Operaciones de separación mecánica Filtración Operaciones de separación mecánica

FILTRACIÓN SEPARACIÓN SÓLIDO-FLUIDO CLASIFICACIÓN OPERACIÓN VACÍO AGUAS ABAJO PRESIÓN ATMOSFÉRICA SOBREPRESIÓN AGUAS ARRIBA PROCESO CONTINUO DISCONTINUO MECANISMO DE FILTRACIÓN CLARIFICANTES TORTAS

Filtración: es la separación de partículas sólidas a partir de un fluido, haciendo pasar el fluido a través de un medio filtrante sobre el que se depositan los sólidos. El fluido puede ser un liquido o un gas, y la corriente valiosa procedente de un filtro que puede ser el fluido, los sólidos o ambos productos. En algunos casos pueden carecer de valor ambas corrientes, como es el caso de la separación de sólidos residuales.

Puede existir un pretratamiento con el fin de aumentar la velocidad de filtración, como calentamiento, recristalización o adición de un coadyuvante de filtración. Los coadyuvantes son sustancias que disminuyen o aumentan la tensión superficial, cohesión o adhesión. Los coadyuvantes utilizados son celulosa, yeso y tierra de diatomeas.

Clasificación de los filtros de acuerdo a su operación Sobre presión aguas arriba Presión atmosférica aguas arriba Vacio aguas abajo

Aplicaciones de los filtros de sobrepresión aguas arriba Clarificadores de agua potable Tratamiento de aguas residuales Aguas madre con una gran cantidad de cristales Existen filtros de sobrepresión aguas arriba continuos e intermitentes

Los filtros se dividen en dos grandes grupos según su mecanismo: filtros clarificadores y filtros de torta. Los clarificadores retiran pequeñas cantidades de sólidos para producir un gas claro o líquidos transparentes, tales como bebidas. Los filtros de torta separan grandes cantidades de sólidos en forma de una torta de cristales o un lodo.

Filtros Clarificadores Las partículas son captadas por las fuerzas superficiales e inmovilizadas dentro de los canales de flujo. Aun cuando reducen el diámetro efectivo de los canales, normalmente, no llegan a bloquearlo completamente. En los filtros clarificadores las partículas del sólido son atrapadas en el interior del medio filtrante, en la cual no se observa ninguna capa de sólidos en la superficie.

Limpieza de gases: para la limpieza de gases se ocupan filtros de barras, de lechos granulares, de bolsas las telas utilizadas para realizar este tipo de filtros son manta o fieltro. El material filtrante puede estar seco o recubierto con un aceite viscoso para actuar como un retenedor de polvo. En ocasiones, el medio filtrante se desecha, pero en la limpieza de gases a gran escala con frecuencia se lavan y se vuelven a recubrir con aceite.

Clarificación de líquidos Filtro de cartucho: es utilizado para separar pequeñas cantidades de sólidos de los fluidos de proceso. El cartucho filtrante consiste en unos discos metálicos de 3 a 10 in de diámetro dispuestos en forma vertical dejando entre ellos espacios uniformes. Los discos están acoplados a un eje vertical hueco y recubiertos por una carcasa.

Mecanismo de torta del medio filtrante y quedan inmovilizadas, pero rápidamente empiezan a ser recogidas sobre la superficie del medio filtrante. Después de este breve período inicial la torta de sólidos es la que realiza la filtración. La torta se tiene que retirar periódicamente. El medio filtrante es delgado en comparación con el filtro clarificador. Al comienzo de la filtración algunas partículas sólidas entran en los poros

Filtros automáticos de prensa (discontinuo) Son utilizados para cuando se cuenta con sólidos muy finos o líquidos viscosos. Contienen un conjunto de placas en donde se encuentra el medio filtrante que forman cámaras donde se recogen los sólidos. La suspensión se introduce en cada compartimento bajo presión de 3-10 atm. El líquido pasa a través de la lona y sale a través de una tubería dejando detrás una torta húmeda de sólidos.

Filtro de carcasa y hojas (discontinuo) Trabaja a presiones superior que el filtro anterior Requiere memos mano de obra Sistema retráctil Requiere un lavo más eficaz de la torta Es utilizado para filtración con coadyuvantes

Filtro discontinuo de vacio (nutcha) Es usado para materiales corrosivos Requiere gran cantidad de mano de obra Aquí el líquido es succionado a través del medio filtrante en el cual se hace la torta. La torta es lavada y secada a presión

Filtro de tambor rotatorio (continuo de vacio) Es usado cuando se tiene un solución gelatinosa Gira a 0.1 a 2 rpm Tiene un grado de inmersión del 30% Suele usar un filtro de recubrimiento seco con diatomeas Para realizar la limpieza de la torta se lava y después es secada por aspiración

Filtro de cinta horizontal Es usado para soluciones que contienen partículas sólidad gruesas que sedimentan rapidamente Entre sus aplicaciones tenemos tratamiento de residuos y para verduras Se construyen en tamaños comprendidos entre 2 a 18 ft de ancho y 16 a 110 ft de largo

Medios filtrantes Los medios filtrantes deben cumplir con los sig. requerimientos: Ha de retener los sólidos a filtrar dando lugar a un filtrado razonablemente claro. No debe obstruirse o cegarse. Ha de ser química y físicamente resistente para soportar las condiciones del proceso. Ha de permitir que la torta formada se desprenda de una forma limpia y completa. No debe ser excesivamente caro.

Materiales de los cuales pueden estar hechos: USO LONA INDUSTRIAL LANA Y OTRAS TELAS SUSTANCIAS QUÍMICAS Y CORROSIVAS ACERO MONEL 67% Ni, Cu Y Fe SUSTANCIAS CORROSIVAS DRACÓN

Característica de los coadyuvantes Aumentan la rapidez de filtrado. Deben ser químicamente inertes. Para poder separar el coadyuvante de la torta, se elige un solvente. Puede ser agua, depende el coadyuvante.

Principales magnitudes de interés Magnitud: Tamaño de dimensiones Velocidad de filtración (flujo) Caída de presión

P L1 L2 La presión disminuye al chocar con la torta. La presión depende del espesor de la torta. ∆P= P1-P2 Hermans y Bradeé (1935) P= cte (d2t/dV2)= K1 (dt/dV)n V: volumen del liq. filtrado recogido durante el tiempo t. K1: cte. n: cte. (Fundamentos de filtración)

Fundamentos de filtración FILTROS MECANISMO DESCRIPCIÓN n CLARIFICACIÓN COLADO DIRECTO OBSTRUCCIÓN COMPLETA DE LOS POROS 2 BLOQUEO ESTÁNDAR BLOQUEO PARCIAL DE POROS 3/2 BLOQUE INTERMEDIO TRANSICIÓN ENTRE LA CLARIFICACIÓN Y LA TORTA 1 TORTA ------------ -------------

Grace, Poiseville (1928) V=cte [d(∆P)/dV]= K2(∆P) caída de presión a través del filtro q= q0(1-KsV)2 Tipos de clasificación estándar n=3/2 t/V= Ks t + (1/q0) q0= Velocidad volumétrica q= dV/dt t/V Ks= pendiente t

Caída de presión en serie Serie Presión y medio En t=0, r1 despreciable En t=1, r1 mucho mayor ∆P= Pa-Pb=(Pa-P’)+(P-Pb)= ∆Pc+∆Pm Pa= Presión interior Pb= Presión exterior P’=P. en el límite de separación entre el medio filtrante y la torta ∆P= Caída global de presión ∆Pc= Caída de presión en la torta ∆Pm= Caida de presión en el medio filtrante r1 r2

dP/dL= K3µƲ(1-ε)2(Sp/Ʋp) gcε3 Ʋ= Vel. De filtrado Sp= superficie de una partícula Ʋp= Vol. De una sola partícula ε= Valor que depende del material (porosidad) gc= Factor de proporcionalidad de Newton Cuando el tamaño y forma están definidos K3= 4.167 Ʋ= (dV/dt)/A P1 FILTRADO P’ p2 L Torta dl A= Área del medio filtrante

Ecuación empírica Resistencia de la torta α α=α0(∆P)S α0= cte. Depende del tipo de filtro (tablas) S= cte. Factor de compresibilidad Dependencia de α y ∆P: α independiente a ∆P  incompresible α dependiente de ∆P  compresible *Si S=0 no hay relación, es incomprensible S= + compresible, rango de (0.2-.8)

Aumenta la resistencia. La torta es compresible. log ∆P

Correlaciones matemáticas Filtración continua Cálculos con tambores rotativos: V/tA=[(2∆PgcCα/µt)+(Rm/t)2]1/2-(Rm/t) Cα V/t: Vel. De recolección de filtrado A: Área sumergida del filtro C: Masa de la partícula depositada en el filtro por unidad de volumen de filtrado µ: Viscosidad del filtrado gc: Factor de gravedad α: Resistencia de la torta Rm: Resistencia del medio filtrante T=ftc= f/n tc: tiempo de ciclo. Tiempo que dura un filtro en dar la vuelta f: Fracción de tambor sumergido n: Vel. De giro del tambor

Las tortas son delgadas en el filtro rotatorio. mc= c(V/t) mc: Vel. de producción de sólidos. Al aumental la vel. De giro del tambor, la filtración aumenta, y disminuye conforme el tiempo de ciclo. ∆P/α= (µc/tgc) (V/A)2 Las tortas son delgadas en el filtro rotatorio.

Lavado de tortas Para lavar el material soluble que pueda quedar retenido por la torta de filtración se utiliza un solvente miscible con el filtrado. Siendo el agua el líquido de lavado más habitual. Dos aspectos importantes en el diseño y operación de un filtro son la velocidad de flujo del líquido de lavado y el contenido de soluto en la torta hasta un grado deseado. Se mide la velocidad de filtrado Se mide la cantidad de agua para lavar la torta Cuando el agua no es suficiente, se utilizan solventes con diferentes polaridades NOTA: El lavado deberá interrumpirse cuando el valor del soluto no recuperado sea inferior al coste de su recuperación. (que sea más caro 3%, que dejar la torta)

a Flujo de Salida del b efluente c d t Segmento Tipo de lavado Descripción Observaciones ab Por desplazamiento (De primera etapa) Primera porción de líquido recuperado Método ideal para lavar una torta. Se puede recuperar hasta el 90% de soluto contenido en la torta bc De segunda etapa Rápido descenso de la concentración del efluente El volumen del líquido de lavado es del mismo orden de magnitud que el usado en la primera etapa cd De tercera etapa La concentración del soluto en el efluente es baja El resto del soluto es lentamente recuperado