procesos de separacin i

procesos de separacin iINGENIERA QUIMICA

INSTITUTO TECNOLOGICO DE ORIZABA Ingeniera quimica

ADRIANA SARAY VAZQUEZ ACOSTAANGELICA MEDEL TEPALEMARTHA ELOISA FONSECA HERNANDEZLUIS ALBERTO OLIVERA ZEPEDA

M.C. ALFONSO MAON ALARCN

AGOSTO - DICCIEMBRE 2012PRESENTAPROFESORPERIODOUnidad IIISEPARACIN DE SLIDOSprocesos de separacin I

UNIDAD III SEPARACIN DE SLIDOS

La separacin slido-lquido por mtodos mecnicos forma parte de una gran rea de tcnicas de separacin de fases slidas, lquidas y gaseosas. Este tipo de separacin aparece en un extenso nmero de procesos industriales en los diversos campos de la economa. A ella pertenece la eliminacin de agua desde suspensiones en la industria, la recuperacin de agua en procesos de la minera, la purificacin de aguas domiciliarias, la eliminacin de polvo, la desgasificacin de lquidos y la eliminacin de espumas, entre muchos otros procesos. Es, entonces, pertinente poner los procesos de separacin slido-lquido dentro del contexto de las operaciones de separacin de fasesEn esta unidad se engloba un grupo de procesos de separacin que no se lleva a cabo a escala molecular ni se debe a diferencias entre las diversas molculas presentes, esto es debido a que la separacin se logra usando fuerzas fsico-mecnicas y no fuerzas moleculares o qumicas ni difusin, Estas fuerzas fsico-mecnicas actan sobre partculas, lquidos o mezclas de partculas y lquidos, y no necesariamente sobre molculas individuales.Las fuerzas fsico-mecnicas incluyen la gravitacin y la centrifugacin, las fuerzas mecnicas propiamente dichas y las fuerzas cinticas causadas por flujos. Las corrientes de partculas o fluidos se separan debido a los diferentes efectos que sobre ellas producen estas fuerzas.

CLASIFICACIN DE LOS PROCESOS DE SEPARACIN DE SLIDOS

Los procesos de separacin de slidos debido a sus caractersticas tambin son denominados como procesos de separacin fsico-mecnicos, en base a dichas caractersticas pueden ser clasificados de la siguiente forma:

1. FILTRACIN: El problema general de la separacin de partculas slidas de lquidos se puede resolver usando gran diversidad de mtodos, dependientes del tipo de slido, de la proporcin de slido a lquido en la mezcla, de la viscosidad de la solucin y de otros factores. En la filtracin se establece una diferencia de presin que hace que el fluido fluya a travs de poros pequeos que impiden el paso, de las partculas slidas las que a su vez, se acumulan sobre la tela como torta porosa.

2. PRECIPITACIN Y SEDIMENTACIN: En la precipitacin y la sedimentacin las partculas se separan del fluido debido a las fuerzas gravitacionales que actan sobre las partculas de tamaos y densidades diferentes.

3. PRECIPITACIN Y SEDIMENTACIN POR CENTRIFUGACIN. En las separaciones por centrifugacin, las partculas se separan del fluido a causa de las fuerzas centrfugas que actan sobre las partculas de tamaos y densidades diferentes. Se usan dos tipos generales de procesos de separacin. En el primer tipo de proceso se lleva a cabo una precipitacin o sedimentacin por centrifugacin.

4. FILTRACIN CENTRFUGA: El segundo tipo de proceso de separacin por centrifugacin es la filtracin centrfuga que se asemeja a la filtracin ordinaria en la que un lecho o torta de slidos se acumula en una pantalla, pero se utiliza la fuerza centrfuga para provocar el flujo en lugar de una diferencia de presin.

5. REDUCCIN MECNICA DE TAMAO Y SEPARACIN. En la reduccin mecnica de tamao, las partculas slidas se fragmentan por medios mecnicos en tamaos ms pequeos y se separan de acuerdo con sus dimensiones. De este tipo de separacin se hablara hasta la unidad IV Manejo de Slidos.

3.1 FILTRACIN

La filtracin es la separacin de partculas slidas a partir de un fluido mediante el paso del fluido a travs de un medio filtrante o pared separadora sobre el que se depositan los slidos. El fluido puede ser un lquido o un gas, y la corriente valiosa procedente de un filtro puede ser el fluido, los slidos o ambos productos. En la filtracin industrial, el contenido de slidos de la alimentacin puede oscilar desde trazas hasta un porcentaje muy elevado. Con frecuencia la alimentacin se modifica de alguna forma mediante un pretratamiento, a fin de aumentar la velocidad de filtracin por medio de calentamiento, recristalizacin o adicin de un "coadyuvante de filtracin", tal como celulosa o tierra de diatomeas. Un filtro es un equipo de las operaciones unitarias por medio del cual se realiza la filtracin. EI medio filtrante es la barrera que permite que pase el lquido mientras retiene la mayor parte de los slidos. Dicho medio puede ser una pantalla, tela, papel un lecho de slidos. Debido a la enorme variedad de materiales que se han de filtrar y las diferentes condiciones de operacin de los procesos, se han desarrollado numerosos tipos de filtros.

MEDIOS FILTRANTES

Todos los filtros requieren un medio filtrante para la retencin de slidos, ya sea que el filtro este adaptado para la filtracin de torta, como medio de filtracin o filtracin en profundidad. La especificacin del medio de filtracin esta basada en la retencin de un tamao mnimo de partcula y una buena eficiencia en la eliminacin por separacin, as como tambin una aceptable duracin. La eleccin del medio de filtracin es con frecuencia, la consideracin ms importante para asegurar el funcionamiento satisfactorio de un filtro. Para la filtracin de la torta, la seleccin del medio filtrante incluye la optimizacin de los siguientes factores:

1. Capacidad de detener los solidos sobre sus poros con cierta rapidez, despus de que se inicie la alimentacin.2. Baja velocidad de arrastre de solidos hacia el interior se sus intersticios (esto es, propensin mnima a los atascamiento).3. Resistencia mnima a la corriente de filtrado, es decir elevada velocidad de produccin.4. Resistencia a los ataques qumicos.5. Suficiente resistencia para soportar la presin de filtracin.6. Capacidad de descarga de la torta con facilidad y limpieza.7. Capacidad de adaptacin mecnica al tipo de filtro en el que se utilizar.8. Costo mnimo.

Para la filtracin con medios filtrantes se aplican las consideraciones 3. 4. 5, 8 y 9 de la lista anterior y es preciso agregar:a) Capacidad para retener los slidos que se requieren b) Posibilidad de descarga de algunas hebras, pelusas o algn otro tipo de material en el filtrado.c) Capacidad para no colmatarse con rapidez (es decir. larga duracin).

Algunos tipos de medios filtrantes son: Telas de fibras tejidas: Existen infinidad de telas la cuales dependen del estilo, tejido, peso, cuenda, pliegues y del numero de hilos. Los tejidos ms utilizados son los lisos (cuadrados), tejido, sarga, tejido de cadena y satn. Telas metlicas o tamices: Existen diversos tipos de tejido metlicos a base de nquel, cobre, latn, bronce, aluminio, acero, acero inoxidable, monel y otras aleaciones. La buena resistencia a la corrosin y alas altas temperaturas hace que las filtraciones realizadas con medios filtrantes metlicos sean recomendables para aplicaciones de larga vida. Filtros prensados y borras de algodn: Son utilizados para filtracin de partculas de carcter gelatinoso. Debido a su buena capacidad de retencin, alta resistencia, costo moderado y resistencia al atasco, estos sistemas tienen gran aceptacin para uso en los filtros a presin. Papel filtro: Presentan una gran gama de permeabilidad, espesores y resistencia. Como estos materiales poseen baja resistencia, requieren la colocacin de una placa como soporte. Medios porosos rgidos: Se encuentran disponibles como hojas, placas o tubos. Son resistentes a altos intervalos de temperatura y a ciertos productos qumicos. Membranas polimricas: Son utilizadas para la separacin de partculas finas en procesos de microfiltracin y ultrafiltracin. Las membranas son fbricas con materiales como acetatos de celulosa y poliamidas. Lechos granulares de partculas slidas: Ejemplo de ellos son arena o carbn; son utilizados en procesos de clarificacin de agua o soluciones qumicas que contienen pequeas cantidades de partculas de suspensin.

Ayudas en la filtracin (coadyuvantes) EI uso de ayudas en los filtros es una tecnica que se aplica con frecuencia para las filtraciones en las que surgen problemas de baja velocidad de filtracin, taponamiento rpido o de un filtrado de baja calidad. Los asistentes de filtro son slidos granulares o fibrosos capaces de formar una torta de aIta permeabilidad en la que se pueden retener slidos deformables y slidos muy finos o pastosos. El empleo de estos materiales permite obtener un medio filtrante mas permeable que el necesario para una clarificacin, con el objetivo de producir un filtrado de la misma calidad que el que se obtiene por filtracin profunda. Deben ser porosos y capaces de formar una torta porosa para minimizar la resistencia al flujo y quimicamente intertes con el filtrado. Estas caracteristicas se encuentran en materiales como:

Silice de diatomeas: Contiene particulas que la mayor parte tiene un diametro inferior a 50m y producen una torta con una porosidad de un valor aproximado a 0.9(volumen de huecos/volumen total de la torta), esta elevada porosida lo hace ideal como ayudante de filtracin. Perlita. Contiene una mayor fraccion de particulas en el intervalo de 50 a 150 m. se encuentra disponible en varios grados que difieren en la permeabilidad y el coste, siendo estos semejantes los de la tierra de diatomeas. Sin embargo la tierra de diatomeas soporta pH ms extremos que la perlita y hasta cierto modo es menos compresible.

El coadyuvante de filtracin se separa despus de la torta de filtracin disolviendo los slidos o quemando el coadyuvante. Si los slidos no tienen valor, se desechan junto con el coadyuvante.

3.2 CLASIFICACIN DE FILTROS

La filtracin y los filtros se pueden clasificar de varias formas:1. Por la fuerza impulsora. EI flujo de filtrado es inducido por el medio filtrante mediante la carga hidrosttica (gravedad), presin aplicada corriente arriba del medio filtrante, vaco o presin reducida aplicada corriente abajo del citado medio o fuerza centrfuga aplicada al medio. La filtracin centrifuga se asocia a la sedimentacin centrifuga, y ambas son objeto de estudio de Centrifugas2. Por el mecanismo de filtracin. Se considerar dos modelos y constituyen la base para la aplicacin de la teora al proceso de filtracin. Cuando los slidos quedan retenidos en la superficie de un medio de filtracin y se amontonan unos sobre otros para formar una torta de espesor creciente, la separacin es conocida como filtracin de torta. Cuando los slidos quedan atrapados dentro de los poros o cuerpo del medio de filtracin, se le denomina medio filtrante de profundidad o filtracin con clarificacin.

Figura 3.1 (a) Filtro de torta (b) Filtro clarificador

Los filtros de torta separan grandes cantidades de slidos en forma de una torta de cristales o un lodo, con frecuencia incluyen dispositivos para el lavado de la torta y para eliminar la mayor parte posible del lquido en los slidos antes de su descarga. Los filtros clarificadores retiran pequeas cantidades de slidos para producir un gas limpio o lquidos transparentes, tales como bebidas.

3. Por el objetivo. La meta del proceso de filtracin puede ser la obtencin de slidos secos (la torta es el producto de valor), Iquido clarificado (el filtrado es el producto valioso) o ambas cosas. La recuperacin de slidos se obtiene mejor mediante la filtracin de la torta, mientras que la clarificacin del Iquido se logra ya sea por la filtracin en profundidad o de torta..4. Por el ciclo operacional. La filtracin puede ser intermitente (por cargas) o continua. Los filtros del modo intermitente pueden funcionar con una fuerza impulsora a presin constante, a velocidad constante o en ciclos variables con respecto a ambas magnitudes. Los ciclos en la filtracin intermitente pueden variar de manera considerable dependiendo del rea de filtro y de la carga de slidos.Los filtros se dividen normalmente primero en los dos grupos de equipos, de torta y clarificacin, despus en grupos de equipos que se usan el mismo tipo de fuerza impulsora y posteriormente por cargas y continas.

3.3 TIPOS DE FILTROS

FILTROS TORTA

Los filtros torta son aquellos en lo cuales se acumulan cantidades apreciables y visibles de slidos sobre la superficie del medio filtranteLa suspensin de alimentacin puede contener una concentracin de slidos que varia desde el 1 por 100 hasta mas del 40 por 100. EI medio filtrante sobre el que se forma la torta es relativamente abierto para minimizar la resistencia al flujo ya que, una vez se consigue la torta, esta se vuelve el medio filtrante efectivo. Por consiguiente, el filtrado inicial puede contener una cantidad de slidos inaceptable hasta que se logra la formacin de la torta. Esta situacin se puede tolerar si se realiza una recirculacin del filtrado hasta conseguir una calidad suficiente, o bien la instalacin de un segundo filtro de afino, aguas abajo (tipo de clarificacin).

Estos filtros son utilizados cuando el producto deseado de la filtracin son los solidos, el filtrado o ambos. Cuando el filtrado es el producto deseado, el grado de eliminacin del liquido en la torta por lavado o soplado con aire o gas comprimido se convierte en una optimizacin econmica. Cuando la torta es lo deseado, el incentivo es la obtencin del deseado grado de pureza de la torta por lavado o soplado y, en ocasiones, el prensado mecnico es til para la extraccin del lquido residual. Las tortas pueden ser pegajosas y presentar cierta dificultad su manejo, por dicha razn la capacidad del filtro para descargar limpiamente es un criterio importante en la seleccin del equipo.

En base al sentido de operacin, algunos equipos de filtracin son dispositivos que operan en rgimen intermitente: mientras que otros son continuos. Esta diferencia proporcinala base principal para una cIasificaci6n de los filtros de torta en el anlisis que se presenta a continuacin. La fuerza impulsora mediante la cual funciona el filtro- carga hidrosttica (gravedad), presin proporcionada por una bomba o la carga de un gas o la presin atmosfrica (vaco) se utiliza como segundo criterio.

FILTROS INTERMITENTES DE TORTA

Filtros Nutsche (succin)Es uno de los filtros discontinuos ms simple, consiste en un tanque con un fondo falso, perforado o poroso, sobre el que se apoya el medio filtrante, o bien acta al mismo fondo como medio filtrante. La suspensin a filtrar se alimenta al recipiente del filtro y la separacin se produce por un flujo pro gravedad, presin, vaco o una combinacin de estas fuerzas, aunque su forma habitual de operacin es a vaco. El diseo es simple y a bajo a costo, principalmente es utilizado a nivel laboratorio, debido a que a gran escala el rea superficial ocupada que necesita este tipo de unidad por unidad de rea de filtracin es excesiva y la dificultada para eliminar la torta son factores que descartan su uso.Figura 3.2 Filtro Nutsche

En operaciones a pequeiia escala, la torta se puede eliminar manualmente; Para aplicaciones a gran escala, la torta puede someterse a un procesado posterior para su reprecipitacin o redisolucin, o bien eliminarse manualmente (mediante una pala) o a travs de dispositivos para su descarga mecanica, tales como un medio filtrante removible tipo cinta. En este tipo de filtro es posible el desplazamiento total por lavado si el disolvente de lavado se agrega antes de que la torta se exponga al soplado con aire para retirar el filtrado. Si es necesario que el lavado sea mas eficaz, se puede colocar un agitador dentro del recipiente del nutsche para reprecipitar la torta y permitir una difusin adecuada del soluto contenido en los slidos.

Filtro de placas horizontalesEI filtro horizontal a presin de placas mltiples consta de un conjunto de placas horizontales, de forma circular montadas dentro de un deposito horizontal conectadas a un nico colector de salida de liquido filtrado. Esta configuracin permite construir filtros de gran capacidad. Posee unas guas que son utilizadas para el drenado alojado dentro de una carcasa cilndrica. Habitualmente, la presin para filtracin esta limitada a 345 kPa; sin embargo existen filtros especiales diseados para operar a presiones de 2.1 MPa o mayores.Figura 3.3 Filtro de placas horizontales

Filtro Prensa

EI filtro prensa es uno de los tipos de filtro que con mas frecuencia se utilizaba en los primeros anos de la industria qumica y actual mente an se emplea. Es conocido de manera errnea como filtro de placas y bastidor pero de este probablemente existen ms de 100 variaciones. Los dos tipos de filtro prensa mas populares son el de placa de lavado o de placas y bastidor, y el filtro prensa de placas huecas. Ambos pueden se construidos de una gran variedad de materiales como: metales con o sin recubrimiento, platicos, e incluso de madera.Figura 3.4 Filtro prensa de placas y bastidores

Filtro prensa de Placas y bastidor

Este tipo de filtros presentan un montaje alternando placas cubiertas en ambos lados con un medio filtrante, que por lo general es tela, y unos bastidores que proporcionan el espacio necesario para la acumulacin de la torta durante la operacin de filtracin. En los bastidores existen unas aberturas (bocas) para la alimentacin de la corriente a filtrar y el lavado, en tanto que las placas tienen aberturas para el drenaje del filtrado. Por lo general, los bastidores y placas son rectangulares; sin embargo, tambin se utilizan los circulares o de otra geometra como se observa en la figura 3.4. Los bastidores y las placas, que estn colgados de un par de barras de apoyo horizontales y perpendiculares, se comprimen durante la filtracin formndose un cierre estanco, a prueba de agua, entre las placas terminales, siendo una de ellas fija. La forma de cerrar la prensa puede ser manual, hidrulica o mediante un motor. Existen varias disposiciones para la alimentacin y la descarga del filtrado. La forma habitual para la alimentacin y la descarga de los diferentes elementos de la prensa es por una interconexin con unos pasantes (aberturas) localizados en las cuatro esquinas de cada uno de los bastidores y placas (y de la tela filtrante), para formar canales longitudinales continuos desde la placa terminal que es fija hasta el otro extrema del filtro prensa. De forma opcional, el filtrado se puede drenar de cada placa por medio de una vlvula y un grifo individual (para descarga abierta) o un tubo (para descarga cerrada). La alimentacin por la parte superior y la descarga por el fondo de las cmaras proporcionan la recuperacin mxima del filtrado y el secado mximo de la torta. Esta disposicin es adecuada, sobre todo, para los slidos ms pesados que se sedimentan con rapidez. Para la mayor parte de las suspensiones, la alimentacin se efecta por la parte inferior y la descarga de filtrado por la superior, permitiendo un rpido desplazamiento del aire y una torta mas uniforme.En los filtros prensa de placas y bastidores se utilizan dos tcnicas de lavado, que aparecen en la figura 3.5. En el lavado simple, el licor de lavado sigue la misma trayectoria que la corriente filtrada. Si la torta no es muy uniforme y altamente permeable, esta forma de lavado no es eficaz en un filtro prensa lleno. Otra tcnica mejor consiste en un lavado completo, en el que la corriente de lavado se introduce por las caras de las placas en una forma alternada (con las vlvulas de los canales de descarga cerrados). EI lavado a filtrar cruza toda la torta y sale a travs de las otras caras. Esta tcnica requiere un diseo especial y el montaje de las placas segn un determinado orden. El lavado completo slo debe utilizarse cuando se usan todos los bastidores bien llenos, ya que un llenado incompleto de la torta permitir que esta colapse durante la entrada del lquido de lavado y el resto de la corriente se desviara por las grietas canales abiertos en la torta.

Figura 3.5 Patrones de llenado y flujo de lavado en un filtro prensa

Los filtros prensa se fabrican con tamaos de placas que varan desde 10 por 10 cm (4 por 4 in) hasta 1,5 por 1,8 m (61 por 71 in). EI espesor de los bastidores varia desde 0,3 hasta 20 cm (0,125 a 8 in). Son habituales presiones de operacin hasta de 689 kPa (100 psig), pero existen algunos filtros prensa diseados para trabajar a 6,9 MPa (1.000 psi g). Algunas unidades metlicas tienen unas placas centrales que permiten la entrada de vapor de un refrigerante. La presin mxima de operacin para los bastidores en el caso de plstico o de madera es de 410 a 480 kPa (60 a 70 psig).Las ventajas del filtro prensa son su sencillez, el bajo costo, la flexibilidad y la capacidad para operar a alta presin en las aplicaciones como equipo de filtracin tipo torta filtrante o como filtro para clarificacin.Trabajando de forma adecuada se obtiene una torta mas seca y densa, en comparacin con la que se obtiene con la mayor parte de los otros filtros.Existen una serie de desventajas importantes que incluyen un lavado irregular, debido a la densidad variable de la torta, y la duracin relativamente corta de la tela filtrante, debida al desgaste mecnico por vaciado y limpiado del filtro (que a menudo incluye el raspado de la tela), adems de las necesidades en mano de obra, que son elevadas. Con frecuencia, estos filtros pueden gotear o tener fugas y, en consecuencia, crean problemas de limpieza, pero el mayor problema es la necesidad de abrir el filtro para descargar la torta, por lo que el operario esta expuesto, de forma rutinaria, al contenido del filtro; y esto es una gran desventaja, ya que cada vez son mas los materiales que antes se crean seguros y que actualmente estn sujetos a unos limites restringidos de exposicin.

Filtro prensa de placas huecasEstos filtros son similares en apariencia a los de placas y bastidor, pero solo constan de placas como se muestra en la figura 3.6. Ambas caras de cada placa son huecas, lo que forma una cmara en la que se acumula la torta entre las placas adyacentes. Este diseo tiene la ventaja de utilizar aproximadamente la mitad de las uniones que las que usa un filtro de placas y bastidores, lo que hace que el cierre a presin sea mas seguro.

Figura 3.6 Filtro prensa de placas huecas automatizado

En la Figura 3.7 aparecen algunos detalles de las caractersticas de un tipo de filtro con placas huecas que tiene una junta para minimizar las fugas. Se puede introducir aire a presin detrs de la tela, en ambos lados de cada placa, para ayudar a la retirada y eliminacin de la torta.Figura 3.7 Detalle de la seccin de una placa filtrante con junta y cierre. (A) Espacio para el alojamiento de la torta; (B) Tela filtrante; (C) Drenaje o purga de la placa; (D) Junta de agarre; (E) Apoyo la placa; (F) Cierre estanco.

Entre algunas de las variaciones ms interesantes de los diseos normalizados se incluyen la posibilidad de hacer girar o bascular el filtro para cambiar la entrada o la salida de la parte inferior a la superior, as como la capacidad de intercaIar divisores o espaciadores vacos para convertir el filtro en una prensa multietapa, con el objetivo de conseguir una mejor clarificacin de la corriente a filtrar o realizar dos filtraciones simultaneas y separadas en el mismo equipo. Algunos de los diseos tienen unas membranas o diafragmas entre las placas, que se pueden expandir cuando termina la filtracin, permitiendo exprimir y eliminar la humedad adicional. Otros se caracterizan por la inclusin de un sistema automtico para realizar la apertura y descarga de la torta para reducir las necesidades de mano de obra. Entre los ejemplos de este tipo de filtro prensa se incluyen Larox, Vertipress y Oberlin.

Filtros tubulares con formacin interna de la torta

Tambin son conocidos como filtros de liquido tipo bolsa, utiliza uno mas tubos perforados soportados horizontal o verticalmente sobre una chapa transversal o ajustadas a la cubierta y a la brida de cierre del recipiente sometido a presin. Una bolsa filtrante, cerrada por un extremo, se inserta a modo de forro, en cada tubo perforado, y el extremo abierto presenta un reborde o un anillo de cierre para prevenir perdidas o derrames.Figura 3.8 Seccin esquemtica de un filtro horizontal industrial

Se introduce la suspensin a presin a la cmara entre el cabezal de la carcasa y la lmina tubular o bolsa que cierra los tubos, de modo que entre y llene los tubos. La filtracin se produce conforme la solucin pasa en sentido radial y hacia el filtro exterior y la pared de cada tubo y sale por la lnea de descarga, depositando tartas en el interior. EI ciclo de filtracin concluye cuando los tubos se llenan de torta o cuando los medios filtrantes (filtros) se atascan o colmatan. La torta se puede lavar (si no se permite que llene los tubos por completo) y retirar mediante chorros de aire. Las ventajas del filtro tubular son las de que utiliza un medio de filtracin desechable, poco costoso y que se remplaza con facilidad; su ciclo de filtracin se puede interrumpir y la carcasa se puede vaciar de material para filtrar en cualquier momento sin perdida de la torta. Las desventajas son la necesidad de vaciar y remplazar a mano los medios de filtracin, con los requisitos correspondientes de mano de obra y la tendencia a que los slidos se asienten en la cmara del cabezal.

Filtros tubulares con formacin externa de la tortaSe dispone de diferentes diseos de filtros con los tubos verticales apoyados en una placa en la cmara de filtracin, dentro de un recipiente cilndrico verticalFigura 3.9 Filtro tubular con salida en la parte superior

Los tubos pueden ser de tela de alambre, cermica porosa, carbn, plstico, metal o alambre trenzado y pueden tener una tela filtrante en la parte exterior. Con frecuencia se aplica una precapa de ayuda para filtrado a los tubos. La suspensin a filtrar se alimenta por la parte inferior del recipiente vertical. EI filtrado pasa del exterior al interior de los tubos y descarga en una cmara de filtrado colocada en la parte superior o inferior del recipiente. Los slidos forman una torta en la parte exterior de los tubos y el rea del filtro se incrementa a medida que se acumula la torta, compensando en parte la resistencia incrementada de flujo en la torta ms gruesa. El ciclo de filtracin continua hasta que la presin diferencial alcanza un nivel especfico o hasta que se obtiene una torta con un espesor de aproximadamente 25 mm (1 in). Utiliza un mtodo de descarga de la torta por un retrolavado con el filtrado, ayudado por la accin de choque producida por una carga de gas comprimido formado en la cmara del filtrado en la parte superior del recipiente vertical. Figura 3.10 Formacin de la torta y descarga

AI cerrar la salida del filtrado, mientras se continua alimentando el filtro, se origina la compresin del volumen de gas, atrapado en la cubierta del recipiente, hasta que con una presin deseada del gas, las vlvulas de accin rpida cierran la alimentacin y abren el drenaje del fondo. El gas comprimido se expande rpidamente y hace que el filtrado regrese a travs del medio filtrante y desprenda la torta, que se retira por la parte inferior junto con el lquido. Obviamente, esta tcnica slo se puede utilizar cuando se permite una descarga de la torta en hmedo. La descarga de la torta seca puede realizarse con un filtro en forma tubular para un sistema de tubos compuesto por seis tubos de pequeo dimetro alrededor de otro tubo filtrante. Este diseo permite que el medio filtrante se separe hacia el exterior por la carcasa tubular por presin, permitiendo una descarga fcil y efectiva de la torta seca.

Filtros de lminas (hojas) a presin.A veces se les denomina filtros tanque y consisten en elementos pianos (hojas) sostenidas dentro de una carcasa sometida a presin. Las hojas son circulares, con lados en forma de arco o rectangulares, y tienen superficies de filtracin en ambas caras. La carcasa es un tanque cilndrico o cnico y su eje transversal puede ser horizontal o vertical, y el tipo de filtro se describe con base en la orientacin del eje de la carcasa.Una lamina u hoja del filtro consiste en una malla pesada o una placa ranurada, donde se ajusta un medio filtrante de tela tejida o tela fina de alambre. Se emplean con mayor frecuencia las telas de textiles para servicios qumicos y se aplican casi siempre como bolsas que se pueden coser, cerrar con cremallera, grapar o empotrar. Habitualmente, se utilizan telas de malla de alambre como asistentes de filtracin, sobre todo cuando se aplica un prerrecubrimiento. Figura 3.11 Formacin de la torta y descarga

Las laminas (hojas) tambin pueden ser de plstico. El medio filtrante, sea cual sea el material, debe estar tan tenso como sea posible para minimizar el pandeo cuando se carga con una torta; el pandeo excesivo puede hacer que la torta se resquebraje o se desprenda. Las laminas pueden apoyarse en la parte superior, el fondo o el centro y descargarse desde cualquiera de esas ubicaciones. En la Figura 3.11 se muestra la seccin de elevacin de un sistema de una lmina de alambre prerrecubierta, con soporte en el fondo. Los filtros de lminas a presin funcionan por cargas. La carcasa esta cerrada y la suspensin que se va a filtrar ingresa por presin suministrada por una fuente externa. La suspensin entra de tal modo que se minimiza el asentamiento de los slidos. Se llena la carcasa y la filtracin tiene lugar en la superficie de las lminas, descargndose el filtrado por una lnea individual o mltiple interna, segn el diseo. Se permite que la filtracin se produzca solo hasta que se forme una torta del espesor deseado, puesto que el llenado excesivo provocara la consolidacin de la torta, con las dificultades consiguientes para el lavado y la descarga. Si se va a lavar la torta, se podr retirar del filtro por medio del soplado de los slidos sedimentados que queden, e introducirse el licor de lavado para rellenar la carcasa. Si la torta tiende a resquebrajarse durante el soplado de aire, quizs sea necesario desplazar la suspensin de una forma gradual con lquido de lavado para no permitir nunca que se seque la torta. Al completarse la filtracin y el lavado, se descarga la torta por uno de los varios mtodos, dependiendo de la configuracin de la carcasa y de la lmina.

Filtros Horizontales de lminas a presin

En estos filtros, las lminas pueden ser hojas rectangulares paralelas al eje y de tamao variable, ya que forman cuerdas de la carcasa, o pueden ser elementos circulares o cuadrados paralelos a la cubierta y todos de la misma dimensin. Las lminas pueden estar colgadas de la carcasa por medio de un bastidor independiente, de forma individual a la carcasa, o suspendidas de las conducciones para el filtrado. Los filtros horizontales son especialmente adecuados para la descarga de la torta en secoEn muchos diseos el filtro se abre para la descarga de la torta y el montaje de lminas se separa de la cubierta, al mover una u otra sobre rieles como se observa en la figura 3.12. Para los procesos en que se manejan materiales txicos o inflamables se puede mantener un sistema cerrado de filtracin, inclinando el fondo del cilindro horizontal hasta la tobera de drenado para la descarga en hmedo o utilizando un transportador de tornillo en el fonda de la cubierta para la descarga en seco.Figura 3.12 Filtro Horizontal de lminas a presin diseando para la descarga de torta seca

Filtros verticales de lminas a presin

Estos filtros tienen lminas verticales, paralelas y rectangulares, montadas en un recipiente vertical cilndrico a presin. Por lo general, las lminas suelen presentar anchuras diferentes; que les permiten conformarse a la curvatura del tanque y llenarlo sin perdida de espacio.Figura 3.13 Filtro de hojas verticales con descarga seca y un vibrador mecnico para las hojas

Habitualmente, las lminas reposan sobre el sistema de conduccin del filtrado, sellndose la conexin mediante un anillo, de modo que se pueden levantar independientemente de la parte superior del filtro para inspeccin y reparaciones. Se suele instalar una lmina barredora en la parte del fondo del recipiente para permitir la filtracin prcticamente completa del remanente de suspensin cuando se llega al final del ciclo. Los filtros verticales no son convenientes para retirar una torta seca, aun cuando se pueden utilizar en este servicio si tienen un fondo que se pueda hacer retroceder para permitir que caiga la torta a una tolva o en un recipiente situado debajo. Se adaptan mejor a la descarga de solidos hmedos, en un proceso que se puede facilitar mediante la vibracin de las laminas, la inyeccin de aire o vapor desde un filtro lleno de agua, mediante unas boquillas fijas, oscilantes o con desplazamiento y por succin.

Las ventajas de estos filtros de laminas a presin en general son su considerable flexibilidad (hasta el mximo permisible, se pueden formar sucesivamente tortas de diversos espesores); sus bajos costos de mana de obra, sobre todo cuando se puede desprender la torta o descargarse tortas secas limpiamente mediante un soplo de aire; la sencillez bsica de muchos diseos y su adaptabilidad para un lavado eficaz por desplazamiento. Sus desventajas son la necesidad de una supervisin excepcionalmente cuidadosa para evitar la consolidacin o el desprendimiento de las tortas, su incapacidad para formar una torta tan seca como la de los filtros prensa, su tendencia a la clasificacin vertical durante la filtracin y a formar tortas no uniformes y de formas raras, a menos que giren las laminas y la limitacin de la mayor parte de los modelos a 610 kPa (75 psig) o inferiores.Existen filtros de hojas a presin con reas de filtracin de 930 cm2 (1 ft2) (tamao de laboratorio) hasta cerca de 440 m2 (4.734 ft2) para filtros verticales y 158 m2 (1.700 ft2) para los horizontales. Los espaciados de las lminas van de 5 a 15 cm (2.a 6 in) pero raramente son inferiores a 7,5 cm (3 in), puesto que es preciso dejar una abertura de 1.3 a 2.5 cm (0.5 a I in) entre las superficies.

FILTROS DE TAMBOR GIRATORIO

Este es el filtro continuo ms utilizado. Existen muchas variaciones de diseo, que incluyen la operacin como un filtro a presin o a vaco. La principal diferencia entre los diseos esta en la tcnica para la descarga de la torta. Todas las opciones se caracterizan por un tambor montado sobre un eje horizontal, cubierto en la porcin cilndrica por un medio filtrante, sobre una estructura de apoyo constituida por una rejilla que permite el drenado hacia los colectores. Las dimensiones (en trminos de las reas de filtracin) varan desde 0.37 hasta 186 m2 (4 a 2000 ft2).Todos los filtros de tambor (salvo el de un solo compartimento) utilizan una disposicin de vlvula giratoria en el apoyo del eje del tambor, para facilitar la eliminacin del filtrado y del Iquido de lavado y permitir la entrada de aire o gas, en caso necesario, para el soplado de la torta. La mayor parte de los filtros de tambor operan con aproximadamente un 35 % de su circunferencia sumergida en el precipitado. Sin embargo, la inmersin se puede ajustar a cualquier nivel deseado desde cero hasta casi el total de la circunferencia.Algunas unidades tienen un agitador de rastrillos que oscilan dentro de la cuba para ayudar a la suspensin de los slidos. Otros utilizan propulsores, paletas o no tienen agitador. Las suspensiones de slidos con filtracin libre, que son difciles de mantener en suspensin, en ocasiones se filtran en un filtro de tambor alimentado por la parte superior o un filtro secador. La mayor parte de los filtros de tambor operan con una velocidad de rotacin que varia de 0,1 a 10 rpm. Por lo general, se proporcionan impulsores de velocidad variable con objeto de permitir los ajustes necesarios para los cambios en la formacin de la torta y las velocidades de drenado.Los filtros de tambor se clasifican de acuerdo a la disposicin de alimentacin y la tcnica de descarga de la torta. Por lo general, las caractersticas de la suspensin y de la torta del filtro determinan el mtodo de descarga de la torta.

Filtro con descarga por cuchillaPor lo general el medio filtrante esta adherido dentro de las ranuras de la rejilla del tambor y la torta se elimina mediante una cuchilla colocada justo antes de que se vuelva a sumergir el tambor. La cuchilla sirve, principalmente, para dirigir la torta, desprendida por medio de retrosoplado con aire a la rampa de descarga, ya que el contacto real con el medio causara un desgaste rpidamente. En vez de la cuchilla se puede utilizar un alambre tirante en algunas aplicaciones en las que es necesario desprender fsicamente las tortas pegajosas y adherentes. Para un tipo de suspensin concreto, la velocidad mxima de filtracin se determina por el espesor mnimo de torta que se puede eliminar; cuanto mas delgada es la torta, tanto menor ser la resistencia al flujo y mayor la velocidad. EI espesor mnimo es aproximadamente de 6 mm (0.25 in) para tortas relativamente rgidas y adherentes de materiales como concentrados de minerales y suspensiones gruesas.

Figura 3.14 Esquema de un filtro de tambor giratorio, con descarga por cuchilla en el que se muestran zonas de operacin.

Figura 3.15 Principio de operacin del mecanismo de descarga con rodillo.

Filtros con descarga por medio de rodillos. Estos filtros tienen un rodillo colocado cerca del tambor, en el punto de descarga de la torta, que gira en direccin opuesta con una velocidad perifrica igual o ligeramente mayor a la del tambor. Si la torta depositada sobre el tambor tiene la adherencia adecuada para utilizar esta tcnica de descarga, se pega a la torta del tambor mas pequeo y se separa del tambor. Por medio de una cuchilla o un alambre tirante se elimina el material del rodillo de descarga. Este diseo es especialmente adecuado para las tortas delgadas y pegajosas. Si es necesario, se puede proporcionar un ligero chorro de aire para ayudar al desprendimiento de la torta del tambor. EI espesor caracterstico de la torta vara entre 1 y 10 mm (0.04 a 0.4 in).

Filtros de tambor con un solo compartimento

Fiitro Bird-Young. Este filtro difiere de la mayor parte de los filtros de tambor en que el tambor no tiene compartimentos y no existen tubos internos ni vlvula giratoria. Todo el interior del tambor se somete a un vaco y por la superficie perforada pasa el filtrado. La torta se descarga por retrosoplado con aire, aplicado a travs de una zapata que cubre una zona estrecha de descarga en la superficie interna del tambor, para interrumpir el vaco, como se ilustra en la Figura 3.16. La superficie interior del tambor debe estar diseada para proporcionar un espaciado mnimo en la zapata y evitar fugas. EI filtro se disea para obtener velocidades de filtracin elevadas con tortas delgadas. Se pueden proporcionar velocidades de giro hasta de 40 rpm con tortas cuyo espesor varia entre 3 y 6 mm (0,12 a 0,24 in). EI tamao de los filtros vara de 930 cm2 a 19 m2 (1 a 207 ft2) con un 93 por 100 de rea activa. La suspensin se incrementa a un tanque cnico, diseado especialmente para evitar que los solidos se sedimenten sin usar agitadores mecnicos. EI nivel adecuado de lquidos se mantiene por rebose y la inmersin varia de 5 a 70 por 100 de la circunferencia del tambor.Las principales ventajas del filtro Bird-Young son su capacidad para manejar tortas delgadas y operar a velocidades elevadas, su eficacia de lavado y su baja resistencia interna al flujo de aire y al filtrado. Una ventaja adicional es la posibilidad de construir un filtro que opera con presiones hasta de 1,14 MPa (150 psig), para manejar lquidos voltiles. Las principales desventajas son su coste elevado y la flexibilidad limitada, debido a que no tiene una vlvula giratoria ajustable. Las aplicaciones ptimas son en el manejo de materiales con drenado libre que no ocluyen el medio filtrante, como por ejemplo, la pulpa de papel y las sales cristalizadas.

Figura 3.16 Corte transversal de un filtro de tambor con un solo compartimiento

Filtros continuos a presinEstos filtros consisten en un tpico tambor de discos alojado en un recipiente sometido a presin. La filtracin tiene lugar en el recipiente presurizado hasta 6 bar y el filtrado se descarga bien a presin atmosfrica o en un equipo para el mantenimiento de la presin de descarga. La descarga de la torta se facilita con una vlvula doble que activa o bloquea la tolva para mantener la presin en el recipiente. Alternativamente, la torta descargada puede ser resuspendida en el filtrado e ingresar en un recipiente a presin y eliminarla mediante una vlvula de control.

Filtros continuos con precapa Estos filtros se pueden operar a presin o vaco, aunque la operacin predominante es aVaco. En realidad, los filtros no son continuos, pero tienen un ciclo intermitente extremadamente largo (1 a 10 das). Se utilizan para la clarificacin continua de lquidos, con suspensiones que contienen de 50 a 5.000 ppm de solidos, cuando solo se formaran tortas muy delgadas (inaceptables) en los otros tipos de filtros, y se requiere una clarificacin perfecta.Figura 3.17 Mtodo operacional del filtro de prerrecubrimiento a vaco.

La construccin es similar a los dems filtros de tambor, excepto que el vaci se aplica en todo el giro. Antes de alimentar la suspensin, se aplica una precapa de ayuda para el filtro u otros slidos adecuados, con un espesor de 75 a 125 mm (3 a 5 in). La suspensin se alimenta y queda atrapada en la superficie externa de la precapa, donde se elimina por medio de una cuchilla, que avanza y recorta la capa delgada de slidos y la precapa. EI avance de la cuchilla varia entre 0,05 y 0,2 mm (0.002 y 0.008 in) por revolucin del tambor. Cuando la precapa ha sido recortada hasta un espesor mnimo predeterminado, el filtro se saca del servicio, se lava y se aplica un precapa fresca. EI tiempo de giro puede ser de 1.a 3 h.

FILTROS DE DISCO

Estos filtros operan al vaci y constan de varios discos verticales, unidos a intervalos sobre un eje central hueco y horizontal que gira continuamente. La rotacin se realiza por medio de un engranaje. Cada disco tiene de 10 a 30 sectores de metal, plstico o madera, con nervios en ambos lados para soportar la tela filtrante y proporcionar el drenado por medio de una boquilla conectada al eje central. Cada sector se puede remplazar en forma individual. Por lo general, el medio filtrante es una bolsa de tela que se desliza sobre los sectores y se sella a la boquilla de descarga. Para algunas aplicaciones, especialmente minerales, se pueden utilizar pantallas de acero inoxidable. Figura 3.18 Filtro de disco rotatorio.

Los discos suelen tener sumergido del 30 a 50 por 100 en un recipiente acanalado que contiene la suspensin. Otro eje horizontal colocado debajo de los discos tiene paletas de agitacin para mantener los solidos en suspensin. En algunos diseos, la alimentacin se distribuye por medio de toberas colocadas debajo de cada disco. Se suministra vaci a cada uno de los sectores a medida que giran dentro del lquido, para permitir la formacin de la torta. EI vaco se mantiene en los sectores que salen del lquido y se exponen a la atmosfera. Se puede aplicar un lavado con rociadores, pero la mayor parte de las aplicaciones son exclusivamente para eliminar el agua. A medida que giran los sectores hasta el punto de descarga, se corta el vaci y se utiliza un ligero chorro de aire para aflojar la torta. Esto permite que las cuchillas enven la torta hasta las rampas de descarga, colocadas entre los discos.De todos los filtros continuos, el de discos a vaco es el que tiene menor coste por unidad de rea de filtracin cuando se pueden utilizar materiales de construccin como acero dulce, hierro fundido o similares. Este filtro proporciona un rea de filtracin grande con un rea mnimo de suelo y se utiliza principalmente en las aplicaciones de alto tonelaje para eliminar el agua, con tamaos de hasta 300 m2 (3.300 ft2) de rea de filtracin.Las principales desventajas son la incapacidad para realizar un lavado eficaz y la dificultad para cerrar totalmente el filtro en las operaciones que manejan materiales peligrosos.

FILTROS HORIZONTALES AL VACO

Estos filtros se dividen generalmente en dos categoras: las unidades circulares giratorias y las de tipo banda. Independientemente de su geometra, tienen ventajas y limitaciones similares, ya que proporcionan flexibilidad en la seleccin del espesor de la torta, el tiempo de lavado y el ciclo de secado. Adems, pueden manejar de forma eficazslidos densos y pesados, permiten la inundacin de la torta con el licor de lavado y estn diseados para realizar el lavado o la lixiviacin a contracorriente. Las desventajas son que tienen un coste de construccin mas elevado que los filtros de tambor o discos, ocupan una superficie considerable par rea de filtracin y son difciles de sellar en caso de aplicaciones peligrosas.

Filtros horizontales con descarga de tornillo y de plancha.Todos estos filtros son bsicamente, planchas anulares giratorias con un medio filtrante en la superficie superior. La plancha esta dividida en secciones, cada una de las cuales constituye un compartimento separado. EI vaco se aplica a travs de una cmara de drenado colocada debajo de la plancha y conectada a una vlvula giratoria grande. La suspensin se alimenta en un punto determinado y la torta se elimina, despus de completar ms de tres cuartas partes del crculo, por medio de un transportador de tornillo que eleva la torta por encima del borde del filtro. Un espacio de aproximadamente 10 mm(0,4 in) se mantiene entre el tornillo y el medio filtrante para no daar el medio. La torta que queda en el medio se puede desprender por medio de un chorro de aire en la parte inferior o mediante rociadas de lquido a alta velocidad desde la parte superior, esta torta residual representa una desventaja peculiar en este tipo de filtro. Con los materiales que ocluyen el medio filtrante pueden requerirse paros frecuentes para realizar una limpieza total. Los dimetros de las unidades varan entre 0.9 y 7 m (3 a 24 ft), con aproximadamente 80 por 100 de la superficie disponible para la filtracin.

Figura 3.19 Filtro continuo horizontal superficial a vaco

Filtro de planchas inclinablesSe trata de una modificacin del filtro de planchas horizontales en el que cada uno de los sectores es una plancha individual, que puede pivotar sobre un eje radial que permite su basculacin para la descarga de la torta, ayudada general mente por un chorro de aire. EI espesor de la torta del filtro varia entre 50 y 100 mm (2 a 4 in). La mayor parte de las aplicaciones incluyen la eliminacin del agua de sales inorgnicas con drenado libre. Adems de las ventajas y desventajas comunes a todos los filtros horizontales continuos, el filtro de planchas inclinables tiene las ventajas relativas del lavado completo por sector, buena descarga de la torta y posibilidad de construirlo en dimetros muy grandes, hasta de aproximadamente 25 m (80 ft) con un 75 por 100 del rea disponible para la filtracin.

Figura 3.20 Ciclo de filtracin de planchas inclinables

Filtro de banda horizontal. Estos filtros constan de una banda perforada o ranurada elstica, que opera como un transportador de banda y lleva encima una banda de tela filtrante. Las dos bandas estn apoyadas en una plataforma lubricada. Una plancha a vaco alineada con las ranuras de la banda elstica forma una superficie continua a vaco que puede incluir mltiples zonas para la formacin de la torta, el lavado y la eliminacin final de agua. Los filtros se clasifican de acuerdo con el rea activa disponible de filtracin. Los filtros de banda horizontal se alejan de la banda de elastmero de drenaje del diseo original a favor de cazuelas de drenaje mayores directamente debajo del medio filtrante. Figura 3.21 Filtro de banda horizontal

Las cazuelas del medio filtrante se marcan para proporcionar una operacin de filtracin pseudocontinua. EI vaco aplicado es cclico con la operacin de marcado para minimizar el desgaste de las superficies deslizantes. La suspensin se alimenta en un extrema por medio de unos vertederos de rebose o una rampa en forma de abanico y el licor de lavado, si se necesita, se aplica mediante rociadores o vertedores, en uno o mas puntos, a medida que la torta se desplaza a lo largo del filtro. La torta se descarga cuando la banda pasa sobre la polea terminal, tras la separacin de la superficie de drenado. La separacin del medio filtrante de la superficie de drenado permite lavar completamente la banda del medio filtrante con rociados.La duracin del ciclo de filtracin se control a mediante la velocidad de la banda, que puede alcanzar 1,0 m/s (3,3 ft/s) y es tpicamente variable. EI mnimo espesor de torta, para una carga de solidos dada, que puede descargarse de una forma eficaz, limita la velocidad de las bandas desde un punto de vista del proceso.EI mximo espesor de torta depende del mtodo empleado para retener la suspensin durante la formacin de la torta y con algunos materiales de drenado rpido se producen tortas cuyo espesor varia entre 100 y 150 mm (4 a 6 in).Los filtros de bandas horizontales tienen las ventajas de un preciso control del ciclo de filtracin, incluyendo la capacidad de opera en contracorriente en el lavado de la torta, una eliminacin completa de la torta y un lavado eficaz del medio filtrante.La desventaja principal es que al menos la mitad del rea de filtracin siempre se encuentra ociosa en el circuito de retorno, lo que significa un mayor coste de inversin que puede llegar a ser de dos a cuatro veces superior al de un filtro de tambor con igual rea. Poseen reas de filtracin que varan de 0.18 a 120 m2 (2 a 1.300 ft2).

FILTROS CLARIFICADORES

Los filtros clarificadores se utilizan para hacer mezclas liquidas que contienen solo cantidades muy pequeas de solidos. Cuando los solidos estn finamente divididos de modo que solo se ven como una especie de neblina, el filtro que los separa se denomina a veces filtro purificador. La suspensin anterior a la filtracin no contiene, en general, mas del 0.I0 por 100 de solidos, cuyo tamao puede variar ampliamente (de 0.01 a 100 m). EI filtro, generalmente, no produce una torta visible, debido a veces a lo reducido de la cantidad de solidos separados, y en otras ocasiones a causa de que las partculas se extraen al quedar atrapadas en el medio de filtracin en lugar de acumularse sobre el. En comparacin con los filtros de torta, los clarificadores tienen menor importancia en los trabajos de procesamiento qumico y sus aplicaciones mas sobresalientes se asocian con los campos de las bebidas y la purificacin de aguas, la filtracin farmacutica, la clarificacin de aceites, combustibles y lubricantes, el acondicionamiento de soluciones de electrodeposicin y la recuperacin de disolventes para la limpieza en seco. Sin embargo, son esenciales para los procesos de extrusin de pelculas y devanado de fibras.Figura 3.22 Ensamblado de un filtro clarificador de discos y placas.

La mayor parte de los filtros de torta pueden funcionar como clarificadores, aunque no necesariamente con una gran eficiencia. Por otra parte, se han desarrollado muchos filtros clarificadores que se pueden emplear solo para la clarificacin o la agitacin. En general, esta clase de filtros son menos costosos que los de torta. Dichos filtros clarificadores se clasifican como prensas de disco y placa, filtros de presin de prerrecubrimiento, clarificadores de cartucho y varios otros tipos.

Prensas de placas y filtros de discos Se utilizan con gran frecuencia los filtros a base de discos de pulpa de asbesto, tortas de fibras de algodn (masas de filtro) o laminas de papel u otros medios para eliminar pequeas cantidades de materia suspendida en bebidas, soluciones de deposicin y otros lquidos de poca viscosidad. El termino filtro de disco se aplica a los conjuntos de disco de pulpa hechos de asbesto y fibra de celulosa y sellados en una caja a presin. Los discos se pueden montar en una unidad autosoportada o bien cada uno de los discos puede reposar en una placa o una pantalla individual contra la cual se sella al cerrarse el filtro EI liquido fluye por los discos y pasa a un colector central o perifrico de descarga. Las velocidades de flujo son del orden de 122 L/(min m2) o [3 gal/(min ft2)] y la presin de operacin no suele sobrepasar 345 kPa (50 psig) (general mente menor). Los filtros de disco funcionan casi siempre como filtros a presin. Las unidades individuales proporcionan hasta 378 L/min (6.000 gal/h) de lquido de baja viscosidad.

Clarificadores de cartuchoLos clarificadores de cartucho son unidades que consisten en uno o mas cartuchos remplazables o renovables que contienen el elemento activo de filtracin.Por lo general, la unidad se coloca en una lnea que lleva el liquido que se va a clarificar, donde la clarificacin tiene lugar mientras el lquido se encuentra en movimiento.

Filtros mecnicos o de borde Estos consisten en pilas de discos separadas a intervalos precisos por medio de placas espaciadoras o un devanado de alambre en una malla en rendijas de un tamao preciso o bien una combinacin de ambas cosas. EI Iquido que se va a filtrar fluye radialmente entre los discos, los alambres o las capas de papel y se separan las partculas mayores que el espaciamiento. Los filtros de borde pueden retirar partculas de hasta 0,001 in (25 m), pero lo mas frecuente es que tengan un espaciamiento mnimo de dos veces este valor. Tienen poca capacidad de retencin de slidos y, por consiguiente, se deben limpiar a menudo para evitar los taponamientos. En algunos filtros se prev la limpieza continua. Por ejemplo, el Cuno Flo-Klean una unidad con un devanado de alambre que emplea una boquilla de giro lento que lava el elemento con liquido filtrado, y el Cuno AutoKlean, que esta equipado con un raspador que se ajusta alas ranuras entre los discos para retirar los solidos acumulados. En cualquiera de estos casos los solidos desalojados caen a un sumidero que se drena a intervalos regulares de tiempo.

Clarificadores micrnicosEI mayor nmero de clarificadores de cartucho son de la clase micrnica, con elementos de fibra, papel filtro impregnado con resinas, piedra porosa o acero inoxidable de porosidad controlada. Tambin existen otros metales inoxidables. Los elementos se pueden escoger para separar partculas mayores que una fraccin de micra, aun cuando se producen muchos para dejar pasar slidos de 10 m y menores.Mediante la eleccin adecuada de los cartuchos de cilindros mltiples o los cartuchos mltiples en paralelo, se puede obtener cualquier velocidad deseada de flujo con una cada razonable de presin, con frecuencia de menos de 138 kPa (20 psig). Cuando la presin se eleva al mximo admisible, el cartucho se debe abrir para remplazar el elemento. Los elementos micrnicos del tipo de fibras no se pueden limpiar y tienen un precio que permite desecharlos o remplazar el medio filtrante en forma econmica. En general, los elementos de fibras se deben limpiar en un proceso que se realiza mejor en las instalaciones del fabricante de la cermica porosa o siguiendo sus indicaciones. Los usuarios pueden limpiar los elementos de acero inoxidable por medio de un tratamiento qumico.Figura 3.23 Ejemplo de un filtrador clarificador en proceso de refresco

En general los filtros de cartucho son flexibles: los cartuchos de diferentes capacidades y materiales de construccin se pueden intercambiar, lo que permite un ajuste rpido al cambio de condiciones, pero tienen la desventaja de una capacidad muy limitada para el manejo de slidos y, en consecuencia, la concentracin mxima de slidos en la alimentacin esta limitada a aproximadamente 0,01 por 100. La mayor limitacin en la operacin de las plantas de proceso modernas es la necesidad de abrir el filtro para remplazar los cartuchos, lo que hace indeseable su empleo para el procesamiento de materiales peligrosos.

Filtros Granulares Se usan muchos tipos de filtros granulares para la clarificacin, funcionando como filtros por gravedad o por presin. Para los filtros por gravedad la diferencia de altura entre la entrada y la salida es la fuerza impulsora para que el lquido llegue al medio granular. En los filtros por presin se utiliza un recipiente cerrado que opera a presiones relativamente bajas, 50 a 70 kPa (7 a 10 psig), pudiendo funcionar mediante flujo ascendente o descendenteEI medio puede ser un material simple como arena, pero es ms frecuente que este constituido por dos o incluso tres capas de diferentes materiales, tales como antracita en la capa superior y arena en la inferior. Los slidos son capturados por la parte mas profunda de lecho, mejor que en la superficie, y el gradiente de tamaos de hueco proporciona ms capacidad de slido suspendido.La capa de antracita, que normalmente tiene un tamao de grano de I mm, sirve como filtro de gruesos y adems proporciona una accin floculadora que ayuda a la capa de arena mas fina, de tamao de grano 0,5 mm, a servir como zona efectiva de limpieza. La profundidad del lecho es variable, siendo las dimensiones tpicas de una instalacin de 0.7 a 1.0 m. Los lechos mas profundos llegan hasta 2.5 m (8 ft) y se emplean en los casos donde se desea obtener una gran capacidad de suspensi6n de slidos.EI filtrado es recogido por un dispositivo en el sistema bajo el drenado, que puede ser tan simple como una red de tubos perforados cubiertos por grava o una compleja estructura de boquillas ranuradas o conductos que retendrn el medio de finos de arena manteniendo altas velocidades de flujo. Este ltimo diseo permite el uso tanto de liquido como de aire para las operaciones de retrolavado y limpieza.EI retrolavado se realiza, normalmente, cuando se alcanza una cada de presin limitante y antes que el lecho llegue a estar completamente lleno de slidos, lo que conducira a un deterioro en la calidad del filtrado. La limpieza del medio se consigue con la ayuda de un barrido con aire que permite desprender los solidos atrapados y proporciona una eliminacin eficiente de este material en subsecuentes etapas de barrido. La accin de la filtracin tiende a aglomerar los slidos filtrados, y como resultado, estos se asientan rpidamente desde el fluido de retrolavado.Si el filtro esta recorrido por un flujo superior de clarificacin, normalmente es posible descargar el lquido de retrolavado dentro del clarificador, sin riesgo de que los slidos vuelvan al filtro.EI consumo de medio filtrante es bajo, siendo normal que su remplazamiento sea menor del 5 por 100 anual. Estos filtros se aplican preferentemente para suspensiones diluidas, con slidos suspendidos < 150 mg/l, permitiendo operar a velocidades relativamente elevadas, 7,5 a 15,0 m3/m2/h. EI rango de slidos capturados esta entre 90 a 98 por 100 en un sistema bien diseado. Los ciclos de operacin son de 8 a 24 horas de filtracin (y hasta de 48 horas en tratamiento de aguas municipales) seguido de un intervalo de retrolavado que dura entre 15 y 30 minutos. Las aplicaciones son fundamentalmente el tratamiento municipal de aguas residuales, pero los filtros granulares han sido utilizados en usos industriales como tratamiento de aguas de alimentacin para plantas de pasta y papel, eliminacin de aceite, grasa y depsitos de las aguas de la industria del aluminio y la clarificacin de electrolitos en las operaciones para electrodeposicin de cobre.

3.4 TEORIA DE FILTRACIN

Cada de presin a travs de la tortaLa figura de la derecha (3.24) muestra el corte transversal de una torta de filtracin formada debido a la existencia de una medio filtrante, durante un tiempo definido desde el inicio del flujo de filtrado. Para ese momento, el espesor de la torta m .El rea de corte transversal del filtro es m2 y la velocidad lineal del filtrado en la direccin es m/s, con base en el rea de filtracin m2.

Figura 3.24 Corte transversal de una torta de filtracin

El flujo del filtrado a travs del lecho empacado de la torta puede describir por medio de una ecuacin similar a la ley de Poiseuille, suponiendo un flujo laminar en los canales del filtro. La ecuacin se puede expresar como:

Donde es la cada de presin en N/m2 (lbf /pie2), es la velocidad en el tubo abierto en m/s (pie/s), es el dimetro en m (pie), es la longitud en m (pie), es la viscosidad en Pa * s o kg/m*s (lb,/pie*s) y es 32.174 Ibf *pie/lbf *s2..

Para el flujo laminar en un lecho empacado con partculas, la relacin de Carman-Kozeny es similar a la ecuacin de Blake-Kozeny y se ha demostrado que es aplicable a la filtracin. Dicha ecuacin se expresa como:

Donde es una consta para partculas aleatorias, de tamao y forma definidos, es la viscosidad del filtrado en Pa*s (lbm/pie*s), es la velocidad lineal basada en el rea de filtracin en m/s (pie/s), es la fraccin de espacios vacos o porosidad de la torta, es el espesor de torta en m (pie), es el rea superficial especifica de las partculas en m2 (pie2) de rea de partcula por m3(pie3) de volumen de partculas slidas y es la cada de presin en la torta en N/m2 (lbf /pie2). La velocidad lineal es:

Donde es el rea del filtro en m2 (pie2) y es el total de m3(pie3) de filtrado recolectado en el tiempo (s). El espesor de la torta puede relacionarse con el volumen de filtrado , por medio de un balance de materia. Si es kg de slidos/m3 (lbm/pie3) de filtrado, el balance de materia se indica como:

Donde es la densidad de las partculas solidas de la torta en kg/m3 ( lbm/pie3) de solido. El trmino final de la ecuacin (3.4.4) es el volumen del filtrado retenido en la torta. Este suele ser pequeo y se desprecia.

Al sustituir la ecuacin (3.4.3) en la (3.4.2) y al usarla en (3.4.4) para eliminar , se obtiene la ecuacin final:

Donde es la resistencia especfica de la torta en m/kg, que se define como:

Para la resistencia del medio filtrante, por analoga con la ecuacin (3.4.5) se puede escribir la expresin:

Donde es la resistencia del medio filtrante al flujo de filtracin en m-1 (pie-1) y es la cada de presin. Cuando se trata como constante emprica, incluye tanto la resistencia al flujo en las conexiones de tubera hacia y desde el filtro como la resistencia del medio filtrante.Puesto que las resistencias de la torta y del medio filtrante estn en serie, se pueden combinar las ecuaciones (5) y (7), con lo que se obtiene

Donde . En ocasiones la ecuacin (8) puede ser modificada y expresada como:

Donde es el volumen de filtrado necesario para formar una torta de filtracin ficticia cuya resistencia sea igual a .El volumen del filtrado tambin se puede relacionar con , que son los kilogramos de slido acumulado como torta seca,

Donde es la fraccin de masa de slido en la suspensin, es la relacin de masa de la torta hmeda respecto a la torta seca y es la densidad del filtrado en kg/m3(lbm/pie3).

Resistencia especfica de la torta.La ecuacin (3.4.6) indica que la resistencia especfica de la torta est en funcin de la fraccin de espacios huecos y de . Tambin est en funcin de la presin, pues sta puede afectar a . La variacin de con respecto a se determina experimentalmente a presin constante con diferentes cadas de presin.Por otra parte, tambin se pueden llevar a cabo experimentos de compresin-permeabilidad, mediante un cilindro de fondo poroso sobre el cual se forma la torta de filtrado. La filtracin se efecta por gravedad y el dispositivo opera a presin atmosfrica, con una cada de presin baja. Un pistn en la parte superior comprime la torta a presin conocida y entonces, se aade filtrado a la torta y se determina con una forma diferencial de la ecuacin (3.4.9). El proceso se repite para otras presiones de compresin.

Si es independiente de los lodos son incompresibles. Por lo general, aumenta con , pues la mayora de las tortas son algo comprimibles. Una ecuacin emprica de uso muy comn es:

Donde y son constantes empricas. La constante de comprensibilidad es cero para lodos o tortas incompresibles y suele tener valores entre 0.1 y 0.8. Algunas veces se usa la siguiente relacin:

donde , y son constantes empricas. Los datos obtenidos en experimentos de filtracin suelen ser poco reproducibles. El estado de aglomeracin de las partculas en la suspensin puede variar y afectar la resistencia especfica de la torta.

ECUACIONES DE FILTRACIN PARA PROCESO A PRESIN CONSTANTE

Ecuaciones bsicas para la velocidad de filtracin en los procesos por lotesCon frecuencia, las filtraciones se llevan a cabo en condiciones de presin constante. La ecuacin (8) se puede invertir y reordenar para obtener:

Donde se da en s/m6 y en s/m3.

Para presin invariable, constante y una torta incompresible, y son las nicas variables de la ecuacin (13). Integrando para obtener el tiempo de filtracin en s.

Al dividir entre

donde es el volumen total de filtrado en m3 recolectado en s.

Para evaluar la ecuacin (17) es necesario conocer y . Esto se puede hacer usando la ecuacin (18). Se obtienen los datos de recogidos en diferentes tiempos t. Entonces, se grafican los datos experimentales de contra como en la figura 3.25. A menudo, el primer punto de la grfica no cae sobre la lnea y se omite. La pendiente de la lnea es y la interseccin . Despus, se utilizan las ecuaciones (14) y (15) para determinar los valores de y .

Figura 3.24 Determinacin de constante de filtracin a presin constante

EJEMPLO DE APLICACIN 1.1

Evaluacin de las constantes de filtracin en un proceso a presin constante.

Se cuenta con los siguientes datos para filtrar en el laboratorio una suspensin de CaCO3 en agua a 298.2 K (25 C), a presin constante () de 338 kN/m2. El rea de filtracin de la prensa de placas y marcos es A= 0.0439 m2, y la concentracin de la suspensin es = 23.47 kg/m3. Calcule las constantes y , con base en estos datos experimentales, si es el tiempo en s y es el volumen de filtrado recolectado en m3.

tVtVtV

4.49.516.324.60.489 x 10-31.000 x 10-31.501 x 10-32.000 x 10-334.746.159.073.62.489 x 10-33.002 x 10-33.506 x 10-34.004 x 10-389.4107.34.502 x 10-35.009 x 10-3

SolucinSe deben tabular los datos de y en un tabla y relacionarlos obteniendo los valores

4.40.489 x 10-39.0 x 103

9.51.000 x 10-39.5 x 103

16.31.501 x 10-31.09 x 104

24.62.000 x 10-31.23 x 104

34.72.489 x 10-31.39 x 104

46.13.002 x 10-31.54 x 104

593.506 x 10-31.68 x 104

73.64.004 x 10-31.84 x 104

89.44.502 x 10-31.99 x 104

107.35.009 x 10-32.15 x 104

Debido a la similitud existente entre la ecuacin (18) con la ecuacin de una lnea recta por analoga podemos expresar que:

Donde ; ; ; Graficando contra obtenemos un grfico en el cual los puntos quedan dispersos y no se asemejan a una lnea recta, por dicha razn se debe de realizar una regresin lineal ajustando los datos a un comportamiento lineal, este proceso puede realizarse directamente en la calculadora o por medio Microsoft Excel. Utilizando este ltimo programa obtenemos el siguiente grfico de la figura 3.25

Figura 3.25 Grfico de la correlacin de datos del ejemplo practico 1

En la grfica se indica que = 3x106 s/m6 y =6870 s/m3. Por lo tanto 3x106 s/m6 y 6400 s/m3. De esta forma podemos determinar que 6 x106 s/m6.

De apndices conocemos que la viscosidad del agua a 298.2 K es de 8.937x10-4 kg/ms. Sustituyendo los valores obtenidos en la ecuacin

Despejando obtenemos que:

Utilizando la ecuacin (15) obtenemos

Despejando obtenemos que:

EJEMPLO DE APLICACIN 1.2

Tiempo requerido para efectuar una filtracin

Se desea filtrar la misma suspensin del ejemplo de aplicacin 1.1 en una prensa de placas y marcos que tiene 20 marcos y 0.873 m2 de rea por marco. Se usar la misma presin constante. Suponiendo las mismas propiedades de la torta de filtrado y de la tela de filtracin, calcule el tiempo necesario para extraer 3.37 m3 de filtrado.

Solucin En el ejemplo de aplicacin 1.2 el rea , y . Puesto que y tendrn los mismos valores, es posible corregir . Se sabe que:

Siendo y la constante y rea para un proceso 1, y y para el proceso 2.La nueva rea para este proceso de filtracin debe ser multiplicada por los 20 marcos, por lo tanto:

Por lo tanto los valores de y

Sustituyendo los valores de y en la ecuacin (17).

Ecuaciones para el lavado de tortas de filtrado y tiempo total del ciclo.

El lavado de una torta despus del ciclo de filtrado se lleva a cabo por desplazamiento del filtrado y por difusin. La cantidad de lquido de lavado debe ser suficiente para lograr el efecto que se desea. Para calcular las velocidades de lavado, se supone que las condiciones durante el mismo son iguales a las que existan al final de la filtracin. Se supone tambin que la estructura de la torta no resulta afectada cuando el lquido de lavado remplaza al lquido de suspensin en ella.En filtros en los que el lquido de lavado sigue una trayectoria de flujo similar a la de filtracin, como es el caso de los filtros de hojas, la velocidad final de filtrado permite predecir la velocidad de lavado.Para una filtracin a presin constante y usando la misma presin de lavado que de filtracin, la velocidad final de filtrado es el recproco de la ecuacin (13).

donde velocidad de lavado en yes el volumen total de filtrado para todo el periodo al final de la filtracin, en .

Para filtros prensa de placas y marcos, el lquido de lavado se desplaza a travs de una torta con el doble de espesor y la mitad del rea con respecto a la de filtracin, por lo que la velocidad de lavado, estimada es 4 de la velocidad final de filtracin.

En la prctica, la velocidad de lavado puede ser inferior a la estimada debido a consolidacin de la torta, a la formacin de canales y de grietas. Algunos experimentos con filtros pequeos de placas y marcos han producido velocidades de lavado entre 70 y 92% de los valores estimados.Despus de completar el lavado, se requiere un tiempo adicional para extraer la torta, limpiar el filtro y volver a armarlo. El tiempo total del ciclo de filtrado es la suma del tiempo de filtracin, de lavado, y de limpieza.

EJEMPLO DE APLICACIN 1.3

Velocidad de lavado y tiempo total de un ciclo de filtracin

Al final del ciclo de filtrado del ejemplo de aplicacin 1.2, se recolecta un volumen total de filtrado de 3.37 en un tiempo total de 269.7 s. Se desea lavar la torta en la prensa de placas y marcos, usando un volumen de agua igual al 10% de volumen del filtrado. Calcule el tiempo de lavado y el del ciclo total de filtracin suponiendo que la limpieza toma 20 min.

Solucin

La ecuacin (22) es vlida para este tipo de filtro. Sustituyendo,, , y la velocidad de lavado se expresa como:

Entonces, el tiempo de lavado con un volumen al 10%, 0.10(3.37 )= 0.337 de agua de lavado es:

Por lo tanto si la filtracin se realiza en un tiempo de , el ciclo total de filtracin tarda:

CAPACIDAD DE FILTRADO

La capacidad de filtrado es definida como el cociente entre el volumen de filtrado y el tiempo de un ciclo de filtracin . Esta es expresada como:

El tiempo de un ciclo es la suma del tiempo de filtracin ms el tiempo de no operacin , el cual incluye el tiempo de lavado y un tiempo complementario necesario para descargar, limpiar, montar y ajustar a la nueva a etapa de filtracin, por la tanto el tiempo de ciclo es expresado como:

Condiciones ptimas de filtracin a Presin Constante

Es evidente que durante los procesos de filtracin a presin constante, el flujo de filtrado disminuye en cuanto el tiempo de filtracin avanza. Por esta razn, habr un tiempo en el cual continuar el proceso de filtracin no ser factible, por lo tanto este debe de ser buscado de manera optima. Este momento ocurre en el tiempo en el cual la capacidad de filtracin es mxima. Las condiciones de filtracin mxima deben ser obtenidas en funcin de la capacidad mxima de filtracin. Por lo tanto:

La cual es la condicin mxima. Cuando la derivada de la capacidad de filtracin con respecto al volumen de filtrado es equivalente a cero, es posible obtener el volumen optimo. Para el mismo caso, el tiempo de filtracin ptimo puede ser obtenido si la funcin es derivada con respecto al tiempo. La diferencia esta basa en el hecho de que para el primer caso el tiempo deber ser expresado como una funcin del volumen de filtrado, mientras que en el segundo caso, el volumen deber ser expresado como una funcin del tiempo de filtracin.Para un caso particular en cual el tiempo sin operacin , es un valor determinado, el modo para obtener el ptimo valor es descrito a continuacin. El tiempo de filtracin es una funcin del volumen de filtrado y puede ser obtenido por la ecuacin (18). Para la siguiente ecuacin y . Por lo tanto

De este modo, la capacidad de filtracin puede ser expresada como:

La cantidad ptima puede ser encontrada derivando la expresin de la ecuacin (27) e igualando a cero.

De esta forma se obtiene la siguiente expresin:

Esta ecuacin indica el tiempo sin operacin requerido para obtener un volumen optimo de filtrado. Si tiempo sin operacin es dado, el volumen de filtrado tiene una capacidad de filtracin ptima expresada como:

El tiempo ptimo puede ser obtenido sustituyendo el valor del volumen en la ecuacin (24)

El mtodo grfico de Sbarbaugh permite obtener lo valores de y por medio de la curva, en la cual el volumen de filtrado es una funcin del tiempo como se muestra en la figura 1.26. Pata obtener y , la tangente debe ser marcada desde el punto ( hasta la curva de filtracin. El punto de interseccin entre la tangente y la curva tiene como coordenadas los valores de y .

Figura 3.27 Mtodo grfico para determinar las condiciones optimas de filtracin

Ecuaciones para filtracin contina

En filtros de operacin continua como los de tambor rotatorio, la alimentacin, el filtrado y la torta estn sometidos a estado estacionario, esto es, las velocidades son continuas. En un tambor rotatorio, la cada de presin se mantiene constante durante la filtracin. La formacin de la torta implica un cambio continuo de las condiciones. En la filtracin continua, la resistencia del medio filtrante suele ser despreciable en comparacin con la de la torta.De esta forma, en la ecuacin (13), = 0. Integrando la ecuacin (13) con .

Donde es el tiempo requerido para la formacin de la torta. En un filtro de tambor rotatorio, el tiempo de filtracin es inferior al del ciclo total en una cantidad igual a:

Donde es la fraccin del ciclo usada para la formacin de la torta. En el tambor rotatorio, es la fraccin de inmersin del tambor en la suspensin.Sustituyendo las ecuaciones (14) y (34) en la (33)

Si la resistencia especfica de la torta vara con la presin, se necesita conocer las constantes de la ecuacin (11) para predecir el valor de a que se requiere en la ecuacin (3.4.35). La comprobacin experimental de la ecuacin (30) indica que el flujo vara inversamente con la raz cuadrada de la viscosidad y con el tiempo del ciclo.Cuando se usan tiempos de ciclo cortos en la filtracin continua o la resistencia del medio de filtracin es relativamente grande, se debe incluir el trmino de resistencia del filtro, y la ecuacin (3.4.13) se convierte en

Por lo tanto la ecuacin (30) se transforma en

EJEMPLO DE APLICACIN 1.4

Filtracin en un filtro contino de tambor rotatorio

Un filtro rotatorio de tambor al vaco que sumerge el 33% del tambor en la suspensin se va a utilizar para filtrar una suspensin de CaC03, como se vio en el ejemplo de aplicacin 1 con una cada de presin de 67.0 kPa. La concentracin de slidos en la suspensin es y la torta del filtro es tal que los . La densidad y la viscosidad del filtrado se pueden suponer equivalentes a las del agua a 298.2 K. Calcule el rea del filtro necesaria para filtrar 0.778 kg de suspensin/s. El tiempo de ciclo del filtro es de 250 s. La resistencia especfica de la torta se puede representar como , donde se da en Pa y en m/kg.

SolucinSe sabe que para el agua, y . A partir de la ecuacin (10) obtenemos que:

Despejando . Para calcular la velocidad de flujo de filtrado:

Al sustituir en la ecuacin (26), al despreciar y hacer y al resolver.

3.5 SELECCIN DE EQUIPOS

Si el diseador de un proceso que debe proporcionar la separacin mecnica de los slidos contenidos en un lquido ha decidido que la filtracin es la forma de realizar el trabajo, debe tomar en cuenta el balance de las especificaciones y objetivos del proceso en relacin con la capacidad y caractersticas de los deferentes medios filtrantes. Los factores importantes relacionados con el proceso son el carcter de la suspensin, la capacidad de produccin, las condiciones del proceso, los requerimientos del funcionamiento y los materiales de construccin aceptables. Los factores fundamentales relacionados con el equipo son del tipo de ciclo, la fuerza impulsora, las velocidades de produccin de las unidades ms pequeas y ms grandes, el grado de la separacin, la capacidad de lavado, la confiabilidad, los materiales adecuados de construccin y el costo. Dentro de la estimacin del costo de equipo debe tomarse en cuenta los gastos de instalacin, la vida til del equipo, la mano de obra de operacin, el mantenimiento, el reemplazo del medio filtrante y los costos asociados con la prdida de rendimiento del producto si es que existe. No existen tcnicas absolutas de seleccin de equipo para llegas a una eleccin ptima, debido a que estn inmersos diversos factores, de los cuales muchos de ellos son difciles de cuantificar y a veces no es raro que algunos sean contradictorios en sus demandas. Sin embargo, se disponen de algunas sugerencias generales para guiar a los ingenieros en la seleccin del equipo de filtracin.

Seleccin de equipo propuesta por Tiller

En el siguiente diagrama se muestran los pasos a seguir en la solucin de un problema de filtracin y se basa en la premisa de que la velocidad de formacin de la torta es el factor ms importante para la seleccin del equipo.

Fig. 3.28 Modelo de decisin para la resolucin de un problema de filtracin propuesto por Tiller.

Seleccin de equipo propuesta por Purchas

Otra forma de seleccionar equipos es la propuesta por Purchas en el que utiliza criterios adicionales y se basa en una combinacin de las especificaciones del proceso y los resultados de pruebas sencillas. La aplicacin de esta propuesta est codificada por los siguientes diagramas (fig. 3.29, 3.30, 3.31) y los cdigos resultantes se comparan en la tabla 3.28 para identificar los filtros posibles.

Fig. 3.30 Cdigo de las caractersticas de filtracin de una suspensin.

Fig. 3.29 Cdigos para la especificacin del problema

Fig. 3.31 Cdigos de las caractersticas de sedimentacin de la suspensin.

La velocidad de crecimiento de la torta del filtro se determina por medio de las pruebas a pequea escala, utilizando un filtro de hoja o embudo.

Otros nuevos factores como la flexibilidad o la necesidad de una presin elevada pueden dictaminar la eleccin de un equipo. Para la velocidad de filtracin se debe tomar en cuenta la presin de operacin y el tamao del filtro, por lo que las caractersticas de lavado y las pruebas a pequea escala del filtro de lmina o la bomba de presin, entre otras, se deben interpretar para la reacomodacin de los requerimientos de mano de obra, adems del programa de mantenimiento para que la seleccin del equipo se haga de una manera ptima y eficaz.

Precio de los filtrosAl seleccionar los equipos de filtracin uno de los factores importantes en la seleccin de un equipo es el coste total para realizar la separacin. El precio de la operacin comienza con la compra del filtro, posteriormente el costo de la estacin de filtracin va a incluir no slo el gasto de instalacin, sino el de todos los accesorios dedicados a la operacin de filtracin como por ejemplo, las bombas de alimentacin y las instalaciones de almacenamiento, los tanques de precapa, los sistemas de vaco y los sistemas de aire comprimido.Tambin hay que agregarle el costo de entrega de los accesorios ms los gastos de instalacin del filtro y los accesorios, adems de la mano de obra local y las consideraciones especficas del lugar. Tabla 3.32 Clasificacin de los filtros de acuerdo con el trabajo y las caractersticas de separacin de la suspensin.

Como ya se mencion la instalacin de un equipo de filtracin presenta un costo elevado por lo que antes de hacer el procedimiento de comprar el equipo se debe realizar una consulta con los vendedores exponiendo las caractersticas de lo que deseamos separar para que nos puedan proporcionar un consejo a tiempo en las pruebas, seleccin y precio de cada filtro.

3.6 SEDIMENTACIN

La sedimentacin es la operacin por la cual se remueven las partculas salidas de una suspensin mediante la fuerza de gravedad. Se puede dividir en las operaciones funcionales de espesamiento y clarificacin. En el espesamiento su objetivo es incrementar la concentracin de los slidos en suspensin en la corriente de alimentacin, mientras que en la clarificacin su objetivo es eliminar una cantidad relativamente pequea de partculas suspendidas y obtener un efluente claro.

CLASIFICACIN DE SLIDOS SEDIMENTABLESLa existencia de diferentes tipos de partculas en concentraciones distintas hace que sea necesario considerar tipos desiguales de sedimentacin, de acuerdo con las caractersticas de las partculas en la suspensin. Estas propiedades ayudan a determinar el tipo de equipo con el que se lograr el objetivo de la forma ms eficaz en la seleccin del equipo de sedimentacin.

Fig. 3.33 Efecto combinado de la coherencia de las partculas y de la concentracin de slidos en las caractersticas de sedimentacin de una suspensin.

En la figura 3.33 se muestra la relacin existente entre la concentracin de slidos, la cohesin entre partculas y el tipo de sedimentacin que puede darse. En las partculas totalmente discretas se encuentran muchas partculas minerales con dimetro superior a 20 como los cristales de sales y sustancias similares, cuya tendencia a la cohesin es pequea. Mientras que las partculas que floculan (dimetro menos a 20 ) son los hidrxidos metlicos, muchos precipitados qumicos y la mayor parte de sustancias orgnicas que nos sean los coloides verdaderos.A concentraciones bajas el tipo de sedimentacin se conoce como asentamiento de partcula, las cuales estn suficientemente apartadas para asentarse libremente. Por el contrario las partculas que se asientan con mayor rapidez pueden colisionar con las de sedimentacin lenta y si no se adhieren continan su descenso con su propia velocidad especfica. Las partculas que no se adhieren forman flculos de un dimetro mayor las cuales se podrn asentar a una velocidad ms elevada que la de las partculas individuales. Hay una zona de transicin gradual del asentamiento de las partculas al rgimen de la zona de asentamiento, donde las partculas son forzadas a asentarse como una masa, donde la principal caracterstica de esta zona es que la velocidad de asentamiento de la masa ser una funcin de la concentracin de slidos. Por ultimo cuando la concentracin de slidos alcanza un nivel en el que el descenso de la partcula se ve restringido no slo por las fuerzas hidrodinmicas, sino tambin, por el apoyo mecnico de las partculas que se encuentran abajo. Por lo tanto el peso de las partculas en contacto puede afectar a la velocidad de sedimentacin de aquellas que estn en los niveles ms bajos.

ESPESADORESLa funcin principal de un espesador continuo es concentrar los slidos en suspensin mediante asentamiento por gravedad, esto es para lograr un balance de materia en el rgimen estacionario con extraccin continua de slidos. Normalmente se mantiene una cantidad de pulpa que permanecer constante para poder conseguir la concentracin deseada si la alimentacin tambin se mantiene constante. Un espesador tiene varios componentes bsicos como: un tanque para contener la suspensin, la tubera de alimentacin y un pozo de alimentacin para permitir a la corriente de alimentacin entrar en el tanque, un mecanismos de rastrillos para llevar los slidos concentrados a los puntos de extraccin, un sistema de extraccin de slidos del efluente interior y un lavador de efluente superior.

Fig.3.34 Espesador con mecanismo soportado por puente.

Espesadores de alta velocidadLas sustancias floculantes son usadas comnmente en los espesadores, lo que nos lleva a una clasificacin de espesadores en convencionales o de alta velocidad, pero no existe gran diferencia entre los dos. La mayor velocidad esperada de un espesador de alta velocidad es debido al uso de un floculante para maximizar la carga. En la mayora de las aplicaciones hay una dosis superior a la que empieza a producirse un incremento perceptible de capacidad. Este efecto sigue producindose hasta el lmite en el cual la capacidad ser mxima, a menos que admita una ms baja concentracin del efluente inferior. Debido a que la sustancia floculante es aadida al espesor por la lnea de alimentacin y por el pozo, hay diseos de pozos que se usan en estos espesadores para optimizar la floculacin.

Espesadores de alta densidad

Los espesadores pueden ser diseados para producir efluentes inferiores pero de una viscosidad alta aparente, permitiendo as la eliminacin de precipitados de desecho a una concentracin que evita la segregacin de partculas finas y gruesas a la formacin de una capa de lquido en la superficie del depsito. El mecanismo del espesor va a requerir un diseo especial de rastrillos y tendr una capacidad de torsin 3 o 4 veces mayor que la normal para ese dimetro de partcula. El efluente inferior de lodos tendr una concentracin de slidos de un 5 a un 10 por ciento ms baja que el formado por una pasta filtrada a vaco del mismo material.

CLARIFICADORESLos clarificadores continuos se emplean principalmente con suspensiones diluidas, como por ejemplo: corrientes de procesos industriales y residuos domsticos municipales. El principal objetivo de un clarificador es producir un efluente superior relativamente claro. Son idnticos a los espesadores en diseo y funcionamiento, excepto que los clarificadores emplean un mecanismo de construccin ms ligera y un mecanismo de transmisin de impulso con menor capacidad de torsin. Esto es debido a que en la clarificacin la pulpa producida es menor tanto en volumen como en concentracin de slidos suspendidos. Esto es debido al alto porcentaje de slidos relativamente fino (de menos de 10 ), por lo tanto el costo de instalacin de un clarificador es aproximadamente de un 5 a un 10% inferior que el de un espesador de igual tamao de tanque.

Clarificadores rectangularesSon empleados principalmente en plantas de aguas municipales y de tratamiento de residuos, as como en plantas industriales y corrientes residuales. El mecanismo empleado consiste en una draga de arrastre tipo cadena, aunque para procesos ligeros se usan sistemas de succin. Donde la draga de arrastre mueve la pulpa depositada hacia una tolva de lodos por medio de raspadores que hay al final de las cadenas. Estos clarificadores estn disponibles en anchuras de entre 2 y 10 m, la longitud es generalmente de 3 a 5 veces mayor que la anchura. Y los de mayor anchura tienen mltiples rasquetas, cada uno de ellos con un motor de impulsor individual. Los clarificadores rectangulares se utilizan en procesos de separaciones preliminares de aceite y agua en refineras y en clarificacin de corrientes residuales en fbricas siderrgicas. La calidad (transparencia) del efluente obtenida en estos clarificadores no es tan bueno como en los clarificadores circulares debido principalmente a la reduccin del permetro de rebose por rea equivalente.

Fig.3.35 Clarificador rectangular

Clarificadores circularesEste clarificador est equipado con un dispositivo desnatador de superficie, que incluye un desnatador rotatorio, una placa desviadora de espuma y una caja recolectora de espuma. Estos clarificadores se aplican a tratamiento de aguas fecales y residuos orgnicos, en el que los clarificadores estn provistos de rodillos de plstico e las cuchillas de raspado de los brazos de arrastre, debido a que es deseable que el fondo est limpio para evitar la acumulacin de slidos orgnicos provocando malos olores y la flotacin del material descompuesto. Estos clarificadores estn disponibles como: de mecanismo soportado por puente, por columna central y de traccin perifrica. El de mecanismos soportado por puente est limitado a tanques de dimetro menor de 20 m por motivos econmicos.

Fig.3.36 Clarificador circular.

Clarificadores por contacto de slidos

Cuando sea deseable obtener en una sola operacin el mezclado, la floculacin y la sedimentacin, todo se puede lograr en un solo tanque. Los ms eficientes son los que utilizan mezclado mecnico.La figura 3.37 consta de una combinacin de motor doble que mueve el mecanismo de arrastre con una velocidad muy baja, al mismo tiempo que hace girar una turbina de bajo esfuerzo cortante y alta velocidad de bombeo, ubicada en la parte superior del pozo central de reaccin. Esta turbina gira a una velocidad mucho mayor. La entrada, con su dosis de productos qumicos, se pone en contacto con los slidos previamente sedimentados en un tubo de succin de recirculacin, dentro del pozo de reaccin, por med