2012 OPERACIONES UNTARIAS
Arrieta Oscar, Díaz Cesar, Herrera Arbey, Martínez Edwin
[FILTRACIÓN] FILTRACIÓN] La filtración es una de las operaciones unitarias más conocidas y con cierta frecuencia no posee ninguna dificultad, principalmente cuando no requiere demasiada exigencia la calidad de la separación que con ella se realiza, y no existe limitaciones de tiempo en completarla completarla
ESTUDIO DE LA FILTRACIÓN. FILT RACIÓN. STUDY FILTRATION (Arrieta Oscar, Díaz Cesar, Herrera Arbey, Martínez Edwin) Estudiantes de Operaciones Operaciones Unitarias I, Programa Programa de ingeniería ingeniería de Alimentos, Universidad Universidad de Córdoba 2012 Recibe: Ing. Leonardo Miranda
RESUMEN La filtración es una de las operaciones unitarias más conocidas y con cierta frecuencia no posee ninguna dificultad, principalmente cuando no requiere demasiada exigencia la calidad de la separación que con ella se realiza, y no existe limitaciones de tiempo en completarla. Sin embargo cuando se hacer análisis especiales ya sea por baja de tolerancia admitida en cuando al pasaje de partículas en suspensión, a la velocidad que se necesita en la operación o por el tipo o tamaño de partículas a filtrar, filtrar, es es común que se convierta convierta en una tarea tarea difícil y compleja, compleja, Continuación se dan a conocer algunas observaciones acerca de la filtración filtració n y del hecho de haber realizado a lo largo de haber realizado una buena revisión de los diversos tipos de filtraciones, con diversos equipos y variadas sustancias. El objetivo dar a conocer los fundamentos teóricos de la filtración, funciones y sus diferentes aplicaciones.
PALABRAS CLAVES: filtración, equipos, separación ABSTRACT Filtration is one of the best known unit operations and quite often do not have any difficulty, especially when it requires too much quality requirement of the separation is done with it, and there is limited time to complete. But when you do special analyzes either low tolerance when admitted to the passage of particles in suspension, the speed needed in the operation or the type or size of particles particles to be filtered, filtered, it is common to become a difficult d ifficult and complex complex task, then disclosed disclosed some observations about the leak and the fact that he made over having made a good review of the various types of leaks, with various teams and various substances. The objective is to provide the theoretical theoretical foundations of the leak, functions and its various applications. applications.
KEYWORDS: filtration, equipment, separation. INTRDODUCCIÓN
la separación de sólidos residuales de un fluido residual antes de su vertido. 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, como calentamiento, recristalización o adición de un «coadyuvante de filtración», tal como celulosa, yeso o tierra de diatomeas. Debido a la enorme variedad de materiales que se han de filtrar y las diferentes condiciones de operación de los procesos, se
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. (1) Las filtraciones industriales van desde un sencillo colado hasta separaciones altamente complejas. El fluido puede ser un liquido o un gas, y la corriente valiosa procedente de un filtro puede ser el fluido, los sólidos o ambos productos. En algunos casos pueden carecer carecer de valor ambas corrientes, como es el caso de 2
han desarrollado numerosos tipos de filtros, algunos de los cuales se describen más adelante. (2)
lavado de los sólidos y para eliminar la mayor parte posible del líquido residual antes de su descarga. (2)
El fluido circula a través del medio filtrante en virtud de una diferencia de presión a través del medio. Así, los filtros se clasifican atendiendo a este aspecto en los que operan con una sobrepresión aguas arriba del medio filtrante, los que lo hacen con presión atmosférica aguas arriba del medio filtrante y aquellos que presentan vacío aguas abajo. Presiones superiores a la atmósfera pueden generarse por acción de la fuerza de gravedad actuando sobre una columna de líquido, por medio de una bomba o soplante, o bien por medio de fuerza centrífuga. Los filtros centrífugos se consideran en la última sección de este capítulo. En un filtro de gravedad el medio filtrante puede no ser más tino que un tamiz grueso o un lecho de partículas gruesas tales como arena. Por tanto, en sus aplicaciones industriales los filtros de gravedad están restringidos a la separación de las aguas madres de cristales muy gruesos, a la clarificación de agua potable y al tratamiento de aguas residuales. (2)
OBJETIVOS Objetivo General El objetivo dar a conocer los fundamentos teóricos de la filtración, funciones y sus diferentes aplicaciones.
Objetivos Específicos
Reconocer un filtro e en la industria Identificar la clasificación de los de los filtros Identificar sus diferentes aplicaciones
FUNDAMENTOS FILTRACION
DE
LA
La filtración es un ejemplo especial del flujo a través de medios porosos que se ha estudiado, para casos en los que las resistencias al flujo son constantes. En filtración resistencias aumentan con el tiempo a medida que el medio filtrante se va obstruyendo o se forma una torta de filtración, de forma que es preciso modificar las ecuaciones del Capítulo 7 para tener en cuenta este hecho. Las principales magnitudes de interés son la velocidad de flujo a través del filtro y la caída de presión en la unidad. A medida que transcurre el proceso, o bien disminuye la velocidad de flujo o aumenta la caída de presión. En la llamada filtración a presión la caída de presión permanece constante y la velocidad de flujo va disminuyendo con el tiempo; menos frecuente es que la presión aumente progresivamente para dar lugar a la llamada
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 tiltrados se realice de forma continua o intermitente. Durante buena parte del ciclo de operación de un tiltro 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. (2) Los filtros se dividen en dos grandes grupos: 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. Con frecuencia incluyen dispositivos para el 3
filtración .
a
velocidad
constante.
(2)
El colado directo se produce en raras ocasiones. Mucho más frecuente es que las partículas bloqueen parcialmente los poros dando lugar a una gradual reducción del tamaño de los mismos; este mecanismo recibe el nombre de bloqueo estándar, para el que n =3/2 Ocasionalmente, durante la transición entre la clarificación y la formación de la torta puede haber un período durante el cual n = 1, recibiendo entonces el nombre de bloqueo intermedio. (2)
Una ecuación general para todos los tipos de filtración a presión constante fue desarrollada por Hermans y Bredee en 1935. Su ecuación es (1) donde V = volumen de líquido filtrado, o simplemente filtrado, recogido durante el tiempo t
El bloqueo estándar es el mecanismo habitual en los filtros de clarificación.
k 1, n= constantes
Con n = 3/2 la integración de la Ecuación (1) conduce a las siguientes ecuaciones para la filtración a presión constante
En la filtración de clarificación puede ser n 2,3/2, o 1, dependiendo del mecanismo para el cual se deposite la partícula. En la filtración de torta n = 0.
(3)
Para la filtración a velocidad constante la ecuación de Hermans-Bredée es
(4) donde = dv/dt es la velocidad volumétrica de flujo a través del filtro
(2) donde es la caída de presión a través del filtro y tiene los mismos valores que en la Ecuación (1).
= velocidad de flujo para t = 0 = constante igual a
El tratamiento que sigue se refiere fundamentalmente a la filtración de líquidos, si bien fundamentos similares son aplicables a la filtración de gases. (2)
Una representación gráfica d t/ V frente a es una línea recta cuando el mecanismo corresponde a bloqueo estándar. Tiene una pendiente igual a y la ordena da en el origen es
FUNDAMENTOS CLARIFICACIÓN
DE
LA
A partir de la Ecuación (2) para la filtración a volumen constante,
Si las partículas sólidas que han de separarse obstruyen completamente los poros del medio y la velocidad de obstrucción es constante con el tiempo, el mecanismo se conoce como coludo directo, para el cual n en las Ecuaciones (1) y (2) adquiere el valor 2.
(5)
4
presión interior, p b la presión exterior y p i la presión en el límite de separación entre el medio filtrante y la torta,
Donde es la caída de presión al comienzo de la filtración.
=
La deducción de las Ecuaciones (3) y (4) a partir de la ley de Poiseuille, indicando el significado físico de fue por obtenida por Grace,También se obtienen ecuaciones similares a las Ecuaciones (3) a (5) para colado directo y bloqueo intermedio.
=
Pa +
= ( (6)
) + ( Pa -
Ver Anexos: Figura 1. donde
Ap = caída global de presión
Ap, = caída de presión en la torta
La Figura 1 muestra los resultados experimentales de ensayos de con una tela de nylon monofílamento La representación gráfica de t/v frente a t es una recta cuando t>80s de acuerdo con la Ecuación (4), pero casi siempre hay un período inicial en el que no es aplicable la Ecuación (4). Todas las leyes de filtración suponen que el número de partículas separadas por volumen de filtrado es constante, lo cual dista de ser cierto al comienzo de la filtración aun con medios filtrante tela. (2)
Ap, = caída de p resión en el medio filtrante
Caída de presión a través de la torta de filtración. La Figura 7 muestra esquemáticamente una sección transversal de la torta de filtración y del medio filtrante para un tiempo definido a partir del comienzo del flujo de filtrado. Para este tiempo el espesor de la torta, medido desde el medio filtrante, es lc El área del filtro, medida perpendicularmente a la dirección de flujo, A. Considérese la delgada capa de torta de espesor dL situada en la torta a una distancia L del medio filtrante. Sea la presión en este punto p. Esta capa consta de un delgado lecho de partículas sólidas a través de las cuales fluye el filtrado. En un lecho filtrante la velocidad es suficientemente baja para asegurar que el flujo es laminar. En consecuencia, se puede tener en cuenta
FUNDAMENTOS DE LA FILTRACIÓN DE TORTA En la filtración de torta el líquido pasa a través de dos resistencias en serie: la de la torta y la del medio filtrante. La resistencia del medio filtrante, que es la única resistencia en los filtros clarificadores, normalmente sólo es importante durante las primeras etapas de la filtración de torta. La resistencia de la torta es nula al principio y aumenta con el tiempo a medida que transcurre la filtración. Si la torta se lava después de la filtración, ambas resistencias son constantes durante el período de lavado, y la del medio filtrante es generalmente despreciable. (2)
que
y que para flujo laminar
en la Ecuación es 0. Si la velocidad del filtrado se representa por u, se transforma en
(7)
La caída total de presión en un instante cualquiera es la suma de las caídas de presión en el medio filtrante y en la torta. Si P a es la
donde
= gradiente de presión para el
espesor viscosidad del filtrado L
5
=viscocidada del filtrado
U=
u=velocidad lineal del filtrado basado en el área del filtrado
(8)
donde V es el volumen de filtrado recogido desde el comienzo de la filtración hasta el tiempo t, Puesto que el filtrado tiene que pasar a través de toda la torta,v/A tiene el mismo valor para todas las capas y U es independiente de L. El volumen de sólidos en la capa es A y si es la densidad de las partículas, la masa dm de sólidos en la capa es
dm = Eliminando se obtiene
dp =
(9) de las Ecuaciones (7) y (9)
(10)
Figura 2 . Sección transversal del medio PREVENCION DE OBSTRUCCION
fil- y de la torta mostrando los gradientes de presión: p, presión del fluido; L, distancia desde el medio filtrante.
La necesidad de prevenir obstrucciones por medio de una unidad de filtración adecuada no debe ser subestimada. La importancia de este punto se ilustra con el siguiente ejemplo: Si dejamos fluir agua hacia un sistema de riego por goteo de una charca o reserva al descubierto, es de esperarse que contenga materia orgánica, algas y varios sólidos en suspensión. Sin la debida protección de cedazos o filtros, el sistema, y en particular los goteros, se obstruirán rápidamente. Si no se corrige este problema, el sistema entero puede convertirse en uno completamente inservible. Bajo ninguna circunstancia se debe permitir la entrada de agua al sistema de gotero a menos que haya pasado por un proceso de filtración, aún cuando el agua aparentemente este limpia. (1)
Fuente:McCABE et al., 1998.
= superficie de una sola partícula = volumen de una sola partícula E= porosidad de la torta = constante = factor de proporcionalidad de la ley de Newton Para partículas de tamaño y forma definida dispuestas al azar, = 4,167.
Varias técnicas pueden utilizarse para prevenir la obstrucción y, dependiendo de las impurezas, más de una debe utilizarse. Estas incluyen los filtros de malla, filtros de anilla,
La velocidad lineal u viene dada por la ecuación
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filtros de arena y filtros hidrociclonicos . Otros tratamientos son el uso de ácidos y agua a presión o aire comprimido. (capo 07)
forma un lecho filtrante secundario. Esta es la razón por la que no se puede determinar una porosidad nominal para los filtros de profundidad.
FORMAS DE FILTRACION: FILTRACIÓN DE PROFUNDIDAD: Es aquella en la cual la partícula recorre un laberinto dentro del medio filtrante quedando atrapada en alguna parte del mismo. Esta retención se puede producir de dos maneras distintas:
Por intercepción: Es cuando la partícula queda retenida debido a que su tamaño es mayor que el del laberinto. (1)
Fuente:(PAREDES/PARRAGUEZ,2010).
Por absorción: Es cuando la partícula queda
FILTRACIÓN SUPERFICIAL:
retenida por contacto superficial contra una de las paredes, a pesar que su tamaño sea menor al del laberinto . (1)
En el caso de los medios filtrantes del tipo de Superficie, la corriente del fluido tiene una vía de flujo prácticamente directa, es aquella en la cual la partícula queda retenida sobre la superficie del medio filtrante y en la dirección del flujo del fluido. Los elementos tipo Superficie se fabrican por lo general, a partir de tela metálica. Como el proceso de fabricación de tela metálica se puede controlar con gran precisión, los medios de Superficie tienen un tamaño de poro consistente. (1)
Fuente:(PAREDES/PARRAGUEZ, 2010).
Filtración con papel Los papeles de filtro y los cartuchos de papel retienen las impurezas en la superficie y en la matriz del filtro. Frecuentemente se denominan como filtros de profundidad y tienen una elevada capacidad de retener partículas y permiten procesar grandes cantidades de muestra. Las impurezas se van acumulando a medida que avanza la filtración dentro del filtro, modificando las propiedades de filtración. Entre las fibras dispuestas anárquicamente del filtro de profundidad se
Fuente:(PAREDES/PARRAGUEZ,2010).
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Filtración con membrana La membrana filtra fundamentalmente en la superficie de la misma. Partículas mayores que la porosidad nominal permanecen sobre el filtro, mientras que las partículas mas pequeñas pasan el filtro, a no ser que otras interacciones en el filtro retengan estas en la matriz de la misma. Se puede ensayar la integridad de los filtros de membrana. La filtración es claramente más lenta que con filtros de profundidad. (1)
Fuente:(PAREDES/PARRAGUEZ,2010).
MEDIOS FILTRANTES Los medios filtrantes a utilizar deben cumplir una serie de condiciones que pueden resumirse en las siguientes:
Fuente:(PAREDES/PARRAGUEZ,2010).
C.ULTRAFILTRACION:
Mínima resistencia al flujo de fluido. Resistencia mecánica suficiente para la presión de trabajo. Resistencia química al ataque de los materiales a filtrar. Facilidad de despegue de la torta.
Los materiales que se utilizan como medios filtrantes son numerosos, yendo desde tejidos a materiales sueltos, fibras sintéticas a cerámicas o vidrio fritado. Se pueden clasificar estos materiales en base a sus características exteriores:
En el proceso de ultrafiltración se hace pasar el líquido a través de una membrana de poros relativamente amplios, a baja presión. La membrana retiene las sustancias de alto peos moleculares, como proteínas, dejando en cambio pasar el agua con sales disueltas o con productos orgánicos de bajo peso molecular, como azucares. (1)
A. MATERIALES SUELTOS:
FILTRANTES
Pueden ser materiales granulares o fibrosos. Generalmente se utilizan para separar pequeñas cantidades de salidos con facilidad coagulables, de ningún valor económico o para la filtración de soluciones o sustancias químicas en particular agresivas. Los granos deben ser de tamaño uniforme y se disponen en capas sucesivas sobre un fondo perforado o un apropiado sistema de drenaje, en sentido de granulometría decreciente. El verdadero medio filtrante lo constituye la capa ultima, la más fina, cumpliendo las restantes una mera función de soporte. (1)
Se obtiene, en otras palabras, una concentración de las sustancias de alto peso molecular y, por este motivo encuentra el proceso mucho empelo en la industria bioquímica. (1)
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Entre los materiales sueltos mas utilizados figura la arena, en sus variedades silicica para soluciones acidas y calcareas para soluciones alcalinas, el carbón vegetal o el coque el amianto en polvo o fibra, la lana de vidrio y la pasta de celulosa o papel. (1)
laboratorio. Se utiliza para la retención de sólidos muy finos y para la clarificación de liquido que contienen muy pequeña cantidad de solido en suspensión. Este papel se fabrica en más de 70 tipos de permeabilidad, espesor y resistencia diferentes, existiendo así mismo tipos especiales destinados a cromatografía análisis químico cuantitativo(a cenizas taradas. (1)
En el caso de materiales granulares, la eliminación de la torta depositada se efectúa por lavado en contracorriente. O bien en algunos casos, interponiendo un tejido delgado, de malla relativamente abierta y que actúa como capa separadora entre la torta y el material filtrante. (1)
C. MATERIALES POROSOS.
FILTRANTES
Son masas de sólidos formadas por partículas generalmente aglomeradas por efecto de una coacciona temperatura tal que las partículas constituyentes sufren un principio de fusión que conduce a una unión imperfecta de las mismas (fritado o sinterizado). Por enfriamiento se obtiene un material rígido, cuyo interior esta surcado por diminutos canales de número y dimensiones perfectamente controlables. (1)
B. MATERIALES FILTRANTES EN FORMAS DE TEJIDOS O FIELTROS. Se utilizan en el caso que la cantidad de sólidos a separar sea considerable, y cuando es de primaria importancia la recuperación de las tortas separadas. Pueden ser de malla gruesa (mayor de 1mm2) o de malla fina. Los primeros, de mayor resistencia mecánica, actúan como soportes de los segundos. Los tejidos pueden ser de algodón, lana, yute, cáñamo, seda o fibras sintéticas tales como el nylon, dacrón, etc. (1)
Los materiales mas utilizados son los de cerámica porosa sin barnizar, el vidrio fritado y los metales sinterizados. Aunque no obtenibles por el mismo procedimiento pueden citarse ciertas areniscas porosas de origen natural y de aplicación muy limitada. La cerámica porosa se puede fabricar con la finura de poros que es factible realizar la retención de microorganismos, conduciendo a la filtración esterilizante utilizada en la elaboración de productos medicinales que no pueden esterilizarse por efecto del calor. En este caso es necesario distinguir entre la filtración en superficie tal como en la utilización de membranas, y la filtración en profundidad que corresponde precisamente al tipo de materiales que se está tratando, ya que en este caso la retención de microorganismos se produce no tan solo por un efecto de cribado sino que los mismos penetran en interior de los poros donde son absorbidos. (1)
La elección debe estar basada primordialmente sobre la resistencia a la temperatura y corrosivita del medio, aunque también en la velocidad de filtración deseada, las características de adsorción del material, etc. En general, sin que ello sea taxativo, el algodón se usa para temperaturas relativamente bajas y medios alcalinos, el algodón nitrado (nitrocelulosa) para líquidos ácidos, lo mismo que la lana. Las fibras artificiales presentan mejores condiciones de resistencia mecánica aunque no pueden utilizarse, por lo general, a temperaturas mayores de 70°C. La resistencia química es variable según el tipo, fabricándose algunas fibras resistentes hasta concentraciones de acido sulfúrico del 70% (por ejemplo, el vinyon). (1)
El vidrio fritado está constituido de partículas de vidrio de tamaño uniforme que han sido aglomeradas sometiéndolas a alta temperatura. La porosidad generalmente se
El papel de filtro es probablemente el material mas utilizado en filtraciones de 9
designan por números que van desde 0 a 7 según la tabla 1.
VER ANEXOX: TABLA 1
El vidrio fritado presenta las mismas características químicas que el vidrio con que se los ha fabricado y por lo tanto pueden utilizarse para cualquier tipo de soluciones. Es posible esterilizarlos por el calor. (1)
ADYUVANTES DE LA FILTRACIÓN: Con este nombre se conocen aquellas sustancias que se utilizan para modificar las características de las tortas obtenidas, para de ese modo facilitar la operación. (1)
La filtración esterilizante debe realizarse solo con el numero 7, pero como con esa porosidad, la velocidad de filtración seria excesivamente baja se acostumbra fijar la, placa de pequeña porosidad, que se fabrica delgada, sobre otra mas gruesa y de porosidad mayor que actúa como elemento de sop orte. Los filtros de metal sinterizado prefabrican igual que los anteriores, utilizando polvos metálicos generalmente a base de níquel y sus aleaciones. Selva fabrica con porosidadades de 0.3 micrones. Tiene la ventaja sobre los anteriores de su elevada resistencia mecánica y falta de fragilidad, lo que facilita su montaje y limpieza se los a utilizados ampliamente para las eliminación de polvos nieblas de las corrientes gaseosas tal como en las canarias de aire comprimido. (1)
Normalmente son agregados a la suspensión y deben poseer ciertas condiciones en vista a su efectividad, entre las cuales se pueden citar como más importantes su baja densidad (para que se mantengan en suspensión en el medio, su inercia química y la rigidez mecánica de las partículas. (1) El más utilizado de todos los adyuvantes es la tierra de diatomeas, o tierra de infusorios, o kieselghur, constituida por esqueletos silícicos de infusorios de origen marino. Poseen una elevada porosidad, elevada superficie especifica y muy baja densidad. (1) La tierra de diatomeas se expende en varios grados de calidades correspondientes a los procesos de purificación a que se le somete y a la finura de sus partículas. Además de la ya citada, se utiliza con la misma finalidad la pulpa de celulosa o de papel, el carbón activado, la arcilla activada, etc. (1)
D. MEMBRANAS FILTRANTES. Debido a sus extrema delgadez, el efecto de estas membranas es exclusivamente de superficie actuando como un verdadero tamiz capas de retener partículas a nivel de mécelas coloidales a aun de macromoléculas. Son películas delgadas de un espesor comprendido 100 y 200 micrones constituidas químicamente por esteres de celulosa (nitratos o acetatos) depositados sobre un soporte capaz de resistir las elevadas presiones trabajo que pueden llegar a 7 Kg./cm2. La porosidad de estas membranas es muy uniforme pudiendo alcanzar un tamaño de 0.01 micrones. Los principales inconvenientes que presentan pueden resumirse en la necesidad de un técnica de trabajo muy delicada que exige personal muy bien entrenado y su precio relativamente caro pero frente a ello es insuperable en la filtración esterilizante por la ausencia total del riesgo de contaminación y arrastres. (1)
V.EQUIPOS: EQUIPO:
(4)
SELECCIÓN
DEL
Lo ideal es que el equipo permita alcanzar una velocidad de filtración rápida para minimizar los costes de producción, que sea barato de adquirir y manejar, que se limpie fácilmente y sea resistente a la corrosión y que sea capaz de filtrar grandes volúmenes del producto antes de que sea necesario quitarlo para su limpieza o sustitución. (1) Hay varios factores relacionados con el producto que se tienen que tener en cuenta cuando se selecciona un filtro para un proceso en particular, como lo son: 10
Descripción: Forma circular. Placa perforada, abiertas en la parte superior, Recubrimiento de todas las superficies para evitar el contacto, con la sustancia en filtración, se utilizan sustancias como plomo o plástico, el material de fabricación puede ser madera acero, gres químico, etc.
La naturaleza química del producto, las interacciones con la estructura del filtro pueden provocar que se filtren los propios componentes del filtro, que se degrade o inflame su estructura o que se adsorban los componentes del producto filtrado sobre el filtro. El volumen que se va a filtrar y la velocidad de filtración requeridos. La presión operativa necesaria. Las presiones operativas altas requieren que el equipo sea lo suficientemente potente y que se adopten los procedimientos operativos seguros apropiados. La cantidad de material a extraer, porque una carga grande puede requerir el uso de prefiltros o el uso de un filtro en el que la película pueda estar extrayéndose continuamente. El grado de filtración necesario, que establecerá el tamaño de poro de los filtros de membrana o el grado de filtro que se va a usar o si se requiere la esterilidad. La viscosidad del producto y la temperatura de filtración. Un producto de viscosidad alta puede requerir presiones elevadas. (1)
Proceso: Se coloca la suspensión a filtrar en la parte superior del equipo(A).Se aplica un vacío, el líquido atraviesa el área filtrante, quedando así retenido el sólidos formando una torta (B).El líquido de filtrado se recoge en la parte inferior del equipo(C). (2)
Fuente:McCABE et al., 1998.
FILTROS INDUSTRIALES: SEMIDISCONTÍNUOS.
DISCONTINUOS.
Estos equipos efectúan un ciclo de trabajo programado previamente, aunque no automáticamente.
Los equipos discontinuos utilizados en la industria para la filtración por vacío son las nucha o nutches que resultan apropiados para grandes cantidades de sólidos en suspensión en una cantidad relativamente pequeña de líquido. (1)
FILTRO MOORE (Con hojas filtrantes). Utilidad: metalurgia extractiva. Descripción: Posee una bolsa de loneta cerrada, la que actúa como filtrante, debajo de esta se encuentra un bastidor de caño perforado en toda su longitud, en el interior de este se encuentran los separadores (los que pueden ser de madera, tejido metálico) fijados a través de cadenas en posición vertical, algunos grupos de hojas de los separadores poseen un
VER ANEXOS: TABLA 2 Utilidad: En la industria química en la separación de valiosos pigmentos por ejemplo.
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colector común, mediante mangueras flexibles a los depósitos del líquido filtrado, sistema de vacío y depósitos de aire comprimido.
de mano de obra), desventajas (> el costo de mantenimiento).
Proceso: El material a filtrar atraviesa la
Descripción: Serie de celdas dispuestas alrededor de un tambor rotatorio (eje horizontal), parcialmente sumergido en la suspensión a filtrar, las celdas poseen una cañería de drenaje, (recubierto de un soporte para la tela filtrante), estas cañerías son conectadas aun cabezal (de distribución común) está programado para efectuar (*), según la posición del tambor, conducen así mismo las conexiones externas de aire comprimido y vacío. (2)
Filtro de tambor tipo: OLIVER .
membrana filtrante, luego a través de los separadores es conducido al colector común; se provoca la distención de la bolsa filtrante, se desprende la torta y se le realiza un lavado y escurrido, se recoge en un depósito. (2) Desventajas: EL transporte ya que la operación es intermitente, se soluciona agregando un móvil de rieles.
Proceso: Una vez realizado el ciclo*, él para liquido filtrado y de lavado se deposita en colectores separados, el despegue de la torta se realiza en c/celda mediante aire comprimido, el que provoca el hinchamiento de la tela, provocando el colapso de la torta, trasladándola al interior del equipo. (2)
Filtro de cinta tipo: LURGUI. Utilidad: Materiales cristalinos (cristales constituyentes ± grandes).Ventajas, la simplicidad de las nuchas y la>producción de los filtro de tambor Descripción: superficie de trabajo horizontal, Proceso: La suspensión es arrastrada por la cinta(c), pasa sucesivamente sobre diferentes de succión donde se pierde, el líquido atraviesa la tela y forma una torta que se compacta en forma gradual, esta torta recibe una aspersión con el líquido de lavado y luego se la escurre, es descargada (F) de manera automática cuando la cinta que la transporta llega al último tambor. (2)
Fuente:McCABE et al., 1998. CONTÍNUOS . El principio de funcionamiento es igual a los anteriores, pero presenta nuchas pequeñas e independientes adaptas para un ciclo continuo de filtración, lavado y despegue. (2) Utilidad: Precipitados voluminosos y grandes producciones, ventajas (< al mínimo el costo
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Debido a la alta superficie de contacto con el material filtrante, en los filtros capilares los efectos de adsorción son máximos, razón por la cual son utilizados industrialmente para la separación de material muy fino como en la clarificación de jarabes o aceites lubricantes.
Fuente:McCABE et al., 1998.
FILTROS A LIQUIDOS:
PRESION
PARA
La fuerza impulsadora que obliga al paso del líquido a través de la superficie filtrante, la constituye una presión una presión positiva que puede tener cualquier valor, solo limitada para la resistencia mecánica de los materiales filtrantes y equipos utilizados. (1)
Fuente:(PAREDES/PARRAGUEZ, 2010 ).
B) DE MEDIOS FILTRANTES SUELTOS De arena:
Con el uso de presión en el filtrado, es común tener velocidades varias decenas de veces superiores a aquellas correspondientes a la aplicación de vacío, a igualdad de áreas filtrantes y espesor de torta. (1)
Son utilizados para grandes caudales con muy pocos sólidos, como el tratamiento y clarificación de aguas potables o industriales. Son recipientes cerrados, verticales u horizontales, en cuyo interior está dispuesto en forma estratificada el medio filtrante que generalmente es arena salicílica. La presión de trabajo no es muy elevada. (1)
El principal inconveniente radica en la necesidad de utilizar equipos discontinuos.
A) PARA PEQUEÑA PRODUCCIÓN:
El agua penetra por la cañería superior vertiéndose sobre la capa filtrante de arena fina, media y gruesa que atraviesa evacuándose perfectamente filtrada por la cañería inferior del drenaje. Cuando el depósito de barros ha cegado la capa de arena fina, media y gruesa hasta un grado tal que el flujo de líquido disminuye a valores no aceptables, se procede a la regeneración del medio filtrante para lo que se invierte el sentido del flujo provocándose un lavado en contracorriente. El líquido de lavado se hace penetrar por la cañería de drenaje y asciende
Los más comunes son los filtros capilares que consisten en una serie de discos o placas de papel, tejido o metal, dispuestos en forma de una columna con agujero central para el drenaje. El líquido a filtrar debe atravesar lateralmente la misma, a través del espacio capilar existe entre cada hoja componente, espacio que puede ser modificado dependiendo del material a filtrar. (1)
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provocando el esponjamiento de la masa. Los barros adheridos a las partículas de arena son desprendidos y arrastrados por las aguas que se conducen a desagüe. La velocidad del asenso de lavado no debe ser excesiva para no provocar la pérdida del material filtrante por arrastre. (1)
Por eso los materiales sueltos porosos requieren la utilización de un tejido de soporte, metálico o de fibras textiles, sobre el cual formaran la torta de filtración. Se los utiliza agregándolos en pequeña proporción al líquido a filtrar, manteniendo contacto el mayor tiempo posible para facilitar el proceso de adsorción. La filtración continúa por filtros convencionales, tal como los filtros-prensa. (2)
Fuente:(PAREDES/PARRAGUEZ, 2010).
Filtros con masa filtrante prensada: Se utiliza pasta de papel o celulosa, fibras de lana, algodón o amianto, a los que se les puede dar la consistencia apropiada por prensado dentro del mismo equipo. (1) Son utilizados principalmente para la clarificación de líquidos, que contienen poca cantidad de sólidos no recuperables. Para el montaje del equipo de prepara primero una papilla que se introduce en el interior de una canasta perforada situada a su vez en el interior de un recipiente capaz de resistir la presión de trabajo. (1)
Fuente:McCABE et al., 1998. C) FILTROS-PRENSA
La entrada del líquido a filtrar se efectúa por el exterior de la canasta perforada y la salida del líquido límpido por una cañería de drenaje provista de ranuras y perforaciones. (1)
Es el más barato de todos los filtros. Se utilizan para líquidos que contienen una gran cantidad de sólidos en suspensión o para líquidos que requieran casi una total recuperación y fácil control. (2)
Con masa filtrante mezclada
Una serie de elementos en forma de placas están dispuestos sobre largueros y pueden apretarse entre sí, mediante una prensa a tornillo o hidráulica. Según sus características constructivas se clasifican en:
Es conveniente a veces aprovechar las grandes superficies específicas de ciertos materiales porosos por su efecto de adsorción. En este caso, el material filtrante no posee las características de las masas fibrosas en el sentido de formar masas consistentes debido al entrecruzamiento de las fibras sin perder por ello permeabilidad. 14
De cámaras: Es el más simple de todos ellos. En el todas las placas son iguales y consisten en un marco resaltado en cuyo interior está colocada una placa estriada dotada de una perforación central que es la vez la entrada del liquido turbio y de las aguas de lavado. En la parte inferior, esta placa estriada posee unas aberturas de drenaje que conducen al exterior por un canal inserto en el mismo marco. Un par de orejas sirve para sostener la placa en posición sobre los largueros. Sobre cada placa se coloca la tela filtrante que posee una abertura en concordancia con el orificio central. El cierre de la tela sobre los bordes de la perforación se efectúa mediante un mango. Una vez cerrado el filtro, que dan formadas una especie de cámaras entre placas contiguas, limitadas lateralmente por la tela filtrante y la placa estriada. Al bombear el líquido turbio por los agujeros centrales que conectan una cámara con otra, el líquido limpio atraviesa las telas y escurre en el espacio existente entre estas y el fondo de las estrías de la placa, saliendo al exterior a través de los canales de drenaje. Los sólidos suspendidos quedan en el interior de la cámara donde conforman paulatinamente la torta de filtración hasta su completo llenado. Al aumentar la presión de trabajo por colmatación de las cámaras se procede al lavado enviando agua limpia por la misma tubería de alimentación, el lavado es muy imperfecto, ya que existe tendencia a la canalización de líquidos en el interior de la torta, pudiendo quedar zonas impregnadas aun con el liquido de filtración. La descarga de la torta se efectúa por apertura del filtro y caída de la misma sobre una bandeja inferior. (2)
Fuente:McCABE et al., 1998.
De placa y marco: Son de mayor capacidad que el anterior. Están formados por dos tipos de elementos: Las placas, de construcción similar a la indicada para los filtros de cámara, careciendo del canal central que es reemplazado por otro colocado en el marco o reborde exterior, y el marco propiamente dicho, sin placa estriada, y cuyo canal formado por la yuxtaposición de perforaciones coincidentes y penetra solo en los marcos, por lo que las placas actúan únicamente como elementos de drenaje. Presenta los mismos inconvenientes de la canalización de líquidos antes mencionados, pero su capacidad de trabajo es mayor, ya que la torta formada tiene todo el espesor del marco. (2)
Con placa lavadora: Está constituido por placas comunes, marcos y placas lavadoras colocadas alternadamente, tienen una conexión de canal de lavado, impidiendo la canalización, ya que el flujo del agua de lavado no coincide con el de filtrado, siendo la mezcla de entre aguas de lavado y aguas de filtrado mínima, lo que es 15
FILTROS PARA GASES:
una ventaja en el caso de que esta ultima deba ser sometida a una operación de concentración o evaporación posterior.
Aunque por filtración casi siempre se entiende la separación de sólidos en líquidos, indudablemente el término podrá también aplicarse cuando se refiera a la separación de sólidos en un gas por la utilización de un medio poroso. Se puede distinguir dos casos diferentes en la filtración de gases:
FILTROS DE HOJA El más común es el filtro tipo SWEETLAND consistente en una serie de hojas filtrantes circulares suspendidas en el interior de una cámara cilíndrica horizontal y en sentido transversal a su eje. Poseen un colector común con mirillas de observación para cada hoja a fin de controlar la turbidez del líquido filtrado y poder separar de servicio a la hoja defectuosa, (2)
1. Eliminación del polvo o gérmenes contenidos en el aire atmosférico. Para este efecto se utilizan filtros consistentes en paneles o celdas intercambiables en cuyo interior se ha dispuesto una masa fibrosa suelta, de una diversidad de materiales. Esta masa fibrosa está impregnada de un líquido viscoso y no volátil, tal como los aceites lubricantes minerales.la turbulencia ocasionada por el pasaje del gas a través de los caminos tortuosos de la masa fibrosa, permite que cualquier partícula suspendida se ponga en contacto con el líquido viscoso donde queda atrapada. (2)
Para la operación, una vez cerrada herméticamente la coraza exterior, se comienza a bombear el líquido turbio que, al penetrar desalojara en primer lugar el aire contenido en el recipiente hasta que, por efecto de la presión, el líquido límpido atraviesa la tela filtrante dejando depositados los sólidos. A medida que progresa la operación, la torta va engrosando paulatinamente hasta el espesor requerido. El soplado de aire comprimido o vapor, producirá al mismo tiempo el desalojo de los restos aun contenidos en el recipiente y la compactación de la torta formada. Se repite de la misma secuencia de lavado después del cual, puede procederse ya que a la apertura del fondo de la coraza y al despegue de la torta por soplado de aire comprimido al interior de la hoja. (2)
Se ha utilizado también para la filtración de gases, filtros o placas porosas de vidrio, siendo el efecto simplemente de tamizado. Este tipo de filtros secos se utilizan para pequeños flujos. (2)
Fuente:McCABE et al., 1998. 16
Hay dos sistemas de producción de vacío utilizados en laboratorio; la trompa y la bomba. Hará unos comentarios primero sobre la trompa de vacío. Este es un elemento muy sencillo Que se puede fabricar en un taller de vidrio como los que hay en algunas facultades o empresas. En el comercio hay de formas y calidades variadas. (1) Consiste en un tubo casi estrangulado que penetra en otro similar puesto de manera invertida. Al hacer circular agua por ellos se produce un vacío que se utiliza por medio de una conexión lateral. La conexión de agua se conecta a una canilla. Además de la variable de la construcción de la trompa, el mayor vacío es proporcional al caudal de agua que a su vez está condicionada por la presión de la cañería. En general el nivel de vacío producido alcanza para todos los usos corrientes de filtración de laboratorio. El principal inconveniente de la trompa de vacío es el consumo de agua, que si no hay una instalación especial es agua potable. Se puede estimar el consumo en 400 L/hora, y una filtración corriente puede durar quince o veinte minutos. La limitación de la trompa de vacío es el caudal de gases que puede extraer, por ello si hace falta más capacidad necesariamente habrá que utilizar una bomba de vacío. Las bombas corrientes para filtraciones de mesada son bombas de desplazamiento positivo, ya sea de émbolo o de diafragma. (1)
Fuente:McCABE et al., 1998. Recuperación de polvos o la filtración de gases con alta proporción de sólidos suspendidos. Se usa el “filtro de manga”. En este caso, los gases a filtrar son llevados al interior de tubos o bolsas cilíndricas de gran longitud denominadas “mangas” y confeccionadas en tela de lana o algodón. Las partículas solidas quedan retenidas en el interior de la manga, mientras el gas o aire limpio sale a la atmosfera. Un dispositivo de sacudimiento que obra en forma intermitente, hace que todo el polvo recolectado caiga a una tolva inferior, de donde es extraído. (1) Estos equipos suelen ser automáticos y las mangas dispuestas en batería de modo a ofrecer una gran área filtrante en poco espacio cubierto. Los filtros de manga suelen estar precedidos por un ciclón separador de las partículas más gruesas y, cuando se requiere una total eliminación del polvo, seguidos por un precipitador electrostático. (1)
Fuente:(PAREDES/PARRAGUEZ, 2010 ).
MICROFILTRACIÓN La microfiltración (MF) es la más antigua de las cuatro tecnologías de membrana que
SISTEMAS DE VACÍO 17
húmeda de densidad 1440kg/m3?
actúan por presión. Los p rimeros microfiltros fueron en profundidad y se utilizaron en laboratorio e industria. En la filtración en profundidad las partículas y microorganismos son atrapados en el interior de la estructura interna del microfiltro. Los microfiltros se cambian después de la colmatación total de partículas o de una caída específica de presión. Debido al remplazo frecuente de los filtros, los microfiltros de filtrado en profundidad tienen un uso limitado en el tratamiento primario del agua, excepto cuando se emplean como pretratamiento de una operación de ósmosis inversa.
Masa torta= marcos · dimensiones · densidad; 20·0,5m·0,5m·0,025m·1440kg/m3= 180kg T
Balance total: L= F + T → L= F + 180
Balance parcial al sólido: (0,1kg ss/kg mezcla + 0,02kg cal/kg mezcla)·L = 180kg· 0,7kg ss/kg torta → L = 1050kg L
Las membranas de microfiltración consiguen la eliminación absoluta de contaminantes de una corriente de alimentación por un proceso de separación basado en la retención de contaminantes sobre una superficie de la membrana. El rango del tamaño de poro es de 0,05 a 5µm. Debido a este tamaño se usa para la eliminación de partículas y microbios y se puede operar bajo condiciones de presión ultrabajas. La MF no elimina contaminantes solo por el tamaño del poro, pues para ello también contribuye la capa de torta que producen los contaminantes sobre la superficie de la membrana.
F= 1050-180 = 870 kg filtrado
Ejemplo de aplicación 2: Se filtra una suspensión en un filtro prensa que dispone de 12 marcos cada uno de los cuales tiene 0.3 m de lado y un grosor de 25mm. Durante los primeros 200 s, la presión de filtración se aumenta lentamente hasta el valor final de 500 kN/m2, manteniéndose constante durante este periodo la velocidad de filtración. Después del periodo inicial, la filtración se lleva a cabo a presión constante, formándose las tortas en un tiempo máximo de 900 s. se lavan a continuación las mismas a 375 kN/m 2 durante 600 s, mediante. Cuál es el volumen de filtrado recogido por ciclo y qué cantidad de agua de lavado se utiliza? (3)
Ejemplo de aplicación 1: Un filtro prensa contiene 20 marcos que se usarán para filtrar unos lodos que contienen 10kg de sólido seco/100kg de mezcla sólido-líquido además de 1/5 parte (del volumen de SS) de cal. Las dimensiones interiores de cada marco son 50x50x2,5 cm. La torta formada en la filtración es incompresible y contiene 0,7kg de sólido seco/kg torta. ¿Cuántos kg de filtrado libre de sólidos pueden obtenerse antes de que el filtro se llene con una torta(3)
Previamente se ha llevado a cabo una prueba con una muestra de la suspensión, utilizando un filtro de hojas a vacio con una superficie filtrante de 0.05 m 2 y un vacio equivalente a 2 una presión absoluta de 30 kN/m . El volumen de filtrado recogido en los primeros 300 s ha sido de 250 cc y, después de otros 300 s, se han recogido 150 cc mas. Supóngase que la otra es incompresible y que la resistencia de la tela es la misma en el filtro prensa que en el filtro de hojas. (3)
18
Solución En el filtro de hojas, la filtración tiene lugar a presión constante desde el comienzo. Por tanto
De donde
Para el filtro prensa En el filtro prensa se obtiene un volumen V 1 de filtrado en condiciones de velocidad constante en un tiempo t 1, llevándose a cabo luego la filtración a presión constante.
El volumen de filtrado V 1 recogido durante el periodo de velocidad constante en el filtro prensa viene dado por
Asi
O sea
Obtenido de la ec 9.18ª Filtración Para el periodo de presión constante
Para el filtro de hojas Cuando t = 300s, V = 250cm 3 y cuando t = 600 s, V = 400cm3 A = 0.05m2 Y
El volumen total de filtrado recogido es por lo tanto dado por
2
∆P = (101.3 – 30) = 71.3 kN/m
Es decir
Es decir,
Velocidad de filtración Y
19
Donde
es el tiempo durante el cual se
produce la filtración
Donde cada ciclo
Si la viscosidad del filtrado es la misma que la del agua de lavado, Velocidad de 35.4 cm3/s.
lavado
a
500
es el volumen total de filtrado en
Por otra parte,
kN/m 2 =
Velocidad de lavado a 375 kN/m 2 =
Pero
35.4(375 cm3/s O sea
Por lo tanto, la cantidad de agua de lavado utilizada en
*
Por tanto
De donde
Ejemplo de aplicación 3: Una suspensión, que contiene 0.2 kg de solido (densidad relativa 3.0) por cada kg de agua, se introduce como alimentación de un filtro rotatorio de tambor de 0.6 m de longitud y 0.6 m de diámetro. El tambor gira una revolución en 350 s y en cada instante un 20% de la superficie filtrante está en contacto con la suspensión. Si el filtrado se produce con una velocidad de 0.125 kg/s y la torta tiene una porosidad de 0.5, que espesor de torta se produce cuando se filtra a una presión de 35 2 kN/m (3)
El valor de cuando
Filtro prensa Consideremos un filtro prensa con n marcos de espesor de m
Por tanto
Tiempo total, para un ciclo completo del filtro prensa =
20
es minimo cuando
, o sea
unitarias en ingeniería química. McGraw-Hill, 4a. edición. España 1998.
Por consiguiente, debemos utilizar un mínimo de 5 marcos
(3) COULSON JOHN, RICHARDSON J F ingenieria quimica unidad operaciones básicas volumen 1 1981.
CONCLUCIÓN Podemos concluir que se presentan los aspectos esenciales sobre los procesos de filtración. Estos principios básicos se pueden aplicar a las cuatro técnicas mencionadas: microfiltración, ultrafiltración, nano filtración, la ósmosis inversa entre otras esenciales. De todas formas, estas técnicas pueden presentar particularidades en función del área de aplicación. Las principales áreas de aplicación son: tratamiento de aguas y efluentes, líquidos agroalimentarios, farmacia y biotecnologías, química y petroquímica, son la mas resaltable. Para cada una de estas áreas de aplicación, la escogencia de los filtros y de las técnicas de filtración se hacen siguiendo criterios particulares basados en la naturaleza de los productos a tratar y en las costumbres del área de aplicación. Además de los conocimientos de los principios generales, expuestos anteriormente, es necesario poseer conocimientos del sector industrial dentro del cual se desea aplicar la tecnología de los equipos.
BIBLIOGRAFÍA (1) PAREDES PARRAGUEZ CARLOS, operaciones farmacotécnicas, filtración, universidad nacional, 2010
(2) McCABE, HARRIOTT,
W. P.
SMITH, J. Operaciones
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ANEXOS
Figura 1. Clarificación con una tela monofilamento de nylon.
Fuente:McCABE et al., 1998.
Tabla 1:
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Fuente:(PAREDES/PARRAGUEZ, 2010).
TABLA 2
Fuente:(PAREDES/PARRAGUEZ, 2010).
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