operaciones de separación mecánica. filtraciÓn separaciÓn sÓlido- fluido clasificaciÓn...
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FiltraciónOperaciones de separación mecánica
FILTRACIÓN
SEPARACIÓN SÓLIDO-FLUIDO
CLASIFICACIÓN
OPERACIÓN
VACÍO AGUAS ABAJO
PRESIÓN ATMOSFÉRICA
SOBREPRESIÓN AGUAS ARRIBA
PROCESO
CONTINUO
DISCONTINUO
MECANISMO DE
FILTRACIÓN
CLARIFICANTES
TORTAS
Filtración: es la separación de partículas sólidas a partir de un fluido, haciendo pasar el fluido a través de un medio filtrante sobre el que se depositan los sólidos.
El fluido puede ser un liquido o un gas, y la corriente valiosa procedente de un filtro que puede ser el fluido, los sólidos o ambos productos. En algunos casos pueden carecer de valor ambas corrientes, como es el caso de la separación de sólidos residuales.
Puede existir un pretratamiento con el fin de aumentar la velocidad de filtración, como calentamiento, recristalización o adición de un coadyuvante de filtración.
Los coadyuvantes son sustancias que disminuyen o aumentan la tensión superficial, cohesión o adhesión.
Los coadyuvantes utilizados son celulosa, yeso y tierra de diatomeas.
Clasificación de los filtros de acuerdo a su operación
Sobre presión aguas arribaPresión atmosférica aguas arribaVacio aguas abajo
Aplicaciones de los filtros de sobrepresión aguas arriba
Clarificadores de agua potableTratamiento de aguas residualesAguas madre con una gran cantidad de
cristales
Existen filtros de sobrepresión aguas arriba continuos e intermitentes
Los filtros se dividen en dos grandes grupos según su mecanismo: filtros clarificadores y filtros de torta.
Los clarificadores retiran pequeñas cantidades de sólidos para producir un gas claro o líquidos transparentes, tales como bebidas.
Los filtros de torta separan grandes cantidades de sólidos en forma de una torta de cristales o un lodo.
Filtros Clarificadores
En los filtros clarificadores las partículas del sólido son atrapadas en el interior del medio filtrante, en la cual no se observa ninguna capa de sólidos en la superficie.
Las partículas son captadas por las fuerzas superficiales e inmovilizadas dentro de los canales de flujo. Aun cuando reducen el diámetro efectivo de los canales, normalmente, no llegan a bloquearlocompletamente.
Limpieza de gases: para la limpieza de gases se ocupan filtros de barras, de lechos granulares, de bolsas las telas utilizadas para realizar este tipo de filtros son manta o fieltro.El material filtrante puede estar seco o recubierto con un aceite viscoso para actuar como un retenedor de polvo. En ocasiones, el medio filtrante se desecha, pero en la limpieza de gases a gran escala con frecuencia se lavan y se vuelven a recubrir con aceite.
Clarificación de líquidosFiltro de cartucho: es utilizado para separar pequeñas cantidades de sólidos de los fluidos de proceso. El cartucho filtrante consiste en unos discos metálicos de 3 a 10 in de diámetro dispuestos en forma vertical dejando entre ellos espacios uniformes.
Los discos están acoplados a un eje vertical hueco y recubiertos por una carcasa.
Mecanismo de torta
El medio filtrante es delgado en comparación con el filtro clarificador.Al comienzo de la filtración algunas partículas sólidas entran en los poros
del medio filtrante y quedan inmovilizadas, pero rápidamente empiezan a ser recogidas sobre la superficie del medio filtrante.Después de este breve período inicial la torta de sólidos es la que realiza la filtración. La torta se tiene que retirar periódicamente.
Filtros automáticos de prensa (discontinuo)
Son utilizados para cuando se cuenta con sólidos muy finos o líquidos viscosos. Contienen un conjunto de placas en donde se encuentra el medio filtrante que forman cámaras donde se recogen los sólidos.La suspensión se introduce en cada compartimento bajo presión de 3-10 atm. El líquido pasa a través de la lona y sale a través de una tubería dejando detrás una torta húmeda de sólidos.
Filtro de carcasa y hojas (discontinuo)
Trabaja a presiones superior que el filtro anteriorRequiere memos mano de obraSistema retráctilRequiere un lavo más eficaz de la tortaEs utilizado para filtración con coadyuvantes
Filtro discontinuo de vacio (nutcha)
Es usado para materiales corrosivosRequiere gran cantidad de mano de obraAquí el líquido es succionado a través del medio filtrante en el cual se hace la torta.La torta es lavada y secada a presión
Filtro de tambor rotatorio (continuo de vacio)
Es usado cuando se tiene un solución gelatinosaGira a 0.1 a 2 rpmTiene un grado de inmersión del 30%Suele usar un filtro de recubrimiento seco con
diatomeasPara realizar la limpieza de la torta se lava y
después es secada por aspiración
Filtro de cinta horizontal
Es usado para soluciones que contienen partículas sólidad gruesas que sedimentan rapidamente
Entre sus aplicaciones tenemos tratamiento de residuos y para verduras
Se construyen en tamaños comprendidos entre 2 a 18 ft de ancho y 16 a 110 ft de largo
Medios filtrantes
Los medios filtrantes deben cumplir con los sig. requerimientos:
Ha de retener los sólidos a filtrar dando lugar a un filtrado razonablemente claro.
No debe obstruirse o cegarse. Ha de ser química y físicamente resistente
para soportar las condiciones del proceso. Ha de permitir que la torta formada se
desprenda de una forma limpia y completa. No debe ser excesivamente caro.
MATERIALES USO
LONA INDUSTRIAL
LANA Y OTRAS TELAS SUSTANCIAS QUÍMICAS Y CORROSIVAS
ACERO MONEL67% Ni, Cu Y Fe
SUSTANCIAS CORROSIVAS
DRACÓN SUSTANCIAS CORROSIVAS
Materiales de los cuales pueden estar hechos:
Característica de los coadyuvantes- Aumentan la rapidez de filtrado.
- Deben ser químicamente inertes.
- Para poder separar el coadyuvante de la torta, se elige un solvente. Puede ser agua, depende el coadyuvante.
Principales magnitudes de interés
Magnitud: Tamaño de dimensiones
Velocidad de filtración (flujo)
Caída de presión
L2
La presión disminuye al chocar con la torta. La presión depende del espesor de la torta.
∆P= P1-P2Hermans y Bradeé (1935)
P= cte(d2t/dV2)= K1 (dt/dV)n
V: volumen del liq. filtrado recogido durante el tiempo t.K1: cte.n: cte. (Fundamentos de filtración)
P
L1
Fundamentos de filtraciónFILTROS MECANISMO DESCRIPCIÓN n
CLARIFICACIÓN
COLADO DIRECTO
OBSTRUCCIÓN COMPLETA DE LOS POROS
2
BLOQUEO ESTÁNDAR
BLOQUEO PARCIAL DE POROS
3/2
BLOQUE INTERMEDIO
TRANSICIÓN ENTRE LA CLARIFICACIÓN Y LA
TORTA
1
TORTA
------------ -------------
0
Grace, Poiseville (1928)V=cte[d(∆P)/dV]= K2(∆P) caída de presión a través del filtro
q= q0(1-KsV)2 Tipos de clasificación estándar n=3/2
t/V= Ks t + (1/q0)
q0= Velocidad volumétrica
q= dV/dt
t/V
t
Ks= pendiente
Caída de presión en serie
Serie Presión y medioEn t=0, r1 despreciable
En t=1, r1 mucho mayor
∆P= Pa-Pb=(Pa-P’)+(P-Pb)= ∆Pc+∆PmPa= Presión interiorPb= Presión exteriorP’=P. en el límite de separación entre el medio filtrante y la torta∆P= Caída global de presión∆Pc= Caída de presión en la torta∆Pm= Caida de presión en el medio filtrante
r1
r2
dP/dL= K3µƲ(1-ε)2(Sp/Ʋp)
gcε3
Ʋ= Vel. De filtradoSp= superficie de una partículaƲp= Vol. De una sola partículaε= Valor que depende del material
(porosidad)gc= Factor de proporcionalidad de
Newton
Cuando el tamaño y forma están definidos
K3= 4.167
Ʋ= (dV/dt)/A
P1
P’
p2
FILTRADO
L
L2
dl Torta
A= Área del medio filtrante
Ecuación empírica
Resistencia de la torta αα=α0(∆P)S
α0= cte. Depende del tipo de filtro (tablas)S= cte. Factor de compresibilidad
Dependencia de α y ∆P:α independiente a ∆P incompresibleα dependiente de ∆P compresible*Si S=0 no hay relación, es incomprensible
S= + compresible, rango de (0.2-.8)
Aumenta la resistencia.
La torta es compresible.
∆P
log
Correlaciones matemáticasFiltración continuaCálculos con tambores rotativos:
V/tA=[(2∆PgcCα/µt)+(Rm/t)2]1/2-(Rm/t)
CαV/t: Vel. De recolección de filtradoA: Área sumergida del filtroC: Masa de la partícula depositada en el filtro por unidad de volumen
de filtradoµ: Viscosidad del filtradogc: Factor de gravedad
α: Resistencia de la tortaRm: Resistencia del medio filtrante
T=ftc= f/ntc: tiempo de ciclo. Tiempo que dura un filtro en dar la vuelta
f: Fracción de tambor sumergido
n: Vel. De giro del tambor
mc= c(V/t)
mc: Vel. de producción de sólidos.
Al aumental la vel. De giro del tambor, la filtración aumenta, y disminuye conforme el tiempo de ciclo.
∆P/α= (µc/tgc) (V/A)2
Las tortas son delgadas en el filtro rotatorio.
Lavado de tortasPara lavar el material soluble que pueda quedar retenido
por la torta de filtración se utiliza un solvente miscible con el filtrado. Siendo el agua el líquido de lavado más habitual. Dos aspectos importantes en el diseño y operación de un filtro son la velocidad de flujo del líquido de lavado y el contenido de soluto en la torta hasta un grado deseado.
Se mide la velocidad de filtrado Se mide la cantidad de agua para lavar la torta Cuando el agua no es suficiente, se utilizan solventes con
diferentes polaridadesNOTA: El lavado deberá interrumpirse cuando el valor del
soluto no recuperado sea inferior al coste de su recuperación. (que sea más caro 3%, que dejar la torta)
Segmento Tipo de lavado
Descripción Observaciones
ab Por desplazamiento
(De primera etapa)
Primera porción de líquido
recuperado
Método ideal para lavar una torta. Se puede recuperar
hasta el 90% de soluto contenido en la torta
bc De segunda etapa
Rápido descenso de la
concentración del efluente
El volumen del líquido de lavado es del mismo orden
de magnitud que el usado en la primera etapa
cd De tercera etapa
La concentración del soluto en el efluente es baja
El resto del soluto es lentamente recuperado
Flujo deSalida delefluente
t
ab
cd