ESCUELA TECNOLGICA UMAG

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Introduccin

En la filtracin, las partculas suspendidas en un fluido, ya sea liquido o gas, se separan mecnica o fsicamente usando un medio poroso que retiene las partculas en forma de fase separada que permite el paso del filtrado sin slidos. Las filtraciones comerciales cubren una amplia gama de aplicaciones.

El fluido puede ser un gas o un lquido. Las partculas slidas suspendidas pueden ser muy finas (del orden de micrmetros) o bastante grandes, muy rgidas o plsticas, esfricas o de forma muy irregular, agregados o partculas individuales. El producto valioso puede ser el filtrado sin solidos o la torta slida.

En algunos casos, se requiere una eliminacin completa de las partculas slidas y en otros, basta con una eliminacin parcial.

I. Preguntas Fcticas

a) Nombre los equipos de separacin:

Existen diversos mtodos para clasificar los equipos de filtracin 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 lquido transparente. En cualquier caso, la suspensin puede tener un personaje de slidos relativamente alto, lo que conduce a la formacin de una torta, o a tener muy pocas partculas en suspensin.Los filtros tambin se clasifican de acuerdo con un ciclo de operacin por lotes, cuando se extrae la torta despus de cierto tiempo, o de manera continua, cuando la torta se va extrayendo a medida que se forma. En otra clasificacin, los filtros pueden ser de gravedad, donde el lquido simplemente fluye debido a la presencia de una carga hidrosttica, o bien se puede usar presin o vaco para incrementar la velocidad de flujo. Un mtodo de clasificacin muy importante se basa en la colocacin mecnica del medio filtrante. La tela filtrante puede estar en serie, en forma de placas planas encerradas, como hojas individuales sumergidas en la suspensin, o sobre cilindros giratorios que penetran en la suspensin. Entre los ms importantes destacamos:

Lecho de Filtracin. Filtros prensas de placas y marcos. Filtro de hojas. Filtros rotatorios continuos: Filtro rotatorio contino de tambor al vaco. Filtro de disco rotatorio contino.

b) A qu se llama medio filtrante?

El medio para filtraciones industriales debe tener ciertas caractersticas. La primera y ms importantes que permita separar los slidos de la suspensin y producir un filtrado transparente. Adems, los poros no se deben obstruir con facilidad para que la velocidad del proceso no sea demasiado lenta. El medio filtrante debe permitir la extraccin de la torta sin dificultades ni perdidas. Obviamente, debe tener una resistencia suficiente para no rasgarse y no ser afectado por los productos qumicos presentes.

Algunos medios filtrantes de uso comn son telas gruesas de loneta o sargas, tejidos pesados, fibra de vidrio, papel, filtro de celulosa, telas metlicas, de lana, de nylon, de dacrn y otros tejidos sintticos. Las fibras de hilacha de materia naturales, son ms eficaces para partculas finas que las fibras plsticas o metlicas. Algunas veces, el filtrado sale un poco lechoso al principio, antes de que se depositen las primeras capas de partculas que ayudan al filtrado subsecuente. El filtrado se puede recircular para una nueva filtracin.

c) Indique las variables involucradas en la filtracin a travs de una torta.

Algunas variables en el proceso de filtracin son:

Presin: En trminos generales se prefiere una presin baja al inicio de operacin, especialmente cuando lo que se busca filtrar es un lecho con bajo contenido de slidos. Sin embargo, tambin depende del tipo de slido, por ejemplo al tratarse de granulares y cristalinos, un aumento de la presin conlleva a un aumento de la velocidad de flujo casi en forma proporcional.

Espesor de la torta: Este factor es imprescindible, ya que influye significativamente en la capacidad y diseo del filtro y en el ciclo de operacin. Idealmente, se busca una torta con una alta resistencia, incluso cuando el espesor sea delgado. Pese a ello, en trminos prcticos se prefiere una torta de espesor apreciable, la cual es ms viable a nivel econmico.

Viscosidad: El efecto de esta variable va acorde con la intuicin, en otras palabras, un fluido ms viscoso har de la filtracin un proceso ms lento y, por lo tanto, menos rentable. En consecuencia, se busca menguar este efecto realizndole una disolucin con un solvente de baja viscosidad, aunque es importante tener en cuenta si posteriormente habr la necesidad de una concentracin alta, en cuyo caso dicha dilucin dejara de ser tan factible, debido a que la economa de la filtracin se afectara de manera desfavorable (costo de reconcentracin).

Temperatura: Como se sabe, la viscosidad de los lquidos disminuye a medida que aumenta la temperatura. Por consiguiente, es de esperar que un aumento en dicha variable favorezca la velocidad de flujo, no obstante, siempre hay excepciones, en este caso los lodos comprensibles son afectados por la temperatura en formas ms complejas.

Tamao de las partculas: En este aspecto, lo ideal es tener partculas grandes, debido a que las pequeas producen una velocidad baja y humedad alta, aunque mejoran la eficiencia en el lavado. Para esto, hay mltiples tratamientos en los que se encuentran el control del bombeo y la agitacin junto con el pre tratamiento con electrolitos como sales, por medio de los cuales se busca evitar el rompimiento de partculas que llevan a la disminucin de tamao y encapsular las partculas finas que suelen escaparse del filtro, respectivamente.

d) Indique que formula sirve para calcular la resistencia de una torta.Para calcular laresistencia a la filtracin de la torta, suponiendo sta incompresible, se tiene la siguiente expresin:

Dnde: =es la porosidad =la superficie especificaEl gradiente de presin por unidad de altura de torta formada, L, se expresa a travs de laecuacin de Carman-Kozeny:

Donde;U=es la velocidad superficial del filtrado en un tiempo tU se calcula con la sig. Ecuacin:

Donde;V= es el volumen de filtrado recogido para un tiempo tA medida que transcurre la filtracin se van acumulando las partculas que forman un determinadovolumen de torta, que se puede determinar por medio del parmetro:

Este parmetro representa el volumen de torta formado en el paso de una unidad de filtrado. Reemplazando en la ecuacin del gradiente se obtiene la siguiente expresin:

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

dondeJes la fraccin msica de slidos en la suspensin original.Otro parmetro muy empleado es la masa de torta seca por unidad de volumen de filtrado:

Dondemes la masa de torta hmeda por unidad de masa de slidos secos contenidos en ella.Si se incluye laresistencia del medio filtrante, sta se suele expresar como una altura de torta equivalente:

Este volumen equivalente,Veq, es el volumen de filtrado necesario para crear una altura de tortaLeqy depende nicamente de las propiedades de la suspensin y del medio filtrante.Si se combinan las dos resistencias sealadas se tiene unaecuacin generala partir de la cual se obtienen las ecuaciones de diseo para los distintos tipos de filtracin:

e) En que consiste el filtrado de prensa de placas.Uno de los tipos de filtros ms importantes es el filtro prensa de placas y marcos, que se muestra en la figura1. Estos filtros consisten de placas y marcos alternados con una tela filtrante a cada lado de las placas. Las placas tienen incisiones con forma de canales para drenar el filtrado en cada placa. La suspensin de alimentacin se bombea en la prensa y fluye a travs del conducto al interior de cada uno de los marcos abiertos, de manera que va llenando los espacios vacos. El filtrado fluye entre la tela filtrante y la superficie de la placa, a travs de los canales y hacia el exterior, mientras los slidos se acumulan como torta en los marcos.La filtracin contina hasta que los marcos quedan completamente llenos de slidos. En la figura 1, todas las salidas de descarga comunican a un cabezal comn. En muchos casos, el filtro prensa tiene una descarga abierta individual para cada marco, que permite una inspeccin visual para verificar la transparencia del lquido filtrado. Si una de las salidas descarga lquido turbio debido a una perforacin de la tela o a otras causas, se puede cerrar por separado y continuar con la operacin. Cuando los espacios estn totalmente llenos, las placas y los marcos se separan y se extraen las tortas. Despus se vuelve a armar el filtro y se repite el ciclo.Si se desea lavar la torta, esta se deja en los marcos y se procede a un lavado transversal, como se muestra en la figura 2. En este tipo de prensa existe un canal aparte para la entrada del aguade lavado, que penetra a la unidad y a las placas a travs de aberturas situadas detrs de las telas filtrantes, en placas alternadas. El agua de lavado fluye a travs de la tela, pasa por la totalidad de la torta (no por una mitad, como en la filtracin), a travs de la tela filtrante, del otro lado de los marcos, y por ltimo, pasa al canal de descarga. Ntese que la figura 2 ilustra dos tipos de placas: la que tienen conductos para admitir el agua por detrs de la tela filtrante, y las que estn alternadas con las anteriores y carecen de dichos conductos.Las prensas de placas y marcos presentan los inconvenientes comunes a todos los procesos por lotes. El costo de mano de obra para extraer las tortas y volver a ensamblar la unidad, ms los costos fijos por tiempos muertos, pueden constituir una porcin muy elevada de los costos totales de operacin. Algunos modelos modernos de prensas de placas y marcos tienen un juego duplicado de marcos montados en un eje giratorio. Mientras se usa la mitad de los marcos, la otra mitad se descarga y se limpia, lo que reduce los costos de mano de obra. Existen tambin sistemas automatizados que se han aplicado a estos tipos de filtros.Los filtros prensa se usan en los procesos por lotes pero no se pueden emplear para procesos de alto rendimiento. Se manejan con facilidad, son verstiles y de operacin flexible y se pueden utilizar a altas presiones si es necesario, con soluciones viscosas o cuando la torta de filtro tiene una gran resistencia.

Figura 1

Figura 2

II. Preguntas de Aplicacin

a) Mencione las consideraciones bsicas para elegir un medio filtrante.

La eleccin del medio de filtracin es, con frecuencia, la consideracin, ms importante para asegurar el funcionamiento satisfactorio de un filtro. Para la filtracin de la torta, la seleccin del medio filtrante incluye la optimizacin de los siguientes factores: Capacidad de detener los slidos sobre sus poros con cierta rapidez, despus de que se inicie la alimentacin (esto es propensin mnima a ser purgados). Baja velocidad de arrastre de slidos hacia el interior de sus intersticios (esto es propensin mnima a los atascamientos). Resistencia mnima a la corriente de filtrado (es decir elevada velocidad de produccin). Resistencia a los ataques qumicos. Suficiente resistencia para soportar la presin de filtracin. Resistencia aceptable al desgaste mecnico. Capacidad de descarga de la torta con facilidad y limpieza. Capacidad de adaptacin mecnica al tipo de filtro en el que se utilizara. Costo mnimo.

En la seleccin del medio filtrante se incluyen innumerables tipos de telas, tejidos de fibras, fieltro o fibras no tejidas, slidos porosos o sinterizados, membranas polimricas o slidos particulados en forma de lecho permeable. Todos los medios filtrantes se encuentran disponibles en una gran variedad de materiales.

Tela de fibras tejidas: Para la filtracin de torta estas telas son el tipo ms usual como medio filtrante. Existe una gran variedad de materiales, los ms usados los podemos encontrar en tablas con sus factores de resistencia qumica y temperatura. Aparte del material de las fibras, ciertas caractersticas de construccin describen la tela filtrante: tejido, estilo, peso, cuenta, pliegues, y el nmero de hilos. De los muchos tipos de tejidos disponibles, solo cuatro son los ms utilizados como medio filtrante: lisos, sarga, tejido, de cadena y satn.Todos estos tejidos se pueden confeccionar a partir de cualquier fibra textil, natural o sinttica. Se pueden tejer con hilos multifilamento o monofilamento continuo. La capacidad y el desempeo de la tela para filtros dependen del tipo de hilo.Un reciente desarrollo conocido como doble capa incorpora diferentes tramas en los tejidos, permitiendo la combinacin de las distintas propiedades de cada uno de los materiales.

Telas metlicas o tamices: existen en diferentes tipos de tejidos en nquel, cobre, latn, bronce, aluminio, acero inoxidable, monel y otras aleaciones. En los tejidos lisos, el espaciado ms pequeo entre los hilos es el de 400 mallas, lo cual limita el empleo de este tipo de tejido a las suspensiones de pulpa, las suspensiones cristalinas gruesas, entre otras. Los denominados (tejidos holandeses) emplean hilos o alambres largos y rectos, relativamente anchos, que permiten un espaciado recto y consiguen un entramado denso y son un buen medio para filtracin de suspensiones de pulpas y de cristales de pequeas dimensiones. Sin embargo, este tipo de tejido tiende a atascarse con facilidad cuando se utiliza para partculas amorfas y poco rugosas, debiendo recurrir a otro tipo de tamiz.

Papeles de filtro: Estos presentan una gama de permeabilidad, espesores y resistencias. Como estos materiales poseen baja resistencia, requieren la colocacin de una placa como soporte.

Medios porosos rgidos: Estos medios se encuentran disponibles como hojas, placas o tubos. Los materiales para su construccin incluyen acero inoxidable sintetizado y otros metales, grafito, oxido de aluminio, slice, porcelana, y algunos plsticos, gama que permite un amplio intervalo de resistencia a la temperatura y a los productos qumicos. La mayor parte de las aplicaciones son para la clarificacin.

Membranas polimricas: Estas membranas se utilizan en las aplicaciones de filtracin para la separacin de partculas finas tales como microfiltracin y ultrafiltracin (la clarificacin incluye la eliminacin de partculas de 1 y menores). Las membranas se fabrican con diferentes materiales y los ms comunes son los acetatos de celulosa y las poliamidas).Los medios filtrantes tanto tejidos como no tejidos pueden ser recubiertos con una pelcula de un polmero, tal como el Primapor, realizado por SCAPA Filtration, y Goretex, realizado por W.L. Gore y asociados, combinando la alta capacidad de retencin caracterstica de una membrana con la resistencia y duracin de un tejido grueso. Estos tipos son usados tanto en operaciones de filtracin continuas e intermitentes en las que se necesita una excelente calidad de filtrado.

Lechos granulares de partculas slidas: Los lechos con slidos, como por ejemplo, arena o carbn, se utilizan como medio filtrante para la clarificacin de agua o soluciones qumicas que contienen pequeas cantidades de partculas en suspensin. Se pueden adquirir grnulos para filtros con el dimetro de partcula deseado. Con frecuencia, los lechos estn constituidos por distintas capas de diferentes materiales y de diferentes tamaos de partculas.

Ayudas de Filtracin: En algunos casos se usan ayudas de filtracin para acelerar el proceso. Por lo general, son tierras diatomceas o kieselguhr, que estn constituidos principalmente por slice no comprensible. Tambin se usa celulosa de madera, asbesto y otros solidos porosos inertes.Estas ayudas de filtracin se pueden usar de diferentes maneras; por ejemplo como recubrimiento previo antes de filtrarla suspensin, el cual impide que los slidos de tipo gelatinoso obstruyan el medio filtrante y permite obtener un filtrado ms transparente. Tambin se puede aadir a la suspensin antes de la filtracin. Esto aumenta la porosidad de la torta y reduce su resistencia durante el proceso. En un filtro rotatorio, la ayuda de filtracin se puede aplicar como recubrimiento previo y durante la operacin se desprende junto con la torta.El uso de ayudas de filtracin suele estar limitado a los casos en que la torta es el material que se descarta, o cuando el precipitado se puede separar de ellas por medios qumicos.

b) Por qu es importante obtener el factor de compresibilidad?En las tortas obtenidas por filtracin, la resistencia especifica de esta varia con la cada de presin producida a medida que esta se deposita; esto se explica porque la torta se va haciendo ms densa a medida que la presin se hace mayor y dispone por ello de menos pasadizos con un tamao menor para que pase el flujo. Este fenmeno se conoce como compresibilidad de la torta.Tortas muy compresibles sern aquellas que derivan de sus sustancias blandas y floculentas, en contraste con sustancias duras y granulares, como el azcar y los cristales de sal, que se ven muy poco afectados por la presin (la velocidad es independiente de la presin).

c) Un filtro de marcos y placas filtra unos lodos dando 8 m3 de filtrado en 24 minutos y 11 m3 en 45 minutos, despus el filtro estaba lleno y la filtracin se par. Estimar el tiempo de lavado de la torta usando 5 m3 de agua si la presin de lavado es la misma que la usada durante la filtracin. Suponer que todas las operaciones tienen lugar a presin constante.

= =

III. Pregunta Creativa

a) De un ejemplo de uso de un filtro de prensa que no sea de alimentos. Descrbalo. Se emplean los filtros prensa en lafiltracin de fangos urbanos(verfigura). El acondicionamiento se realiza con cal y cloruro frrico que mejora el espesamiento. Se consiguen humedades residuales del 50%.

1.- Espesador.2.- Dosificador de cal.3.- Deposito de reaccin.4.- Dosificacin de cloruro frrico.5.- deposito intermedio.6.- Bomba de pistn y membrana.7.- Filtro prensa.

Separacin mecnica solido-liquidoPgina 6