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FILTRACIÓN

I. INTRODUCCIÓN

La filtración consiste en la remoción de partículas suspendidas y coloidales presentes en

una suspensión acuosa que escurre a través de un medio poroso. En general, la filtración

es la operación final de clarificación que se realiza en una planta de tratamiento de agua

y, por consiguiente, es la responsable principal de la producción de agua de calidad

coincidente con los estándares de potabilidad.

El avance logrado por la técnica de filtración es el resultado de un esfuerzo conjunto

dirigido a lograr que la teoría exprese los resultados de las investigaciones

experimentales, de tal modo que sea posible prever, en el diseño, cómo va a operar la

unidad de filtración en la práctica.

II. FUNDAMENTO TEÓRICO

1. FILTRACIÓN

La filtración es la separación de partículas de un fluido haciendo pasar dicha mezcla o

solución por un tabique permeable denominado "medio filtrante", "filtro" o "septum" a

través del cual pasa el fluido quedando retenidas las partículas a separar, formando por lo

general la llamada "torta", "residuo" o "cake".

Este método de separación mecánica ha encontrado desde tiempos inmemoriales una

amplia aplicación práctica en la vida del ser humano. Sin dudas, los primeros "filtros"

empleados por el hombre fueron sus propias manos.

La filtración en la industria va desde un simple "colado" hasta separaciones muy

complejas. El fluido puede ser un líquido o un gas, las partículas pueden ser gruesas, finas,

imperceptibles o estar en solución, pueden ser rígidas o plásticas, redondas o alargadas,

estar separadas o formar agregados. La suspensión puede contener una gran

concentración de partículas o ser éstas casi despreciables. La suspensión o solución puede

Operación Unitaria: Filtración

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estar muy caliente o muy fría, la operación puede realizarse bajo vacío o empleando

presiones muy altas.

Mayores complejidades se introducen al analizar el valor relativo de las fases. En

ocasiones, el fluido es la fase importante, algunas veces las partículas, otras ambas. En

algunos problemas se requiere una virtual total separación de las fases, en otros solo se

desea una separación parcial.

Muchas veces se necesita un trabajo continuo, en ocasiones un proceso por lote es

suficiente.

Por todo lo anterior, establecer un método para la clasificación de la filtración no es una

tarea sencilla.

2. CLASIFICACIÓN

Desde el punto de vista de la dirección relativa del flujo de alimentación respecto

al medio filtrante, la filtración puede ser:

- Transversal: cuando todo el flujo de alimentación atraviesa el medio

filtrante quedando las partículas retenidas sobre la superficie del medio.

- Tangencial: También denominada "filtración inercial" o "filtración de flujo

cruzado”, cuando la diferencia de presión ejercida hace que parte del flujo

de la alimentación atraviese el medio filtrante y el resto de dicho flujo,

fluya tangencialmente a la superficie del septum, arrastrando

continuamente las partículas que pudieran depositarse, reincorporándolas

a la alimentación.

Operación Unitaria: Filtración

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Teniendo en cuenta el tamaño de las partículas a separar la filtración puede

clasificarse en:

- Filtración gruesa.

- Filtración fina.

- Micro filtración.

- Ultrafiltración.

- Nano filtración.

- Hiperfiltración

Operación Unitaria: Filtración

Si analizamos la variación de la presión y el flujo de filtrado, el proceso de filtración

podríamos clasificarlo en:

- Filtración a presión constante. la diferencia de presión aplicada al equipo se

mantiene invariable durante todo el proceso de filtración.

- Filtración a flujo constante. manipulando adecuadamente el equipo se

mantiene constante el flujo de filtrado durante la operación de filtración.

3. PRINCIPIOS Y TEORIA DE LA FILTRACIÓN

Mecanismos de filtración

La habilidad o eficiencia de un sistema de filtración para retener partículas se debe

principalmente a fenómenos físicos, algunos son fenómenos mecánicos tales como el

efecto tamiz o de retención y otros superficiales, como son el efecto por intercepción, el

efecto inercial y el efecto de difusión y capilaridad. No obstante algunos sistemas basan

su eficiencia sobre fenómenos electrostáticos.

Para explicar estos mecanismos supondremos que las partículas son esféricas y que

resultan atraídas por fuerzas de Van Der Waals al tocar los medios filtrantes quedando

retenidas en ellos.

- Efecto tamiz o de retención.- Este fenómeno se manifiesta cuando el diámetro de

la partícula es mayor que el poro del medio filtrante, es decir, mayor que la

separación entre las fibras que constituyen el medio filtrante.

- Efecto de intercepción directa.- En este caso las partículas al acercarse a la

superficie de la fibra a una distancia menor que su radio, la partícula es

interceptada y se adhiere a la fibra.

- Efecto de inercia.- Las partículas mayores, debido a la fuerza de inercia no siguen

las líneas de flujo y por ende las partículas colisionan con la fibra quedando

adheridas a ésta.

- Efecto de difusión.- Las partículas inferiores a 1 - 2 micras no siguen las líneas de

flujo alrededor de las fibras y están influenciadas por el movimiento browniano,

vibrando de tal modo que llegan a entrar en contacto con la fibra donde son

retenidas.

- Fenómenos electrostáticos.- Las partículas se cargan positivamente al atravesar

una unidad ionizante generadora de iones positivos. Las partículas pasan por un

sistema de placas cargadas con una diferencia de potencial muy alto (unos 12 000

voltios) y son atraídas por este, quedando retenidas en la superficie de las placas.

En la Tabla 1 se muestra la correlación entre los diferentes efectos de filtración que están

relacionados con: la velocidad de filtración, el tamaño de la partícula, el diámetro de las

fibras y la densidad del medio filtrante.

4. PRESIÓN ACTUANTE EN LA FILTRACIÓN

Tanto la fuerza de la gravedad, como la creada por una presión aplicada, se pueden

emplear para vencer la resistencia por fricción creada por el flujo que circula a través del

lecho filtrante. Los filtros de gravedad del tipo indicado son los más comúnmente

empleados en la filtración de efluentes tratados en plantas de tratamiento de gran

tamaño. Los filtros a presión del tipo indicado funcionan igual que los de gravedad y se

emplean en plantas pequeñas. La única diferencia entre ambos consiste en que, en los

filtros a presión, la operación de filtrado se lleva a cabo en un depósito cerrado, bajo

condiciones de presión conseguidas mediante bombeo. Los filtros a presión suelen

funcionar con mayores pérdidas de carga máximas admisibles, lo cual conduce a ciclos de

filtración más largos y a menores necesidades de lavado.

5. VARIABLES DEL PROCESO DE FILTRACIÓN

En la aplicación de la filtración para la eliminación de sólidos en suspensión remanentes,

se ha comprobado que las variables más importantes del proceso de diseño son,

posiblemente, la naturaleza de las partículas presentes en el agua a filtrar, el tamaño del

material o materiales que componen el filtro, y el caudal de filtración.

Características del agua a filtrar

Las características más importantes del agua a filtrar son la concentración de sólidos en

suspensión, el tamaño y la distribución de tamaños de las partículas, y la consistencia de

los flóculos. Generalmente, la concentración de sólidos en suspensión en el efluente de

plantas de fangos activados y de filtros percoladores varía entre 6 y 30 mg/l. Debido a que

esta concentración suele ser el parámetro de mayor interés, para el control práctico del

proceso de filtrado se suele emplear el valor de la turbidez. Se ha podido comprobar que,

dentro de ciertos límites, existe una correlación entre la concentración de sólidos en

suspensión en las aguas residuales tratadas y los valores medidos de la turbidez. Una

expresión típica de la relación entre ambos parámetros en el caso de procesos de fangos

activados con mezcla completa, es la siguiente:

Sólidos en suspensión, SS, mg/l = (2,3 a 2,4) x (Turbiedad, NTU) (6.39)

La observación más significativa relacionada con el tamaño de las partículas consiste en

que la distribución de tamaños resulta ser bimodal. Este hecho es importante, puesto que

influye sobre los mecanismos de eliminación que puedan tener lugar durante la filtración.

Por ejemplo, parece razonable suponer que el mecanismo de eliminación de partículas de

1 micra de tamaño será diferente del que consiga la eliminación de las partículas de 80

micras (o incluso mayores). El carácter bimodal de la distribución de los tamaños de las

partículas también se ha observado en las plantas de tratamiento de aguas.

La consistencia de los flóculos, que no sólo varía con el tipo de proceso sino también con

el modo de operación, es asimismo importante. Por ejemplo, los flóculos residuales de la

precipitación química del agua residual tratada biológicamente pueden ser

considerablemente más débiles que los flóculos biológicos antes de la precipitación.

Además, la consistencia de los flóculos biológicos varía con el tiempo medio de retención

celular, aumentando con él. El aumento de la consistencia es consecuencia, en parte, de

la producción de polímeros extracelulares que se producen con el aumento del tiempo

medio de retención celular. Para tiempos medios de retención celular extremadamente

altos (15 días o más), se ha observado una disminución de la consistencia de los flóculos.

Características del medio filtrante

La característica del medio filtrante que más afecta al proceso de filtración es el tamaño

del grano. El tamaño del grano afecta tanto a la pérdida de carga en la circulación del

agua a través del filtro como a la tasa de variación de dicho aumento durante el ciclo de

filtración. Si el tamaño de grano efectivo del medio filtrante es demasiado pequeño, la

mayor parte de la fuerza actuante se empleará para vencer la resistencia de fricción

provocada por el lecho filtrante, mientras que si el tamaño efectivo es demasiado grande,

muchas de las partículas de menor tamaño presentes en el agua a filtrar pasarán

directamente a través del filtro sin ser eliminadas.

Velocidad de filtración

La velocidad de filtración es un parámetro importante por cuanto afecta a la superficie

necesaria del filtro. Para una aplicación dada del filtro, la velocidad de filtración

dependerá de la consistencia de los flóculos y del tamaño medio de grano del lecho

filtrante. Por ejemplo, si los flóculos son de débil consistencia, las velocidades de filtración

elevadas tenderán a romper los flóculos y a arrastrar gran parte de los mismos a través

del filtro. Se ha observado que las velocidades de filtración dentro del intervalo de 4,8 a

19,2 m2/m2xh no afectan la calidad del efluente del filtro, debido a la propia resistencia

del flóculo biológico.

6. FILTROS

Los Filtros o elementos filtrantes son los elementos fundamentales en los Procesos de

Filtración o Filtrado.

TIPOS DE FILTROS

Los Filtros o elementos filtrantes pueden ser catalogados en función de múltiples

características, siendo las principales:

Material de fabricación: Los filtros pueden ser fabricados de multitud de

materiales, en función del destino de su uso. Hay Filtros fabricados en celulosa,

textiles, fibras metálicas, polipropileno, poliéster, arenas y minerales, etc.

Propiedades de filtrado: Una catalogación muy importante de los Filtros o

elementos filtrantes es el tamaño máximo de las partículas que permiten pasar,

definido por el tamaño del poro. Por ejemplo, se habla de filtros de 2 micras,

filtros de 10 micras, etc. La clasificación en función del tamaño de las partículas a

filtrar, se catalogaría en este orden: Filtración gruesa, Filtración fina, Micro

filtración, Ultrafiltración y Nano filtración.

Caudal de Filtrado: Cada filtro posee, en función de su porosidad y superficie, un

Caudal máximo de filtrado, por encima del cual el elemento filtrante (filtro) estaría

impidiendo el paso de forma significativa del fluido a filtrar.

Elemento a filtrar: En el mercado existen Filtros para Agua, filtros de Aceite, de

Aire, gasolinas y combustibles, de gases, etc.

Forma: Los Filtros pueden ser planos, redondos, Filtros de manga, de cartucho, de

bolsa, etc.

(Distintos tipos de filtrantes)

Disponemos de filtros de sílice, filtros de antracita y filtros

multicapa para multitud de aplicaciones. Para la elección

del sistema de filtración más adecuado es necesario

dimensionar correctamente el equipo mediante el cálculo de la superficie útil de filtración

a partir de los caudales de tratamiento y la velocidad de filtración requerida. Esta

velocidad de filtración será dependiente de la aplicación pudiendo instalarse en piscinas,

sistemas de acondicionamiento de agua potable para consumo humano, tratamientos

industriales y depuración de aguas residuales urbanas e industriales.

También disponemos de una amplia serie de contenedores y cartuchos

filtrantes para satisfacer las diferentes exigencias de filtración, tratamiento

y pre-tratamiento de las aguas utilizadas en todo tipo de aplicaciones.

Los filtros son también adecuados para las aplicaciones más comunes en el

campo residencial y doméstico garantizando la eliminación de partículas

en suspensión específicas, malos olores, incrustaciones calcáreas y agentes corrosivos.

Los contenedores para cartuchos filtrantes son adecuados para

aplicaciones domésticas como filtración y tratamiento de agua potable,

protección de lavadoras, grifos y calentadores. Para aplicaciones

industriales son adecuados para protección de bombas, sistemas de

depuración e instalación de ósmosis inversa con acción de prefiltración

y microfiltración, acción anti-incrustaciones calcáreas etc.

Los dosificadores de cristales de sales de polifosfatos para uso doméstico con el fin de

proteger lavadoras y lavavajillas de la formación de incrustaciones calcáreas.

Los cartuchos y filtros de carbón activo son adecuados para eliminación de

cloro y compuestos clorados, reducción de pesticidas y todo tipo de

insecticidas, compuestos orgánicos así como la eliminación de olores y sabores

extraños del agua. Adecuados para acondicionamientos de agua de red en

procesos industriales y para usos domésticos de eliminación de cloro en el agua

de abastecimiento con el objetivo de eliminar el sabor a cloro en el agua y posibles

alergias y reacciones negativas al cloro.

Disponemos de filtros desechables, específicos para eliminación de partículas en

suspensión en el agua, hierro, para uso en piscinas y riego así como todo tipo de

aplicaciones industriales. Existen diversos tipos de micraje de filtración disponible en

función de la aplicación y la calidad de filtrado requerida. Otro factor a tener en cuenta es

el caudal de alimentación al filtro y el diámetro de tubería de entrada.

III. FUNCIONAMIENTO

La operación completa de filtración consta de dos fases: filtración y lavado o regeneración

(comúnmente llamada lavado a contracorriente). Mientras la descripción de los

fenómenos que se producen durante la fase de filtración es, prácticamente, idéntica para

todos los sistemas de filtración que se emplean para las aguas residuales, la fase de

lavado es bastante diferente en función de si el filtro es de funcionamiento continuo o

semicontinuo. Tal como expresan sus nombres, en los filtros de funcionamiento

semicontinuo la filtración y el lavado son fases que se dan una a continuación de la otra,

mientras que en los filtros de funcionamiento continuo ambas fases se producen de

forma simultánea.

El principio de funcionamiento es muy simple, se hace pasar el fluido del que se quiere

extraer partículas contenidas dentro del mismo (torta) a través de un filtro, el cual lo

retendrá dependiendo del tipo de filtro y del material en flujo. El fluido que pasa a través

del filtro contiene una menor cantidad del material que se quería extraer dependiendo

del proceso o del tipo de filtro

IV. SELECCIÓN DE LOS EQUIPOS DE FILTRACIÓN

Esta selección depende considerablemente de los factores económicos, pero esto variará

dependiendo de:

a. La viscosidad del fluido, densidad y reactividad química.

b. Tamaño de las partículas sólidas, distribución de tamaños, forma, tendencias a la

floculación y deformabilidad.

c. Concentración de la pasta alimentada.

d. Cantidad del material que va a ser manejada.

e. Valores absolutos y relativos de los productos líquido y sólido.

f. Que tan completa se requiere la separación.

g. Gastos relativos de mano de obra, capital y fuerza motriz.

V. CONSIDERACIONES FISICAS DE LA OPERACIÓN DE FILTRADO

7. Medio filtrante

El medio filtrante puede consistir en tela, papel o material poroso o tejido cuya función es

promover la formación de una torta de sólidos. Un medio filtrante debe cumplir con los

siguientes requerimientos:

1. Tener facilidad para remover la fase sólida dando un filtrado claro.

2. Debe ofrecer la mínima resistencia al flujo para la rápida formación de la torta de

filtración.

3. Tener resistencia a las condiciones del proceso, es decir, ser lo suficientemente

fuerte para soportar la torta y aguantar bajo condiciones extremas del proceso.

4. No debe obstruirse o sesgarse, es decir, tener alto rendimiento del líquido para un

ΔP dado.

5. Debe ser químicamente inerte y no tóxico.

6. Debe permitir facilidad del retiro de la torta limpia y completa.

7. No ser excesivamente caro.

8. Filtración de torta. Generalidades

Este tipo de filtración, es la que trata grandes cantidades de sólidos en la suspensión y

forma sobre el medio filtrante una pasta o "torta" de sólidos que posteriormente es

retirada.

La filtración de torta presenta dos grandes tipos o forma de llevarse a cabo:

Filtración a ΔP constante (Presión constante): donde la velocidad de filtración va

desde un máximo hasta un mínimo. Dentro de este tipo de filtración existe un

caso particular que es el de la filtración rotatoria.

Filtración a U constante (Velocidad Constante): donde la diferencia de presión va

desde un mínimo hasta un máximo.

Existe otra manera de trabajo para estos filtros que es la MIXTA; no es más que aquella

filtración que transcurre primero a velocidad constante, donde su ΔP va desde un mínimo

a un máximo y luego el régimen es cambiado a ΔP constante y su velocidad va desde un

máximo a un mínimo.

En el proceso de filtración por torta se pasa a través de tres clases de resistencia en serie:

(1) Las resistencias de los canales que llevan la suspensión hasta la cara anterior de la

torta, y el filtrado desde que sale del medio filtrante. (2)La resistencia correspondiente a

la torta. (3) La resistencia correspondiente al medio filtrante.

Con respecto a la distribución de la caída global de presión, se observa que por ser éste un

flujo en serie, la diferencia de presión total en el filtro puede igualarse a la suma de las

diferencias de presión individuales. En un filtro bien diseñado las resistencias de las

conexiones de entrada y salida son pequeñas y pueden despreciarse en comparación con

la resistencia de la torta y del medio filtrante. Al incrustarse las primeras partículas en las

mallas del medio filtrante, se produce una resistencia adicional que afecta al flujo

posterior.

La resistencia total que se establece sobre el medio, incluyendo la de las partículas

incrustadas, se llama resistencia del medio filtrante y es importante durante los primeros

momentos de la filtración. La resistencia que ofrecen los sólidos, y que no se debe al

medio filtrante, se llama resistencia de torta. La resistencia de la torta es cero al iniciar la

filtración, a causa de la deposición continua de sólidos sobre el medio, esta resistencia

aumenta continuamente con el tiempo de filtración.

Matemáticamente, un filtro de torta trabaja de la siguiente manera:

ΔP= ΔPc+ ΔPm; - ΔP= - ΔPc- ΔPm (1)

En él existen resistencias que bloquean el paso del líquido de un lado al otro, siendo las

dos más importante y caso de estudio la resistencia de la torta (ΔPc) y la resistencia del

medio filtrante (ΔPm).

1. Resistencia de la torta (ΔPc)

La velocidad de fluido a través de la torta viene dado por:

(2)

Donde:

dv: diferencial de volumen.

dt: diferencial de tiempo.

De donde la ecuación queda:

(3)

En analogía a la resistencia de la torta, se realiza la resistencia del medio filtrante. La

velocidad de fluido a través del medio filtrante viene dado por la ecuación 2 y sus

miembros como la resistencia del medio filtrante y la fuerza impulsora son:

2. La resistencia del medio filtrante

Una vez realizados todos los cambios que se deben la velocidad en el medio filtrante es la

siguiente:

(4)

Donde:

R: Resistencia

Rm: Resistencia del medio.

μ: Viscosidad

3. Compresibilidad de la torta

En las tortas obtenidas por filtración, la resistencia específica de ésta varia con la caída de

presión producida a medida que ésta se deposita; esto se explica porque la torta se va

haciendo más densa a medida que la presión se hace mayor y dispone por ello de menos

pasadizos con un tamaño menor para que pase el flujo. Este fenómeno se conoce como

compresibilidad de la torta. Una torta compuesta por partículas sólidas flexibles y

deformables, blandas y floculentas, tiene una resistencia al flujo que depende de la caída

de presión y varía a lo largo de todo el espesor de la torta, siendo mayor cerca del medio

filtrante; a estas tortas se le denominan "Compresibles".

Las tortas denominadas "incompresibles" son aquellas formadas por partículas sólidas

rígidas e indeformables donde la resistencia es independiente de la presión y no varía con

la profundidad de la torta. Tortas muy compresibles serán aquellas que derivan de

sustancias blandas y floculentas, en contraste con sustancias duras y granulares, como el

azúcar y los cristales de sal, que se ven muy poco afectados por la presión (la velocidad es

independiente de la presión).

Para expresar esta influencia de la presión sobre las partículas de la torta se tienen

ecuaciones empíricas que las representan, entre estas está:

= o.(- P)s (5)

Donde: : resistencia específica de la torta, o: resistencia media específica de la torta, s:

factor de compresibilidad (S=0, torta incompresible; S=1, torta compresible); P: presión

total del sistema.

5. ECUACIÓN GENERAL DE LA FILTRACIÓN

De las ecuaciones 3 y 4 se despejan las variaciones de presión de la torta y del medio

filtrante respectivamente ( Pc y Pm) y se sustituye en la ecuación 1:

(6)

Realizando algunos cambios y conociendo que:

C=mc / V (7)

Con C: Concentración de sólidos en el filtrado. V: volumen del filtrado y mc: masa de

sólidos secos.

Llegamos a:

(8)

La ecuación 7 expresa la concentración de sólidos en el filtro en base al volumen de

filtrado. Existe otra manera de referirse a la concentración de sólidos en la filtración que

es Cs = mc / Vs, indica la cantidad de sólidos en base al volumen de suspensión, con el

volumen de suspensión la suma del volumen de filtrado más el volumen de líquido que

queda en la torta húmeda. La siguiente formula relaciona C y Cs:

(9)

Donde:

mf: masa de torta húmeda; mc: masa torta seca; : densidad.

Todas las ecuaciones de la filtración vienen dadas en función de C, la concentración en

base al volumen de filtrado por lo que si dan el dato de Cs se debe cambiar con la formula

arriba mostrada. Para utilizar la formula, darán la humedad de la torta en base húmeda o

en base seca, dependiendo de esto los valores de mf y mc se buscan de la siguiente forma:

Humedad en base húmedamfmc11 –( % humedad/ 100)100100 - %humedadHumedad en

base secamcmf11 + (%humedad / 100)100100 + %humedadLa ecuación 8 es la Ecuación

General de la Filtración por Torta, a partir de esta se trabaja para encontrar la Ecuación

que permite calcular el tiempo de filtración en filtros a Presión Constante, integrando

entre un tiempo 0 y t y entre un volumen de filtrado de 0 y V. La ecuación es:

Esta ecuación se le da la forma de una ecuación de línea recta.

La ecuación 11 representa la ecuación de un línea recta (y=mx+b), donde la pendiente es

Kp y el punto de corte con el eje y es B. Al graficar t/V en el eje de las Y, y V en el eje de las

X, debe dar una línea recta donde se puede encontrar tanto su pendiente como su punto

de corte y con estos poder encontrar valores importantes como lo son la resistencia de la

torta α y la resistencia del medio Rm.

a. Filtros Rotatorios

Estos son filtros que trabajan a presión

constante de vacío y de forma continua.

En este tipo de filtros, el flujo pasa a

través de una tela cilíndrica rotatoria, de

la que se puede retirar la torta. En estos

sistemas, la tela se soporta sobre la

periferia de un tambor sobre los que se

está formando la torta.

Para este tipo de filtro la Resistencia del medio es considerada despreciable (Rm≈0) y

estos están conformados por 5 zonas bien especificadas:

1. Zona de filtración: parte sumergida del filtro.

2. Zona de escurrido: se le separa el exceso de aguas madres por vacío.

3. Zona de lavado: se limpia con agua (chorros), para eliminar por completo las aguas

madres.

4. Zona de Secado: se seca casi en su totalidad por vacío a la torta formada.

5. Zona de raspado: se le retira a través de una cuchilla, la torta formada durante la

filtración.

Luego de cumplir el ciclo el filtro rotatorio vuelve de nuevo a comenzar su filtración.

Para esta filtración se utiliza un término f que es la fracción del área total que se

encuentra sumergida y del termino tc (tiempo de ciclo) que es el tiempo que dura el filtro

en dar una sola vuelta.

La ecuación que rige a este tipo de filtración es:

(12)

Las ventajas de los filtros rotatorios de vacío son un bajo costo de mano de obra, gran

capacidad para el espacio que ocupa y flexibilidad en el espesor de la torta. Por otra

parte, están limitados al uso de tortas bastante permeables y fáciles de descargar. Es

difícil obtener tortas totalmente secas y el costo de adquisición del aparato es bastante

elevado. No son adecuados para el tratamiento de sustancias volátiles ni de filtrado en

caliente. Su mejor uso se encuentra en la manipulación de grandes volúmenes de papilla

de características normales. (Brennan, Butter).

b. Filtración a Velocidad Constante

Los procesos de filtración por torta se pueden llevar a cabo a velocidad constante, es decir,

el valor de dv/dt es v/t. Se debe tener especial cuidado en el termino "velocidad

constante". Cuando se trabaja con fluidos líquidos la "velocidad" se expresa en función de

flujo volumétrico (volumen con respecto al tiempo). El termino velocidad realmente viene

dado por:

(13)

Donde: U: velocidad, V: volumen, t: tiempo de filtración, A: área de filtración

Para este tipo de filtración es la presión la que varía con respecto al tiempo, por ello es

que los datos experimentales vienen en función de estas variables. La ecuación para

trabajar con velocidad constante surge de la ecuación de la resistencia de la torta, ya que

al inicio de la filtración se considera que la presión del medio filtrante es casi despreciable

con respecto a la presión de la torta. La ecuación de la resistencia de la torta es la

siguiente:

(14)

Esta fórmula se trabaja para llegar a la ecuación de la filtración por torta a velocidad

constante que es:

(15)

Donde P: resistencia total de la torta; Pm: resistencia del medio filtrante; s: factor de

compresibilidad de la torta; U: velocidad del fluido; t: tiempo de filtración; C:

concentración de la solución en base al filtrado; : viscosidad del fluido; o: Resistencia

media específica de la torta.

Se realiza un cambio de variable a la ecuación 15 y queda:

(16)

Con:

Esta es la ecuación (16) de la filtración a velocidad constante, si se le aplica a esta

ecuación logaritmo en ambos miembros, queda:

Log.t = (1-s).log. ( P- Pm) + log.(1/Kr) (17)

La ecuación 17 representa a una línea recta al graficar los valores de t (en Y) contra ( P-

Pm) (en X) en papel doble logarítmico, en la cual, la pendiente es el valor de 1-s y el punto

de corte con el eje y arroja el valor de Kr.

Para obtener los valores para esta ecuación primero se procede a graficar los valores de

P(Y) contra el tiempo(X) en papel milimetrado y la línea recta que se obtiene se extrapola

para conseguir el punto de corte con y. Es aquí donde el tiempo es cero y se encuentra la

presión al inicio de la filtración.

Una vez encontrado el valor de Pm se calcula, para cada valor de tiempo, el respectivo

valor de P- Pm y estos valores se grafican en papel doblelog como lo indica la ecuación

y buscar de la línea trazada, la pendiente y el punto de corte con el eje y.

El punto de corte tiene dos formas de cálculo. Si se busca por la gráfica directamente el

valor que nos da es el de 1/Kr. Se busca intersectando el valor en el eje x de 1 (1x100) con

la línea trazada y leyendo en el eje y el valor de la intersección; la otra forma es buscar Kr

por la ecuación ( P- Pm)1-s = Kr.t, solo se debe tomar un punto que este sobre la línea

recta y leer sus valores de (ΔP- ΔPm) y t.

VI. APARATOS UTILIZADOS EN FILTRACIÓN

Los aparatos que se utilizan en filtración, constan básicamente de un soporte mecánico,

conductos por los que entra y sale la dispersión y dispositivos para extraer la torta. La

presión se puede proporcionar en la parte inicial del proceso, antes del filtro o bien se

puede utilizar vacío después del filtro, o ambas a la vez, de forma que el fluido pase a

través del sistema.

La mayoría de los filtros industriales operan a vacío o a presión superior a la atmosférica.

También son continuos o discontinuos, dependiendo de que la descarga de los sólidos sea

continua o intermitente. Durante gran parte del ciclo de operación de un filtro

discontinuo el flujo de líquido a través del aparato es continuo, pero debe interrumpirse

periódicamente para permitir la descarga de los sólidos acumulados. En un filtro

continuo, tanto la descarga de los sólidos como del líquido es ininterrumpida cuando el

aparato está en operación.

Entre los aparatos se cuentan:

1. Filtros prensa (discontinuo de presión)

En estos se coloca una tela o una malla sobre placas verticales, de manera tal que sean

los bordes los que soporten a la tela y al mismo tiempo dejen debajo de la tela un área

libre lo más grande posible para que pase el filtrado. Normalmente se les llama "Filtros de

placa y marco". En esta clase de filtros se alternan placas acanaladas cubiertas en ambos

lados por medio filtrante, con marcos, en conjunto se encuentran apretada por tornillos o

una prensa hidráulica que la cierran herméticamente.

Las placas y los marcos contienen aberturas en un ángulo, las cuales forman un canal al

cerrar el filtro y por donde se introduce la papilla de alimentación. Al circular la

suspensión, la torta se forma en el lado más alejado de la placa, entrando por el marco,

pasando el filtrado a través del medio y por la superficie acanalada de las placas del filtro

y saliendo por un canal de salida en cada placa.

La filtración se continua hasta que el flujo de filtrado es menor que cierto límite practico o

la presión alcance un nivel inaceptablemente elevado. Después de la filtración se puede

realizar el lavado de la torta sustituyendo el flujo de la papilla por flujo de lavado, también

se puede abrir el filtro y retirar la torta.

2. Filtros espesadores de presión (continuos de presión)

El objeto de un filtro espesador es separar parte del líquido contenido en una suspensión

diluida para obtener otra concentrada. Tiene la apariencia de un filtro de prensa, sin

embargo, no contiene marco y las placas están modificadas. Las placas sucesivas llevan

canales apareados que forman, cuando se monta la prensa, una conducción larga en

espiral para la suspensión. Los lados de los canales están recubiertas con un medio

filtrante mantenido entre las placas. Mientras la suspensión pasa por el canal a presión,

una parte del fluido sigue fluyendo por el canal hacia al distribuidor múltiple de descarga

de líquido claro. La suspensión espesada se mantiene en movimiento rápido para no

obstruir el canal. El número de placas escogido es tal de modo que la diferencia de

presión en todo el aparato no exceda de 6 kgf /cm2. En estas condiciones es posible

duplicar la concentración de la suspensión de entrada. Si se requiere una concentración

mayor, la suspensión espesada en un filtro se introduce nuevamente en un segundo filtro.

3. Filtros rotatorios (continuo de vacío)

En este tipo de filtros, el flujo pasa a través de una tela cilíndrica rotatoria, de la que se

puede retirar la torta de forma continua. La fuerza más común aplicada es la de vacío. En

estos sistemas, la tela se soporta sobre la periferia de un tambor sobre los que se está

formando la torta.

Cabe destacar que los filtros anteriormente vistos son a modo de ejemplo destacando el

filtro de prensa, el cual fue usado en el laboratorio. Se pueden encontrar una variedad

muy amplia de estos en el comercio dependiendo de la finalidad del proceso a realizar.

4. Filtros auto limpiantes.

Filtros autolimpiantes automáticos o manuales disponibles

en diversos tamaños de malla:

5. Filtros bolsa.

Para productos líquidos que requieren alta pureza,

o control de calidad preciso para características

como color y tamaño de partícula:

6. Tecnología de filtración por membrana.

Producción de Agua ultra pura en la forma más rápida,

simple y conveniente, con tecnología de filtración en los

rangos de Ultrafiltración, nanofiltración y ósmosis

inversa.

5. APLICACIONES DE LA FILTRACIÓN

Entre las aplicaciones de los filtros se debe mencionar que, aparte de la filtración

propiamente dicha, éstos pueden realizar otras funciones de separación sólido-líquido

como: clarificación, extracción, lavado de torta, deshidratación y recuperación de

sustancias. La filtración se emplea en un gran número de procesos relacionados con

industrias muy diversas; como ejemplo se citan las siguientes:

a. Química: filtración de azufre fundido, silicato sódico, ácido cítrico, resinas y fibras

sintéticas, plásticos.

b. Farmacéutica: producción de vitaminas y antibióticos.

c. Alimentaria: filtración de glucosa, fructosa y azúcares, jugos de frutas, cerveza, vino,

etc.

d. En la producción de azúcar se emplean filtros de vacío siempre que es necesaria la

separación de materia sólida de un líquido, también aparecen centrífugas.

e. En la producción de zumos de frutas, hay que señalar que está aumentado la

utilización de filtros para espesamiento de tipo continuo frente a los típicos

decantadores.

f. En el embotellado vino o zumos de frutas, se emplean los filtros de placas como

filtro final para la esterilización. Otros usos de los filtros en la industria del vino se dan

en bodega para filtración clarificante y eliminación de turbidez si se coloca el filtro

entre dos tanques.

g. Industria del aceite: pulido de aceites, blanqueo y winterización.

h. Agroquímica: producción de insecticidas

i. Petroquímica: separación de distintos componentes como la posibilidad de

obtención de parafinas cristalinas de las que no lo son

j. Recuperación y refino de metales: por ejemplo filtración de sales de zinc, cobre,

níquel, etc.

k. Otro ejemplo es el tratamiento de minerales

sulfurosos para la extracción de oro. El mineral

después de ser concentrado en el circuito de

flotación, debe ser lavado para eliminar las

sales en exceso que tienen un efecto perjudicial

en el proceso posterior de tostación. El método

elegido para este proceso es el de filtración porque no sólo consigue el lavado

requerido sino que produce una torta que se puede transportar fácilmente al lugar

de tostación. La filtración y el lavado se llevan a cabo usando dos filtros de banda que

producen una torta con una humedad aproximada del 15%.

l. Planta de tratamiento de mineralCerámica, pinturas, pigmentos, tintes, barnices, etc.

m. Tratamiento de aguas residuales: tanto urbanas como procedentes de instalaciones

industriales. La filtración aparece en el acondicionamiento de aguas residuales y en el

tratamiento de fangos.

La filtración de agua implica su paso a través de capas de

arena, carbón y otros materiales granulares para eliminar

microorganismos y cualquier flóculo o sedimento que pudiera

quedar.

Filtración en lecho profundo para purificación de agua

Filtración de fangos urbanos (ver diagrama). El acondicionamiento se realiza con cal y

cloruro férrico que mejora el espesamiento. Se consiguen humedades residuales del

50%.

Filtración en planta de tratamiento de agua

n. Producción de cemento vía húmeda

o. Obtención de sal en salinas, como se

muestra en el

siguiente

diagrama:

p. También es

posible el

tratamiento de productos

peligrosos para el medio ambiente en filtros Nutcha, gracias a su estanqueidad.

q. Producción de papel

Detalle de equipos:

1. evaporador de cristalización

2. recipiente de la papilla de cristales

3. condensador estático

4. dosificador

5. centrífugas

6. secador de lecho fluido

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