Unidad 3 Separacion de Solidos

PROCESOS DE SEPARACIÓN I

INSTITUTO TECNOLOGICO DE ORIZABA

PROCESOS DE SEPARACIÓN Unidad I

III

SEPARACIÓN DE SÓLIDOS PRESENTA

ADRIANA SARAY VAZQUEZ ACOSTA ANGELICA MEDEL TEPALE MARTHA ELOISA FONSECA HERNANDEZ LUIS ALBERTO OLIVERA ZEPEDA

INGENIERÍA QUIMICA M.C. ALFONSO MAÑON ALARCÓN PROFESOR AGOSTO - DICCIEMBRE 2012 PERIODO

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PROCESOS DE SEPARACIÓN I UNIDAD III SEPARACIÓN DE SÓLIDOS La separación sólido-líquido por métodos mecánicos forma parte de una gran área de técnicas de separación de fases sólidas, líquidas y gaseosas. Este tipo de separación aparece en un extenso número de procesos industriales en los diversos campos de la economía. A ella pertenece la eliminación de agua desde suspensiones en la industria, la recuperación de agua en procesos de la minería, la purificación de aguas domiciliarias, la eliminación de polvo, la desgasificación de líquidos y la eliminación de espumas, entre muchos otros procesos. Es, entonces, pertinente poner los procesos de separación sólido-líquido dentro del contexto de las operaciones de separación de fases En esta unidad se engloba un grupo de procesos de separación que no se lleva a cabo a escala molecular ni se debe a diferencias entre las diversas moléculas presentes, esto es debido a que la separación se logra usando fuerzas físico-mecánicas y no fuerzas moleculares o químicas ni difusión, Estas fuerzas físico-mecánicas actúan sobre partículas, líquidos o mezclas de partículas y líquidos, y no necesariamente sobre moléculas individuales. Las fuerzas físico-mecánicas incluyen la gravitación y la centrifugación, las fuerzas mecánicas propiamente dichas 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 DE SÓLIDOS Los procesos de separación de sólidos debido a sus características también son denominados como procesos de separación físico-mecánicos, en base a dichas características pueden ser clasificados de la siguiente forma: 1. FILTRACIÓN: El problema general de la separación de partículas sólidas de líquidos se puede resolver usando gran diversidad de métodos, dependientes del tipo de sólido, de la proporción de sólido a líquido 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 centrífugas que actúan sobre las partículas de tamaños y densidades diferentes. Se usan dos tipos generales de procesos de separación. En el primer tipo de proceso se lleva a cabo una precipitación o sedimentación por centrifugación. 4. FILTRACIÓN CENTRÍFUGA: El segundo tipo de proceso de separación por centrifugación es la filtración centrífuga que se asemeja a la filtración ordinaria en la que un lecho o torta de sólidos se acumula en una pantalla, pero se utiliza la fuerza centrífuga para provocar el flujo en lugar de una diferencia de presión. UNIDAD IV SEPARACIÓN DE SOLIDOS

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PROCESOS DE SEPARACIÓN I 5. REDUCCIÓN MECÁNICA DE TAMAÑO Y SEPARACIÓN. En la reducción mecánica de tamaño, las partículas sólidas se fragmentan por medios mecánicos en tamaños más pequeños y se separan de acuerdo con sus dimensiones. De este tipo de separación se hablara hasta la unidad IV Manejo de Sólidos. 3.1 FILTRACIÓN La filtración es la separación de partículas sólidas a partir de un fluido mediante el paso del fluido a través de un medio filtrante o pared separadora sobre el que se depositan los sólidos. El fluido puede ser un líquido o un gas, y la corriente valiosa procedente de un filtro puede ser el fluido, los sólidos o ambos productos. En la filtración industrial, el contenido de sólidos de la alimentación puede oscilar desde trazas hasta un porcentaje muy elevado. Con frecuencia la alimentación se modifica de alguna forma mediante un pretratamiento, a fin de aumentar la velocidad de filtración por medio de calentamiento, recristalización o adición de un "coadyuvante de filtración", tal como celulosa o tierra de diatomeas. Un filtro es un equipo de las operaciones unitarias por medio del cual se realiza la filtración. EI medio filtrante es la barrera que permite que pase el líquido mientras retiene la mayor parte de los sólidos. Dicho medio puede ser una pantalla, tela, papel un lecho de sólidos. Debido a la enorme variedad de materiales que se han de filtrar y las diferentes condiciones de operación de los procesos, se han desarrollado numerosos tipos de filtros. MEDIOS FILTRANTES Todos los filtros requieren un medio filtrante para la retención de sólidos, ya sea que el filtro este adaptado para la filtración de torta, como medio de filtración o filtración en profundidad. La especificación del medio de filtración esta basada en la retención de un tamaño mínimo de partícula y una buena eficiencia en la eliminación por separación, así como también una aceptable duración. La elección del medio de filtración es con frecuencia, la consideración más importante para asegurar el funcionamiento satisfactorio de un filtro. Para la filtración de la torta, la selección del medio filtrante incluye la optimización de los siguientes factores: 1. Capacidad de detener los solidos sobre sus poros con cierta rapidez, después de que se inicie la alimentación. 2. Baja velocidad de arrastre de solidos hacia el interior se sus intersticios (esto es, propensión mínima a los atascamiento). 3. Resistencia mínima a la corriente de filtrado, es decir elevada velocidad de producción. 4. Resistencia a los ataques químicos. 5. Suficiente resistencia para soportar la presión de filtración. 6. Capacidad de descarga de la torta con facilidad y limpieza. 7. Capacidad de adaptación mecánica al tipo de filtro en el que se utilizará. 8. Costo mínimo. Para la filtración con medios filtrantes se aplican las consideraciones 3. 4. 5, 8 y 9 de la lista anterior y es preciso agregar: a) Capacidad para retener los sólidos que se requieren UNIDAD IV SEPARACIÓN DE SOLIDOS

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PROCESOS DE SEPARACIÓN I b) Posibilidad de descarga de algunas hebras, pelusas o algún otro tipo de material en el filtrado. c) Capacidad para no colmatarse con rapidez (es decir. larga duración). Algunos tipos de medios filtrantes son:  Telas de fibras tejidas: Existen infinidad de telas la cuales dependen del estilo, tejido, peso, cuenda, pliegues y del numero de hilos. Los tejidos más utilizados son los lisos (cuadrados), tejido, sarga, tejido de cadena y satén.  Telas metálicas o tamices: Existen diversos tipos de tejido metálicos a base de níquel, cobre, latón, bronce, aluminio, acero, acero inoxidable, monel y otras aleaciones. La buena resistencia a la corrosión y alas altas temperaturas hace que las filtraciones realizadas con medios filtrantes metálicos sean recomendables para aplicaciones de larga vida.  Filtros prensados y borras de algodón: Son utilizados para filtración de partículas de carácter gelatinoso. Debido a su buena capacidad de retención, alta resistencia, costo moderado y resistencia al atasco, estos sistemas tienen gran aceptación para uso en los filtros a presión.  Papel filtro: Presentan una gran gama de permeabilidad, espesores y resistencia. Como estos materiales poseen baja resistencia, requieren la colocación de una placa como soporte.  Medios porosos rígidos: Se encuentran disponibles como hojas, placas o tubos. Son resistentes a altos intervalos de temperatura y a ciertos productos químicos.  Membranas poliméricas: Son utilizadas para la separación de partículas finas en procesos de microfiltración y ultrafiltración. Las membranas son fábricas con materiales como acetatos de celulosa y poliamidas.  Lechos granulares de partículas sólidas: Ejemplo de ellos son arena o carbón; son utilizados en procesos de clarificación de agua o soluciones químicas que contienen pequeñas cantidades de partículas de suspensión. Ayudas en la filtración (coadyuvantes) EI uso de ayudas en los filtros es una tecnica que se aplica con frecuencia para las filtraciones en las que surgen problemas de baja velocidad de filtración, taponamiento rápido o de un filtrado de baja calidad. Los asistentes de filtro son sólidos granulares o fibrosos capaces de formar una torta de aIta permeabilidad en la que se pueden retener sólidos deformables y sólidos muy finos o pastosos. El empleo de estos materiales permite obtener un medio filtrante mas permeable que el necesario para una clarificación, con el objetivo de producir un filtrado de la misma calidad que el que se obtiene por filtración profunda. Deben ser porosos y capaces de formar una torta porosa para minimizar la resistencia al flujo y quimicamente intertes con el filtrado. Estas caracteristicas se encuentran en materiales como: Silice de diatomeas: Contiene particulas que la mayor parte tiene un diametro inferior a 50m y producen una torta con una porosidad de un valor aproximado a 0.9(volumen de huecos/volumen total de la torta), esta elevada porosida lo hace ideal como ayudante de filtración. Perlita. Contiene una mayor fraccion de particulas en el intervalo de 50 a 150 m. se encuentra disponible en varios grados que difieren en la permeabilidad y el coste, siendo estos semejantes los de la tierra de diatomeas. Sin embargo la tierra UNIDAD IV SEPARACIÓN DE SOLIDOS

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PROCESOS DE SEPARACIÓN I de diatomeas soporta pH más extremos que la perlita y hasta cierto modo es menos compresible. El coadyuvante de filtración se separa después de la torta de filtración disolviendo los sólidos o quemando el coadyuvante. Si los sólidos no tienen valor, se desechan junto con el coadyuvante. 3.2 CLASIFICACIÓN DE FILTROS La filtración y los filtros se pueden clasificar de varias formas: 1. Por la fuerza impulsora. EI flujo de filtrado es inducido por el medio filtrante mediante la carga hidrostática (gravedad), presión aplicada corriente arriba del medio filtrante, vacío o presión reducida aplicada corriente abajo del citado medio o fuerza centrífuga aplicada al medio. La filtración centrifuga se asocia a la sedimentación centrifuga, y ambas son objeto de estudio de «Centrifugas» 2. Por el mecanismo de filtración. Se considerar dos modelos y constituyen la base para la aplicación de la teoría al proceso de filtración. Cuando los sólidos quedan retenidos en la superficie de un medio de filtración y se amontonan unos sobre otros para formar una torta de espesor creciente, la separación es conocida como filtración de torta. Cuando los sólidos quedan atrapados dentro de los poros o cuerpo del medio de filtración, se le denomina medio filtrante de profundidad o filtración con clarificación.

Figura 3.1 (a) Filtro de torta

(b) Filtro clarificador

Los filtros de torta separan grandes cantidades de sólidos en forma de una torta de cristales o un lodo, con frecuencia incluyen dispositivos para el lavado de la torta y para eliminar la mayor parte posible del líquido en los sólidos antes de su descarga. Los filtros clarificadores retiran pequeñas cantidades de sólidos para producir un gas limpio o líquidos transparentes, tales como bebidas. 3. Por el objetivo. La meta del proceso de filtración puede ser la obtención de sólidos secos (la torta es el producto de valor), Iíquido clarificado (el filtrado es el producto valioso) o ambas cosas. La recuperación de sólidos se obtiene mejor mediante la filtración de la torta, mientras que la clarificación del Iíquido se logra ya sea por la filtración en profundidad o de torta. . 4. Por el ciclo operacional. La filtración puede ser intermitente (por cargas) o continua. Los filtros del modo intermitente pueden funcionar con una fuerza impulsora a presión constante, a velocidad constante o en ciclos variables con respecto a ambas magnitudes. Los ciclos en la filtración intermitente pueden variar de manera considerable dependiendo del área de filtro y de la carga de sólidos. UNIDAD IV SEPARACIÓN DE SOLIDOS

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PROCESOS DE SEPARACIÓN I Los filtros se dividen normalmente primero en los dos grupos de equipos, de torta y clarificación, después en grupos de equipos que se usan el mismo tipo de fuerza impulsora y posteriormente por cargas y continúas. 3.3 TIPOS DE FILTROS FILTROS TORTA Los filtros torta son aquellos en lo cuales se acumulan cantidades apreciables y visibles de sólidos sobre la superficie del medio filtrante La suspensión de alimentación puede contener una concentración de sólidos que varia desde el 1 por 100 hasta mas del 40 por 100. EI medio filtrante sobre el que se forma la torta es relativamente abierto para minimizar la resistencia al flujo ya que, una vez se consigue la torta, esta se vuelve el medio filtrante efectivo. Por consiguiente, el filtrado inicial puede contener una cantidad de sólidos inaceptable hasta que se logra la formación de la torta. Esta situación se puede tolerar si se realiza una recirculación del filtrado hasta conseguir una calidad suficiente, o bien la instalación de un segundo filtro de afino, aguas abajo (tipo de clarificación). Estos filtros son utilizados cuando el producto deseado de la filtración son los solidos, el filtrado o ambos. Cuando el filtrado es el producto deseado, el grado de eliminación del liquido en la torta por lavado o soplado con aire o gas comprimido se convierte en una optimización económica. Cuando la torta es lo deseado, el incentivo es la obtención del deseado grado de pureza de la torta por lavado o soplado y, en ocasiones, el prensado mecánico es útil para la extracción del líquido residual. Las tortas pueden ser pegajosas y presentar cierta dificultad su manejo, por dicha razón la capacidad del filtro para descargar limpiamente es un criterio importante en la selección del equipo. En base al sentido de operación, algunos equipos de filtración son dispositivos que operan en régimen intermitente: mientras que otros son continuos. Esta diferencia proporciónala base principal para una cIasificaci6n de los filtros de torta en el análisis que se presenta a continuación. La fuerza impulsora mediante la cual funciona el filtro- carga hidrostática (gravedad), presión proporcionada por una bomba o la carga de un gas o la presión atmosférica (vacío) se utiliza como segundo criterio. FILTROS INTERMITENTES DE TORTA Filtros Nutsche (succión) Es uno de los filtros discontinuos más simple, consiste en un tanque con un fondo falso, perforado o poroso, sobre el que se apoya el medio filtrante, o bien actúa al mismo fondo como medio filtrante. La suspensión a filtrar se alimenta al recipiente del filtro y la separación se produce por un flujo pro gravedad, presión, vacío o una combinación de estas fuerzas, aunque su forma habitual de operación es a vacío. El diseño es simple y a bajo a costo, principalmente es utilizado a nivel laboratorio, debido a que a gran escala el área superficial ocupada que necesita este tipo de unidad UNIDAD IV SEPARACIÓN DE SOLIDOS

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PROCESOS DE SEPARACIÓN I por unidad de área de filtración es excesiva y la dificultada para eliminar la torta son factores que descartan su uso. En operaciones a pequeiia escala, la torta se puede eliminar manualmente; Para aplicaciones a gran escala, la torta puede someterse a un procesado posterior para su reprecipitación o redisolución, o bien eliminarse manualmente (mediante una pala) o a través de dispositivos para su descarga mecanica, tales como un medio filtrante removible tipo cinta. En este tipo de filtro es posible el desplazamiento total por lavado si el disolvente de lavado se agrega antes de que la torta se exponga al soplado con aire para retirar el filtrado. Si es necesario que el lavado sea mas eficaz, se puede colocar un agitador dentro del recipiente del nutsche para reprecipitar la torta y permitir una difusión adecuada del soluto contenido en los sólidos. Figura 3.2 Filtro Nutsche Filtro de placas horizontales EI filtro horizontal a presión de placas múltiples consta de un conjunto de placas horizontales, de forma circular montadas dentro de un deposito horizontal conectadas a un único colector de salida de liquido filtrado. Esta configuración permite construir filtros de gran capacidad. Posee unas guías que son utilizadas para el drenado alojado dentro de una carcasa cilíndrica. Habitualmente, la presión para filtración esta limitada a 345 kPa; sin embargo existen filtros especiales diseñados para operar a presiones de 2.1 MPa o mayores. Figura 3.3 Filtro de placas horizontales

Filtro Prensa EI filtro prensa es uno de los tipos de filtro que con mas frecuencia se utilizaba en los primeros anos de la industria química y actual mente aún se emplea. Es conocido de manera errónea como filtro de placas y bastidor pero de este probablemente existen más de 100 variaciones. Los dos tipos de filtro prensa mas populares son el de placa de lavado o de placas y bastidor, y el filtro prensa de placas huecas. Ambos pueden se construidos de una gran variedad de materiales como: metales con o sin recubrimiento, platicos, e incluso de madera. Filtro prensa de Placas y bastidor Este tipo de filtros presentan un montaje alternando placas cubiertas en ambos lados con un medio filtrante, que por lo general es tela, y unos bastidores que proporcionan el espacio necesario para la acumulación de la torta durante la operación de filtración. En los bastidores existen unas aberturas (bocas) para la alimentación de la corriente a filtrar y el lavado, en tanto que las placas tienen aberturas para el drenaje del filtrado. Por lo general, los bastidores y placas son rectangulares; sin embargo, también se utilizan los circulares o de otra geometría como se observa en la figura 3.4. Los bastidores y las placas, que están colgados de un par de UNIDAD IV SEPARACIÓN DE SOLIDOS

Figura 3.4 Filtro prensa de placas y bastidores

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PROCESOS DE SEPARACIÓN I barras de apoyo horizontales y perpendiculares, se comprimen durante la filtración formándose un cierre estanco, a prueba de agua, entre las placas terminales, siendo una de ellas fija. La forma de cerrar la prensa puede ser manual, hidráulica o mediante un motor. Existen varias disposiciones para la alimentación y la descarga del filtrado. La forma habitual para la alimentación y la descarga de los diferentes elementos de la prensa es por una interconexión con unos pasantes (aberturas) localizados en las cuatro esquinas de cada uno de los bastidores y placas (y de la tela filtrante), para formar canales longitudinales continuos desde la placa terminal que es fija hasta el otro extrema del filtro prensa. De forma opcional, el filtrado se puede drenar de cada placa por medio de una válvula y un grifo individual (para descarga abierta) o un tubo (para descarga cerrada). La alimentación por la parte superior y la descarga por el fondo de las cámaras proporcionan la recuperación máxima del filtrado y el secado máximo de la torta. Esta disposición es adecuada, sobre todo, para los sólidos más pesados que se sedimentan con rapidez. Para la mayor parte de las suspensiones, la alimentación se efectúa por la parte inferior y la descarga de filtrado por la superior, permitiendo un rápido desplazamiento del aire y una torta mas uniforme. En los filtros prensa de placas y bastidores se utilizan dos técnicas de lavado, que aparecen en la figura 3.5. En el lavado simple, el licor de lavado sigue la misma trayectoria que la corriente filtrada. Si la torta no es muy uniforme y altamente permeable, esta forma de lavado no es eficaz en un filtro prensa lleno. Otra técnica mejor consiste en un lavado completo, en el que la corriente de lavado se introduce por las caras de las placas en una forma alternada (con las válvulas de los canales de descarga cerrados). EI lavado a filtrar cruza toda la torta y sale a través de las otras caras. Esta técnica requiere un diseño especial y el montaje de las placas según un determinado orden. El lavado completo sólo debe utilizarse cuando se usan todos los bastidores bien llenos, ya que un llenado incompleto de la torta permitirá que esta colapse durante la entrada del líquido de lavado y el resto de la corriente se desviara por las grietas ó canales abiertos en la torta.

Figura 3.5 Patrones de llenado y flujo de lavado en un filtro prensa

Los filtros prensa se fabrican con tamaños de placas que varían desde 10 por 10 cm (4 por 4 in) hasta 1,5 por 1,8 m (61 por 71 in). EI espesor de los bastidores varia desde 0,3 hasta 20 cm (0,125 a 8 in). Son habituales presiones de operación hasta de 689 kPa (100 psig), pero existen algunos filtros prensa diseñados para trabajar a 6,9 MPa (1.000 psi g). UNIDAD IV SEPARACIÓN DE SOLIDOS

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PROCESOS DE SEPARACIÓN I Algunas unidades metálicas tienen unas placas centrales que permiten la entrada de vapor ó de un refrigerante. La presión máxima de operación para los bastidores en el caso de plástico o de madera es de 410 a 480 kPa (60 a 70 psig). Las ventajas del filtro prensa son su sencillez, el bajo costo, la flexibilidad y la capacidad para operar a alta presión en las aplicaciones como equipo de filtración tipo torta filtrante o como filtro para clarificación. Trabajando de forma adecuada se obtiene una torta mas seca y densa, en comparación con la que se obtiene con la mayor parte de los otros filtros. Existen una serie de desventajas importantes que incluyen un lavado irregular, debido a la densidad variable de la torta, y la duración relativamente corta de la tela filtrante, debida al desgaste mecánico por vaciado y limpiado del filtro (que a menudo incluye el raspado de la tela), además de las necesidades en mano de obra, que son elevadas. Con frecuencia, estos filtros pueden gotear o tener fugas y, en consecuencia, crean problemas de limpieza, pero el mayor problema es la necesidad de abrir el filtro para descargar la torta, por lo que el operario esta expuesto, de forma rutinaria, al contenido del filtro; y esto es una gran desventaja, ya que cada vez son mas los materiales que antes se creían seguros y que actualmente están sujetos a unos limites restringidos de exposición. Filtro prensa de placas huecas Estos filtros son similares en apariencia a los de placas y bastidor, pero solo constan de placas como se muestra en la figura 3.6. Ambas caras de cada placa son huecas, lo que forma una cámara en la que se acumula la torta entre las placas adyacentes. Este diseño tiene la ventaja de utilizar aproximadamente la mitad de las uniones que las que usa un filtro de placas y bastidores, lo que hace que el cierre a presión sea mas seguro.

Figura 3.6 Filtro prensa de placas huecas automatizado

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PROCESOS DE SEPARACIÓN I En la Figura 3.7 aparecen algunos detalles de las características de un tipo de filtro con placas huecas que tiene una junta para minimizar las fugas. Se puede introducir aire a presión detrás de la tela, en ambos lados de cada placa, para ayudar a la retirada y eliminación de la torta. Entre algunas de las variaciones más interesantes de los diseños normalizados se incluyen la posibilidad de hacer girar o bascular el filtro para cambiar la entrada o la salida de la parte inferior a la superior, así como la capacidad de intercaIar divisores o espaciadores vacíos para convertir el filtro en una prensa multietapa, con el objetivo de conseguir una mejor clarificación de la corriente a filtrar o realizar dos filtraciones simultaneas y separadas en el mismo equipo. Algunos de los diseños tienen unas membranas o diafragmas entre las placas, que se pueden expandir cuando termina la

Figura 3.7 Detalle de la sección de una placa filtrante con junta y cierre. (A) Espacio para el alojamiento de la torta; (B)

filtración, permitiendo exprimir y eliminar la humedad adicional. Otros se caracterizan por la inclusión de un sistema automático para realizar la apertura y descarga de la torta para reducir las necesidades de mano de obra. Entre los ejemplos de este tipo de filtro prensa se incluyen Larox, Vertipress y Oberlin. Filtros tubulares con formación interna de la torta También son conocidos como filtros de liquido tipo bolsa, utiliza uno ó mas tubos perforados soportados horizontal o verticalmente sobre una chapa transversal o ajustadas a la cubierta y a la brida de cierre del recipiente sometido a presión. Una bolsa filtrante, cerrada por un extremo, se inserta a modo de forro, en cada tubo perforado, y el extremo abierto presenta un reborde o un anillo de cierre para prevenir perdidas o derrames. Se introduce la suspensión a presión a la cámara entre el cabezal de la carcasa y la lámina tubular o bolsa que cierra los tubos, de modo que entre y llene los tubos. La filtración se produce conforme la solución pasa en sentido radial y hacia el filtro exterior y la pared de cada tubo y sale por la línea de descarga, depositando tartas en el interior. EI ciclo de filtración concluye cuando los tubos se llenan de torta o cuando los medios filtrantes (filtros) se atascan o colmatan. La Figura 3.8 Sección esquemática de un filtro horizontal industrial torta se puede lavar (si no se permite que llene los tubos por completo) y retirar mediante chorros de aire. Las ventajas del filtro tubular son las de que utiliza un medio de filtración desechable, poco costoso y que se remplaza con facilidad; su ciclo de filtración se puede interrumpir y la carcasa se puede vaciar de material para filtrar en cualquier momento sin perdida de la torta. Las desventajas son la necesidad de vaciar y remplazar a mano los medios de filtración, con los requisitos correspondientes de mano de obra y la tendencia a que los sólidos se asienten en la cámara del cabezal. Filtros tubulares con formación externa de la torta Se dispone de diferentes diseños de filtros con los tubos verticales apoyados en una placa en la cámara de filtración, dentro de un recipiente cilíndrico vertical Los tubos pueden ser de tela de alambre, cerámica porosa, carbón, plástico, metal o alambre trenzado y pueden tener una tela filtrante en la parte exterior. Con frecuencia se UNIDAD IV SEPARACIÓN DE SOLIDOS

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Figura 3.9 Filtro tubular con salida en la parte superior

PROCESOS DE SEPARACIÓN I aplica una precapa de ayuda para filtrado a los tubos. La suspensión a filtrar se alimenta por la parte inferior del recipiente vertical. EI 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, compensando en parte la resistencia incrementada de flujo en la torta más gruesa. El ciclo de filtración continua hasta que la presión diferencial alcanza un nivel específico o hasta que se obtiene una torta con un espesor de aproximadamente 25 mm (1 in). Utiliza un método de descarga de la torta por un retrolavado con el filtrado, ayudado por la acción de «choque» producida por una carga de gas comprimido formado en la cámara del filtrado en la parte superior del recipiente vertical. AI cerrar la salida del filtrado, mientras se continua alimentando el filtro, se origina la compresión del volumen de gas, atrapado en la cubierta del recipiente, hasta que con una presión deseada del gas, las válvulas de acción rápida cierran la alimentación y abren el drenaje del fondo. El gas comprimido se expande rápidamente y hace que el filtrado regrese a través del medio filtrante y desprenda la torta, que se retira por la parte inferior junto con el líquido. Obviamente, esta técnica sólo se puede utilizar cuando se permite una descarga de la torta en húmedo. La descarga de la torta seca puede realizarse con un filtro en forma tubular para un sistema de tubos compuesto por seis tubos de pequeño diámetro alrededor de otro tubo filtrante. Este diseño permite que el medio filtrante se separe hacia el exterior por la carcasa tubular por presión, permitiendo una descarga fácil y efectiva de la torta seca. Filtros de láminas (hojas) a presión. A veces se les denomina filtros tanque y consisten en elementos pianos (hojas) sostenidas dentro de una carcasa sometida a presión. Las hojas son circulares, con lados en forma de arco o rectangulares, y tienen superficies de filtración en ambas caras. La carcasa es un tanque cilíndrico o cónico y su eje transversal puede ser horizontal o vertical, y el tipo de filtro se describe con base en la orientación del eje de la carcasa. Una lamina u hoja del filtro consiste en una malla pesada o una placa ranurada, donde se ajusta un medio filtrante de tela tejida o tela fina de alambre. Se emplean con mayor frecuencia las telas de textiles para servicios químicos y se aplican casi siempre como bolsas que se pueden coser, cerrar con cremallera, grapar o empotrar. Habitualmente, se utilizan telas de malla de alambre como asistentes de filtración, sobre todo cuando se aplica un prerrecubrimiento. Las laminas (hojas) también pueden ser de plástico. El medio filtrante, sea cual sea el material, debe estar tan tenso como sea posible para minimizar el pandeo cuando se carga con una torta; el pandeo excesivo puede hacer que la torta se resquebraje Figura 3.10 Formación de la torta y descarga o se desprenda. Las laminas pueden apoyarse en la parte superior, el fondo o el centro y descargarse desde cualquiera de esas ubicaciones. En la Figura 3.11 se muestra la sección de elevación de un sistema de una lámina de alambre prerrecubierta, con soporte en el fondo. Los filtros de láminas a presión funcionan por cargas. La carcasa esta cerrada y la suspensión que se va a filtrar ingresa por presión suministrada por una fuente externa. La suspensión entra de tal modo que se minimiza el asentamiento de los sólidos. Se llena la carcasa y la filtración tiene lugar en la superficie de las láminas, descargándose el filtrado por una línea individual o múltiple interna, según el diseño. Se permite que la filtración se produzca solo hasta que se forme una torta del espesor deseado, puesto que el llenado UNIDAD IV SEPARACIÓN DE SOLIDOS

Figura 3.11 Formación la torta y descarga 11 Grupo: 5c4A 9:00de – 10:00

PROCESOS DE SEPARACIÓN I excesivo provocara la consolidación de la torta, con las dificultades consiguientes para el lavado y la descarga. Si se va a lavar la torta, se podrá retirar del filtro por medio del soplado de los sólidos sedimentados que queden, e introducirse el licor de lavado para rellenar la carcasa. Si la torta tiende a resquebrajarse durante el soplado de aire, quizás sea necesario desplazar la suspensión de una forma gradual con líquido de lavado para no permitir nunca que se seque la torta. Al completarse la filtración y el lavado, se descarga la torta por uno de los varios métodos, dependiendo de la configuración de la carcasa y de la lámina. Filtros Horizontales de láminas a presión En estos filtros, las láminas pueden ser hojas rectangulares paralelas al eje y de tamaño variable, ya que forman cuerdas de la carcasa, o pueden ser elementos circulares o cuadrados paralelos a la cubierta y todos de la misma dimensión. Las láminas pueden estar colgadas de la carcasa por medio de un bastidor independiente, de forma individual a la carcasa, o suspendidas de las conducciones para el filtrado. Los filtros horizontales son especialmente adecuados para la descarga de la torta en seco En muchos diseños el filtro se abre para la descarga de la torta y el montaje de láminas se separa de la cubierta, al mover una u otra sobre rieles como se observa en la figura 3.12. Para los procesos en que se manejan materiales tóxicos o inflamables se puede mantener un sistema cerrado de filtración, inclinando el fondo del cilindro horizontal hasta la tobera de drenado para la descarga en húmedo o utilizando un transportador de tornillo en el fonda de la cubierta para la descarga en seco. Filtros verticales de láminas a presión Estos filtros tienen láminas verticales, paralelas y rectangulares, montadas en un Figura 3.12 Filtro Horizontal de láminas a presión diseñando para la descarga de torta seca

recipiente vertical cilíndrico a presión. Por lo general, las láminas suelen presentar anchuras diferentes; que les permiten conformarse a la curvatura del tanque y llenarlo sin perdida de espacio. Habitualmente, las láminas reposan sobre el sistema de conducción del filtrado, sellándose la conexión mediante un anillo, de modo que se pueden levantar independientemente de la parte superior del filtro para inspección y reparaciones. Se suele instalar una lámina barredora en la parte del fondo del recipiente para permitir la filtración prácticamente completa del remanente de suspensión cuando se llega al final del ciclo. Los filtros verticales no son convenientes para retirar una torta seca, aun cuando se pueden utilizar en este servicio si tienen un fondo que se pueda hacer retroceder para permitir que caiga la torta a una tolva o en un recipiente situado debajo. Se adaptan mejor a la descarga de solidos húmedos, en un proceso que se puede facilitar mediante la vibración de las laminas, la inyección de aire o vapor desde un filtro lleno de agua, Figura 3.13 Filtro de hojas verticales con descarga seca y un vibrador mecánico para las hojas

mediante unas boquillas fijas, oscilantes o con desplazamiento y por succión. UNIDAD IV SEPARACIÓN DE SOLIDOS

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PROCESOS DE SEPARACIÓN I Las ventajas de estos filtros de laminas a presión en general son su considerable flexibilidad (hasta el máximo permisible, se pueden formar sucesivamente tortas de diversos espesores); sus bajos costos de mana de obra, sobre todo cuando se puede desprender la torta o descargarse tortas secas limpiamente mediante un soplo de aire; la sencillez básica de muchos diseños y su adaptabilidad para un lavado eficaz por desplazamiento. Sus desventajas son la necesidad de una supervisión excepcionalmente cuidadosa para evitar la consolidación o el desprendimiento de las tortas, su incapacidad para formar una torta tan seca como la de los filtros prensa, su tendencia a la clasificación vertical durante la filtración y a formar tortas no uniformes y de formas raras, a menos que giren las laminas y la limitación de la mayor parte de los modelos a 610 kPa (75 psig) o inferiores. Existen filtros de hojas a presión con áreas de filtración de 930 cm 2 (1 ft2) (tamaño de laboratorio) hasta cerca de 440 m2 (4.734 ft2) para filtros verticales y 158 m 2 (1.700 ft2) para los horizontales. Los espaciados de las láminas van de 5 a 15 cm (2.a 6 in) pero raramente son inferiores a 7,5 cm (3 in), puesto que es preciso dejar una abertura de 1.3 a 2.5 cm (0.5 a I in) entre las superficies. FILTROS DE TAMBOR GIRATORIO Este es el filtro continuo más utilizado. Existen muchas variaciones de diseño, que incluyen la operación como un filtro a presión o a vacío. La principal diferencia entre los diseños esta en la técnica para la descarga de la torta. Todas las opciones se caracterizan por un tambor montado sobre un eje horizontal, cubierto en la porción cilíndrica por un medio filtrante, sobre una estructura de apoyo constituida por una rejilla que permite el drenado hacia los colectores. Las dimensiones (en términos de las áreas de filtración) varían desde 0.37 hasta 186 m2 (4 a 2000 ft2). Todos los filtros de tambor (salvo el de un solo compartimento) utilizan una disposición de válvula giratoria en el apoyo del eje del tambor, para facilitar la eliminación del filtrado y del Iíquido de lavado y permitir la entrada de aire o gas, en caso necesario, para el soplado de la torta. La mayor parte de los filtros de tambor operan con aproximadamente un 35 % de su circunferencia sumergida en el precipitado. Sin embargo, la inmersión se puede ajustar a cualquier nivel deseado desde cero hasta casi el total de la circunferencia. Algunas unidades tienen un agitador de rastrillos que oscilan dentro de la cuba para ayudar a la suspensión de los sólidos. Otros utilizan propulsores, paletas o no tienen agitador. Las suspensiones de sólidos con filtración libre, que son difíciles de mantener en suspensión, en ocasiones se filtran en un filtro de tambor alimentado por la parte superior o un filtro secador. La mayor parte de los filtros de tambor operan con una velocidad de rotación que varia de 0,1 a 10 rpm. Por lo general, se proporcionan impulsores de velocidad variable con objeto de permitir los ajustes necesarios para los cambios en la formación de la torta y las velocidades de drenado. Los filtros de tambor se clasifican de acuerdo a la disposición de alimentación y la técnica de descarga de la torta. Por lo general, las características de la suspensión y de la torta del filtro determinan el método de descarga de la torta. Filtro con descarga por cuchilla Por lo general el medio filtrante esta adherido 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 UNIDAD IV SEPARACIÓN DE SOLIDOS

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PROCESOS DE SEPARACIÓN I medio causaría un desgaste rápidamente. En vez de la cuchilla se puede utilizar un alambre tirante en algunas aplicaciones en las que es necesario desprender físicamente las tortas pegajosas y adherentes. Para un tipo de suspensión concreto, la velocidad máxima de filtración se determina por el espesor mínimo de torta que se puede eliminar; cuanto mas delgada es la torta, tanto menor será la resistencia al flujo y mayor la velocidad. EI espesor mínimo es aproximadamente de 6 mm (0.25 in) para tortas relativamente rígidas y adherentes de materiales como concentrados de minerales y suspensiones gruesas.

Figura 3.14 Esquema de filtro de tambor giratorio, descarga por cuchilla en el se muestran zonas operación.

un con que de

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. Si la torta depositada sobre el tambor tiene la adherencia adecuada para utilizar esta técnica de descarga, se pega a la torta del tambor mas 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. EI espesor característico de la torta varía entre 1 y 10 mm (0.04 a 0.4 in). Filtros de tambor con un solo compartimento Fiitro Bird-Young. Este filtro difiere Figura 3.15 Principio de operación del mecanismo de descarga con rodillo. de la mayor parte de los filtros de tambor en que el tambor no tiene compartimentos 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 una «zapata» que cubre una zona estrecha de descarga en la superficie interna del tambor, para interrumpir el vacío, como se ilustra en la Figura 3.16. La superficie interior del tambor UNIDAD IV SEPARACIÓN DE SOLIDOS

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PROCESOS DE SEPARACIÓN I debe estar diseñada para proporcionar un espaciado mínimo en la zapata y evitar fugas. EI filtro se diseña para obtener velocidades de filtración elevadas con tortas delgadas. Se pueden proporcionar velocidades de giro hasta de 40 rpm con tortas cuyo espesor varia entre 3 y 6 mm (0,12 a 0,24 in). EI tamaño de los filtros varía de 930 cm 2 a 19 m2 (1 a 207 ft2) con un 93 por 100 de área activa. La suspensión se incrementa a un tanque cónico, diseñado especialmente para evitar que los solidos se sedimenten sin usar agitadores mecánicos. EI nivel adecuado de líquidos se mantiene por rebose y la inmersión varia de 5 a 70 por 100 de la circunferencia del tambor. Las principales ventajas del filtro Bird-Young son su capacidad para manejar tortas delgadas y operar a velocidades elevadas, su eficacia de lavado y su baja 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 coste 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, como por ejemplo, la pulpa de papel y las sales cristalizadas.

Figura 3.16 Corte transversal de un filtro de tambor con un solo compartimiento

Filtros continuos a presión Estos filtros consisten en un típico tambor de discos alojado en un recipiente sometido a presión. La filtración tiene lugar en el recipiente presurizado hasta 6 bar y el filtrado se descarga bien a presión atmosférica o en un equipo para el mantenimiento de la presión de descarga. La descarga de la torta se facilita con una válvula doble que activa o bloquea la tolva para mantener la presión en el recipiente. Alternativamente, la torta descargada puede ser resuspendida en el filtrado e ingresar en un recipiente a presión y eliminarla mediante una válvula de control.

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Filtros continuos con precapa Estos filtros se pueden operar a presión o vacío, aunque la operación predominante es a Vacío. En realidad, los filtros no son continuos, pero tienen un ciclo intermitente extremadamente largo (1 a 10 días). Se utilizan para la clarificación continua de líquidos, con suspensiones que contienen de 50 a 5.000 ppm de solidos, cuando solo se formarían tortas muy delgadas (inaceptables) en los otros tipos de filtros, y se Figura 3.17 Método operacional del requiere una clarificación «perfecta». filtro de prerrecubrimiento a vacío. La construcción es similar a los demás filtros de tambor, excepto que el vació se aplica en todo el giro. Antes de alimentar la suspensión, 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 suspensión se alimenta y queda atrapada en la superficie externa de la precapa, donde se elimina por medio de una cuchilla, que avanza y recorta la capa delgada de sólidos y la precapa. EI avance de la cuchilla varia entre 0,05 y 0,2 mm (0.002 y 0.008 in) por revolución del tambor. Cuando la precapa ha sido recortada hasta un espesor mínimo predeterminado, el filtro se saca del servicio, se lava y se aplica un precapa fresca. EI tiempo de giro puede ser de 1.a 3 h. FILTROS DE DISCO Estos filtros operan al vació y constan de varios discos verticales, unidos a intervalos sobre un eje central hueco y horizontal que gira continuamente. La rotación se realiza por medio de un engranaje. Cada disco tiene de 10 a 30 sectores de metal, plástico o madera, con nervios en ambos lados para soportar la tela filtrante y proporcionar el drenado por medio de una boquilla conectada al eje central. Cada sector se puede remplazar en forma individual. Por lo general, el medio filtrante es una bolsa de tela que se desliza sobre los sectores y se sella a la boquilla de descarga. Para algunas aplicaciones, especialmente minerales, se pueden utilizar pantallas de acero inoxidable. Los discos suelen tener sumergido del 30 a 50 por 100 en un recipiente acanalado que contiene la suspensión. Otro eje horizontal colocado debajo de los discos tiene paletas de agitación para mantener los solidos en suspensión. En algunos diseños, la alimentación se distribuye por medio de toberas colocadas debajo de cada disco. Se suministra vació a cada uno de los sectores a medida que giran dentro del líquido, para permitir la formación de la torta. EI vacío se mantiene en los sectores que salen del líquido y se exponen a la atmosfera. Se puede aplicar un lavado con rociadores, pero la mayor parte de Figura 3.18 Filtro de disco rotatorio. las aplicaciones son exclusivamente para eliminar el agua. A medida que giran los sectores hasta el punto de descarga, se corta el vació y se utiliza un ligero chorro de aire para aflojar la torta. Esto permite que las cuchillas envíen la torta hasta las rampas de descarga, colocadas entre los discos. De todos los filtros continuos, el de discos a vacío es el que tiene menor coste por unidad de área de filtración cuando se pueden utilizar materiales de construcción como acero dulce, hierro fundido o similares. Este filtro proporciona un área de filtración grande con un UNIDAD IV SEPARACIÓN DE SOLIDOS

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PROCESOS DE SEPARACIÓN I área mínimo de suelo y se utiliza principalmente en las aplicaciones de alto tonelaje para eliminar el agua, con tamaños de hasta 300 m2 (3.300 ft2) de área de filtración. Las principales desventajas son la incapacidad para realizar un lavado eficaz y la dificultad para cerrar totalmente el filtro en las operaciones que manejan materiales peligrosos.

FILTROS HORIZONTALES AL VACÍO Estos filtros se dividen generalmente en dos categorías: las unidades circulares giratorias y las de tipo banda. Independientemente de su geometría, tienen ventajas y limitaciones similares, ya que proporcionan flexibilidad en la selección del espesor de la torta, el tiempo de lavado y el ciclo de secado. Además, pueden manejar de forma eficaz sólidos densos y pesados, permiten la inundación de la torta con el licor de lavado y están diseñados para realizar el lavado o la lixiviación a contracorriente. Las desventajas son que tienen un coste de construcción mas elevado que los filtros de tambor o discos, ocupan una superficie considerable par área de filtración y son difíciles de sellar en caso de aplicaciones peligrosas. Filtros horizontales con descarga de tornillo y de plancha. Todos estos filtros son básicamente, planchas anulares giratorias con un medio filtrante en la superficie superior. La plancha esta dividida en secciones, cada una de las cuales constituye un compartimento separado. EI vacío se aplica a través de una cámara de drenado colocada debajo de la plancha y conectada a una válvula giratoria grande. La suspensión 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 del borde del filtro. Un espacio de aproximadamente 10 mm (0,4 in) se mantiene entre el tornillo y el medio filtrante para no dañar el medio. La torta que queda en el medio se puede desprender por medio de un chorro de aire en la parte inferior o mediante rociadas de líquido a alta velocidad desde la parte superior, esta torta residual representa una desventaja peculiar en este tipo de filtro. Con los materiales que ocluyen el medio filtrante pueden requerirse paros frecuentes para realizar una limpieza total. Los diámetros de las unidades varían entre 0.9 y 7 m (3 a 24 ft), con aproximadamente 80 por 100 de la superficie disponible para la filtración.

Figura 3.19 Filtro continuo horizontal superficial a vacío

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Filtro de planchas inclinables Se trata de una modificación del filtro de planchas horizontales en el que cada uno de los sectores es una plancha individual, que puede pivotar sobre un eje radial que permite su basculación para la descarga de la torta, ayudada general mente por un chorro de aire. EI espesor de la torta del filtro varia entre 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 planchas 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 un 75 por 100 del área disponible para la filtración.

Figura 3.20 Ciclo de filtración de planchas inclinables

Filtro de banda horizontal. Estos filtros constan de una banda perforada o ranurada elástica, que opera como un transportador de banda y lleva encima una banda de tela filtrante. Las dos bandas están apoyadas en una plataforma lubricada. Una plancha a vacío alineada con las ranuras de la banda elástica forma una superficie continua a vacío que puede incluir múltiples zonas para la formación de la torta, el lavado y la eliminación final de agua. Los filtros se clasifican de acuerdo con el área activa disponible de filtración. Los filtros de banda horizontal se alejan de la banda de elastómero de drenaje del diseño original a favor de cazuelas de drenaje mayores directamente debajo del medio filtrante. Las cazuelas del medio filtrante se marcan para proporcionar una operación de filtración pseudocontinua. EI vacío aplicado es cíclico con la operación de marcado para minimizar el desgaste de las superficies deslizantes. La suspensión se alimenta en un extrema por medio de unos vertederos de rebose o una rampa en forma de abanico y el licor de lavado, si se necesita, se aplica mediante rociadores o vertedores, en uno o mas puntos, a medida que la torta se desplaza a lo largo del filtro. La torta se descarga cuando la banda pasa sobre la polea terminal, tras la separación de la superficie de drenado. La separación del medio filtrante de la superficie de drenado permite lavar completamente la banda Figura 3.21 Filtro de banda horizontal del medio filtrante con rociados. La duración del ciclo de filtración se control a mediante la velocidad de la banda, que puede alcanzar 1,0 m/s (3,3 ft/s) y es típicamente variable. EI mínimo espesor de torta, para una carga de solidos dada, que UNIDAD IV SEPARACIÓN DE SOLIDOS

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PROCESOS DE SEPARACIÓN I puede descargarse de una forma eficaz, limita la velocidad de las bandas desde un punto de vista del proceso. EI máximo espesor de torta depende del método empleado para retener la suspensión durante la formación de la torta y con algunos materiales de drenado rápido se producen tortas cuyo espesor varia entre 100 y 150 mm (4 a 6 in). Los filtros de bandas horizontales tienen las ventajas de un preciso control del ciclo de filtración, incluyendo la capacidad de opera en contracorriente en el lavado de la torta, una eliminación completa de la torta y un lavado eficaz del medio filtrante. La desventaja principal es que al menos la mitad del área de filtración siempre se encuentra ociosa en el circuito de retorno, lo que significa un mayor coste de inversión que puede llegar a ser de dos a cuatro veces superior al de un filtro de tambor con igual área. Poseen áreas de filtración que varían de 0.18 a 120 m2 (2 a 1.300 ft2). FILTROS CLARIFICADORES Los filtros clarificadores se utilizan para hacer mezclas liquidas que contienen solo cantidades muy pequeñas de solidos. Cuando los solidos están finamente divididos de modo que solo se ven como una especie de neblina, el filtro que los separa se denomina a veces filtro purificador. La suspensión anterior a la filtración no contiene, en general, mas del 0.I0 por 100 de solidos, cuyo tamaño puede variar ampliamente (de 0.01 a 100 m). EI filtro, generalmente, no produce una torta visible, debido a veces a lo reducido de la cantidad de solidos separados, y en otras ocasiones a causa de que las partículas se extraen al quedar atrapadas en el medio de filtración en lugar de acumularse sobre el. En comparación con los filtros de torta, los clarificadores tienen menor importancia en los trabajos de procesamiento químico y sus aplicaciones mas sobresalientes se asocian con los campos de las bebidas y la purificación de aguas, la filtración farmacéutica, la clarificación de aceites, combustibles y lubricantes, el acondicionamiento de soluciones de electrodeposición y la recuperación de disolventes para la limpieza en seco. Sin embargo, son esenciales para los procesos de extrusión de películas y devanado de fibras. La mayor parte de los filtros de torta pueden funcionar como clarificadores, aunque no necesariamente con una gran eficiencia. Por otra parte, se han desarrollado muchos filtros clarificadores que se pueden emplear solo para la clarificación o la agitación. En general, esta clase de filtros son menos costosos que los de torta. Dichos filtros clarificadores se clasifican como prensas de disco y placa, filtros de presión de prerrecubrimiento, clarificadores de cartucho y varios otros tipos. 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 laminas de papel u otros medios para eliminar pequeñas cantidades de materia suspendida en bebidas, soluciones de deposición y otros líquidos de poca viscosidad. El termino filtro de disco se aplica a los conjuntos de disco de pulpa hechos de asbesto y fibra de celulosa y sellados en una caja a presión. Los discos se pueden montar en una unidad Figura 3.22 Ensamblado de un filtro clarificador de discos y placas. autosoportada o bien cada uno de los discos puede reposar en una placa o una pantalla individual contra la cual se sella al cerrarse el filtro EI liquido fluye por los discos y pasa a un colector central o periférico de descarga. Las velocidades de flujo son del orden de 122 L/(min· m 2) o [3 gal/(min· ft2)] y la presión de operación no suele sobrepasar 345 kPa (50 psig) (general mente menor). Los filtros de UNIDAD IV SEPARACIÓN DE SOLIDOS

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PROCESOS DE SEPARACIÓN I disco funcionan casi siempre como filtros a presión. Las unidades individuales proporcionan hasta 378 L/min (6.000 gal/h) de líquido de baja viscosidad. Clarificadores de cartucho Los clarificadores de cartucho son unidades que consisten en uno o mas cartuchos remplazables o renovables que contienen el elemento activo de filtración. Por lo general, la unidad se coloca en una línea que lleva el liquido que se va a clarificar, donde la clarificación tiene lugar mientras el líquido se encuentra en movimiento. Filtros mecánicos o de borde Estos consisten en pilas de discos separadas a intervalos precisos por medio de placas espaciadoras o un devanado de alambre en una malla en rendijas de un tamaño preciso o bien una combinación de ambas cosas. EI Iíquido 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 partículas de hasta 0,001 in (25 m), pero lo mas frecuente es que tengan un espaciamiento mínimo de dos veces este valor. Tienen poca capacidad de retención de sólidos y, por consiguiente, se deben limpiar a menudo para evitar los taponamientos. En algunos filtros se prevé la limpieza continua. Por ejemplo, el Cuno Flo-Klean una unidad con un devanado de alambre que emplea una boquilla de giro lento que lava el elemento con liquido filtrado, y el Cuno Auto·Klean, que esta equipado con un raspador que se ajusta alas ranuras entre los discos para retirar los solidos acumulados. En cualquiera de estos casos los solidos desalojados caen a un sumidero que se drena a intervalos regulares de tiempo. Clarificadores micrónicos EI 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 pasar sólidos de 10 m y menores. Mediante la elección adecuada de los cartuchos de cilindros múltiples o los cartuchos múltiples en paralelo, se puede obtener cualquier velocidad deseada de flujo con una caída razonable de presión, con frecuencia de menos de 138 kPa (20 psig). Cuando la presión se eleva al máximo admisible, el cartucho se debe abrir para remplazar el elemento. Los elementos micrónicos del tipo de fibras no se pueden limpiar y tienen un precio que permite desecharlos o remplazar el medio filtrante en forma económica. En general, los elementos de fibras se deben limpiar en un proceso que se realiza mejor en las 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. En general 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 tienen la desventaja de una capacidad muy limitada para el manejo de sólidos y, en consecuencia, la concentración máxima de sólidos en la alimentación esta limitada a aproximadamente 0,01 por 100. La mayor limitación en la operación de las plantas de proceso modernas es la necesidad de abrir el filtro para remplazar los cartuchos, lo que hace indeseable su empleo para el procesamiento de materiales Figura 3.23 Ejemplo de un filtrador clarificador en proceso de refresco peligrosos. UNIDAD IV SEPARACIÓN DE SOLIDOS

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PROCESOS DE SEPARACIÓN I

Filtros Granulares Se usan muchos tipos de filtros granulares para la clarificación, funcionando como filtros por gravedad o por presión. Para los filtros por gravedad la diferencia de altura entre la entrada y la salida es la fuerza impulsora para que el líquido llegue al medio granular. En los filtros por presión se utiliza un recipiente cerrado que opera a presiones relativamente bajas, 50 a 70 kPa (7 a 10 psig), pudiendo funcionar mediante flujo ascendente o descendente EI medio puede ser un material simple como arena, pero es más frecuente que este constituido por dos o incluso tres capas de diferentes materiales, tales como antracita en la capa superior y arena en la inferior. Los sólidos son capturados por la parte mas profunda de lecho, mejor que en la superficie, y el gradiente de tamaños de hueco proporciona más capacidad de sólido suspendido. La capa de antracita, que normalmente tiene un tamaño de grano de I mm, sirve como filtro de gruesos y además proporciona una acción floculadora que ayuda a la capa de arena mas fina, de tamaño de grano 0,5 mm, a servir como zona efectiva de limpieza. La profundidad del lecho es variable, siendo las dimensiones típicas de una instalación de 0.7 a 1.0 m. Los lechos mas profundos llegan hasta 2.5 m (8 ft) y se emplean en los casos donde se desea obtener una gran capacidad de suspensi6n de sólidos. EI filtrado es recogido por un dispositivo en el sistema bajo el drenado, que puede ser tan simple como una red de tubos perforados cubiertos por grava o una compleja estructura de boquillas ranuradas o conductos que retendrán el medio de finos de arena manteniendo altas velocidades de flujo. Este último diseño permite el uso tanto de liquido como de aire para las operaciones de retrolavado y limpieza. EI retrolavado se realiza, normalmente, cuando se alcanza una caída de presión limitante y antes que el lecho llegue a estar completamente lleno de sólidos, lo que conduciría a un deterioro en la calidad del filtrado. La limpieza del medio se consigue con la ayuda de un barrido con aire que permite desprender los solidos atrapados y proporciona una eliminación eficiente de este material en subsecuentes etapas de barrido. La acción de la filtración tiende a aglomerar los sólidos filtrados, y como resultado, estos se asientan rápidamente desde el fluido de retrolavado. Si el filtro esta recorrido por un flujo superior de clarificación, normalmente es posible descargar el líquido de retrolavado dentro del clarificador, sin riesgo de que los sólidos vuelvan al filtro. EI consumo de medio filtrante es bajo, siendo normal que su remplazamiento sea menor del 5 por 100 anual. Estos filtros se aplican preferentemente para suspensiones diluidas, con sólidos suspendidos < 150 mg/l, permitiendo operar a velocidades relativamente elevadas, 7,5 a 15,0 m3/m2/h. EI rango de sólidos capturados esta entre 90 a 98 por 100 en un sistema bien diseñado. Los ciclos de operación son de 8 a 24 horas de filtración (y hasta de 48 horas en tratamiento de aguas municipales) seguido de un intervalo de retrolavado que dura entre 15 y 30 minutos. Las aplicaciones son fundamentalmente el tratamiento municipal de aguas residuales, pero los filtros granulares han sido utilizados en usos industriales como tratamiento de aguas de alimentación para plantas de pasta y papel, eliminación de aceite, grasa y depósitos de las aguas de la industria del aluminio y la clarificación de electrolitos en las operaciones para electrodeposición de cobre. 3.4 TEORIA DE FILTRACIÓN Caída de presión a través de la torta

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PROCESOS DE SEPARACIÓN I La figura de la derecha (3.24) muestra el corte transversal de una torta de filtración formada debido a la existencia de una medio filtrante, durante un tiempo definido desde el inicio del flujo de filtrado. Para ese momento, el espesor de la torta área de corte transversal del filtro es dirección

L es v

A

L

t

m .El

m2 y la velocidad lineal del filtrado en la

m/s, con base en el área de filtración

A

m2.

Figura 3.24 Corte transversal de una torta de filtración

El flujo del filtrado a través del lecho empacado de la torta puede describir por medio de una ecuación similar a la ley de Poiseuille, suponiendo un flujo laminar en los canales del filtro. La ecuación se puede expresar como:

−∆ p 32 μv = 2 Sistema Internacional SI (3.4 .1 a) L D −∆ p 32 μv = Sistema Inglés (3.4 .1 .b) 2 L gc D Donde

∆p

es la caída de presión en N/m 2 (lbf /pie2),

D

abierto en m/s (pie/s),

es el diámetro en m (pie), L

es la viscosidad en Pa * s o kg/m*s (lb,/pie*s) y

gc

v

es la velocidad en el tubo

es la longitud en m (pie),

μ

es 32.174 Ibf *pie/lbf *s2..

Para el flujo laminar en un lecho empacado con partículas, la relación de CarmanKozeny es similar a la ecuación de Blake-Kozeny y se ha demostrado que es aplicable a la filtración. Dicha ecuación se expresa como: 2

2

−∆ p c k 1 μv ( 1−ε ) S0 = (3.4 .2) L ε3

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PROCESOS DE SEPARACIÓN I

Donde

k1

es una consta para partículas aleatorias, de tamaño y forma definidos, es la

viscosidad del filtrado en Pa*s (lbm/pie*s), filtración en m/s (pie/s),

L

ε

es la velocidad lineal basada en el área de

es la fracción de espacios vacíos o porosidad de la torta,

es el espesor de torta en m (pie), 2

v

S0

es el área superficial especifica de las

partículas en m (pie ) de área de partícula por m (pie3) de volumen de partículas sólidas y

∆ pc v=

2

3

es la caída de presión en la torta en N/m2 (lbf /pie2). La velocidad lineal es:

dV /dt (3.4 .3) A

Donde

A

es el área del filtro en m2 (pie2) y

recolectado en el tiempo volumen de filtrado

t

V

es el total de m3(pie3) de filtrado

(s). El espesor de la torta

L

puede relacionarse con el

V , por medio de un balance de materia. Si

cS

es kg de

sólidos/m3 (lbm/pie3) de filtrado, el balance de materia se indica como:

LA ( 1−ε ) ρ p=( V +εLA ) (3.4 .4 ) Donde

ρ p es la densidad de las partículas solidas de la torta en kg/m3 ( lb /pie3) de m

solido. El término final de la ecuación (3.4.4) es el volumen del filtrado retenido en la torta. Este suele ser pequeño y se desprecia. Al sustituir la ecuación (3.4.3) en la (3.4.2) y al usarla en (3.4.4) para eliminar

L , se

obtiene la ecuación final:

−∆ pc −∆ pc dV = = (3.4 .5) 2 Adt k 1 (1−ε) S0 μ C s V μ CsV α A A ρp ε 3

Donde

α

es la resistencia específica de la torta en m/kg, que se define como:

k 1 (1−ε) S20 α= (3.4 .6) ρp ε 3 Para la resistencia del medio filtrante, por analogía con la ecuación (3.4.5) se puede escribir la expresión:

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PROCESOS DE SEPARACIÓN I

dV −∆ pf = (3.4 .7) Adt μ R m Donde

∆ pf

Rm

es la resistencia del medio filtrante al flujo de filtración en m -1 (pie-1) y

Rm

es la caída de presión. Cuando

se trata como constante empírica, incluye

tanto la resistencia al flujo en las conexiones de tubería hacia y desde el filtro como la resistencia del medio filtrante. Puesto que las resistencias de la torta y del medio filtrante están en serie, se pueden combinar las ecuaciones (5) y (7), con lo que se obtiene

α Cs V +R A μ(¿¿ m)(3.4 .8) dV −∆ p = ¿ Adt Donde

∆ p=∆ pc + ∆ pf . En ocasiones la ecuación (8) puede ser modificada y

expresada como:

V +V μα C s V ( ¿¿ e)(3.4 .9) A dV −∆ p = ¿ Adt

Donde

Ve

es el volumen de filtrado necesario para formar una torta de filtración ficticia

cuya resistencia sea igual a El volumen del filtrado

V

R . W , que son los

también se puede relacionar con

kilogramos de sólido acumulado como torta seca,

W =Cs V =

Donde

Cx

ρ Cx V (3.4 .10) 1−mC x

es la fracción de masa de sólido en la suspensión,

masa de la torta húmeda respecto a la torta seca y

ρ

m

es la relación de

es la densidad del filtrado en

kg/m3(lbm/pie3). Resistencia específica de la torta.

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PROCESOS DE SEPARACIÓN I La ecuación (3.4.6) indica que la resistencia específica de la torta está en función de la fracción de espacios huecos ésta puede afectar a

ε

y de

S 0 . También está en función de la presión, pues

ε . La variación de

α

con respecto a

∆p

se determina

experimentalmente a presión constante con diferentes caídas de presión. Por otra parte, también se pueden llevar a cabo experimentos de compresiónpermeabilidad, mediante un cilindro de fondo poroso sobre el cual se forma la torta de filtrado. La filtración se efectúa por gravedad y el dispositivo opera a presión atmosférica, con una caída de presión baja. Un pistón en la parte superior comprime la torta a presión conocida y entonces, se añade filtrado a la torta y se determina

α

con una forma

diferencial de la ecuación (3.4.9). El proceso se repite para otras presiones de compresión. Si

α

es independiente de

−∆ p

aumenta con

−∆ p

α

los lodos son incompresibles. Por lo general,

, pues la mayoría de las tortas son algo comprimibles. Una

ecuación empírica de uso muy común es: s

α =α 0 (−∆ p) (3.4 .11) Donde

α0 y

s

son constantes empíricas. La constante de comprensibilidad

s

es

cero para lodos o tortas incompresibles y suele tener valores entre 0.1 y 0.8. Algunas veces se usa la siguiente relación:

α =α 0 ´ [ 1+ β (−∆ p )s ´ ] (3.4 .12) donde

α 0´ ,

β

y

s ´ son constantes empíricas.

Los datos obtenidos en experimentos de filtración suelen ser poco reproducibles. El estado de aglomeración de las partículas en la suspensión puede variar y afectar la resistencia específica de la torta. ECUACIONES DE FILTRACIÓN PARA PROCESO A PRESIÓN CONSTANTE Ecuaciones básicas para la velocidad de filtración en los procesos por lotes Con frecuencia, las filtraciones se llevan a cabo en condiciones de presión constante. La ecuación (8) se puede invertir y reordenar para obtener:

μα C s dt μ = 2 V+ R =K p V + B(3.4 .13) dV A (−∆ p) A(−∆ p) m Donde

K p se da en s/m6 y B

en s/m3.

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25

PROCESOS DE SEPARACIÓN I

K p=

μα C s A2 (−∆ p)

K p=

B=

μα C s A2 (−∆ p) g c

Sistema Inglés (3.4 .14 b)

μ Rm Sistema Internacional (3.4 .15 a ) A (−∆ p )

B=

Para presión invariable,

Sistema Internacional(3.4 .14 a)

α

μ Rm A (−∆ p ) gc

Sistema Inglés ( 3.4 . 15 b )

constante y una torta incompresible,

V

y

t

son las

únicas variables de la ecuación ( 3.4 . 13). Integrando para obtener el tiempo de filtración t t

en s.

V

∫ dt=∫ ( K p V + B ) dV (3.4 .16) 0

t=

0

Kp 2 V + BV (3.4 .17) 2

Al dividir entre

V

t KpV = + B(3.4 .18) V 2 donde

V

es el volumen total de filtrado en m3 recolectado en

Para evaluar la ecuación ( 3.4 . 17) es necesario conocer

α

t

s.

y

Rm . Esto se puede

hacer usando la ecuación ( 3.4 . 18). Se obtienen los datos de V diferentes tiempos t. Entonces, se grafican los datos experimentales de

V

recogidos en

t /V

contra

como en la figura 3.25. A menudo, el primer punto de la gráfica no cae sobre la línea

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26

PROCESOS DE SEPARACIÓN I

K p /2

y se omite. La pendiente de la línea es

B . Después, se

y la intersección

utilizan las ecuaciones ( 3.4 . 14) y ( 3.4 . 15) para determinar los valores de

α

y

Rm .

Figura 3.24 Determinación de constante de filtración a presión constante

EJEMPLO DE APLICACIÓN 1.1 Evaluación de las constantes de filtración en un proceso a presión constante. Se cuenta con los siguientes datos para filtrar en el laboratorio una suspensión de CaCO 3 en agua a 298.2 K (25 °C), a presión constante ( −∆ p ) de 338 kN/m2. El área de filtración de la prensa de placas y marcos es A= 0.0439 m2, y la concentración de la suspensión es

C s = 23.47 kg/m3. Calcule las constantes

estos datos experimentales, si

t

es el tiempo en s y

V

α

y

Rm , con base en

es el volumen de filtrado

3

recolectado en m . t 4.4 9.5 16.3 24.6

V 0.489 x 10-3 1.000 x 10-3 1.501 x 10-3 2.000 x 10-3

Solución Se deben tabular los datos de valores

t 34.7 46.1 59.0 73.6

t

V 2.489 x 10-3 3.002 x 10-3 3.506 x 10-3 4.004 x 10-3

V

y

t 89.4 107.3

V 4.502 x 10-3 5.009 x 10-3

en un tabla y relacionarlos obteniendo los

t /V t

V

t /V

4.4

0.489 x 10-3

9.0 x 103

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PROCESOS DE SEPARACIÓN I 1.000 x 10-3 1.501 x 10-3 2.000 x 10-3 2.489 x 10-3 3.002 x 10-3 3.506 x 10-3 4.004 x 10-3 4.502 x 10-3 5.009 x 10-3

9.5 16.3 24.6 34.7 46.1 59 73.6 89.4 107.3

9.5 x 103 1.09 x 104 1.23 x 104 1.39 x 104 1.54 x 104 1.68 x 104 1.84 x 104 1.99 x 104 2.15 x 104

Debido a la similitud existente entre la ecuación ( 3.4 . 18) con la ecuación de una línea recta por analogía podemos expresar que:

t KpV = + B= y=mx+ b V 2 Donde Graficando

Kp =m 2

t =y ; V V

contra

t /V

V =x

;

;

B=b

obtenemos un gráfico en el cual los puntos quedan

dispersos y no se asemejan a una línea recta, por dicha razón se debe de realizar una regresión lineal ajustando los datos a un comportamiento lineal, este proceso puede realizarse directamente en la calculadora o por medio Microsoft Excel. Utilizando este último programa obtenemos el siguiente gráfico de la figura 3.25 2.500E+04

2.000E+04

f(x) = 2863217.91x + 6870.01 R² = 1

1.500E+04

t/V 1.000E+04

5.000E+03

Figura 3.25 Gráfico de la correlación de datos del ejemplo practico 1 0.000E+00 0.0000E+00

1.0000E-03

2.0000E-03

3.0000E-03

4.0000E-03

V

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28

5.0000E-03

6.0000E

PROCESOS DE SEPARACIÓN I

En la gráfica se indica que 3x106 s/m6 y

B=¿

m = 3x106 s/m6 y

b =6870 s/m3. Por lo tanto

6400 s/m3. De esta forma podemos determinar que

K p=¿

Kp =¿ 2 6 x106

s/m6. De apéndices conocemos que la viscosidad del agua a 298.2 K es de 8.937x10 -4 kg/ms. Sustituyendo los valores obtenidos en la ecuación

K p=6 x 10 6=

Despejando

α

μα Cs

( 8.937 x 10−4 )(α )(23.47) A 2 (−∆ p) ( 0.0439 )2(338 x 103) =

obtenemos que:

α =1.863 x 1011 m/kg Utilizando la ecuación ( 3.4 . 15) obtenemos

( 8.937 x 10−4 ) ( Rm ) μ Rm B=6870= = A (−∆ p ) 0.0439 ( 338 x 103 ) Despejando

Rm obtenemos que:

Rm=11.406 x 1010 m−1

EJEMPLO DE APLICACIÓN 1.2 Tiempo requerido para efectuar una filtración Se desea filtrar la misma suspensión del ejemplo de aplicación 1.1 en una prensa de placas y marcos que tiene 20 marcos y 0.873 m2 de área por marco. Se usará la misma presión constante. Suponiendo las mismas propiedades de la torta de filtrado y de la tela de filtración, calcule el tiempo necesario para extraer 3.37 m3 de filtrado. Solución

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PROCESOS DE SEPARACIÓN I

A 2=0.0439 m

En el ejemplo de aplicación 1.2 el área

B 2=6870 s /m 3 . Puesto que corregir

α

y

Rm

2

,

6

K p 2=6 x 1 0 s/m

6

y

tendrán los mismos valores, es posible

K p . Se sabe que:

K p1 A2 2 B A = ( 3.4 .19 ) 1 = 2 (3.4 .20) K p2 A1 B 2 A1

( )

Siendo

K p1

y

A2

la constante y área para un proceso 1, y

K p1

y

A2

para el

proceso 2. La nueva área para este proceso de filtración debe ser multiplicada por los 20 marcos, por lo tanto:

A= ( 0.873 )( 20 )=17.46 m

2

Por lo tanto los valores de

K p1 y B1

K p 1=K p 2

B 1=B 2

Sustituyendo los valores de

t=

2

A2 s = 6 x 1 06 6 A1 m

)(

A2 s = 6870 3 A1 m

0.0439 m2 =17.27 s /m 3 2 17.46 m

(

(

)(

0.0439m2 =37.93 s/m6 2 17.46 m

)

)

K p 1 y B 1 en la ecuación (17).

Kp 2 37.93 2 V + BV = (3.37 ) + (17.27 )( 3.37 )=273.58 s 2 2

Ecuaciones para el lavado de tortas de filtrado y tiempo total del ciclo. El lavado de una torta después del ciclo de filtrado se lleva a cabo por desplazamiento del filtrado y por difusión. La cantidad de líquido de lavado debe ser suficiente para lograr el efecto que se desea. Para calcular las velocidades de lavado, se supone que las condiciones durante el mismo son iguales a las que existían al final de la filtración. Se supone también que la estructura de la torta no resulta afectada cuando el líquido de lavado remplaza al líquido de suspensión en ella.

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PROCESOS DE SEPARACIÓN I En filtros en los que el líquido de lavado sigue una trayectoria de flujo similar a la de filtración, como es el caso de los filtros de hojas, la velocidad final de filtrado permite predecir la velocidad de lavado. Para una filtración a presión constante y usando la misma presión de lavado que de filtración, la velocidad final de filtrado es el recíproco de la ecuación ( 3.4 . 13).

( dVdt ) = K V1 + B (3.4 .21) f

p

f

(dV /dt )f =¿

donde

velocidad de lavado en

m3 /s

filtrado para todo el periodo al final de la filtración, en

y

V f es el volumen total de

m3 .

Para filtros prensa de placas y marcos, el líquido de lavado se desplaza a través de una torta con el doble de espesor y la mitad del área con respecto a la de filtración, por lo que la velocidad de lavado, estimada es 4 de la velocidad final de filtración.

( dVdt ) = 14 K V1 + B (3.4 .22) f

p

f

En la práctica, la velocidad de lavado puede ser inferior a la estimada debido a consolidación de la torta, a la formación de canales y de grietas. Algunos experimentos con filtros pequeños de placas y marcos han producido velocidades de lavado entre 70 y 92% de los valores estimados. Después de completar el lavado, se requiere un tiempo adicional para extraer la torta, limpiar el filtro y volver a armarlo. El tiempo total del ciclo de filtrado es la suma del tiempo de filtración, de lavado, y de limpieza. EJEMPLO DE APLICACIÓN 1.3 Velocidad de lavado y tiempo total de un ciclo de filtración Al final del ciclo de filtrado del ejemplo de aplicación 1.2, se recolecta un volumen total de filtrado de 3.37

m

3

en un tiempo total de 269.7 s. Se desea lavar la torta en la prensa

de placas y marcos, usando un volumen de agua igual al 10% de volumen del filtrado. Calcule el tiempo de lavado y el del ciclo total de filtración suponiendo que la limpieza toma 20 min. Solución La ecuación (22) es válida para este tipo de filtro. Sustituyendo, K p=37.93 s/m

B=17.27 s/m3 , y V f =3.37 m

3

6

la velocidad de lavado se expresa como:

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,

PROCESOS DE SEPARACIÓN I

1 =1.892 x 10 ( dVdt ) = 14 (37.93)(3.37)+ 17.27

−3

m3 / s

f

Entonces, el tiempo de lavado con un volumen al 10%, 0.10(3.37

m3 )= 0.337 m3 de

agua de lavado es:

0.337 m 3 t= =178.12 s 1.892 x 10−3 m 3 /s Por lo tanto si la filtración se realiza en un tiempo de

273.34 s , el ciclo total de filtración

tarda:

273.34 s 178.12 + +20=27.52 min 60 60

CAPACIDAD DE FILTRADO La capacidad de filtrado

V

F( c) es definida como el cociente entre el volumen de filtrado

y el tiempo de un ciclo de filtración

F ( c )=

t ciclo . Esta es expresada como:

V (3.4 . 23) t ciclo

El tiempo de un ciclo es la suma del tiempo de filtración operación

(t)

más el tiempo de no

(t ´ ) , el cual incluye el tiempo de lavado (t L ) y un tiempo complementario

( t ¿ ) necesario para descargar, limpiar, montar y ajustar a la nueva a etapa de filtración, por la tanto el tiempo de ciclo

t c es expresado como:

t c =t+t ´=t +t L + t ¿ (3.4 .24) Condiciones Óptimas de filtración a Presión Constante Es evidente que durante los procesos de filtración a presión constante, el flujo de filtrado disminuye en cuanto el tiempo de filtración avanza. Por esta razón, habrá un tiempo en el cual continuar el proceso de filtración no será factible, por lo tanto este debe de ser buscado de manera optima. Este momento ocurre en el tiempo en el cual la capacidad de filtración es máxima.

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PROCESOS DE SEPARACIÓN I Las condiciones de filtración máxima deben ser obtenidas en función de la capacidad máxima de filtración. Por lo tanto:

dF( c) =0(3.4 .25) dV La cual es la condición máxima. Cuando la derivada de la capacidad de filtración con respecto al volumen de filtrado es equivalente a cero, es posible obtener el volumen optimo. Para el mismo caso, el tiempo de filtración óptimo puede ser obtenido si la función es derivada con respecto al tiempo. La diferencia esta basa en el hecho de que para el primer caso el tiempo deberá ser expresado como una función del volumen de filtrado, mientras que en el segundo caso, el volumen deberá ser expresado como una función del tiempo de filtración. Para un caso particular en cual el tiempo sin operación

t ´ , es un valor determinado, el

modo para obtener el óptimo valor es descrito a continuación. El tiempo de filtración es

una función del volumen de filtrado y puede ser obtenido por la ecuación ( 3.4 . 18). Para la siguiente ecuación

Kp =K 1 y B=K 2 . Por lo tanto 2

t=K 1 V 2+ K 2 V (3.4 . 26) De este modo, la capacidad de filtración puede ser expresada como:

F ( c )=

V (3.4 . 27) ( K 1 V + K 2 V ) +t ´ 2

La cantidad óptima puede ser encontrada derivando la expresión de la ecuación (27) e igualando a cero.

dF( c) d = dV dt

[

]

V =0 (3.4 . 28) ( K 1 V + K 2 V )+t ´ 2

De esta forma se obtiene la siguiente expresión: 2

t ´ =K 1 V (3.4 .29) Esta ecuación indica el tiempo sin operación requerido para obtener un volumen optimo de filtrado. Si tiempo sin operación es dado, el volumen de filtrado tiene una capacidad de filtración óptima expresada como:

V optimo=

√

t´ (3.4 . 30) K1

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33

PROCESOS DE SEPARACIÓN I El tiempo óptimo puede ser obtenido sustituyendo el valor del volumen en la ecuación (24)

t optimo=t ´ + K 2

√

t´ (3.4 .31) K1

V optimo

El método gráfico de Sbarbaugh permite obtener lo valores de

y

t optimo

por

medio de la curva, en la cual el volumen de filtrado es una función del tiempo como se

V optimo

muestra en la figura 1.26. Pata obtener marcada desde el punto ( t ´ , 0 ¿

y

t optimo , la tangente debe ser

hasta la curva de filtración. El punto de intersección

entre la tangente y la curva tiene como coordenadas los valores de

V optimo y t optimo .

Figura 3.27 Método gráfico para determinar las condiciones optimas de filtración

Ecuaciones para filtración continúa En filtros de operación continua como los de tambor rotatorio, la alimentación, el filtrado y la torta están sometidos a estado estacionario, esto es, las velocidades son continuas. En un tambor rotatorio, la caída de presión se mantiene constante durante la filtración. La formación de la torta implica un cambio continuo de las condiciones. En la filtración continua, la resistencia del medio filtrante suele ser despreciable en comparación con la de la torta. De esta forma, en la ecuación ( 3.4 . 13), con

B

= 0. Integrando la ecuación ( 3.4 . 13)

B=0 .

dt=K p V dV (3.4 .32)

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PROCESOS DE SEPARACIÓN I t

V

∫ dt=K p∫ V dV 0

0

2

t=K p V (3.4 .33) Donde

t

es el tiempo requerido para la formación de la torta. En un filtro de tambor

rotatorio, el tiempo de filtración

t

es inferior al del ciclo total

t c en una cantidad igual

a:

t=f t c (3.4 .34) Donde rotatorio,

f

es la fracción del ciclo usada para la formación de la torta. En el tambor

f

es la fracción de inmersión del tambor en la suspensión.

Sustituyendo las ecuaciones ( 3.4 . 14) y (34) en la (33)

velocidades de flujo=

[

2 f (−∆ p ) V = A tc t c μα C s

1 /2

]

(3.4 .35)

Si la resistencia específica de la torta varía con la presión, se necesita conocer las

constantes de la ecuación ( 3.4 . 11) para predecir el valor de a que se requiere en la ecuación (3.4.35). La comprobación experimental de la ecuación (30) indica que el flujo varía inversamente con la raíz cuadrada de la viscosidad y con el tiempo del ciclo. Cuando se usan tiempos de ciclo cortos en la filtración continua o la resistencia del medio de filtración es relativamente grande, se debe incluir el término de resistencia del filtro

B , y la ecuación (3.4.13) se convierte en K pV 2 t=t c f = +BV (3.4 .36) 2

Por lo tanto la ecuación (30) se transforma en

velocidades de flujo=

V = A tc

[

−R m R2m 2C s α (−∆ p ) f + 2+ tc μ tc tc

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α Cs

1 /2

]

(3.4 .37)

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PROCESOS DE SEPARACIÓN I

EJEMPLO DE APLICACIÓN 1.4 Filtración en un filtro continúo de tambor rotatorio Un filtro rotatorio de tambor al vacío que sumerge el 33% del tambor en la suspensión se va a utilizar para filtrar una suspensión de CaC0 3, como se vio en el ejemplo de aplicación 1 con una caída de presión de 67.0 kPa. La concentración de sólidos en la suspensión es

C x =0.191 kg de sólido /kg de suspensión

y

la

torta

del

filtro

es

tal

que

los

kg de torta húmeda /kg de torta seca=m=2.0 . La densidad y la viscosidad del filtrado se pueden suponer equivalentes a las del agua a 298.2 K. Calcule el área del filtro necesaria para filtrar 0.778 kg de suspensión/s. El tiempo de ciclo del filtro es de 250 s. La resistencia específica de la torta se puede representar como donde

−∆ p

α =( 4.37 x 109 ) ( ∆ p )

0.3

,

C x en m/kg.

se da en Pa y

Solución Se sabe que para el agua,

ρ=996.9 kg/m

3

y

−3

μ=0.8937 x 10 Pa∗s . A partir de la

ecuación (10) obtenemos que:

C s=

ρC x 996.6 ( 0.191 ) kg sólido = =308.1 3 1−mC x 1−( 2.0 )( 0.191 ) m filtrado 0.3

Despejando

α =( 4.37 x 109 ) ( 67.0 x 103 ) =1.225 x 1011

m kg . Para calcular la velocidad de

flujo de filtrado:

C V =0.778 x tc Cs

Kg de sólido 0.191 ( kg de suspensión ) V kg de suspensión =(0.778 ) 308.1 Kgde sólido t s c

(

m3 de filtrado

)

¿ 4.823 x 10−4 m3 de filtrado Al sustituir en la ecuación (26), al despreciar y hacer

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B=0

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y al resolver.

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PROCESOS DE SEPARACIÓN I

[

−4 2 ( 0.33 ) ( 67.0 x 103 ) V 4.823 x 10 = = At c A 250 ( 0.8937 x 10−3 ) ( 1.225 x 1011 ) ( 308.1 )

]

1 2

2

A=6.66 m

3.5 SELECCIÓN DE EQUIPOS Si el diseñador de un proceso que debe proporcionar la separación mecánica de los sólidos contenidos en un líquido ha decidido que la filtración es la forma de realizar el trabajo, debe tomar en cuenta el balance de las especificaciones y objetivos del proceso en relación con la capacidad y características de los deferentes medios filtrantes. Los factores importantes relacionados con el proceso son el carácter de la suspensión, la capacidad de producción, las condiciones del proceso, los requerimientos del funcionamiento y los materiales de construcción aceptables. Los factores fundamentales relacionados con el equipo son del tipo de ciclo, la fuerza impulsora, las velocidades de producción de las unidades más pequeñas y más grandes, el grado de la separación, la capacidad de lavado, la confiabilidad, los materiales adecuados de construcción y el costo. Dentro de la estimación del costo de equipo debe tomarse en cuenta los gastos de instalación, la vida útil del equipo, la mano de obra de operación, el mantenimiento, el reemplazo del medio filtrante y los costos asociados con la pérdida de rendimiento del producto si es que existe. No existen técnicas absolutas de selección de equipo para llegas a una elección óptima, debido a que están inmersos diversos factores, de los cuales muchos de ellos son difíciles de cuantificar y a veces no es raro que algunos sean contradictorios en sus demandas. Sin embargo, se disponen de algunas sugerencias generales para guiar a los ingenieros en la selección del equipo de filtración. Selección de equipo propuesta por Tiller En el siguiente diagrama se muestran los pasos a seguir en la solución de un problema de filtración y se basa en la premisa de que la velocidad de formación de la torta es el factor más importante para la selección del equipo.

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37

PROCESOS DE SEPARACIÓN I

Fig. 3.28 Modelo de decisión para la resolución de un problema de filtración propuesto por Tiller. Selección de equipo propuesta por Purchas Otra forma de seleccionar equipos es la propuesta por Purchas en el que utiliza criterios adicionales y se basa en una combinación de las especificaciones del proceso y los resultados de pruebas sencillas. La aplicación de esta propuesta está codificada por los siguientes diagramas (fig. 3.29, 3.30, 3.31) y los códigos resultantes se comparan en la tabla 3.28 para identificar los filtros posibles.

Fig. 3.29 Códigos para la especificación del problema

Fig. 3.30 Código de las características de filtración de una suspensión.

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38

PROCESOS DE SEPARACIÓN I

Fig. 3.31 Códigos de las características de sedimentación de la suspensión. La velocidad de crecimiento de la torta del filtro se determina por medio de las pruebas a pequeña escala, utilizando un filtro de hoja o embudo. Otros nuevos factores como la flexibilidad o la necesidad de una presión elevada pueden dictaminar la elección de un equipo. Para la velocidad de filtración se debe tomar en cuenta la presión de operación y el tamaño del filtro, por lo que las características de lavado y las pruebas a pequeña escala del filtro de lámina o la bomba de presión, entre otras, se deben interpretar para la reacomodación de los requerimientos de mano de obra, además del programa de mantenimiento para que la selección del equipo se haga de una manera óptima y eficaz.

Tabla 3.32 Clasificación de los filtros de acuerdo con el trabajo y las características de separación de la suspensión.

Precio de los filtros Al seleccionar los equipos de filtración uno de los factores importantes en la selección de un equipo es el coste total para realizar la separación. El precio de la operación comienza con la compra del filtro, posteriormente el costo de la estación de filtración va a incluir no sólo el gasto de instalación, sino el de todos los accesorios dedicados a la operación de filtración como por ejemplo, las bombas de alimentación y las instalaciones de almacenamiento, los tanques de precapa, los sistemas de vacío y los sistemas de aire comprimido. También hay que agregarle el costo de entrega de los accesorios más los gastos de instalación del filtro y los accesorios, además de la mano de obra local y las consideraciones específicas del lugar. Como ya se mencionó la instalación de un equipo de filtración presenta un costo elevado por lo que antes de hacer el procedimiento de comprar el equipo se debe realizar una consulta con los vendedores exponiendo las características de lo que deseamos separar para que nos puedan proporcionar un consejo a tiempo en las pruebas, selección y precio de cada filtro.

3.6 SEDIMENTACIÓN La sedimentación es la operación por la cual se remueven las partículas salidas de una suspensión mediante la fuerza de gravedad. Se puede dividir en las operaciones funcionales de espesamiento y clarificación. En el espesamiento su objetivo es UNIDAD IV SEPARACIÓN DE SOLIDOS

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39

PROCESOS DE SEPARACIÓN I incrementar la concentración de los sólidos en suspensión en la corriente de alimentación, mientras que en la clarificación su objetivo es eliminar una cantidad relativamente pequeña de partículas suspendidas y obtener un efluente claro. CLASIFICACIÓN DE SÓLIDOS SEDIMENTABLES La existencia de diferentes tipos de partículas en concentraciones distintas hace que sea necesario considerar tipos desiguales de sedimentación, de acuerdo con las características de las partículas en la suspensión. Estas propiedades ayudan a determinar el tipo de equipo con el que se logrará el objetivo de la forma más eficaz en la selección del equipo de sedimentación.

Fig. 3.33 Efecto combinado de la coherencia de las partículas y de la concentración de sólidos en las características de sedimentación de una suspensión.

En la figura 3.33 se muestra la relación existente entre la concentración de sólidos, la cohesión entre partículas y el tipo de sedimentación que puede darse. En las partículas totalmente discretas se encuentran muchas partículas minerales con diámetro superior a 20

μm como los cristales de sales y sustancias similares, cuya tendencia a la cohesión

es pequeña. Mientras que las partículas que floculan (diámetro menos a 20

μm ) son

los hidróxidos metálicos, muchos precipitados químicos y la mayor parte de sustancias orgánicas que nos sean los coloides verdaderos. A concentraciones bajas el tipo de sedimentación se conoce como asentamiento de partícula, las cuales están suficientemente apartadas para asentarse libremente. Por el contrario las partículas que se asientan con mayor rapidez pueden colisionar con las de sedimentación lenta y si no se adhieren continúan su descenso con su propia velocidad específica. Las partículas que no se adhieren forman flóculos de un diámetro mayor las cuales se podrán asentar a una velocidad más elevada que la de las partículas individuales. Hay una zona de transición gradual del asentamiento de las partículas al régimen de la zona de asentamiento, donde las partículas son forzadas a asentarse como una masa, donde la principal característica de esta zona es que la velocidad de asentamiento de la masa será una función de la concentración de sólidos. Por ultimo cuando la concentración de sólidos alcanza un nivel en el que el descenso de la partícula se ve restringido no sólo por las fuerzas hidrodinámicas, sino también, por el apoyo mecánico de las partículas que se encuentran abajo. Por lo tanto el peso de las UNIDAD IV SEPARACIÓN DE SOLIDOS

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PROCESOS DE SEPARACIÓN I partículas en contacto puede afectar a la velocidad de sedimentación de aquellas que están en los niveles más bajos. ESPESADORES La función principal de un espesador continuo es concentrar los sólidos en suspensión mediante asentamiento por gravedad, esto es para lograr un balance de materia en el régimen estacionario con extracción continua de sólidos. Normalmente se mantiene una cantidad de pulpa que permanecerá constante para poder conseguir la concentración deseada si la alimentación también se mantiene constante. Un espesador tiene varios componentes básicos como: un tanque para contener la suspensión, la tubería de alimentación y un pozo de alimentación para permitir a la corriente de alimentación entrar en el tanque, un mecanismos de rastrillos para llevar los sólidos concentrados a los puntos de extracción, un sistema de extracción de sólidos del efluente interior y un lavador de efluente superior.

Fig.3.34 Espesador con mecanismo soportado por puente.

Espesadores de alta velocidad Las sustancias floculantes son usadas comúnmente en los espesadores, lo que nos lleva a una clasificación de espesadores en convencionales o de alta velocidad, pero no existe gran diferencia entre los dos. La mayor velocidad esperada de un espesador de alta velocidad es debido al uso de un floculante para maximizar la carga. En la mayoría de las aplicaciones hay una dosis superior a la que empieza a producirse un incremento perceptible de capacidad. Este UNIDAD IV SEPARACIÓN DE SOLIDOS

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PROCESOS DE SEPARACIÓN I efecto sigue produciéndose hasta el límite en el cual la capacidad será máxima, a menos que admita una más baja concentración del efluente inferior. Debido a que la sustancia floculante es añadida al espesor por la línea de alimentación y por el pozo, hay diseños de pozos que se usan en estos espesadores para optimizar la floculación. Espesadores de alta densidad Los espesadores pueden ser diseñados para producir efluentes inferiores pero de una viscosidad alta aparente, permitiendo así la eliminación de precipitados de desecho a una concentración que evita la segregación de partículas finas y gruesas a la formación de una capa de líquido en la superficie del depósito. El mecanismo del espesor va a requerir un diseño especial de rastrillos y tendrá una capacidad de torsión 3 o 4 veces mayor que la normal para ese diámetro de partícula. El efluente inferior de lodos tendrá una concentración de sólidos de un 5 a un 10 por ciento más baja que el formado por una pasta filtrada a vacío del mismo material. CLARIFICADORES Los clarificadores continuos se emplean principalmente con suspensiones diluidas, como por ejemplo: corrientes de procesos industriales y residuos domésticos municipales. El principal objetivo de un clarificador es producir un efluente superior relativamente claro. Son idénticos a los espesadores en diseño y funcionamiento, excepto que los clarificadores emplean un mecanismo de construcción más ligera y un mecanismo de transmisión de impulso con menor capacidad de torsión. Esto es debido a que en la clarificación la pulpa producida es menor tanto en volumen como en concentración de sólidos suspendidos. Esto es debido al alto porcentaje de sólidos relativamente fino (de menos de 10

μm ), por lo tanto el costo de instalación de un clarificador es

aproximadamente de un 5 a un 10% inferior que el de un espesador de igual tamaño de tanque. Clarificadores rectangulares Son empleados principalmente en plantas de aguas municipales y de tratamiento de residuos, así como en plantas industriales y corrientes residuales. El mecanismo empleado consiste en una draga de arrastre tipo cadena, aunque para procesos ligeros se usan sistemas de succión. Donde la draga de arrastre mueve la pulpa depositada hacia una tolva de lodos por medio de raspadores que hay al final de las cadenas. Estos clarificadores están disponibles en anchuras de entre 2 y 10 m, la longitud es generalmente de 3 a 5 veces mayor que la anchura. Y los de mayor anchura tienen múltiples rasquetas, cada uno de ellos con un motor de impulsor individual. Los clarificadores rectangulares se utilizan en procesos de separaciones preliminares de aceite y agua en refinerías y en clarificación de corrientes residuales en fábricas siderúrgicas. La calidad (transparencia) del efluente obtenida en estos clarificadores no es tan bueno como en los clarificadores circulares debido principalmente a la reducción del perímetro de rebose por área equivalente.

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PROCESOS DE SEPARACIÓN I

Fig.3.35 Clarificador rectangular Clarificadores circulares Este clarificador está equipado con un dispositivo desnatador de superficie, que incluye un desnatador rotatorio, una placa desviadora de espuma y una caja recolectora de espuma. Estos clarificadores se aplican a tratamiento de aguas fecales y residuos orgánicos, en el que los clarificadores están provistos de rodillos de plástico e las cuchillas de raspado de los brazos de arrastre, debido a que es deseable que el fondo esté limpio para evitar la acumulación de sólidos orgánicos provocando malos olores y la flotación del material descompuesto. Estos clarificadores están disponibles como: de mecanismo soportado por puente, por columna central y de tracción periférica. El de mecanismos soportado por puente está limitado a tanques de diámetro menor de 20 m por motivos económicos.

Fig.3.36 Clarificador circular.

Clarificadores por contacto de sólidos Cuando sea deseable obtener en una sola operación el mezclado, la floculación y la sedimentación, todo se puede lograr en un solo tanque. Los más eficientes son los que utilizan mezclado mecánico. La figura 3.37 consta de una combinación de motor doble que mueve el mecanismo de arrastre con una velocidad muy baja, al mismo tiempo que hace girar una turbina de bajo esfuerzo cortante y alta velocidad de bombeo, ubicada en la parte superior del pozo central de reacción. Esta turbina gira a una velocidad mucho mayor. La entrada, con su dosis de productos químicos, se pone en contacto con los sólidos previamente UNIDAD IV SEPARACIÓN DE SOLIDOS

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PROCESOS DE SEPARACIÓN I sedimentados en un tubo de succión de recirculación, dentro del pozo de reacción, por medio de la acción de bombeo de la turbina, que da por resultado un mezclado total de estas corrientes. La mezcla sale del pozo de contacto y reacción y entra al área de clarificación, donde se sedimentan las partículas floculadas, que después son arrastradas hacia el centro para utilizarse de nuevo en el proceso de recirculación con una pequeña cantidad que se descarga a través de la bomba de sedimento. Los clarificadores por contacto de solidos presentan grandes ventajas en la clarificación de sedimentos o aguas turbias que requieren coagulación y floculación para eliminar las bacterias, los sólidos suspendidos o el color. Dentro de las aplicaciones incluyen el ablandamiento de agua mediante la adición de cal, la clarificación de las corrientes de los procesos industriales, las aguas negras y las aguas de residuos industriales, el tratamiento terciario para la eliminación de fosfatos y la turbiedad, así como la eliminación de sílice de las salmueras geotérmicas o de las aguas de superficie que se utilizan como de Fig.3.37 Clarificador-reactor del tipo de alta velocidad reposición en las torres de de contacto de sólidos. enfriamiento. TIPOS DE SEDIMENTACIÓN  SEDIMEN T ACIÓN TIPO 1 Se refiere a la sedimentación de partículas discretas, de aquellas que no cambian si forma, tamaño o peso a medida que se sedimentan, esto quiere decir que es una sedimentación libre no interferida. Cuando se coloca una partícula discreta en un fluido en reposo, la partícula se mueve verticalmente debido a la gravedad, esto es si su densidad difiere a la del fluido. Las partículas sedimentan como entidades individuales y no existe interacción sustancial con las partículas vecinas. En este caso, las propiedades físicas de las partículas (tamaño, forma, peso específico) no cambian durante el proceso. La deposición de arenas en los desarenadores es un ejemplo típico de sedimentación discreta. Las fuerzas verticales que actuarán sobre una partícula discreta en el agua serán: una fuerza vertical hacia abajo igual al peso de la partícula en el agua, W, y una fuerza vertical hacia arriba, F o fuerza de arrastre debido a la fricción. El peso de la partícula discreta en el agua es Fig.3.38 Sedimentación igual a: de la partícula discreta W =V ( ρs−ρ w ) g (3.6.1) en reposo. UNIDAD IV SEPARACIÓN DE SOLIDOS

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PROCESOS DE SEPARACIÓN I

Dónde: W=Peso de la partícula en el agua, N V= Volumen de la partícula, m3

ρs =Densidad de la partícula, Kg/m3 ρw =Densidad del agua, Kg/m3

g= Aceleración de la gravedad, 9.81m/s2 La fuerza vertical de arrastre o fricción es función de la rugosidad, de la forma, tamaño y velocidad de la partícula, así como de la densidad y viscosidad del agua. Empíricamente se ha encontrado que para partículas discretas:

F=

C A n ρw U 2 2

(3.6.2) Donde: F=Fuerza de arrastre vertical, N C= Coeficiente de arrastre de Newton, adimensional

A n = Área de la sección transversal de la partícula normal a la dirección de

asentamiento,

m2

U= Velocidad de asentamiento, m/s

ρw =Densidad del agua, Kg/m3

El valor del coeficiente de arrastre, C, es función del número de Reynolds:

N ℜ=

DU v

(3.6.3) Donde D= Diámetro de la partícula, m U= Velocidad de asentamiento, m/s v= Viscosidad cinemática, m2/s

Para partículas esféricas y

N ℜ