Filtración

Contenido1. ¿Qué se entiende por Filtración?2. Elementos que intervienen en la Filtración3. Mecanismos de Filtración

3.1 Filtración de lecho profundo• Abiertos (gravedad)• Cerrados (presión)

3.2 Filtración por membranas• Microfiltración y ultrafiltración• Nanofiltración y osmosis inversa

3.3 Filtración con formación de torta• Operación discontinua (lotes)• Operación continua

Contenido4. Filtros en Puerto Patache

I. Filtro de Discos (FISEMO)II. Filtros de Prensa (Conc. Cobre)III. Filtros de Arena (Planta de Riles)IV. Filtros de Carbón (Planta de Riles)V. Microfiltros (Planta de Riles)VI. Ultrafiltración (Planta de Riles)VII. Osmosis Inversa (Planta de Riles)

Filtro Prensa• ¿Qué es el secado por aire comprimido?

I. Curva de secadoII. Curva de filtraciónIII. Curva de trabajo

• ¿Cómo funciona un filtro a presión CMDIC?• Ciclos de secado

– Filtración– Compresión– Secado por aire– Descarga de queque– Lavado de telas

• Características técnicas del filtro prensa CMDIC– Nomenclatura – Datos sobre cámaras– Descripción del equipo– Cálculos asociados a la operación

• Etapas de operación• Variables operacionales del proceso de filtración

¿Qué se entiende por Filtración?

• La filtración es un método de separación de mezclas heterogéneas en base a fuerzas físico - mecánicas. La mezcla se hace pasar por un medio filtrante, o filtro, que permite el paso del líquido, pero retiene las partículas sólidas.

• Las partículas sólidas suspendidas pueden ser muy finas (del orden de micrómetros) o bastante grandes, muy rígidas o plásticas, esféricas o de forma muy irregular, agregados o partículas individuales. El producto valioso puede ser el filtrado sin sólidos o la torta sólida. En algunos casos, se requiere una eliminación completa de las partículas sólidas y en otros, basta con una eliminación parcial.

Elementos que intervienen en la Filtración

• Fluido con sólidos en suspensión• Medio filtrante• Fuerza (diferencia de presión que obligue al fluido a avanzar)• Dispositivo mecánico, llamado filtro que sostiene el medio filtrante,

contiene el fluido y permite la aplicación de la fuerza.

Medio Filtrante• Los medios filtrantes se pueden clasificar en dos tipos:

– Los que actúan formando una barrera delgada que permite el paso sólo del fluido y no de las partículas sólidas en suspensión en él. Aquí se encuentran los filtros de tela, los de criba y el papel de filtro común de los laboratorios.

– Los que actúan formando una barrera gruesa al paso del fluido. Aquí se encuentran los filtros de lecho de arena, los de cama de coque, de cerámica porosa, metal poroso y los de pre capa empleados en ciertas filtraciones industriales que contienen precipitados gelatinosos.

• Un medio filtrante delgado ofrece una barrera en la que los poros son más pequeños que las partículas en suspensión, que son separadas del fluido y retenidas en el filtro.

Medio Filtrante• En los medios filtrantes gruesos los poros pueden ser más gruesos que las

partículas que se van a separar, las cuales pueden acompañar al fluido alguna distancia a través del medio, pero son retenidas más pronto o más tarde por el medio filtrante en los finos intersticios que existen entre las partículas que lo constituyen. El medio filtrante acaba cegándose por las partículas acumuladas; se debe entonces lavar con fluido claro para limpiarlo y permitir que siga la filtración. Los medios filtrantes delgados también pueden cegarse cuando por ellos se filtran líquidos gelatinosos o que contienen partículas blandas y elásticas en suspensión.

• Como medios filtrantes, para temperaturas menores de 100º C, se emplean filtros de algodón o lana; ciertas fibras sintéticas hasta los 150º C; vidrio y amianto o sus mezclas hasta 350º C. Para temperaturas muy altas se usan mallas metálicas elementos porosos cerámicos, de acero inoxidable.

Fuerza de Filtración• El fluido atravesará el medio filtrante sólo cuando se le aplique una fuerza,

que puede ser causada por la gravedad, la centrifugación, la aplicación de una presión sobre el fluido por encima del filtro, o de un vacío debajo del mismo o por una combinación de estas.

Mecanismos de filtración• Existen diversos métodos para clasificar los

equipos de filtración y no es posible establecer un sistema simple que incluya a todos ellos. En una de las agrupaciones, los filtros se clasifican dependiendo de que la torta de filtrado sea el producto deseado o bien el líquido transparente. En cualquier caso, la suspensión puede tener un porcentaje de sólidos relativamente alto, lo que conduce a la formación de una torta, o a tener muy pocas partículas en suspensión.

• Los filtros también se clasifican de acuerdo con su ciclo de operación: por lotes, cuando se extrae la torta después de cierto tiempo, o de manera continua, cuando la torta se va extrayendo a medida que se forma.

Mecanismos de filtración• En otra clasificación, los filtros pueden

ser de gravedad, donde el líquido simplemente fluye debido a la presencia de una carga hidrostática, o bien se puede usar presión o vacío para incrementar la velocidad de flujo. Un método de clasificación muy importante se basa en la colocación mecánica del medio filtrante. La tela filtrante puede estar en serie, en forma de placas planas encerradas, como hojas individuales sumergidas en la suspensión, o sobre cilindros giratorios que penetran en la suspensión.

Mecanismos de filtración• Los tres tipos de mecanismos de filtración son:

– Filtración de lecho profundo• Abiertos (gravedad)• Cerrados (presión)

– Filtración por membranas• Microfiltración y ultrafiltración• Nanofiltración y osmosis inversa

– Filtración con formación de torta• Operación discontinua (lotes)• Operación continua

Filtración de lecho profundo• Los filtros de lecho profundo se

denominan también filtros clarificadores ya que las partículas del sólido son atrapadas en el interior del medio filtrante, no observándose, en general, una capa de sólidos sobre la superficie del medio filtrante. La clarificación difiere del tamizado en que los poros del medio filtrante son de un diámetro mucho mayor que el de las partículas retenidas.

• 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.

Filtración de lecho profundoFiltros abiertos• La mayor parte de las instalaciones

de filtración destinadas al abastecimiento de agua potable, así como numerosas instalaciones de clarificación de aguas industriales o residuales de gran caudal, utilizan filtros abiertos, generalmente de hormigón.

• Los filtros abiertos funcionan generalmente a velocidades de filtración entre 4 y 20 m/h. Los factores que determinan la velocidad de filtración son la composición y espesor del medio filtrante, en conjunto con la altura de agua sobre el lecho filtrante

1. Arena; 2. Fondo falso ; 3.Boquillas; 4. Entrada de agua ; 5. Canal de distribución de aire y agua de lavado y de salida de agua filtrada 7.Canales de evacuación de fangos.

Filtración de lecho profundoFiltros cerrados• Para lograr una capacidad de

trabajo elevada, el lecho filtrante puede instalarse en un recipiente cerrado y actuar bajo presión. El proceso de filtración transcurre hasta que la caída de presión sobrepasa un límite pre-establecido (del orden de 3 a 5 psig). En este momento, se procede con la etapa de limpieza del filtro, lo cual se realiza con un flujo de agua en sentido contrario al de filtración.

Filtración de lecho profundoFiltros cerrados• Para cada lecho particular existe una velocidad definida, a la cual el agua

de lavado comienza a fluidizar el lecho, liberando las partículas atrapadas. La capacidad efectiva media puede llegar a ser incluso menor al 50 % del valor determinado para el filtro inicialmente limpio. En las instalaciones de funcionamiento continuo se utiliza un cierto número de lechos de filtración, estableciéndose turnos para el lavado de cada uno de ellos.

• En todos los casos, el material de relleno grueso se dispone sobre el fondo perforado para que sirva de soporte a los materiales más finos. Los diferentes tamaños de materiales deberán disponerse en capas, de modo que partículas de tamaños distintos no se mezclen.

Filtración por membranas• Aquí trataremos de las técnicas en las cuales la transferencia de materia se

produce bajo el efecto de un gradiente de presión. Se trata de la Microfiltración, de la Ultrafiltración, de la Nanofiltración y de la Osmosis Inversa. La microfiltración y la ósmosis inversa fueron las primeras técnicas desarrolladas a nivel industrial con membranas artificiales. La ultrafiltración y luego la nanofiltración se desarrollaron gracias a los adelantos recientes en la fabricación de nuevas membranas.

• Estas cuatro técnicas se llevan a cabo en un modo de filtración tangencial, es decir, cuando el líquido a filtrar circula de manera permanente y con cierta velocidad a lo largo de la superficie de la membrana. La velocidad de circulación es por lo tanto, junto con la presión a través de la membrana, uno de los dos parámetros importantes en la operación de una planta de filtración por membrana.

Filtración por membranasPrincipio de la filtración tangencial

• La filtración tangencial permite evitar la acumulación de materia (torta en la superficie de la membrana).

• El propósito principal de esas técnicas de filtración de líquido es separar las especies en función de sus tamaños. Esas especies pueden estar en suspensión, o bien sea en solución en el líquido a tratar.

Filtración por membranas• Las distintas tecnologías de membrana se diferencian fundamentalmente

en el rango de filtración. En la figura siguiente se muestras los rangos de filtración de las distintas tecnologías y se comparan con compuestos habituales:

Filtración por membranas• Las tecnologías de filtración se diferencian, por tanto, por el nivel de

retención y por los compuestos que dejan pasar y aparecen en la corriente producto, tal y como puede verse en la siguiente figura:

Filtración por membranasMicrofiltración y ultrafiltración• La Microfiltración (MF) y la Ultrafiltración (UF) son tecnologías que se

diferencian únicamente en el nivel de retención de partículas, siendo las membranas, los equipos utilizados y su funcionamiento muy similares.

MF UF

Filtración por membranasMicrofiltración y ultrafiltración• Un sistema de MF/UF incluye los siguientes elementos:

– Módulos funcionales. La disposición más habitual de la MF/UF consiste en módulos o tubos de presión en cuyo interior se alojan las membranas. Los tubos pueden disponerse tanto horizontal como verticalmente (cuando la limpieza se realiza con aire).

– Equipo de bombeo.– Sistema de contralavado, que puede ser de aire, agua o mixto.– Sistema de almacenamiento y dosificación de reactivos para la

limpieza química de las membranas.– Sistema de almacenamiento y dosificación de coagulante y/o

floculante, que en determinadas situaciones pueden utilizarse para optimizar la separación de sólidos.

Filtración por membranasMicrofiltración y ultrafiltración• En toda instalación de MF/UF se busca el máximo rendimiento global de

producción de permeado. No obstante los parámetros de funcionamiento que pueden proporcionar un caudal máximo de permeado también pueden afectar negativamente a la continuidad del proceso. Por ejemplo, un exceso de presión transmembrana aumenta puntualmente la producción de permeado pero favorece el ensuciamiento de las membranas. Por este motivo es necesario estudiar en cada caso la combinación de variables con un resultado más efectivo en el tiempo.

• Con el fin de eliminar las partículas que van quedando retenidas en la superficie del filtro y evitar la colmatación del mismo es necesario realizar lavados periódicos:– Retrolavados con agua o con agua/aire: consiste en el lavado de las

membranas a contracorriente. Se llevan a cabo de manera automática y son muy frecuentes.

Filtración por membranasMicrofiltración y ultrafiltración

– Lavados químicos: después de un número de horas de funcionamiento de la filtración, variable según las condiciones de trabajo, las membranas llegan a un grado de colmatación elevado y el caudal de permeado disminuye a valores inferiores a la producción mínima aceptable. El retrolavado ya no es suficiente para mantener el sistema en valores de caudal medio. Cuando esto ocurre, la filtración es detenida y se procede a efectuar un lavado intenso de las membranas, que consiste en vaciar el circuito y cargarlo nuevamente con solución de reactivo en recirculación (aproximadamente 1 h).

– El tipo de reactivo a utilizar varía en función de las aguas, si bien los más usados son: ácidos fuertes o débiles, álcalis fuertes, oxidantes fuertes y desengrasantes.

Filtración por membranasNanofiltración y Osmosis inversa• Funcionalmente, la Nanofiltración es muy similar a la ósmosis inversa. La

única diferencia entre estas dos tecnologías es el rango de separación: la Nanofiltración es capaz de separar iones multivalentes pero no monovalentes, mientras que la ósmosis inversa retiene ambos.

Filtración por membranasOsmosis inversa

Filtración con formación de torta • En este mecanismo de filtración el medio filtrante es relativamente

delgado en comparación con el filtro clarificador. Al comienzo de la filtración algunas partículas sólidas entran en los poros 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 y no el medio filtrante. Sobre la superficie se forma una visible torta de espesor apreciable que es preciso retirar periódicamente.

• Los filtros de torta se utilizan casi siempre para separaciones sólido -líquido. Como en el caso de otros filtros, pueden operar con presión superior a la atmósfera aguas arriba del medio filtrante o con vacío aplicado aguas abajo.

• En este grupo se diferencian dos tipos, de operación discontinua (lotes) y operación continua.

Filtración con formación de tortaFiltro prensa discontinuo• Un filtro prensa contiene un conjunto de placas diseñadas para

proporcionar una serie de cámaras o compartimentos en los que se pueden recoger los sólidos. Las placas se recubren con un medio filtrante tal como una lona. La suspensión se introduce en cada compartimento bajo presión; el líquido pasa a través de la lona y sale a través de una tubería dejando detrás una torta húmeda de sólidos. Las placas de un filtro prensa pueden ser cuadradas o circulares, verticales u horizontales. Lo más frecuente es que los compartimentos para sólidos estén formados por huecos en las caras de placas de polipropileno moldeado.

• En otros diseños el filtro está formado por placas y marcos, donde placas cuadradas de 6 a 78 pulg de lado alternan marcos abiertos. Las placas tienen un espesor de 1/4 a 2 pulg mientras que el de los marcos es de 1/8 a 8 pulg. Las placas y los marcos se sitúan verticalmente en un bastidor metálico, con telas cubriendo las caras de cada marco, y se acoplan estrechamente entre sí por medio de un tornillo o una prensa hidráulica.

Filtración con formación de tortaFiltro prensa discontinuo• La suspensión entra por un extremo del ensamblaje de placas y marcos. Pasa a

través de un canal que recorre longitudinalmente el ensamblaje por una de las esquinas de las placas y marcos. También existen canales auxiliares para llevar la suspensión desde el canal de entrada hasta cada una de las placas. Los sólidos se depositan sobre la tela (medio filtrante) que recubren las caras de las placas. El líquido pasa a través de las telas, desciende por las canaladuras de las caras de las placas y sale del filtro prensa.

• Una vez instalado el filtro prensa, se introduce la suspensión por medio de una bomba a una presión de 3 a 10 atm. La filtración continúa hasta que ya no sale líquido por el tubo de descarga o bien aumenta bruscamente la presión de filtración. Esto ocurre cuando las placas se llenan de sólido y ya no puede entrar más suspensión. Se puede entonces pasar líquido de lavado para eliminar las impurezas solubles contenidas en los sólidos, y a continuación insuflar aire o vapor de agua para desplazar la mayor parte de líquido residual. Se abre entonces la prensa y se retira la torta de sólidos, pasándola a un transportador o a un depósito de almacenamiento. En muchos filtros prensa estas operaciones se realizan automáticamente.

Filtración con formación de tortaFiltro prensa discontinuo

Filtración con formación de tortaFiltros continuos de vacio• En todos los filtros continuos de vacío el líquido es succionado a través de

un medio filtrante sobre el que se deposita una torta de sólidos. La torta se aleja de la zona de filtración, se lava, se seca por aspiración y se descarga del medio filtrante para reiniciar el ciclo con la entrada de suspensión.

• En todo momento una parte del medio filtrante se encuentra en la zona de filtración, otra parte en la zona de lavado y otra en la etapa de descarga de sólidos, de forma que la salida de líquido y de sólido se realiza ininterrumpidamente.

• La presión diferencial a través del medio filtrante de un filtro de vacío continuo no es elevada y normalmente está comprendida entre 10 y 20 pulg Hg (0,35-0.70 atm).

Filtración con formación de tortaFiltros continuos de vacio• Los distintos diseños de filtros difieren en la forma en la que se introduce

la suspensión, la forma de la superficie filtrante y la manera en la que se descargan los sólidos. Sin embargo, la mayor parte de ellos aplican vacío desde una fuente estacionaria para accionar las partes de la unidad por medio de una válvula rotatoria.

• Entre los filtros continuos de vacio se destacan tres equipos:– Filtro de tambor rotatorio– Filtro de cinta horizontal– Filtro de discos

Filtración con formación de tortaFiltros continuos de vacio

• La mayoría de los filtros industriales son filtros de presión o de vacío. Pueden ser también continuos o discontinuos, dependiendo de que la descarga de los sólidos filtrados se realice de forma continua o intermitente. Durante buena parte del ciclo de operación de un filtro discontinuo el flujo del fluido a través del mismo es continuo, habiéndose de interrumpirse periódicamente para permitir la descarga de los sólidos acumulados. En un filtro continuo la descarga de los sólidos y del fluido se realiza de forma ininterrumpida mientras el equipo se encuentra en operación.

• La alimentación o suspensión de entrada puede contener una gran carga de partículas sólidas o una proporción baja. Cuando la concentración es mínima, los filtros operan por tiempos muy largos, antes de que sea necesario limpiar el medio filtrante. Debido a la gran diversidad de problemas de filtración, se ha desarrollado un enorme número de equipos de filtración.