………………………………………..54 - 56 Filtros de Clarificación……………………….………………………………………………56 - 57 Prensas de Placas y Filtros de Discos…………………………………………..58 - 59 Clarificadores de Cartucho……….………………………………………………………59 - 63

Filtros mecánicas o de borde Flexibilidad Filtro Cyclamatic 

Filtros a Presión con Precapa…………………………………………………………………….63

 CAPÍTULO 4 

Análisis de un Sistema de Filtración……………………………………………..64 - 66

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  

ANEXO Práctica de Filtración………………………………………………………………………….67 – 78 BIBLIOGRAFÍA……………………….………………………………………………………………………79

CAPÍTULO 1 FILTRACIÓN

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

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

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Las aplicaciones de los procesos de filtración son muy extensas, encontrándose en muchos ámbitos de la actividad humana, tanto en la vida doméstica como de la industria general, donde son particularmente importantes aquellos procesos industriales que requieren de las técnicas químicas. La filtración se ha desarrollado tradicionalmente desde un estudio de arte práctico, recibiendo una mayor atención teórica desde el siglo XX. La clasificación de los procesos de filtración y los equipos es diversa y en general, las categorías de clasificación no se excluyen unas de otras. La variedad de dispositivos de filtración o filtros es tan extensa como las variedades de materiales porosos disponibles como medios filtrantes y las condiciones particulares de cada aplicación: desde sencillos dispositivos, como los filtros domésticos de café o los embudos de filtración para separaciones de laboratorio, hasta grandes sistemas complejos de elevada automatización como los empleados en las industrias petroquímicas y de refino para la recuperación de catalizadores de alto valor, o los sistemas de tratamiento de agua potable destinada al suministro urbano.

PRINCIPALES APLICACIONES EN LA INDUSTRIA Las aplicaciones de la filtración en la industria se pueden considerar en 3 categorías. La primera incluye todas las aplicaciones en las que la suspensión que contiene grandes cantidades de sólidos insolubles se separan en los sólidos y líquidos que la componen, formándose una torta en la parte anterior del medio conociéndose el proceso como filtración por torta o de torta. La segunda categoría se denomina clarificación y en esta se quitan pequeñas cantidades de un sólido insoluble a un líquido valioso donde el propósito es generalmente producir un líquido claro. La tercera se denomina microfiltración donde se separan partículas muy finas por lo general microorganismos de los alimentos. En particular los filtros prensa tienen una amplia aplicación en la separación sólidolíquido. Se utilizan mucho para el filtrado y clarificación de numerosos líquidos, también tienen utilidad en las industrias químicas o en las de los textiles artificiales, industria azucarera, cervecería, vinificación, industrias aceiteras, industria cerámica o

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en ciertas industrias extractivas. Actualmente los filtros prensa tienen un uso preferencial en muchas industrias por los altos rendimientos obtenidos, factor determinante en la industria pesada y minera, donde se exigen respuestas muy efectivas con equipos de nivel técnico especial. Industria de Pinturas y Tintas Muchas aplicaciones en esta industria demandan un servicio fiable de 24 horas/ 7 días a la semana. Un ambiente corrosivo, elevadas temperaturas y a menudo una atmosfera inestable requiere un diseño adecuado. Los sistemas de filtración se crearon para cumplir con estos requisitos. Los sistemas convencionales como los filtros de tambor y centrifugadoras han sido sustituidos satisfactoriamente por los Filtros Prensa.

Aplicaciones típicas:  Dióxido de titano (TiO2)(acabado/ desalinización y desechos/neutralización)  Sosa caustica  Ácidos  Revestimientos Industria Alimentaria y Agropecuaria Los Filtros Prensa y los sistemas de purificación de jugo son aplicaciones estándar para la industria azucarera. Un diseño de altas prestaciones, así como un alto nivel de automatización convierte estos filtros en la elección ideal para muchas aplicaciones en este mercado.

Las aplicaciones más comunes:  Vino y jugos

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 Cerveza  Aceites alimentarios  “Energías Verdes” (Bioetanol)  Residuos animales  Azúcar y procesos de endulzamiento Industria Química y Petroquímica Los

sistemas

de

Filtro

Prensa

ofrecen

amplias

capacidades

con

procesos

completamente automatizados para esta industria. Materiales resistentes a la corrosión y abrasión y un diseño sólido para una operatividad de 24 horas/7 días a la semana, convierte estos sistemas de filtración en la elección ideal para este mercado.

Las aplicaciones típicas:  Carbonato de calcio(CaCO3)  Sulfuro de bario (fluido acabado)  Silicatos (producto y desecho)  Polímeros (fibras)  Solución de salmuera(refrigeración de recuperación) Reciclado y Medio Ambiente Para este tipo de industria, se tienen varios diseños de Filtro Prensa, además de asistencia en el desarrollo en nuestro laboratorio de ensayo.

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Las aplicaciones más comunes:  Procesamiento de piedras(cortar, aplicaciones de pulido y lavado de grava)  Fibras de plástico(reciclaje de alfombras)  Centrales eléctricas (desulfuración de gases de combustión, REA)  Desechos industriales  Desechos químicos Industria Farmacéutica y Biotecnología La demanda de procesos meticulosamente controlados y unos entornos limpios se pueden cubrir con los sistemas de Filtro Prensa.

Las aplicaciones son:  Levadura  Biosólidos  Algas  Plasma sanguíneo  Enzimas Pulpa y Papel A pesar de que las centrifugadoras son la elección preferida como equipo de deshidratación en esta industria, los sistemas de Filtro Prensa han mostrado mejores

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

Las aplicaciones más comunes:  Licor verde (Recuperación en sosa)  Tratamiento de residuos de revestimiento Industria Minera La demanda de Filtro Prensa de grandes capacidades para entornos duros, convierte a los sistemas de Filtro Prensa Putsch® con su innovador sistema de descarga de tortas, en una opción económica para esta industria.

Las aplicaciones típicas:  Concentrado de minerales  Lodos de flotación  Carbón  Arcilla (caolín, bentonita, cerámica)

CLASIFICACIÓN Clasificación de las Operaciones Unitarias. Las operaciones unitarias son de naturaleza física. Se pueden dividir en 5 grandes grupos: 1. Flujo de fluidos.

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2. Transmisión de calor. 3. Mezclado. 4. Separación: Destilación, extracción, absorción, adsorción, evaporación, cristalización, humidificación, secado, filtración y centrifugación. 5. Manejo de sólidos: Compresión, molienda, tamizado etc. No hay una clara división entre algunas operaciones Procesos de Separación Físico-Mecánico Son los Procesos en los que se usan las fuerzas físicas y se utilizan aparatos o técnicas mecánicas para llevar a cabo la separación de moléculas solidas. Las fuerzas físico-mecánicas incluyen la gravitación y la centrifugación, las fuerzas mecánicas mencionadas y las fuerzas cinéticas causadas por flujos. Las corrientes de partículas o fluidos se separan debido a los diferentes efectos que sobre ellas producen estas fuerzas.

Clasificación de los Procesos de Separación. 1. Filtración: El problema general de la separación de partículas sólidas en líquidos se puede resolver usando gran diversidad de métodos, dependientes del tipo de sólidos de la proporción de sólidos a líquidos en la mezcla, de la viscosidad de la solución y de otros factores. En la filtración se establece una diferencia de presión que hace que el fluido fluya a través de poros pequeños que impiden el paso, de las partículas sólidas las que, a su vez, se acumulan sobre la tela como torta porosa. 2. Precipitación y sedimentación: En la precipitación y la sedimentación las partículas se separan del fluido debido a las fuerzas gravitacionales que actúan sobre las partículas de tamaños y densidades diferentes. 3. Precipitación y sedimentación por centrifugación: En las separaciones por centrifugación, las partículas se separan del fluido a causa de las fuerzas que actúan sobre las partículas de tamaños y densidades diferentes. 4. Reducción Mecánica de tamaño y separación: En la Reducción mecánica de tamaño, las partículas solidas se fragmentan por medios mecánicos en tamaños más pequeños y se separan de acuerdo con sus dimensiones.

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En el presente trabajo solo se enfocará en el proceso de Filtración, proporcionando un análisis y así un diseño de una operación de filtrado a nivel planta piloto en Fes Zaragoza. La filtración se considera como una operación unitaria y está comprendida las separaciones mecánicas, basadas en diferencias físicas de las partículas se define como la separación de las partículas sólidas suspendidas en un fluido forzándolas a pasar a través de un medio poroso, fibroso o granular. La filtración tiene por objeto lo siguiente: 1. 2. 3. 4. 5.

Clarificación de sólidos Recuperación de sólidos Recuperación de líquidos Recuperación de ambas fases Filtración para facilitar otras operaciones como: presecado, lavado de materiales solubles depositados en los sólidos, etc.

En la filtración, las partículas suspendidas en un fluido, ya sea líquido o gas, se separan mecánicamente o físicamente usando un medio poroso que retiene las partículas en forma de fase separadas que permiten el paso del filtrado sin sólido. Las filtraciones comerciales cubren una amplia gama de aplicaciones. El fluido puede ser un gas o un líquido. Las partículas sólidas suspendidas pueden ser muy finas (del orden micrómetros) o bastantes grandes, muy rígidas o plásticas, esféricas o de forma muy irregular, agregados o partículas individuales. El producto valioso puede ser el filtrado sin sólidos o la torta sólida. En algunos de los casos, se requiere una eliminación completa de las partículas sólidas y en otros, basta una eliminación parcial. La alimentación o suspensión de entrada puede contener una gran carga de partículas sólidas o una proporción baja. Cuando la concentración es mínima, los filtros operan por tiempos muy largos, antes de que sea necesario limpiar el medio filtrante. Debido a la gran diversidad de problemas de filtración, se ha desarrollado un enorme número de equipos de filtración. El equipo de filtración difiere del de laboratorio únicamente en lo que respecta a la cantidad de materia que se maneja y en la necesidad de operar en bajos costos.

La filtración y los filtros se pueden clasificar en varias formas:

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1. Por la fuerza impulsora. Se induce el flujo del filtrado por el medio filtrante mediante la carga hidrostática (gravedad), presión sobreatmosférica o vacio aplicado corriente abajo del citado medio o fuerza centrífuga a través de este último. La filtración centrifuga se asocia por lo común a la sedimentación centrífuga, y ambas son objeto de estudio bajo el título “Centrífugas”. 2. Por el mecanismo de filtración. Aunque el mecanismo para la separación y acumulación de sólidos no se comprende claramente, dos modelos suelen ser considerados y constituyen la base para la aplicación de la teoría al proceso de filtración. Cuando los sólidos quedan detenidos en la superficie de un medio de filtración y se amontonan unos sobre otros para formar una torta de creciente espesor, la separación es conocida como filtración de torta. Cuando los sólidos quedan atrapados dentro de los poros o cuerpo del medio filtración, se le denomina medio filtrante de profundidad, o filtración clarificadora. 3. Por la función. La meta del proceso de filtración puede ser la obtención de sólidos secos (la torta es el producto de valor), líquido clarificado (el filtrado es el producto valioso) o ambas cosas. La recuperación de buenos sólidos se obtiene mejor mediante la filtración de la torta, mientras que la clasificación del líquido se logra ya sea por la filtración de profundidad o de torta. 4. Por ciclo operacional. Los filtros pueden ser intermitentes (por lotes) o continuos y los filtros por lotes se pueden manejar con una fuerza impulsora de presión constante, a la velocidad constante o en ciclos variables, con respecto tanto a la presión como la velocidad. El ciclo por lotes puede variar grandemente, dependiendo del área del filtrado y la carga de sólidos. 5. Por la naturaleza de los sólidos . La filtración de tortas puede incluir una acumulación de sólidos o sustancialmente incompresibles, que corresponde, más o menos, en la filtración de medio del filtro, a partículas deformables y rígidas. El tamaño de partículas o de agregados de partículas puede ser del mismo orden de magnitud que el tamaño de poros mínimos de la mayor parte de los medios de filtración (1 a 10 micras y mayores) o más pequeños (de 1 micra hasta las dimensiones de las bacterias o, incluso, las moléculas grandes).

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

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1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Tipo de partículas suspendidas Tamaño de las partículas suspendidas Densidad de las partículas suspendidas Resistencia o dureza de las partículas suspendidas (flóculos) Temperatura del agua a ser filtrada Concentración de partículas en el afluente Potencial Zeta de la suspensión PH del afluente

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

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

3. Densidad de las Partículas Suspendidas

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Cuanto mayor sea la densidad de las partículas suspendidas, mayor será la eficiencia de remoción de las partículas de tamaño superior al crítico mencionada anteriormente. 4. Resistencia o Dureza de los Flóculo La dureza de los flóculo es otro factor importante en la filtración rápida, pues los flóculo débiles tienden a fragmentarse y penetrar fácilmente en el interior del medio filtrante, favorecido que ocurra el traspase final de la turbidez límite, mientras que los flóculo duros o resistentes no se fragmentan fácilmente, pero producen una pérdida de carga mayor. 5. Temperatura En general, el aumento de temperatura conduce a una eficiencia mayor pues se tiene un aumento de energía termodinámica en las partículas del agua y consecuentemente, la difusión se vuelve un mecanismo importante cuando se tienen partículas suspendidas menores de una micra. Por otro lado, la disminución de la viscosidad facilita la acción del mecanismo de sedimentación de partículas de 1μm. 6. Concentración de Partículas Suspendidas Cuando el medio filtrante se encuentra limpio la eficiencia de remoción depende de la concentración de partículas en el afluente. Después del algún tiempo de filtración, la eficiencia de remoción aumenta con el aumento de concentración de las partículas suspendidas en el afluente, pues las partículas retenidas hacen de colectoras con otras partículas suspendidas. Evidentemente. Al existir una eficiencia de remoción mayor con el aumento de concentración, la curva de pérdida de carga en función del tiempo será más acentuada. 7. Potencial Z Cuando las partículas suspendidas y los granos del medio filtrante tienen potencial Z del mismo signo, la interacción entre las capas dificulta la adherencia, reduciendo la eficiencia de remoción. Como los materiales filtrantes usuales presentan potenciales Z negativas, sería conveniente que las partículas suspendidas tuviesen potencial Z negativo.

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

CARACTERISTICAS DEL MEDIO FILTRANTE Entre las características del medio filtrante que influyen en la filtración se destacan:   

el tipo del medio filtrante El tamaño efectivo del material filtrante El espesor de la capa filtrante Tipo del Medio Filtrante

El tipo del medio filtrante debe seleccionarse basándose en la calidad que se desea para el agua filtrada. Adicionalmente, también debe tenerse en cuenta, la duración de la carrera de filtración y la facilidad de lavado. Un medio filtrante ideal es aquel de una determinada granulometría y granos de un cierto peso específico, que requiere una cantidad mínima de agua para ser lavado específicamente y que es capaz de remover la mayor cantidad posible de partículas suspendidas, produciendo un efluente de buena calidad. Tamaño Efectivo del Medio Filtrante Los materiales filtrantes se especifican sobre la base de por lo menos cuatro características:

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 Tamaño efectivo

(T e)

: en relación al porcentaje (en peso) que pasa por las

mallas de una serie granulométrica, el tamaño efectivo se refiere al tamaño de granos correspondientes al porcentaje de 10%.  Coeficiente de uniformidad

(C u)

: con relación al porcentaje (en peso) que

pasa por las mallas de una serie granulométrica, el coeficiente de uniformidad es igual a la relación entre el tamaño de los granos correspondientes al 60% y el tamaño de los granos correspondiente al 10%.  Forma: la forma de los granos normalmente se evalúa en función del coeficiente de esfericidad

( C e)

, que es igual a la relación entre el diámetro de una

esfera, de velocidad de sedimentación igual a la del los granos considerado, y el tamaño medio de los granos entre dos mallas consecutivas de la serie granulométrica, entre las que se preparó el medio filtrante.  Peso específico

( Pe )

: el peso específico del material es igual al peso de los

granos dividido por el volumen efectivo que ocupa los granos. Estas cuatro características son muy importantes para especificar los materiales que componen un medio filtrante de dos o más capas. Espesor de las Capas Filtrantes La operación ideal de un filtro es aquella en que la perdida de carga máxima se produce en el mismo instante en que el efluente presenta la turbiedad límite, conforme se puede observar cualitativamente en la Figura 5 que muestra la curva de pérdida de carga y del espesor del medio filtrante, para una determinada tasa de filtración, turbiedad límite fijada, pérdida de carga límite fijada, e invariables las demás características de la suspensión y del medio filtrante.

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

Clarificación,

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   

Extracción, Lavado de Torta, Deshidratación Recuperación de Sustancias.

La filtración se emplea en un gran número de procesos relacionados con industrias muy diversas; como ejemplo se citan las siguientes:  Química: Filtración de azufre fundido, silicato sódico, ácido cítrico, resinas y fibras sintéticas, plásticos.  Farmacéutica: Producción de vitaminas y antibióticos  Alimentaria: Filtración de glucosa, fructosa y azúcares, jugos de frutas, cerveza, vino, En la producción de azúcar se emplean filtros de vacío siempre que es necesaria la separación de materia sólida de un líquido, también aparecen centrífugas. En la producción de zumos de frutas, hay que señalar que está aumentada la utilización de filtros para espesamiento de tipo continuo frente a los típicos decantadores. En el embotellado vino o zumos de frutas, se emplean los filtros de placas como filtro final para la esterilización. Otros usos de los filtros en la industria del vino se dan en bodega para filtración clarificante y eliminación de turbidez si se coloca el filtro entre dos tanques.  Industria del aceite: Pulido de aceites, blanqueo y dimerización.  Agroquímica: Producción de insecticidas  Petroquímica: Separación de distintos componentes como la posibilidad de obtención de parafinas cristalinas de las que no lo son  Recuperación y refino de metales: Por ejemplo filtración de sales de zinc, cobre, níquel, etc. Otro ejemplo es el tratamiento de minerales sulfurosos para la extracción de oro. El mineral después de ser concentrado en el circuito de flotación, debe ser lavado para eliminar las sales en exceso que tienen un efecto perjudicial en el proceso posterior de tostación. El método elegido para este proceso es el de filtración porque no sólo consigue el lavado requerido sino que produce una torta que se puede transportar

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fácilmente al lugar de tostación. La filtración y el lavado se llevan a cabo usando dos filtros de banda que producen una torta con una humedad aproximada del 15%.  Cerámica, Pinturas, pigmentos, tintes, barnices - Tratamiento de aguas residuales: Tanto urbanas como procedentes de instalaciones industriales. La filtración aparece en el acondicionamiento de aguas residuales y en el tratamiento de fangos. La filtración de agua implica su paso a través de capas de arena, carbón y otros materiales granulares para eliminar microorganismos y cualquier flóculo o sedimento que pudiera quedar. También se emplean los filtros prensa en la filtración de fangos urbanos. El acondicionamiento se realiza con cal y cloruro férrico que mejora el espesamiento. Se consiguen humedades residuales del 50%.

Otras posibles aplicaciones son:  Producción de cemento vía húmeda  Para la obtención de sal en salinas, como se muestra en el siguiente diagrama:  También es posible el tratamiento de productos peligrosos para el medio ambiente en filtros Nutcha, gracias a su estanqueidad.

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CAPÍTULO 2 TEORIA

TEORÍA DE LA FILTRACIÓN La filtración ha evolucionado como un arte práctico, en vez de desarrollarse como una ciencia teórica. Sin embargo, la teoría la filtración ha recibido una atención continua desde los primeros trabajos de Carman y Ruth, hace medio siglo. Los esfuerzos teóricos han consistido, principalmente, en la cuantificación de la relación común de velocidad. Velocidad = fuerza de impulsora / resistencia Donde, para el caso general de la filtración, la resistencia es la suma de la resistencia del medio filtrante y la de la torta. En años recientes se ha incrementado la aplicación de la teoría a los problemas industriales con el estímulo de varios científicos, en especial Tiller y Pruchas.

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La teoría de la filtración, aunque nunca se utilizo como base exclusiva para el diseño de un filtro para una operación dada, es valiosa para interpretar análisis de laboratorios, buscar las condiciones óptimas de filtración y predecir los efectos de los cambios en las condiciones operacionales. El empleo de la teoría de filtración esta limitados por el hecho de que las características de filtración se deben determinar siempre en la lechada real de que torta, puesto que los datos obtenidos con una lechada no son aplicables a otra. Esto es cierto si consideramos la naturaleza y el historial de las partículas sólidas y su interacción, cuya complejidad empieza a recibir la atención necesaria. Una vez que se forma la capa de partículas sólidas en el medio filtrante, su superficie actúa como medio filtrante, de modo que los sólidos se depositan y se agregan al espesor de la torta, mientras que el licor claro pasa por ella. Por consiguiente, la torta se compone de una masa a granel de partículas de formas irregulares, por entre las cuales corren canales pequeños. El flujo de licor a través de los canales es siempre aerodinámico y, por tanto, se puede representar por medio de la ecuación de Poiseuille, que se adapta en la forma:

dV = Adθ

P αW μ +r A

[

]

(1) La velocidad de filtración se expresa adecuadamente en función del volumen de filtrado recogido

V , el área de la superficie de filtración A y el tiempo

θ .

P

es la caída total de presión en el medio de filtro y la torta depositada en él. La viscosidad es la del filtrado. La velocidad se puede expresar también en términos de acumulados en la torta seca, correspondiente a

V .

mediante un balance simple de materiales, * de modo que:

W , la masa de sólidos W se relaciona con V

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W =ω V =

ρc V 1−mc

(2) En donde

ω

es la masa de sólidos de la torta seca por unidad de volumen de

ρ , la densidad del filtrado; c , la fracción de masa de los sólidos de la m , la relación de masas de la torta con la presión torta en lechada (o suspensión), y filtrado;

mediantes la expresión

α =α ´ P

s

(3) En donde

α´

es una constante determinada en gran parte por el tamaño de las

partículas que forman la torta;

s , la compresibilidad de la torta, que varía de cero

para las tortas e incompresibles, como las de diatomita y arena fina, a 1.0 para las tortas muy compresibles. Para la mayor parte de las lechadas industriales, encuentra entre 0.1 y 0.8. El símbolo

r

s

se

representa la resistencia del área unitaria

del medio de filtración; pero incluye otras pérdidas (aparte de las que se producen a través de la torta y el medio) en el sistema, donde

P

es la caída de presión.

Para utilizar la ecuación (1) es necesario conocer el patrón del proceso de filtración, es decir, la variación de la velocidad del flujo y la presión con respecto al tiempo. Por lo general, el mecanismo de bombeo determina las características del flujo de filtración y sirve de base a las tres categorías siguientes: 1. Filtración a presión constante. El mecanismo de impulso es gas comprimido, que se mantiene a una presión constante. 2. Filtración a velocidad constante. Se utilizan varios tipos de bombas de desplazamiento positivo. 3. Filtración a presión y velocidad variables. El empleo de una bomba centrifuga da por resultado este patrón: la velocidad de descarga disminuye al incrementar la contrapresión.

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

θ μα W μr = + V /A 2P A P (4a)

θ μαω W μr = + V /A 2P A P (4b)

θ μαω V μr = + V / A 2 P(1−mc) A P (4c) Para una filtración dada a presión constante, esto se puede simplificar a

θ W V =K p +c=K ´ p +c V /A A A (4d) En donde

K p ,K ´p ,c

observar que

son constantes para las condiciones empleadas. Se debe

K p,K ´p, y c

dependen de la presión de filtración no sólo del modo

explicito evidente, sino también en el sentido implícito de que generalmente, dependientes de

α , m y r son,

P .

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

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

θ 1 μα W = = V / A velocidad por unidad de á rea P−P1 A (5a) Que se puede escribir también como:

θ μα W μαρc V = =¿ V / A P−P 1 A A P−P (1−mc) ( 1) (5b) En esas ecuaciones,

P1

es la caída de presión en el medio del filtro

P1=μr (

V ) Aθ

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

V / A=P / K r +C ´ (5c) En donde

Kr y C ´

son constantes para las condiciones dadas.

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

FUNDAMENTOS DE LA FILTRACIÓN La filtración es un ejemplo especial del flujo a través de medios porosos. En filtración tales resistencias aumentan con el tiempo a medida que el medio

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filtrante se va obstruyendo o se forma una torta de filtración. Las principales magnitudes de interés son la velocidad de flujo a través del filtro y la caída de presión en la unidad. A medida que transcurre el proceso, o bien disminuye la velocidad de flujo o aumenta la caída de presión. En la llamada filtración a presión constante la caída de presión permanece constante y la velocidad de flujo va disminuyendo con el tiempo; menos frecuente es que la presión aumente progresivamente para dar lugar a la llamada filtración a velocidad constante. Una ecuación general para todos los tipos de filtración a presión constante fue desarrollada por Hermans y Bredéeg en 1935. Su ecuación es d2t dt =k 1 2 dV dV

n

( )

(1) V = volumen de líquido filtrado, o simplemente filtrado, recogido durante el tiempo t k, n = constantes 3 En la filtración de clarificación n puede ser 2, 2 , o 1, dependiendo del mecanismo para el cual se deposite la partícula. En la filtración de torta n = 0. Para la filtración a velocidad constante la ecuación de Hermans-Bredée es d (∆ P) =k 2 ( ∆ P ) dV (2) Donde ΔP es la caída de presión a través del filtro y n tiene los mismos valores que en la Ecuación anterior.

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El tratamiento que sigue se refiere fundamentalmente a la filtración de líquidos, si bien fundamentos similares son aplicables a la filtración de gases. Fundamentos de la clarificación Si las partículas sólidas que han de separarse obstruyen completamente los poros del medio filtrante, y la velocidad de obstrucción es constante con el tiempo, el mecanismo se conoce como coludo directo, para el cual n en las Ecuaciones (1) y (2) adquiere el valor 2. El colado directo se produce en raras ocasiones. Mucho más frecuente es que las partículas bloqueen parcialmente los poros dando lugar a una gradual reducción del tamaño de los mismos; este mecanismo recibe el nombre de bloqueo estándar, para el que n = 3/2. Ocasionalmente, durante la transición entre la clarificación y la formación de la torta puede haber un período durante el cual n = 1, recibiendo entonces el nombre de bloqueo intermedio. El bloqueo estándar es el mecanismo habitual en los filtros de clarificación. Con n = 3/2, la integración de la Ecuación (1) conduce a las siguientes ecuaciones para la filtración a presión constante q=q o (1 – K 2 V )2 t 1 =k 2 1+ V q0

(3) (4)

Donde q = dV/dt, es la velocidad volumétrica de flujo a través del filtro qo = velocidad de flujo para t = 0 K3 =constante igual a k2/2q01/2 A partir de la Ecuación (2) para la filtración a volumen constante

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∆P 1 = ∆ Po (1−K 3 V )2

(5)

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

Fundamentos de la filtración de torta En la filtración de torta el líquido pasa a través de dos resistencias en serie: la de la torta y la del medio filtrante. La resistencia del medio filtrante, que es la única resistencia en los filtros clarificadores, normalmente sólo es importante durante las primeras etapas de la filtración de torta. La resistencia de la torta es nula al principio y aumenta con el tiempo a medida que transcurre la filtración. Si la torta se lava después de la filtración, ambas resistencias son constantes durante el período de lavado, y la del medio filtrante es generalmente despreciable. La caída total de presión en un instante cualquiera es la suma de las caídas de presión en el medio filtrante y en la torta. Si Pa es la presión interior, Pb la presión exterior y p’ la presión en el límite de separación entre el medio filtrante y la torta, ∆ P=Pa−Pb=( Pa−P ’ )+ ( P−Pb )=∆ P c + ∆ P m (6) donde Δp = caída global de presión Δp, = caída de presión en la torta Ap, = caída de presión en el medio filtrante Caída de presión a través de la torta de filtración

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La Figura 1 muestra esquemáticamente una sección transversal de la torta de filtración y del medio filtrante para un tiempo definido t a partir del comienzo del flujo de filtrado. Para este tiempo el espesor de la torta, medido desde el medio filtrante, es Lc. El área del filtro, medida perpendicularmente a la dirección de flujo, A. Considérese la delgada capa de torta de espesor dL situada en la torta a una distancia L del medio filtrante. Sea la presión en este punto p. Esta capa consta de un delgado lecho de partículas sólidas a través de las cuales fluye el filtrado. En un lecho filtrante la velocidad es suficientemente baja para asegurar que el flujo es laminar. En consecuencia, se puede utilizar la Ecuación (7.18) como punto de partida para el tratamiento de la caída de presión a través de la torta, teniendo en cuenta que Δp/L = -dp/dL, y que para flujo laminar k2 en la Ecuación (7.18) es 0. Si la velocidad del filtrado se representa por U, la Ecuación (7.18) se transforma en 4 2

2 Sp k 3 μu ( 1−ε ) ( ) dp up = (7) 3 dL gc ε

donde dp/dL = gradiente de presión para el espesor L p= viscosidad del filtrado u = velocidad lineal del filtrado basado en el área del filtro sp = superficie de una sola partícula vp = volumen de una sola partícula E = porosidad de la torta k, = constante g, = factor de proporcionalidad de la ley de Newton

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

Para partículas de tamaño y forma definida dispuestas al azar, k3 = 4,167. La velocidad lineal u viene dada por la ecuación dV dt u= (8) A donde V es el volumen de filtrado recogido desde el comienzo de la filtración hasta el tiempo t. Puesto que el filtrado tiene que pasar a través de toda la torta, V/A tiene el mismo valor para todas las capas y u es independiente de L. El volumen de sólidos en la capa es A (l - E) dL, y si p p es la densidad de las partículas, la masa dm de sólidos en la capa es dm=ρ p (l−ε ) A dL(9) Eliminando dL de las Ecuaciones (7) y (9) se obtiene

(10)

Tortas de filtración compresible e incompresible. En la filtración a bajas caídas de presión de suspensiones que contienen partículas rígidas y uniformes, todos los factores del segundo miembro de la Ecuación (10), excepto m, son independientes de L. y la ecuación es directamente integrable para el espesor de la torta.

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

(11) Las tortas de filtración de este tipo reciben el nombre de incompresibles. Para utilizar la Ecuación (11) se define una resistencia específica de la torta, α, definida por la ecuación (12) Donde (13)

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Para tortas incompresibles α es independiente de la caída de presión y de la posición en la torta. La mayor parte de las tortas que se encuentran en las operaciones industriales no están formadas por partículas rígidas individuales. La suspensión consiste en una mezcla de aglomerados, o flóculos, consistentes en débiles acoplamientos de partículas muy pequeñas, y la resistencia de la torta depende de las propiedades de los flóculos en vez de la geometría de las partículas individuales7. Los flóculos se depositan sobre la cara de la torta situada aguas arriba y forma un complicado entramado de canalillos para los que la Ecuación (10) no es estrictamente aplicable. La resistencia de tal suspensión depende del método utilizado en la preparación de la suspensión así como a la edad y temperatura del material. Por otra parte, los flóculos son distorsionados y rotos por las fuerzas existentes en la torta, de forma que los factores E, k 3 y sp/vp varían de una capa a otra. Una torta de filtración de este tipo se denomina compresible, y en ella α varía de un lugar a otro; también varía con la presión aplicada y, en algunos casos, con el tiempo. En consecuencia, la Ecuación (11) no es estrictamente aplicable. Sin embargo, en la práctica, la variación de α con el tiempo y la localización se suele ignorar. Para los cálculos se obtiene experimentalmente un valor medio para el material que se filtra. A veces los experimentos se realizan a diferentes presiones de forma que α puede correlacionarse con la caída de presión. Resistencia del medio filtrante. La resistencia del medio filtrante R, se puede definir, por analogía con la Ecuación (12), mediante la ecuación (14)

La dimensión de Rm es L-1

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La resistencia del medio filtrante R m varía con la caída de presión y con el tiempo y la limpieza del medio filtrante, pero como sólo es importante durante las primeras etapas de la filtración, casi siempre resulta satisfactorio suponer que es constante durante cualquier filtración y obtener su valor a partir de datos experimentales. Cuando R m se trata como una constante empírica, incluye también cualquier resistencia al flujo que pueda existir en las líneas de acceso y salida del filtro. A partir de las Ecuaciones (12) y (14), (15)

Desde un punto de vista estricto, la resistencia de la torta α es una función de Δpc, en vez de Δp. Durante la etapa importante de la filtración, que es cuando la torta tiene un espesor apreciable, Δpm es pequeño en comparación de Δpc y el efecto sobre el valor de α al efectuar la integración de la Ecuación (11) sobre un intervalo Ap en vez de Ap, puede ignorarse con toda seguridad. Por tanto, en la Ecuación (15) α se toma como una función de Ap. Al utilizar la Ecuación (15) es conveniente sustituir u, la velocidad lineal del filtrado, y m, la masa total de sólido en la torta, por funciones de V, el volumen total de filtrado recogido durante el tiempo t. La Ecuación (8) relaciona u y V, y un balance de materia relaciona m c y V. Si c es la masa de partículas depositadas en el filtro por unidad de volumen de filtrado t, la masa de sólidos en el filtro en el tiempo t es Vc, y mc = Vc (16) Sustituyendo u de la Ecuación (8) y m, de la Ecuación (16) en la Ecuación (14), se obtiene

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MEDIOS FILTRANTES Todos los filtros requieren un medio filtrante para la retención de sólidos, ya sea que el filtro esté adaptado para la filtración de torta, medio filtración o filtración de profundidad. La especificación de un medio de filtración está basada en la retención de un tamaño mínimo de partícula y eficiencia de separación, así como también en un término aceptable de vida del medio filtrante dentro del medio ambiental del filtro. Para la filtración de la torta, la selección del medio filtrante incluye la optimización de los siguientes factores: 1. Capacidad para detener los sólidos sobre sus poros con rapidez, después de que se inicia la alimentación (o sea, propensión mínima a las purgas). 2. Velocidad baja de arrastre de sólidos dentro de sus intersticios (o sea, propensión mínima a los atascamientos). 3. Resistencia mínima al flujo de filtrado (o sea, velocidad elevada de producción). 4. Resistencia a los ataques mínimos 5. Suficiente resistencia para sostener la presión de filtración 6. Resistencia aceptable al desgaste mecánico. 7. Capacidad para descargar la torta con facilidad y limpieza. 8. Capacidad para conformarse mecánicamente al tipo de filtro con el cual se utilizara. 9. Costo mínimo. Para la filtración con medios filtrantes, se aplican los atributos 3, 4, 5,8 y 9 de la lista anterior y es preciso agregarles: a) Capacidad para retener los sólidos que se requieren b) Libertad de descarga de pelusa o algún otro material adulterador en el filtrado c) Capacidad para no atascarse con rapidez (o sea, larga duración).

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

Telas de Fibras Tejidas. Para la filtración de torta estas telas son el tipo más usual de medio filtrante. Existen gran variedad de materiales con sus factores de resistencia química y temperatura. Aparte del material de las fibras, ciertas características de construcción describen la tela filtrante, a saber: 1)tejido, 2)estilo, 3)peso, 4)cuenta, 5)pliegues, y 6)número de hilaza. De los muchos tipos de tejidos disponibles sólo cuatro son utilizados en forma amplia con medios filtrantes: lisos (cuadrados), tejido, sarga, tejido de cadena y satín. Todos estos tejidos se pueden confeccionar a partir de cualquier fibra textil, natural o sintética. Se pueden tejer de hilazas de multifilamentos o monofilamentos continuos. El desempeño de la tela para filtros depende del tejido y del tipo de hilaza, y sus graduaciones se indican en la tabla 19-11.

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

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

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

oz / yd

2

g/m

2

(0.4 a 10.9

). En la gama de bajo peso se emplean para la filtración por gravedad de

aceites ligeros, mientras que las de mayor peso son utilizadas para fluidos muy viscosos y para separar partículas tan pequeñas como de 5

μm de diámetro.

Papeles de Filtro. Estos papeles se suministran en una amplia gama de permeabilidad, espesor y resistencia. Por lo que se refiere a las características de este material, poseen baja resistencia; sin embrago, requieren una placa de fondo como soporte. Medios Porosos Rígidos. Estos medios se encuentran disponibles en hojas o placas y en tubos. Los materiales utilizados incluyen acero inoxidable sinterizado y otros metales, grafito, óxido de aluminio, sílice, porcelana y algunos plásticos, gama que permite un amplio intervalo de resistencia a la temperatura y a los productos químicos. La mayor parte de las aplicaciones son para la clarificación. Membranas Poliméricas. Estas membranas se utilizan en las aplicaciones de filtración para la separación de partículas finas, por ejemplo, en la microfiltración y ultrafiltración (la clarificación incluye la eliminación de partículas de 1

μm

y

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

Lechos Granulares de Sólidos Particulados. Los lechos de sólidos, por ejemplo, arena o carbón, se utilizan como medio filtrante la clarificación de agua o soluciones químicas que contienen pequeñas cantidades de partículas en suspensión. Se pueden adquirir los gránulos para filtro con el diámetro de partícula deseada. Con frecuencia, los lechos se fabrican en capas de diferentes materiales y varios tamaños de partícula. TABLA 19-11 EFECTOS DE LOS TIPOS DE TEJIDOS E HILAZAS SOBRE LOS MEDIOS FILTRANTES

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Velocidad

Mayor

Mejor

Menor

Resistencia a la

más alta de

retención

descarga de

humedad en

aglutinación

torta

las tortas

flujo Tejidos: Burdo o liso……. Cruzado………….. Cadena…………….. Satín………………… Hilaza: De un hilo……….. De hilos múltiple………. Embobinada…….

4 2 3 1

1 3 2 4

4 2 3 1

4 2 3 1

4 2 3 1

1 2

3 2

1 2

1 2

1 2

3

1

3

3

3

Aspectos Teóricos Filtración La filtración es una de las técnicas de separación más antiguas. Es un método físicomecánico para la separación de mezclas de sustancias compuestas de diferentes fases (fase = componente homogéneo en un determinado estado de agregación). Un medio filtrante poroso es atravesado por un líquido o gas (fase 1) y las partículas sólidas o gotículas de un líquido (fase 2) quedan retenidas en la superficie o en el interior del medio filtrante. En función de las fases se distinguen diferentes campos de aplicación: Filtración de   

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

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hidrófobo se puede filtrar p.ej. agua de combustibles. Aire u otros gases se pueden limpiar de aerosoles de agua, aceite o alquitrán. Con ayuda de la filtración se pueden separar componentes sólidos de suspensiones o gases, así como componentes líquidos de aerosoles o emulsiones. Mediante un filtro hidrófobo se puede filtrar p.ej. agua de combustibles. Aire u otros gases se pueden limpiar de aerosoles de agua, aceite o alquitrán. En función del problema o bien de la finalidad de la filtración, se distingue entre filtración de separación o filtración clarificante. En el caso de la filtración de separación, se trata de recuperar un determinado sólido de un líquido (torta de filtrado) para seguir trabajando con el sólido. Aquí no es imprescindible que todas las partículas sean eliminadas del líquido. Contrariamente, en la filtración clarificante, el líquido se debe limpiar en lo posible completamente de componentes indeseados o precipitados, para poder seguir trabajando con el líquido purificado. La filtración tiene una amplia gama de aplicaciones: desde el procedimiento analítico en el laboratorio hasta aplicaciones técnicas en grandes líneas de producción. En prácticamente todas las ramas industriales. La elección del tipo de filtro más adecuado depende de muchos factores diferentes: de la especie, cantidad y tamaño de partículas a separar, de la especie, volumen y temperatura del medio a filtrar, así como del método de filtración y de la precisión requerida. Las exigencias para el filtro son tan diferentes como lo son cada uno de los campos de aplicación. Se tienen que tener en cuenta las características químicas y físicas de la muestra a filtrar, así como el consiguiente análisis o manipulación del precipitado o del filtrado.

CAPÍTULO 3 EQUIPOS PARA LA FILTRACIÓN

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FILTROS DE TORTA Los filtros en los que se acumulan cantidades apreciables y visibles de sólidos sobre la superficie del medio filtrante se conocen como filtros de torta. La lechada de alimentación puede tener una concentración de sólidos que varía desde 1% hasta más de 40%. El medio filtrante en que se forma la torta es relativamente abierta, para minimizar la resistencia al flujo ya que, una vez que se forma la torta, ésta se vuelve un medio filtrante eficaz. Por consiguiente, el filtrado inicial puede contener cierta cantidad inaceptable de sólidos, hasta que se logra la formación de la torta. Esta situación se puede tolerar debido a la recirculación del filtrado hasta obtener una claridad aceptable, o bien, mediante la instalación de un filtro de pulido, aguas abajo (del tipo de clarificación). Los filtros de torta se utilizan cuando el producto deseado de la filtración son los sólidos, el filtrado o ambos. Cuando el filtrado constituye el productos deseado, el grado de eliminación del líquido en la torta por lavado o soplado con aire o gas comprimido se convierte en una optimización económica. Cuando la torta constituye el producto deseado, el incentivo es la obtención de una torta pura por lavado, soplado o, en ocasiones, el prensado mecánico para la extracción del líquido residual. En la filtración de la torta está implícita la eliminación y el manejo de los sólidos, ya que por lo general la torta está relativamente seca y compactada. Las tortas pueden ser pegajosas y difíciles de manejar; en consecuencia, la capacidad del filtro para descargar la torta limpiamente es un criterio importante en la selección del equipo. Desde el punto de vista de la operación, algunos filtros son dispositivos intermitentes, pero otros son continuos. Esta diferencia proporciona la base principal para la clasificación de los filtros de torta en el análisis que se presentan a continuación. La fuerza impulsora por medio de la cual funciona el filtro carga hidrostática (“gravedad”), presión proporcionada por una bomba o un colchón de gas, o presión atmosférica (“vacio”) se utiliza como un criterio secundario.

FILTROS INTERMITENTES DE TORTA

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Filtros Nutsche El Nutsche es uno de los filtros intermitentes más simples y consiste en un tanque con un fondo falso, perforado o poroso, sobre el que se apoya el medio filtrante, o bien, actúa como el medio filtrante. La lechada alimenta al recipiente del filtro y la separación ocurre mediante el flujo por gravedad, presión, vacio o una combinación de estas fuerzas. El término “nutsche” es la expresión en alemán para succión y el vació es la modalidad común de operación. El diseño de la mayor parte de los filtros nutsche es muy sencillo y, a menudo, los puede fabricar el usuario a bajo costo. Este filtro se utiliza con frecuencia en el laboratorio, la planta piloto o la operación de una planta pequeña. Sin embargo, para el procedimiento a gran escala, el área excesiva de piso que involucra la unidad de filtración, y dificultad para eliminar la torta son factores disuasivos. Para las operaciones a pequeña escala, la torta puede someterse a un procesamiento posterior por medio de su reprecitación o redisolución, o bien, puede eliminarse manualmente (mediantes una pala) o a través de dispositivos para su descarga mecánica; que en ocasiones son complicados.

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

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Sección de elevación del filtro de placas horizontal (Perry)

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

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

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Filtro prensa de placas y marcos Uno de los tipos de filtros más importantes es el filtro prensa de placas y marcos, que se muestra en la figura 1 a. Estos filtros consisten de placas y marcos alternados con una tela filtrante a cada lado de las placas, Las placas tienen incisiones con forma de canales para drenar el filtrado en cada placa. La suspensión de alimentación se bombea en la prensa y fluye a través del conducto al interior de cada uno de los marcos abiertos, de manera que va llenando los espacios vacíos. El filtrado fluye entre la tela filtrante y la superficie de la placa, a través de los canales y hacia el exterior, mientras los sólidos se acumulan como torta en los marcos. La filtración continúa hasta que los marcos quedan completamente llenos de sólidos. En la figura 1 a, todas las salidas de descarga comunican a un cabezal común. En muchos casos, el filtro prensa tiene una descarga abierta individual para cada marco, que permite una inspección visual para verificar la transparencia del líquido filtrado. Si una de las salidas descarga líquido turbio debido a una perforación de la tela o a otras causas, se puede cerrar por separado y continuar con la operación. Cuando los espacios están totalmente llenos, las placas y los marcos se separan y se extraen las tortas. Después se vuelve a armar el filtro y se repite el ciclo. Si se desea lavar la torta, ésta se deja en los marcos y se procede a un lavado transversal, como se muestra en la figura 1 b. En este tipo de prensa existe un canal aparte para la entrada del agua de lavado, que penetra a la unidad y a las placas a través de aberturas situadas detrás de las telas filtrantes, en placas alternadas. El agua de lavado fluye a través de la tela, pasa por la totalidad de la torta (no por una mitad, como en la filtración), a través de la tela filtrante, del otro lado de los marcos, y por último, pasa al canal de descarga. Nótese que la figura 1 b ilustra dos tipos de placas: las que tienen conductos para admitir el agua de lavado por detrás de la tela filtrante, y las que están alternadas con las anteriores y carecen de dichos conductos. Las prensas de placas y marcos presentan los inconvenientes comunes a todos los procesos por lotes. El costo de mano de obra para extraer las tortas y volver a ensamblar la unidad, más los costos fijos por tiempos muertos, pueden constituir una porción muy elevada de los costos totales de operación. Algunos modelos modernos de prensas de placas y marcos tienen un juego duplicado de marcos montados en un eje giratorio. Mientras se usa la mitad de los marcos, la otra mitad se descarga y se

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limpia, lo que reduce los costos de mano de obra. Existen también sistemas automatizados que se han aplicado a estos tipos de filtros. Los filtros prensa se usan en los procesos por lotes pero no se pueden emplear para procesos de alto rendimiento. Se manejan con facilidad, son versátiles y de operación flexible y se pueden utilizar a altas presiones si es necesario, con soluciones viscosas o cuando la torta de filtro tiene una gran resistencia.

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

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

Filtros de hojas a presión Se asemejan a los filtros de placas y marcos por el hecho de que la torta se deposita sobre cada uno de los lados de la lámina y el líquido filtrado fluye hacia la salida por los canales existentes entre las telas mecánicas de las láminas que sostiene a las dos tortas. Las láminas trabajan sumergidas en la suspensión a tratar. Los filtros Sweetland, el filtro rotatorio de láminas, el filtro Kelly, operan por cargas es por ello que son funcionamiento discontinuo. Los filtros de láminas pueden ser muy grandes como por ejemplo, los empleados en la obtención de hidróxido de magnesio a partir del agua de mar. Este tipo de filtro es el que muestra en la figura. Las bolsas filtrantes van suspendidas de un pueste grúa, para pasarlas desde la cuba de filtración a la de lavado.

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Sección de hoja filtradora de alambre prerrecubierto.

Filtros Horizontales de Hojas de Presión

Para la filtración de líquidos con mayor contenido de sólidos en aceite comestible, alimentos

y

químicos

de

la

industria

farmacéutica.

Áreas de hasta 200 M con descarga de la torta seca o húmeda.

Apertura y cierre

del filtro hidráulico operaba pinza bayoneta. Shell o de retracción del haz. Aplicaciones: 

Industrias del aceite de mesa.



Las plantas de plaguicidas



Química e Industrias de Alimentos.

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Filtros Horizontales de Hojas de Presión

Filtros verticales de hojas de presión

Para la filtración de líquidos con contenido de sólidos de hasta 5 a 7% en aceite comestible,

productos

químicos,

alimentos

e

industria

Áreas de hasta 100 M con descarga de la torta seca o húmeda. Aplicaciones: 

Industrias del aceite de mesa.



Industrias Farmacéuticas.



Química e Industrias de Alimentos.

farmacéutica.

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SAP presión de las hojas de filtro es el producto de probada tecnología más moderna. Este tipo de filtro se utiliza ampliamente en las industrias de aceites vegetales en todo el mundo. El filtro tradicional se utiliza en la India de la Industria de Aceites Vegetales es la placa de voluminosos y del filtro tipo de trama que consume gran cantidad de tela filtro, requiere de mano de obra para el manejo de grandes, se traduce en pérdidas de muertos y hace que el proceso completo de la casa desordenada y sucia. La presión de la hoja de filtro es el más simple, económico y eficiente en la operación, no necesita ningún paño, y mano de obra para la operación y ser un sistema cerrado, mantiene el proceso de limpiar la casa. SAP Hoja filtro es vertical del tanque en el que deja el filtro se monta verticalmente en un tubo colector común para la realización de aceite filtrado. Las hojas de filtro, que son de tela metálica de acero inoxidable montada en un marco de las SS, el filtro en ambos lados proporcionando así una gran área de filtro en un buque relativamente pequeño. Para facilitar la descarga de la torta, la parte inferior de gran tamaño de la válvula de salida está prevista. El filtro está equipado con vibrador neumático para descarga de la torta.

Características especiales:  N de tela 

El

ahorro

en

costos

laborales 

Sin partes móviles



Muy

bajo

coste



Completamente cerrado sistema



El ahorro en necesidad de espacio y de costes

de



Sin suciedad en la torta de descarga



No hay desperdicio de vapor en la torta de

No hay pérdida de aceite en el filtro de la ropa



Simple y robusta construcción

estructurales

mantenimiento 



Fácil en funcionamiento

operación de secado 

Totalmente indígenas

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Filtros verticales de hojas a presión

Filtro Idrex HLF En este filtro se combinan las características de un filtro con descarga centrifuga y de un filtro horizontal de placas, en una unidad que tiene una cubierta vertical al eje con hojas filtrantes circulares colocadas horizontalmente. La torta se forma exclusivamente en la parte superior y el filtrado se recolecta a través de un eje central.

Filtros con Formación Continua de la Torta Los filtros de torta continua se aplican cuando la formación de la torta es bastante rápida como, por ejemplo, las situaciones en las que el flujo de la lechada es mayor a 5 l/min (1 a gal/min), la concentración de la lechada son superiores a 1% y las partículas son mayores a 100

μm de diámetro.

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Filtros de Tambor Giratorio El filtro rotatorio continuo al vacío que se ilustra en la siguiente figura filtra, lava y descarga la torta con un régimen continuo.

El tambor cilíndrico se recubre de un medio filtrante adecuado, se hace girar, y una válvula automática en el centro sirve para activar las funciones de filtrado, secado, lavado y descarga de la torta del ciclo de operación. El filtrado sale por el eje del filtro. La válvula automática permite la salida independiente del filtrado y líquido de lavado. Además, cuando es necesario, se puede usar una conexión para un retrosoplado de aire comprimido poco antes de la descarga, para ayudar a que el raspador de cuchilla desprenda la torta. El diferencial máximo de presión para el filtro al vacío es de sólo 1 atm. Por consiguiente, este modelo no es adecuado para líquidos viscosos o líquidos que deben estar encerrados. Si el tambor se encierra en una coraza, se pueden usar presiones superiores a la atmosférica. Sin embargo, el costo de un equipo de presión es de cerca del doble del de un filtro rotatorio de tambor al vacío (P2). Los procesos modernos de alta capacidad utilizan filtros continuos. Las ventajas importantes son que los procesos son continuos y automatices y los costos de mano de obra son relativamente bajos. Sin embargo, la inversión inicial es relativamente alta.

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Filtros con descarga por cuchilla Por lo general, el medio filtrante esta calafateado dentro de las ranuras de la rejilla del tambor y la torta se elimina mediante una cuchilla colocada justo antes de que se vuelva a sumergir el tambor. La cuchilla sirve, principalmente, para dirigir la torta, desprendida por medio de retrosoplado con aire, a la rampa de descarga, ya que el contacto real con el medio causaría su desgaste rápidamente. En algunos casos, el medio filtrante se mantiene por medio de alambres arrollados en forma circunferencial y espaciados 50 mm (4in), con una cuchilla flexible que puede descansar ligeramente contra el arrollamiento de alambre. En vez de la cuchilla se puede usar un alambre tirante en algunas aplicaciones en las que es necesario desprender físicamente las tortas pegajosas y adherentes. FIG. 19-99 Esquema de un filtro al vacío de tambor giratorio, con descarga de cuchilla, en el que se muestran las zonas de operación. (Schweitzer,

Handbook

of

Separation

Techniques for Chemical Engineers . p. 4-38. Copyright 1979 de McGraw-Hill, Inc. Cun autorización

de

McGraw-Hill

Book

Company.)

Para una lechada determinada, la velocidad máxima de filtración se determina por el espesor mínimo de torta, que se puede eliminar; cuanto más delgada sea la torta, tanto menor será la resistencia al flujo y mayor la velocidad. El espesor mínimo es aproximadamente de 6mm (.025in) para tortas relativamente rígido y adherente de materiales como concentrados de

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minerales y lechadas gruesas, por ejemplo el yeso o el citrato de calcio. Los sólidos que forman tortas desmenuzables compuestas de materiales menos adherentes. Por ejemplo, las sales o el cartón, requieren por lo general un espesor de la torta de 13 mm (0.5 in) o más. Las tortas de lechadas finas, como los pigmentos y el hidróxido de magnesio, que a menudo producen tortas que se agrietan o adhieren al medio filtrante requieren generalmente un espesor de por lo menos 10mm (0.38 in).

Filtros con descarga por medio de cuerdas Este sistema de cuerdas o alambres sin fin, espaciadas aproximadamente 13 mm (0.5 in), pasan alrededor del tambor de filtro, se separan de este en forma tangencial en el punto de descarga de la torta y la desprenden cuando las cuerdas dejan de hacer contacto con el tambor. Los alambres regresan a la superficie del tambor guiados por dos rodillos y la torta se separa de los alambres cuando pasa sobre los rodillos. Si la torta tiene el cuerpo requerido, una torta más delgada (5 mm aproximadamente 3/16 in) puede ser manejada por los filtros de tambor, lo que permite la filtración de materiales más difíciles. Esto se realiza a expensas de un área muerta mayor sobre el tambor. El éxito depende de la capacidad de la torta para ser eliminada por medio de las cuerdas y debe determinarse en forma experimental. Las aplicaciones corresponden básicamente a las industrias de almidón y farmacéutica y, en parte, al área metalúrgica. Filtros con medios eliminables Algunos filtros de tambor proporcionan un medio filtrante que se puede eliminar y reaplicar a medida que el tambor gira. Esta característica permite la descarga completa de una torta delgada o pegajosa y proporciona el lavado regenerativo del medio, para reducir el taponamiento. Se pueden obtener velocidades más elevadas de filtración debido a la delgadez de la torta y al

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medio limpio, pero a expensas de un filtrado menos puro que el que normalmente se produce en los filtros con medio no eliminable. Filtro con descarga por medio de la banda Estos son filtros de tambor que transportan una tela que se traslada, pasa sobre unos rodillos, se lava y regresa al tambor. En la figura 19-100 se muestra la trayectoria que sigue el medio filtrante cuando se separa del tambor. Un dispositivo especial de alineación mantiene el medio libre de arrugas y con la alineación adecuada durante su desplazamiento. Se aplica a las tortas delgadas que pueden ser ligeramente solubles. Cuando es aceptable una descarga por medio de rocíos produce tortas tan delgadas como 1.5 a 2 mm (aproximadamente 1/16 in). Varios fabricantes proporcionan estos filtros.

FIG. 19-100 Descarga de la torta y lavado del medio en un filtro Eimco-Belt de descarga por banda. (Eimco Process Ecraipmeni Co.)

Coilfiller El Coilfilter fabricado por Komline-Sanderson Engineering Corp., consta de un tambor con un medio que tiene una o dos capas de resortes de acero inoxidable arrollados helicoidalmente, de aproximadamente 10 mm (0.4 in) de diámetro, colocados con un patrón de pana alrededor del tambor. Los resortes siguen al tambor durante la filtración y la torta se forma sobre 'os arrollamientos. Posteriormente, los resortes se separan del tambor para descargar la torta y se someten a lavado. Si se utilizan dos capas de resortes,

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los arrollamientos de cada capa sufren una separación adicional entre sí y pasan sobre varios conjuntos de rodillos. El empleo de acero inoxidable en forma de resortes proporciona un medio relativamente permanente que se puede limpiar fácilmente por medio de lavado y flexión. La claridad del filtrado es inferior a la obtenida con otros medios y se requiere una bomba de vacío relativamente grande para manejar las fugas de aire, características de este medio filtrante. Se aplica principalmente a los materiales que forman una torta lodosa en forma de emparrillado (p. ej. las aguas negras no tratadas).

Filtros con descarga por medio de rodillos Estos filtros tienen un rodillo colocado cerca del tambor, en el punto de descarga de la torta, que gira en dirección opuesta con una velocidad periférica igual o ligeramente mayor a la del tambor (Fig. 19-101). Si la torta depositada sobre el tambor tiene la adherencia adecuada para útil izar esta técnica de descarga, se pega a la torta del tambor más pequeño y se separa del tambor. Por medio de una cuchilla o un alambre tirante se elimina el material del rodillo de descarga. Este diseño es especialmente adecuado para las tortas delgadas y pegajosas. Si es necesario, se puede proporcionar un ligero chorro de aire para ayudar al desprendimiento de la torta del tambor. El espesor característico de la torta varía entre 1 y 10 mm (0.04 a 0.4 in).

Filtros de tambor con un solo compartimiento Filtro Bird-Young Este filtro, fabricado por Bird Machine Co., difiere de la mayor parte de los filtros de tambor en que el tambor no tiene compartimientos y no existen tubos internos ni válvula giratoria. Todo el interior del tambor se somete a un vacío y por la superficie perforada pasa el filtrado. La torta se descarga por retrosoplado con aire, aplicado a través de un ‘'zapato” que cubre una zona estrecha de descarga en la superficie interna del tambor, para interrumpir el vacío. La superficie interior del tambor debe estar maquinada para proporcionar un claro mínimo en el zapato y evitar fugas. El filtro se diseña para obtener velocidades de filtración elevadas con tortas delgadas. Se pueden proporcionar velocidades de giro hasta de 40 rpm con

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tortas cuyo espesor varía entre 3 y 6 mm (0.12 a 0.24 in). El tamaño de los 2 filtros varía de 930 cm a 13 m2 (1 a 140 ft2), con 93% de área activa. El precipitado se alimenta a un tanque cónico, diseñado especialmente para evitar que los sólidos se sedimenten sin usar agitadores mecánicos. El nivel adecuado de líquido se mantiene por sobre flujo y 1a inmersión varía de 5 a 70% de la circunferencia del tambor.

FIG. 19-101 Principio de operación del mecanismo de descarga con rodillo. (Schweitzer, Handbook of Separation

Techniques for Chemical Engineers , p. 4-40. Copy light 1979 tie McGraw-Hill, 'nc Con autorización de McGraw-Hill Book Company.)

El cilindro perforado del tambor está dividido en secciones de aproximadamente 50 a 60 mm (2 a 2.5 in) de ancho. El medio filtrante se coloca dentro de los tubos entre las secciones y se fija en su lugar por medio de varillas redondas. No se necesitan alambres, calafateado u otros dispositivos de sujeción. A la torta se pueden aplicar rocíos de lavado, con canales o platos de recolección colocados abajo del tambor, para mantener el lavado separado del filtrado. El filtrado se elimina de la sección inferior del tambor por medio de un tubo que pasa a través de los muñones. Las principales ventajas del filtro Bird-Young son su capacitad para manejar tortas delgadas y operar a velocidades elevadas, su eficacia de lavado y su baja

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resistencia interna al flujo de aire y al filtrado. Una ventaja adicional es la posibilidad de construir un filtro que opera con presiones hasta de 1.14 MPa (150 psig), para manejar líquidos volátiles. Las principales desventajas son su costo elevado y la flexibilidad limitada, debido a que no tiene una válvula giratoria ajustable. Las aplicaciones óptimas son en el manejo de materiales con drenado libre que no ocluyen el medio filtrante, por ejemplo, la pulpa de papel y las sales cristalizadas.

Filtro Fest El filtro Fest BHS lo ofrece en Estados Unidos Black Clawson Co. y consiste en un filtro a presión con tambor giratorio, que tiene los siguientes elementos principales: 1) el tambor giratorio está dividido en celdas rectangulares de filtración por medio de barras laterales y anillos circunferenciales, 2) está provisto de una cubierta anular cerrada a presión, que rodea al tambor, 3) los prensaestopas circunferenciales sellan el espacio entre la cubierta y el tambor, 4) tiene sellos laterales de zonificación, en forma de zapatas de nylon, contra los que rozan las barras y los anillos del tambor, que dividen los espacios anulares existentes entre el tambor y la cubierta en sectores cerrados a presión, 5) la válvula giratoria está conectada a las celdas del filtro por medio de tuberías y múltiples, y 6) tiene las provisiones necesarias para la eliminación de la torta y el lavado del medio filtrante. Estas características permiten a los diferentes sectores del tambor operar bajo diferentes presiones y con sistemas fluidos independientes (p. ej. fluidos de lavado distintos). El tamaño de los filtros varía de 0.12 a 7.7 m 2 (1.3 a 83 de filtración tan altas como 0.011 m3/ ( m

3

ft

2

) con velocidades

*s) [1000 gal/ (ft2h)]. El filtro

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Fest se utiliza para una amplia variedad de productos orgánicos e inorgánicos y sus principales ventajas sor la posibilidad de manejar fluidos volátiles con presiones de operación de aproximadamente 405 kPa (45 psig), la capacidad de obtener un excelente lavado y secado de la torta y la descarga atmosférica de la misma. Por otra parte, sus desventajas son su complejidad, los problemas de operación y mantenimiento, relacionados con los sellos de presión en presencia de los sólidos y un costo de capital muy elevado,

Filtros continuos con precapa Estos filtros se pueden operar a presión o vacío, aunque la operación predominante es al vacio. En realidad, los filtros no son continuos, pero tienen un ciclo intermitente extremadamente largo (3 a 4 días). Se aplican para la clarificación continua de líquidos, con lechadas que contienen de 50 a 5000 ppm de sólidos, cuando la formación de tortas muy delgadas son inaceptables en los otros filtros. La construcción es similar a los demás filtros de tambor, excepto que el vacío se aplica en todo el giro. Antes de alimentar la lechada, se aplica una precapa de ayuda para el filtro u otros sólidos adecuados, con un espesor de 75 a 125 mm (3 a 5 in). La lechada se alimenta y queda atrapada en la superficie externa de la precapa, donde se elimina por medio de un escalpelo, que avanza y recorta la capa delgada de sólidos y la precapa. El avance del escalpelo varía entre 0.05 y 0.2 mm (0.002 y 0.008 in) por revolución del tambor. Cuando la precapa ha sido recortada con un espesor mínimo predeterminado, el filtro se saca de servicio, se lava y se aplica una precapa fresca. El tiempo de giro puede ser de 1 a 3h.

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Filtros de discos Funcionan bajo el mismo principio que el de tambor, pero su superficie filtrante está dispuesta en discos en vez de la periferia del tambor. Los sectores individuales de los discos pueden cambiarse de modo independiente, mientras que los restantes continúan trabajando. Al estar separados entre sí las fosas sé los diferentes discos, donde se encuentran las suspensiones a tratar, resulta posible filtrar simultáneamente, dos o más productos de modo separado y en el mismo filtro siempre que puedan mezclarse los líquidos filtrados. Las capacidades de estos filtros varían de 2 a 280 metros cuadrados de superficie filtrante.

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Filtros continuos horizontales al vacío Esta clase de filtros al vacío se caracterizan por una superficie horizontal de filtración en forma de una superficie horizontal de filtración en forma de una mesa, una banda o bandejas múltiples en disposición lineal o circular. Sea cual fuere la forma de estos filtros, poseen algunas ventajas y desventajas también. Las ventajas son:  

Permite una elección independiente al espesor de la torta, al ciclo de desecación. Filtran eficientemente sólidos pesados o densos.

Las desventajas:   

Su construcción es más costosa que la de os filtros de tambor. Emplea cantidades relativamente grandes de espacio piso por unidad de área de filtración. Se utilizan fundamentalmente para la filtración de yeso y residuos de fosfatos de roca en el proceso de obtención de ácido fosfórico para lodos metalúrgicos y la extracción de semillas oleaginosas por medio de los disolventes.

Se les clasifica en:

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 

Mesa horizontal Filtro de bandeja inclinable Filtro de banda horizontal

Los dos más importantes son  

Mesa horizontal. Filtro de bandeja inclinable.

Mesa horizontal: Este filtro es una masa anular rotatoria cuya superficie superior es un medio de filtración. La masa se divide en sectores cada uno de los cuales es un compartimento separado. Se aplica vacío a través de una cámara de drenaje por debajo de la mesa que lleva directamente a una válvula giratoria. Se bombea lechada sobre la mesa en un punto y se retira la torta por medio de un transportador que lo eleva sobre la parte lateral del filtro. La torta se deja sedimentar por la acción de la alta velocidad y se exprime al soplo de aire a medida que se agrega una nueva lechada. La torta residual es una desventaja.

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Filtros horizontales tipo paila, con descarga de tornillo y de plancha

Todos estos filtros son básicamente, planchas anuales giratorias con un medio filtrantes en la superficie superior. La plancha está dividida en secciones, cada una de las cuales constituye un comportamiento separado. El vació se aplica a través de una cámara de drenado colocado debajo de la plancha y conectada a una válvula giratoria grande. La lechada se alimenta en un punto determinado y la torta se elimina, después de completar más de tres cuartas partes del círculo, por medio de un transportador de tornillo que eleva la torta por encima de la orilla del filtro. Un espacio de aproximadamente 10mm (0.4in) se mantiene entre el tornillo y el medio filtrante para no dañar el medio. La torta queda en el medio se puede desprender por medio de un chorro de aire en la parte inferior o mediante rocíos de líquido a alta velocidad desde arriba. Esta torta residual representa una desventaja peculiar en este tipo de filtro. Con las materiales que ocluyen el medio filtrante puede requerirse paros frecuentes para realizar una limpieza total. Los diámetros de las unidades varían entre 0.9 y 7 m (3 a24 ft), con aproximación 80% de la superficie disponible para la filtración.

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Filtros de pailas Inclinables Se trata de una modificación del filtro de pailas o planchas en el que cada uno de los sectores es una paila individual, pivoteada sobre un eje radial que permite su inversión para la descarga de la torta, ayudada generalmente por un chorro de aire. En la figura aparece la secuencia de operación característica. El espesor de la torta del filtro varía 50 y 100 mm (2 a 4 in). La mayor parte de las aplicaciones incluyen la eliminación del agua de sales inorgánicas con drenado libre. Además de las ventajas y desventajas comunes a todos los filtros horizontales continuos, el filtro de pailas Inclinables tiene las ventajas relativas del lavado completo por sector, buena descarga de la torta y posibilidad de construirlo en diámetros muy grandes, hasta de aproximadamente 25 m (80 ft), con 75% del área disponible para la filtración. Las desventajas incluyen un alto costo de capital (especialmente en los diámetros más pequeños) y mayores costos de mantenimiento debidos a la complejidad mecánica.

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Filtro de Banda Horizontal Estos filtros constan de una banda perforadora o ranurada de elastómero, que opera como un transportador de banda y lleva encima una banda de telas filtrantes. Las dos bandas están apoyadas en una plataforma que está dividida para formar cámaras de vacío, para recolectar el filtro y los lavados múltiples. Varios fabricantes proporcionan filtros de banda horizontal cuyas principales diferencias radican en la construcción de la banda de drenado, de retención de la torta sobre la banda y la técnica para la alineación del medio filtrante. En el Filtro Pannevis se reemplaza la banda de drenado por una serie de pailas de vacío, que evitan el problema del tanque de los hidrocarburos a las bandas de elastómeros. Los filtros se clasifican de acuerdo con el área disponible de la banda de drenado expuesta al vacio. La lechada se alimenta en un extremo por medio de vertedores de sobre flujo o una rampa en forma de abanico y el licor

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de lavado se aplica mediantes rocíos o vertederos, en uno o más puntos, a medida que las bandas se desplazan a lo largo de la plataforma. La torta se descarga cuando la banda regresa a la zona de alimentación sobre una polea separada. Este procedimiento permite lavar completamente la banda del medio filtrante con rocíos, antes de volverla a unir a la banda de drenado. Algunas unidades tienen diques de enjuague, montados sobre la torta, para separar las zonas de lavado y filtración. Se pueden utilizar velocidades de las bandas hasta de 0.5 m/s (1.6 ft7s) con variaciones en la velocidad de operación, que dependen de la velocidad de drenado de la torta. Algunos materiales de drenado rápido producen tortas cuyo espesor varía entre 100 y 150 mm (4 a 6 in). Los filtros de bandas horizontales tienen ventajas de una eliminación completa de la torta y un lavado eficaz del medio filtrante.

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Espesadores del Filtro Los espesadores son tanques o aparatos que sirven para espesar los concentrados y relaves de la flotación, por el procedimiento de quitarles parte del agua que contiene, es decir el trabajo de los espesadores es mantener en movimiento las pulpas de concentrado y relave, asiéndolos más densos y espesos por la eliminación de cierto porcentaje de agua, el agua clara rebalsa por la parte superior por canales El espesador es un aparato que trabaja en forma continua, tiene un rastrillo que sirve para empujar lentamente, hacia el centro las partículas sólidas que se van asentando en el fondo en forma de barro espeso, a fin de sacarlos por la descarga (cono). Al mismo tiempo los rastrillos evitan que el lodo se endurezca demasiado en el fondo; y si no existieran estos no habría forma de sacarlos o descargarlos.

PARTES PRINCIPALES DE UN ESPESADOR a. El tanque. Los espesadores esencialmente están constituidos por un tanque cilíndrico sobre una porción de un cono invertido de muy poca profundidad, hay que señalar que los diámetros de estos tanques circulares son mucho más grandes comparados con su altura, el cono en el fondo ayuda al movimiento de los sólidos concentrados hacia el punto de descarga, el área del tanque circular debe ser lo suficientemente grande como para que ninguna partícula sólida salga por el overflow y la altura lo suficiente como para lograr una pulpa a la concentración deseada, de todo esto podemos afirmar que la función principal del tanque es el de proporcionar un tiempo de permanencia para producir una pulpa a la concentración deseada y un líquido claro en el overflow.

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b. El rastrillo. Está formado por un conjunto de varillas de acero y la estructura va unida al eje principal. Su movimiento es lento y gira con el eje, siendo impulsado por un motor eléctrico a través de una catalina y un piñón. El rastrillo sirve para arrimar la carga asentada hacia el centro del tanque, justo sobre el cono de descarga, evitando de esta manera que se asiente demasiado, la pulpa facilitando la descarga asentada del espesador. c. El eje del rastrillo. Sirve de apoyo al rastrillo y comunica el movimiento a éste. d. El recibidor de carga. Es un tanque cilíndrico de poca altura. Sirve para disminuir la velocidad de entrada de la pulpa, dejarla caer suavemente sin producir agitación, está en la parte superior del eje. e.

El cono de descarga. Se encuentra en el centro del fondo del tanque del espesador, sirve para sacar la carga asentada hacia las bombas de salida de la pulpa, para ser enviada a los filtros o cochas en caso de tratarse de concentrados.

f.

El canal de rebalse. Está colocado alrededor de la parte superior del tanque, sirve para recibir el, agua recuperada, agua limpia y clara.

g. El mecanismo de elevación del rastrillo. Sirve para evitar que el rastrillo se plante cuando el espesador está haciendo fuerza. Estos mecanismos pueden ser manuales y/o automáticos, y proporcionan un medio para levantar los rastrillos hacia arriba del contacto de la pulpa con mayor concentración de sólidos para así reducir la fuerza de movimiento demandada por el mecanismo de movimiento, la operación de levantamiento se puede hacer mientras los rastrillos están girando. h. Mecanismo de movimiento El mecanismo de accionamiento y los espesadores son diseñados de varios tipos dependiendo del tamaño y tipo de soporte de

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este mecanismo como también del tipo de espesador, su función es la de proporcionar la fuerza de accionamiento (torque) para mover los brazos de los rastrillos y paletas contra la resistencia de los sólidos sedimentados.

Filtros de Clarificación El proceso de tratamiento de soluciones para metalúrgica, químico, industrial y residuos tóxicos requieren los equipos más eficientes y de bajo costo. Los filtros cerámicos para clarificación de soluciones de Delkor responde a este reto y ofrece la mejor tecnología de filtro en la separación de soluciones líquido/sólido. El filtro cerámico para clarificación de soluciones se basa en la tecnología líder del cartucho de cerámica y el diseño del envase para proporcionar un funcionamiento del filtro completamente automatizado.

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Los filtros cerámicos para clarificación de soluciones de Delkor es un recipiente de presión vertical resistente y diseñada según estándares internacionales de recipientes a presión. El envase consiste en un fondo fabricado con un flanje superior apernado. Los cartuchos de cerámica se suspenden de un plato ubicado en las partes superiores del equipo. Los cartuchos están sujetos por conectores fácilmente desmontables. Todas las bridas de entrada y salida de las boquillas se han diseñado para los estándares internacionales. Beneficios o Alta capacidad - 1,9 m3/m2. o 99.98% eliminación de sólidos en la solución. o Filtrado se utiliza para los ciclos del agua en circuito cerrado como su contenido de sólidos no exceda de 0,001 g/dm3. o Capa membranosa permite separar los compuestos finos y insolubles del calcio. o Aplicaciones con distintos productos. o Alta resistencia térmica permite el filtrado de soluciones calientes. o Alta resistencia mecánica (57MPa). o Alta resistencia al filtrado ácido o alcalino. o Elementos de desgaste con un mínimo periodo de existencia de 12 meses. o Diseño a medida de tamaño de poro de elementos cerámicos para satisfacer las necesidades específicas del proceso. o Alta capacidad de regeneración. o La tecnología de revestimiento de la membrana garantiza el 100% de remoción de sólidos.

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Prensas de Placas y Filtros de Discos Se utilizan con gran frecuencia los filtros a base de discos de pulpa de asbesto, tortas de fibras de algodón (masas de filtro) o láminas de papel u otros medios para limpiar bebidas, soluciones de deposición y otros líquidos de poca viscosidad que contienen pequeñas cantidades de materia suspendida. El término filtro de disco se aplica a los conjuntos de disco para pulpa hechos de asbesto y fibra de celulosa y sellados en una caja de presión.

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Las prensas de placas denominadas a veces filtros laminados, son conjuntos de placas, láminas de medios de filtración y, en ocasiones, marcos o mallas. Se trata esencialmente de prensas modificadas de filtración que carecen casi por completo de capacidad de retención de torta. Una prensa puede constar de muchas placas o de una lámina simple de filtración entre dos placas, y estas dos últimas pueden ser rectangulares o circulare, en tanto que las hojas reposan en un plano horizontal o vertical de flujo son, aproximadamente, las mismas que las de los filtros de disco. Por lo común, la presión de operación no sobrepasa de 235 kPa (20 Psig). Las prensas se emplean con mayor frecuencia para líquidos de escasa viscosidad, pero se usa comúnmente una prensa ordinaria de filtración con marcos delgados como clarificador, para una solución de devanado de rayón de 100 Pa-s (1000 Piose). En este caso, la presión de filtración puede ser de 6900 kPa (1000 Psig). Los filtros de disco continuos, pulpa y láminas realizan una clarificación extrema. No es poco frecuente que realicen una separación completa de partículas de tamaño mayor que una dimensión estipulada, que puede ser muy

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inferior a 1μm. Funcionan en una gama dada de tamaños de 4 o 5 órdenes de magnitud, en contraste con los dos órdenes de magnitud de la mayor parte de los otros filtros. Por consiguiente, no es sorprendente el hecho de que incluya gran variedad de tipos y grados de medios de filtración, con frecuencia en etapas sucesivas. Se emplean, además de los paquetes o los discos de fibra de celulosa, polimérica o de asbesto, láminas de pulpa, papel, asbesto, fibras cardadas, telas tejidas y polímeros o celofán poroso. Se ha utilizado compuesto en emparedado, de varios materiales, para filtrar suspensiones viscosas. El empleo de asbesto se ha reducido en forma considerable, por los peligros que este material implica para la salud. Se han propuesto materiales que lo reemplazan, por ejemplo, el medio filtrante Zeta Plus, fabricado por AMF Cuno División, que consta de un compuesto de celulosa y ayudas inorgánicas para filtración con carga positiva y proporciona una atracción electrocinética para retener los coloides (que por lo general están cargados negativamente). Por consiguiente, estos medios suministran un esfuerzo mecánico y una adsorción electrocinética.

Clarificadores de Cartuchos Los clarificadores de cartucho son unidades que consisten en uno o más cartuchos reemplazables o renovables que contienen el elemento activo de filtración, o bien, que emplea esa clase de cartuchos. Por lo común, la unidad se coloca en una línea que lleva el líquido que se va a clarificar; por ende, la clarificación tiene lugar mientras el líquido se encuentra en movimiento.

Filtros Mecánicos o de Borde

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Estos consisten en pilas de discos separados a intervalos precisos por medio de placas espaciadoras o un devanado de alambre sobre una jaula, en ranuras de paso preciso, o bien, una combinación de ambas cosas. El líquido que se va a filtrar fluye radialmente entre los discos, los alambres o las capas de papel y se separan las partículas mayores que el espaciamiento. Los filtros de borde pueden retirar de hasta 0.001 in (25μm); pero los más frecuentes es que tenga un espaciamiento mínimo de dos veces este valor. Tiene poca capacidad de retención de sólidos y, por consiguiente, se debe limpiar a menudo para evitar los taponamientos. En algunos filtros se prevé la limpieza continua. Por ejemplo, el Cuno Flo-Klean(figura), una unidad de devanado de alambre, emplea una boquilla de giro lento que lava el elemento con liquido filtrado, y el cuno autoklean está equipado con un raspador que se ajusta a las ranuras entre los discos, para retirarlos sólidos acumulados. En cualquiera de estos casos, los sólidos desalojados caen a un resumidero que se puede drenar a intervalos.

El mayor número de clarificadores de cartucho son de la clase micrónica, con elementos de fibra, papel filtro impregnado con resinas, piedra porosa o acero inoxidable de porosidad controlada. También existen otros metales inoxidables. Los elementos se pueden escoger para separar partículas mayores que una fracción de micra, aun cuando se producen muchos para dejar sólidos de 10 μm y menores. Mediante la elección adecuada de los cartuchos de

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cilindros múltiples a los cartuchos múltiples en paralelo, se puede obtener cualquier velocidad deseada de flujo con una caída razonable de presión [con frecuencia, de menos de 235kPa (20 psig)]

Cuando la presión se eleva al máximo admisible, el cartucho se debe abrir para reemplazar el elemento. Los elementos micrónicos de tipo de fibras no se puede limpiar y tiene un precio que permite desecharlos o reemplazar el medio filtrante en forma económica. Por lo común los elementos de fibra se deben limpiar en un proceso que se realiza mejor en instalaciones del fabricante de la cerámica porosa o siguiendo sus indicaciones. Los usuarios pueden limpiar los elementos de acero inoxidable por medio de un tratamiento químico.

Flexibilidad Los filtros de cartucho son flexibles; los cartuchos de diferentes capacidades y materiales de construcción se pueden intercambiar, lo que permite un ajuste rápido al cambio de condiciones, pero tiene la desventaja de una capacidad muy limitada para el manejo de sólidos y, en consecuencia, la concentración máxima de sólidos en la alimentación está limitada aproximadamente en 0.01%. L a mayor limitación en la operación de las plantas de proceso modernas es la necesidad de abrir el filtro para reemplazar el

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cartucho. Lo que hace indeseable materiales peligroso

su empleo para el procesamiento de

Algún fabricante, por ejemplo. Hydraulic Research división de textron Inc. Y Fluid dynamics División de Brunswick Corp., han creado cartuchos fabricados con fibras metálicas ligadas, que se pueden retrolavar o limpiar químicamente sin abrir la unidad. Estos filtros, que pueden operar a temperaturas de 482°C (900°F) y presiones de 33 MPa (325 atm) o mayores, son particularmente útiles para la filtración de polímero.

El Filtro Cyclariatica a Presión (Industrial Fitter and Pump Manufacturing) Es un aclarador semicontinua de cartucho de superficie renovable. Su principio de funcionamiento se presenta en la figura (principio del filtro clarificador continuo Cyclamatic). Un tanque vertical a presión contiene cierto número de cartuchos verticales dispuestos en un círculo concéntrico con el tanque y un carrete de devanado coaxial con el tanque. Cada cartucho es un rodillo de papel o una lámina no tejida devanada en torno a un núcleo de plástico o metal perforado y que avanza al interior del carrete de devanado. L a filtración se hace radialmente hacia adentro a través de los cartuchos y el filtrado pasa por todas las capas del rodillos de papel y hacia afuera, a través de un múltiple situado en el fondo al que van conectados los núcleos del cartucho. Los sólidos principales que se separan se reúnen fuera de los cartuchos, aunque las partículas muy finas pueden quedar atrapadas dentro del rodillo de papel, por lo común, en unas cuantas capas superficiales. Cuando la caída de presión en los cartuchos alcanza un nivel predeterminado, se activa automáticamente una propulsión externa para el carrete devanador y se desarrolla una cantidad suficiente de medio filtrante de los cartuchos sobre el carrete, para proporcionar a cada cartucho una superficie limpia y sin atascamientos. La duración de cada cartucho suele ser de 1 a 4 semanas, después de lo cual suena una alarma y es preciso reemplazar los cartuchos y el carrete de devanado. Esta operación requiere cerca de 30 minutos.

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El filtro Cyclamatic tiene 61 cm (24 in) de diámetro y lleva un máximo de 4 cartuchos, cada uno de los cuales mide 91 cm (36 in) de longitud y con una superficie efectiva promedio de 2 2 filtración de, aproximadamente, 0.37 m (4 Ft ). Se puede construir sobre pedido especial filtros de tamaño mayores, de hasta 122 cm (48 in) de diámetro y hasta con 12 tubos. Es posible conservar una velocidad de filtración 2 de agua de procesamiento de 1631/(min* m ) con una presión de 21 kPa (3 psig

2

)

Filtros a Presión Con Precapa Los filtros a presión con precapa constan de una o más hojas o tubos, sobre los que se deposita una capa de tierra diatomácea u otra para filtración o ayuda filtró con objeto de formar una superficie filtrante para clarificación. El papel filtro se puede sustituir por una precapa. Con el líquido a filtrar se puede mezclar más ayuda para filtración (para darle cuerpo a la alimentación), especialmente si los sólidos son gelatinosos o pegajosos, con objeto de mantener una velocidad promedio de filtración más elevada. Los filtros de torta a presión con precapa no difieren esencialmente de los filtros de torta a presión, excepto por el por el propósito a que se destinan. Cuando operan como “filtro purificador”, la precapa se considera como parte del medio filtrante, en vez de considerarse parte de la torta.

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Al operar los filtros de precapa debe depositarse una capa unifórmeme y completa de ayuda filtro sobre el elemento antes de iniciar la filtración. De otra manera, la capacidad del filtro se reduce mucho o permite el paso de los sólidos a través del medio filtrante. La ayuda para filtración, aunque es económica con base en el peso, puede agregar un gasto significativo a las operaciones de clarificación. Se han desarrollado técnicas como, por ejemplo, los filtros regenerativos de Ultrakleen, fabricados por Xodar Corporation, para reutilizar la ayuda para filtración en varios ciclos por medio de un retrolavado de este y los desechos del exterior de un medio filtrante tubulares, reprecipitando los sólidos para formar una mezcla uniforme y redepositando la mezcla como una precapa, para filtraciones posteriores. Este proceso se puede repetir hasta que los sólidos filtrados, procedente de la corriente sucia del proceso, se convierte en una fracción significativa. CAPÍTULO 4 ANÁLISIS DE UN SISTEMA DE FILTRADO METODOLOGÍA DEL PROTOCOLO

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DESARROLLO.

1. Familiarizarse con el quipo. 2. Encender la bomba y recircular la solución a través del sistema aproximadamente durante 5 a 10 min. . 3. Abrir la válvula de alimentación al filtro poco a poco y se cierra la circulación de la bomba se lee la presión en el manómetro. 4. Se procede a colectarse el filtrado y a medir que tarda en ello, también se lee la presión a la salida del filtro. 5. Colectar el volumen del filtrado cada 30 seg., y suspender la operación en el momento en que el líquido de la solución ya no presente trazas del sólido. Esto quiere decir que en el filtro ya se formo la torta y por lo tanto se da por terminada la operación apagando a la bomba. 6. Se alinea el quipo para introducir agua de la línea

y

lavar

aproximadamente de 5 a 10 min. 7. Se alinea el quipo para introducir agua de la línea y secar la torta hasta que a la salida no sea notorio el líquido suspendido en el aire. 8. Se descarga la torta y se seca en la mufla a 105°C durante una hora. Ya seca la torta se pesa.

METODOLOGÍA GRUPO 3662

METODOLOGÍA

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(Arturo Méndez Gutiérrez)

(Marina Caballero Díaz)

Familiarizarse con el equipo.

Familiarizarse con el equipo.

Este paso se sigue Identificando cada una de las

Este paso se sigue Identificando cada una de las

partes de los equipos así como la información que el

partes de los equipos así como la información que el

profesor a cargo proporciona a los alumnos así como

profesor a cargo proporciona a los alumnos así como

en

en

las

investigaciones

que

los

alumnos

hacen

previamente a la práctica a realizar.

las

investigaciones

que

los

alumnos

hacen

previamente a la práctica a realizar.

Encender la bomba y recircular la solución a

Encender la bomba y recircular la solución a

través del sistema aproximadamente durante 5 a

través del sistema aproximadamente durante 5 a

10 min.

10 min.

Este paso se sigue pero el tiempo fue de 5 min. Para

Este paso se sigue pero el tiempo fue de 10 min. Para

usarse en la recirculación.

usarse en la recirculación.

Abrir la válvula de alimentación al filtro poco a poco y

Abrir la válvula de alimentación al filtro poco a poco y

se cierra la circulación de la bomba se lee la presión

se cierra la circulación de la bomba se lee la presión

en el manómetro.

en el manómetro.

Este

paso

se

sigue

ya

que

son

parámetros

Este paso se sigue ya que son parámetros importantes

importantes en la práctica, así como son parámetros

en la práctica, así como son parámetros que se

que se controlan manualmente.

controlan manualmente.

Se procede a colectarse el filtrado ( (8kg) y una solución de

H2O

CaCo3

(60 lt) y a medir

Se procede a colectarse el filtrado ( (8kg) y una solución de

H2O

CaCo3

(60 lt) y a medir

que tarda en ello, también se lee la presión a la

que tarda en ello, también se lee la presión a la

salida del filtro.

salida del filtro.

En este paso las respuestas fueron diferentes:

El procedimiento realizo fue el mismo para todo el

Se colectaba el volumen al llenarse la probeta de 2L

grupo.

en el tiempo en que tardaban, así como otros alumnos

Se colectaba el volumen al llenarse la probeta de 1L

no hicieron pausas en la recolección del volumen

aproximadamente en el tiempo en que tardaban, así

solamente dejaron que fluyera la mezcla por el

como los alumnos no hicieron pausas en la recolección

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sistema y cuando tardara en pasar el líquido y salía

del volumen solamente dejaron que fluyera la mezcla

más transparente, la práctica terminaba.

por el sistema y cuando tardara en pasar el líquido y salía más transparente, la práctica terminaba.

Se alinea el equipo para introducir agua a la línea y lavar aproximadamente de 5 a 10 min.

Se alinea el equipo para introducir agua a la línea y lavar aproximadamente de 5 a 10 min.

Este paso se sigue en el intervalo que se pide en la práctica. Para el mantenimiento en buen estado del

Este paso se sigue en el intervalo que se pide en la

equipo de proceso.

práctica. Para el mantenimiento en buen estado del

Se alinea el equipo para introducir agua de la

equipo de proceso.

línea y secar la torta hasta que a la salida no sea notorio el líquido suspendido en el aire.

Se alinea el equipo para introducir agua de la línea y secar la torta hasta que a la salida no sea

Este paso se siguió, ya que es primordial para el paso

notorio el líquido suspendido en el aire.

siguiente además que en objetivo de la práctica es recolección del material sólido en una mezcla.

Este paso se siguió, ya que es primordial para el paso siguiente además que en objetivo de la práctica es

Se descarga la torta y se seca en la mufla a

recolección del material sólido en una mezcla.

105°C durante una hora. Ya seca la torta se pesa.

Se descarga la torta y se seca en la mufla a 105°C durante una hora. Ya seca la torta se pesa.

Este paso se sigue a la temperatura indicada en el tiempo indicado, ya que es importante que este se

En este caso por cuestiones externas la práctica no

seque para obtener el peso de la cantidad de sólido.

se llevó de acuerdo a lo estipulado por lo que la

Algunos de los encuestados mencionaron que este

recirculación no llevó a punto esperado y recolección

paso no lo realizaron, dejaron que la torta se secara en condiciones ambientales. Puede que haya sido para comparar los resultados obtenidos con la torta secada en la mufla. Todo el equipo que se indica en la práctica se utilizaron, solo el caso de mufla que no todos la usaron para secarla torta. Mencionaron que los factores que influyen en esta práctica son la presión, concentración, así como el

fue una sola parte de

CaCo3 ,

, y observamos que

se desperdició una variable cantidad de

CaCo3

por

lo qué eso afectaría en gran parte al resultado espero del reactivo.

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tiempo. En caso de la disponibilidad de materiales, mencionan que no hay disponibilidad de disoluciones. Así como falta

del

reactivo

(Carbonato

de

Calcio),

se

complementaron con lo que les sobraba al otro equipo. Todo el grupo realizó la práctica

CONCLUSIONES

PRÁCTICA DE FILTRACIÓN

ANALISIS Y OPERACIÓN DE UN SISTEMA DE FILTRADO.  PROPÓSITO.    

Introducir al alumno en la operación unitaria de filtración. Explicar los factores que intervienen en la operación del filtro prensa. Explicar las ecuaciones básicas de filtración. Determinar la constante de filtración.

RESUMEN Se determinó la cantidad obtenida de una solución de H2O

CaCo3

(8kg) y una

(60 lt) a partir del proceso del filtro prensa dando como resultado

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OBJETIVOS Determinar la cantidad obtenida de

CaCo3

a partir del proceso de filtro

prensa.

INTRODUCCIÓN Filtración Se define como la separación de sólido de una suspensión en un líquido mediante un medio poroso que retiene los sólidos, permitiendo el paso del líquido, es una de las aplicaciones más conocidas de flujo de fluidos a través de lechos empacados. En la industria química con frecuencia, le que importa son los sólidos, siendo sus propiedades físicas y tamaño de gran importancia, es análoga a las filtraciones realizadas en el laboratorio químico con embudo y papel filtro. La filtración industrial difiere de la filtración de laboratorio, solamente en las cantidades del material manejadas y las necesidades de que éstas sean manejadas a un bajo costo. La mayor parte del equipo industrial disminuye la resistencia al flujo, permitiendo que el área de filtración sea lo más grande posible, sin aumentar el tamaño total del aparato de filtración. Los principales factores a considerar al seleccionar el equipo y las condiciones de operación son: a) Las propiedades del fluido, especialmente su viscosidad, densidad y sus propiedades corrosivas. b) La naturaleza del sólido; tamaño y forma de la partícula, distribución de tamaños, y características de relleno. c) La concentración de sólidos en suspensión. d) La cantidad de material a tratar y su valor. e) Establecer si el producto valioso es el sólido, el fluido ó ambos.

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f) Si es necesario lavar los sólidos filtrados. g) Si es una contaminación muy ligera provocada por el contacto de la suspensión o el filtrado con los diversos componentes del equipo es perjudicial para el producto. h) Si la suspensión de alimentación puede calentarse. i) Si puede ser interesante ó necesario efectuar algún tratamiento previo. La filtración es en esencia una operación mecánica, es una operación típica, se establece una torta sobre el medio filtrante, incrementándose progresivamente la resistencia al flujo. Los factores más importantes de que depende la velocidad de filtración serán entonces:

a) La caída de presión desde la alimentación hasta el lado más lejano del medio filtrante. b) El área de la superficie filtrante. c) La viscosidad de! filtrado. d) La resistencia de la torta filtrante. e) La resistencia del medio filtrante y de las capas iníciales de la torta.

DEFINICIONES En un equipo de filtraciones importante calcular su capacidad, ello resulta al analizarla caída de presión a través del filtro y la forma cornos se opera el equipo. La ecuación general de filtración es la evaluación del gasto que puede manejar en función de la caída de presión del filtro. El modelo sobre el cual se han desarrollado las ecuaciones teóricas y de diseño es: Q-ΔP / R

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El flujo obtenido Q, es el resultado de la fuerza impulsora ΔP que necesita vencer la resistencia R. El flujo volumétrico de filtrado se define como Q = dV /dθ Donde: dV: incremento de volumen dθ: incremento de tiempo. La resistencia al flujo R está dada por tres resistencias y se manifiestan como caídas de presión y son: 1. La resistencia de conductos y conectes. En un filtro estas resistencias pueden despreciarse al compararlas con las de la torta y del medio filtrante. 2. Resistencia de la torta. Tiene un valor de cero al inicio de la filtración y se incrementa a medida que pasa el tiempo. Resistencia del medio filtrante. Esta resistencia asociada con la de la torta es la resistencia total de! lecho. Ya que el flujo es en serie, la caída de presión total en el filtro es igual a las caídas de presión individuales. Durante el lavado de la torta todas las resistencias, incluyendo la de la torta son constantes. La permeabilidad se define como la propiedad de los cuerpos de dejarse atravesar por líquidos ó gases y se expresa como: K= A L/ α W Donde: K: Permeabilidad A: Área del medio filtrante L: Espesor del medio filtrante α: Resistencia especifica de la torta

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R: Resistencia del medio filtrante La filtración produce sobre la superficie del medio filtrante una capa de partículas sólidas. Una vez que-se forma esta capa su superficie actúa como medio filtrante. La torta está formada por una base uniforme de partículas de forma irregular a través de la cual existen pequeños conductos capilares. El flujo siempre es laminar por lo que puede representarse por la ecuación de Poiseuille adaptada a la siguiente forma: dV (−∆ P ) (gc ) = Adθ αWV ⌈ ⌉ A+ R

La velocidad de filtrado es función del volumen recogido, de la superficie a y del tiempo. P: Caída de presión a través del filtro μ: viscosidad del filtrado. W: peso de los sólidos secos contenidos en la torta.

FILTRACIÓN CONTINUA En este tipo de operación se puede considerar que la resistencia del medio filtrante (RM) es despreciable en comparación con la resistencia de la torta. Donde se puede llevar a cabo para tortas compresibles e incompresibles. FILTRACIÓN INTERMITENTE En este tipo de operación si la presión es constante, la velocidad de flujo disminuirá progresivamente, mientras que si dicha velocidad de flujo ha de mantenerse constante, deberá aumentarse gradualmente la presión. Como las partículas que forman la torta son pequeñas y el flujo a través del lecho es lento por lo regular se obtienen condiciones laminares. Las etapas iníciales de

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la formación de la torta son por lo tanto de gran importancia por las siguientes razones: a) para la presión de filtración cualquiera, la velocidad de flujo es mayor al comienzo del proceso ya que la resistencia entonces es mínima. b) Las velocidades de filtración iníciales elevadas pueden provocar la obturación de los poros de la tela filtrante, causando una resistencia al flujo muy alta. c) La orientación de las partículas en las capas iníciales pueden influenciar de forma apreciable la estructura de toda la torta filtrante. Las tortas filtrantes pueden dividirse en dos clases, tortas incomprensibles y tortas compresibles. En el primer caso, la resistencia al flujo de un volumen dado de torta no es afectada de forma apreciable por la diferencia de presión a través de la torta o por la velocidad de deposición del material. Con una torta compresible, un aumento de la diferencia de presión ó de la velocidad de flujo provoca la formación de una torta más densa con una resistencia más elevada.

MEDIO FILTRANTE La elección del medio filtrante es una de las consideraciones más importantes para asegurar el buen funcionamiento de un filtro, los medios filtrantes se fabrican de materiales tales como vidrio, celulosa, lona, metales y otros materiales que forman fibras ó conglomerados de partículas que actúan como lecho permeable.

REQUERIMIENTOS IMPORTANTES DEL MEDIO FILTRANTE 1. 2. 3. 4. 5.

Capacidad de retener los sólidos Mínimo atascamiento Resistencia mínima al paso del fluido. Resistencia a los ataques químicos. Resistencia al desgaste mecánico.

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6. 7.

Resistencia para sostener la presión de filtración. Capacidad de descargar la torta con facilidad y limpieza. 8. Bajo costo.

CONSTANTES DE FILTRACIÓN La filtración puede realizarse controlando la diferencia de presiones de manera que esta permanezca constante durante todo el proceso; esto puede realizarse si la suspensión a filtrar proviene de un deposito que se mantiene a presión constante. La presión constante irá disminuyendo y la velocidad de filtración a medida que esta vaya transcurriendo por ir aumentando el espesor de la torta. Para el estudio de la filtración en estas condiciones, se puede partir de la ecuación de Poiseuille escrita de la siguiente forma:

dθ αμw R = + 2 dV Pgc A ∆ PgcA Para las tortas incompresibles y a presión constante resulta: dθ =K 1+ K 2 dV

ALCANCE Esta práctica es aplicable en la plata piloto, para los alumnos de sexto semestre de la carrera de Ingeniería Química.

MATERIALES Y EQUIPO MATERIALES

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2 probetas graduadas de 2 lt. 1 cubeta de plástico de 20 lt.

REACTIVOS Solución de carbonato de calcio (8kg). Agua (60lt) EQUIPO Filtro prensa. Cronometro. Mufla Báscula Viscosímetro Bookfield

SERVICIOS Agua de línea. Aire de línea. Electricidad.

PROCEDIMIENTO Familiarizarse con el equipo

Encender la bomba y recircular la solución a través del sistema aproximadamente durante 5 a 10 min

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Abrir la válvula de alimentación al filtro poco a poco y se cierra la circulación de la bomba se lee la presión en el manómetro.

Se procede a colectarse el filtrado (

CaCo3

) y una solución de

H2O

medir que tarda en ello, también se lee la presión a la salida del filtro.

Colectar el volumen del filtrado cada 30 seg., y suspender la operación en el momento en que el líquido de la solución ya no presente trazas del sólido. Esto quiere decir que en el filtro ya se formo la torta y por lo tanto se da por terminada la operación apagando a la bomba.

Se alinea el equipo para introducir agua de la línea y lavar aproximadamente de 5 a 10 min.

Se alinea el equipo para introducir agua de la línea y secar la torta hasta que a la salida no sea notorio el líquido suspendido en el aire.

Se descarga la torta y se seca en la mufla a 105°C durante una hora. Ya seca la torta se pesa.

ya

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PRECAUCIONES a) No cerrar la válvula de suministro de aire mientras se tenga solución en el tanque. b) No cerrar la válvula de alimentación a la bomba. c) Checar posiciones de recirculación y alimentación al filtro. d) Checar posición de los marcos y las placas.

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MEMORIA DE CÁLCULO

Equipo

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103 lt volumen del tanque Total 120 tomando en cuenta el cono Aproximadamente 1 L por cada rejilla

[

V = 10.82cuadrado + [ 4 ( 2.35rectangulo∗10.8 ) ]∗25

]

V =54.54 c m3 ¿ ( 54.54 c m3∗7 ) V ∗placlas ¿ 3817.8 c m3∗φ φ=2.2

g c m3

Cantidad de cal que se va obtener=8399 g

ANALISIS DE RESULTADOS REFERENCIA *

Colaboración de los alumnos del sexto semestre de la Profesora: Marina

*

Caballero. Colaboración de los alumnos del sexto semestre del Profesor: Arturo

*

Méndez Gutiérrez. Protocolo Autorizado por Jefatura de Ingeniería Química

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BIBLIOGRAFÍA *

“MANUAL DEL INGENIERO QUÍMICO”

Sexta Edición Tomo V

Autor: Robert H. Perry, Don W Green. * “TESIS” Descripción Hidráulica de la Batería de Filtros de Planta No.1 de la Atarjea. Félix Willy, Cristóbal Escobar. ¿ * “MANUAL DE OPERACIONES UNITARIAS” 5 Profesor: José Mariano Ramos Olmos

semestre 2012