FILTRACION

Introducción

En los diferentes procesos de producción de alimentos, se presenta la necesidad de separar los componentes de una mezcla en fracciones, para de esta manera poder describir los sólidos divididos y predecir sus características. Dentro del amplio campo de las separaciones existen dos grandes grupos: (a) El grupo de las separaciones difusionales que son realizadas con cambios de fases y transporte de materia de una fase a otra y (b) los métodos correspondientes a las separaciones mecánicas la cual comprende filtración, sedimentación, centrifugación y tamizado.

Estas separaciones son aplicables a mezclas heterogéneas y no a homogéneas y la forma de separación depende de la naturaleza de la partícula que vaya a ser separada y de las fuerzas que actúan sobre ella para separarlas. Las características de las partículas más importantes a tener en cuenta son el tamaño, la forma y la densidad, y en el caso de fluidos, la viscosidad y la densidad, aplicables en separaciones de: sólidos de gases, gotas de líquidos de gases, sólidos de sólidos y sólidos de líquidos. El comportamiento de los diferentes componentes a las fuerzas establece el movimiento relativo entre el fluido y las partículas, y entre las partículas de diferente naturaleza. Debido a estos movimientos relativos, las partículas y el fluido se acumulan en distintas regiones y pueden separase y recogerse, por ejemplo en la torta y en el tanque de filtrado de un filtro prensa.

Definición.-

La filtración es la operación unitaria en la que el componente sólido insoluble de una suspensión sólido- líquido s separado del componente líquido haciendo pasar éste a través de una membrana porosa que retiene a las partículas sólidas en su superficie corriente arriba, o dentro de su estructura, o ambos.Se le denomina como prefiltrado a la suspensión sólido- líquido alimentada, filtrado al componente líquido que pasa a través de la membrana, y a la membrana en sí se le conoce como el medio filtrante. A los sólidos separados se les llama la torta del filtro, una vez que forman una capa percibible en la superficie de la membrana. Todo equipo de filtración, independientemente de su diseño, debe de suministrar un soporte para el medio filtrante, un espacio para la acumulación de sólidos, canales para alimentar el pre-filtrado y para retirar el filtrado, y un medio para inducir el flujo del filtrado a través del filtro.En algunas ocasiones es el líquido (el filtrado) que constituye al producto deseado, y en otras ocasiones la torta del filtro.Es necesario al aplicar una fuerza externa al fluido para que éste se sobreponga a la resistencia que le opone a su tránsito el medio filtrante. De ésta forma se crea una diferencial de presión a través del filtro obteniéndose la siguiente ecuación:

tasa de filtración= fuerza motrizresistencia

Filtración de torta.

Este tipo de filtración, es la que trata grandes cantidades de sólidos en la suspensión y forma sobre el medio filtrante una pasta o "torta" de sólidos que posteriormente es retirada.La filtración de torta presenta dos grandes tipos o forma de llevarse a cabo:

Filtración a ΔP constante (Presión constante): donde la velocidad de filtración va desde un máximo hasta un mínimo. Dentro de este tipo de filtración existe un caso particular que es el de la filtración rotatoria.

Filtración a U constante (Velocidad Constante): donde la diferencia de presión va desde un mínimo hasta un máximo.

Existe otra manera de trabajo para estos filtros que es la MIXTA; no es más que aquella filtración que transcurre primero a velocidad constante, donde su ΔP va desde un mínimo a un máximo y luego el régimen es cambiado a ΔP constante y su velocidad va desde un máximo a un mínimo.En el proceso de filtración por torta se pasa a través de tres clases de resistencia en serie: (1) Las resistencias de los canales que llevan la suspensión hasta la cara anterior de la torta, y el filtrado desde que sale del medio filtrante. (2)La resistencia correspondiente a la torta. (3) La resistencia correspondiente al medio filtrante.

Con respecto a la distribución de la caída global de presión, se observa que por ser éste un flujo en serie, la diferencia de presión total en el filtro puede igualarse a la suma de las diferencias de presión individuales. En un filtro bien diseñado las resistencias de las conexiones de entrada y salida son pequeñas y pueden despreciarse en comparación con la resistencia de la torta y del medio filtrante. Al incrustarse las primeras partículas en las mallas del medio filtrante, se produce una resistencia adicional que afecta al flujo posterior.

ALEX

EFECTOS PRÁCTICOS DE LAS VARIABLES DE FILTRACIÓN

PRESIÓNLa compresibilidad de la torta se encuentra por lo general entre 0,1 y 0,8 y a medida que va avanzando el proceso de filtración va aumentando el espesor de la torta por lo que la resistencia del fluido va a ser cada vez mayor, pudiéndose considerar:

Filtración a presión constante: la velocidad disminuye con el tiempo.

Filtración a velocidad constante: la presión aumenta al avanzar la filtración.

En otros casos la torta se caracteriza por una presión crítica por encima del caudal y la velocidad de filtración incluso disminuye.TORTA DE FILTRACIÓNLa torta de filtración puede ser de dos tipos:

Tortas compresibles: un aumento de la diferencia de presión o de la velocidad de flujo provoca la

formación de una torta más densa con una resistencia más elevada.

Tortas incompresibles: la resistencia al flujo de un volumen dado de torta no se ve afectada de

forma apreciable por la diferencia de presión a través de la torta o por la velocidad de deposición

del material.

Tortas Filtrantes Compresibles

Casi todas las tortas filtrantes son compresibles en cierto grado pero en muchos casos ese grado de compresibilidad es tan pequeño que la torta puede considerarse, a efectos prácticos, incompresible. Si la resistencia específica de la torta es función de la diferencia de presión a través de la torta, ésta será compresible. Esta compresibilidad puede ser un proceso reversible o irreversible: la mayoría de las tortas filtrantes no son elásticas y la mayor resistencia ofrecida al flujo cuando la diferencia de presión es elevada, se debe al empaquetamiento más compacto de las partículas que forman la torta filtrante. La resistencia específica de la torta, por lo tanto, corresponde a la resistencia que experimenta la misma cuando la diferencia de presiones a la que se somete es la más elevada, incluso aunque esta diferencia máxima de presión solo se mantenga un corto periodo de tiempo.

VISCOSIDAD Y TEMPERATURALa velocidad del flujo en cualquier instante es inversamente proporcional a la viscosidad del filtrado. El efecto de la temperatura afecta la velocidad de filtración debido a que ejerce efecto en la viscocidad de un fluido.TAMAÑO DE PARTÍCULA Y CONCENTRACIÓNEstas son unas variables de mucha importancia ya que afectan al coeficiente para la resistencia de la torta y si hay cambios mayores, estos afectan a la compresibilidad.MEDIO FILTRANTELa función del medio filtrante es la de actuar como soporte para la torta filtrante mientras las capas iniciales de la misma proporcionan el verdadero filtro. Este medio filtrante debe ser fuerte y tener resistencia a la acción corrosiva del fluido y debe ofrecer tan poca resistencia como sea posible al flujo filtrado. Normalmente se utilizan tejidos, material granular y sólidos porosos.

1. RÉGIMENES DE FILTRACIÓN

Afecta a los valores que puede tener la presión a lo largo del proceso de filtración, esta puede efectuarse de tres maneras distintas:

1. Presión Constante

2. Velocidad Constante

3. Régimenes Mixtos

Filtración a Presión Constante: se realiza cuando se filtra un líquido turbio que forma una torta apenas sensible a la presión. El líquido turbio llega al filtro desde el primer momento con una presión que se ha de mantener durante toda la operación, lo cual implica que la velocidad de filtración ha de ir disminuyendo paulatinamente, pues a medida que crece el espesor de torta la resistencia a la filtración es mayor, evidentemente, en el caso opuesto si se trata de un precipitado compresible, la primera fracción depositada resulta poco permeable por actuar sobre ella una presión muy fuerte, y esto alarga, el periodo de filtración.Filtración a Velocidad Constante: se emplea cuando el precipitado está formado total o

parcialmente por sustancias sensibles a la presión como pueden se de carácter albuminoideas, hidróxido de carácter gelatinoso, etc., si no se emplea una cantidad suficiente de coadyuvante. Trabajando en régimen de velocidad constante se comienza a filtrar a pequeña presión y a medida que va aumentando el espesor de la torta y con ello la resistencia del filtro, se va elevando la presión para mantener constante el volumen de filtrado obtenido en iguales intervalos de tiempo. Este procedimiento tiene la desventaja de que precisamente en los primeros momentos, en que por ser pequeña la resistencia se podrán obtener grandes volúmenes de filtrado.Régimen Mixto: pretende armonizar las ventajas de los dos anteriores para dar solución a la filtración de los precipitados sensibles a la presión. Se comienza a velocidad constante, a poca presión, hasta que se ha formado un lecho suficiente sobre el material filtrante, después se eleva la presión hasta el límite oportuno y se procede a presión constante (velocidad decreciente)En realidad, en la práctica es muy difícil mantener rigurosamente las condiciones de filtración dentro de límites relativamente estrechos, lo cual dificulta las previsiones que pudieran hacerse por la vía teórica. (A. Vian)

CarlosIII. Principio de operación de los equipos

Entre los filtros por gravedad se encuentran:

Filtros por gravedad: En un filtro por gravedad, el flujo de filtrado se produce debido a la presión hidrostática de la columna de material para filtrar, que permanece por

encima de la superficie de la torta o el medio

de filtro. Esta presión es siempre relativamente baja. Suelen utilizarse en casos donde se requieran velocidades muy elevadas.

Es el método de filtración más tradicional y sencillo. La gravedad es la única fuerza impulsora que hace que el líquido atraviese el filtro y se dé la separación. Ofrece una máxima superficie de filtración, lo que hace que su efecto sea más rápido. Su utilidad principal es separar el sólido del líquido cuando lo que se quiere recuperar es el líquido.

Filtro de arena: El filtro de arena consiste en un tanque que puede resistir presiones dinámicas y estáticas a las que se somete. Es llenado de arena tamizada de un tamaño determinado. El tanque puede variar entre 2 materiales: metal o plástico reforzado. La filtración se observa en el momento que el agua atraviesa la arena y a su vez se van reteniendo las impurezas contenidas en el agua. (ver Fig.2). Generalmente este se ubica en el cabezal de riego como primer filtro, siendo el cabezal de riego, la parte de la instalación que gestiona y reparte el agua hacia los diferentes sectores del sistema. Son muy eficaces en la retención de sustancias orgánicas, pues la filtración se da por todo el espesor de la arena. De esta manera se acumulan grandes cantidades de contaminantes antes de que sea necesaria su limpieza.

Figura 2. Filtro de arena

Filtro de Bolsa: “Está especialmente indicado para aquellas aplicaciones en la que los fluidos a filtrar tienen grandes concentraciones de contaminantes o son fluidos que presentan grandes viscosidades. Consiste en hacer circular el líquido a filtrar a través de una bolsa filtrante que se encuentra alojada en un portabolsas quedando los contaminantes, retenidos en la misma (ver Fig. 3). Los portabolsas están disponibles en aleaciones especiales como el acero inoxidable, aceros al carbono y materiales poliméricos, y con diferentes tamaños, desde equipos de una bolsa o multibolsa.” (Innovaqua, 2011).

Filtro Prensa: El filtro prensa tiene una estructura de placas cubiertas con un medio filtrante donde al bombear una suspensión bajo presión por un canal los sólidos del fluido son atrapados en las placas y el líquido atraviesa el medio filtrante sea de tela, marcos con huecos o membranas (ver Fig. 4); el líquido obtenido es descargado por un conducto que posteriormente es recogido y almacenado. Al igual que el líquido los sólidos se recuperan al final del filtrado en tolvas o tanques de almacenamiento. (Perry, Green, & Maloney, 1997).

Fundamentación

El filtro prensa realiza la separación liquido-solido a partir de la presión aplicada a una suspensión que atraviesa un medio filtrante reteniendo los sólidos del fluido.

Filtración por membrana: Los equipos de filtración por membrana (Osmosis Inversa (OI), Nanofiltración (NF), Ultrafiltración (UF) y Microfiltración (MF)) tienen el mismo principio de operación a diferencia del tipo de membrana usado como medio filtrante.

Básicamente estos funcionan por una presión aplicada a una suspensión o coloide que choca con una membrana semipermeable por la cual atraviesan los líquidos y partículas de menor tamaño que dicha membrana (ver Fig. 5).

FundamentacionSe da por la presión aplicada a un fluido donde la suspensión atraviesa una membrana semi- permeable que varía en el tamaño de sus poros en función del producto que se desee separar

Hidrociclon: Como lo menciona (filtromatic, (n.d)), la filtración es producida, cuando ingresa el líquido con los sólidos por el punto de entrada, luego retienen las partículas con mayor peso específico que el del líquido, esto se genera gracias a la fuerza centrífuga que incide a una alta velocidad con trayectoria tangencial. Por otra parte, el líquido limpio es retirado por el punto de salida ubicado en la parte superior del mismo, mientras que los sólidos caen por la pared del hidrociclón, con ayuda de la fuerza gravitatoria hasta llegar a la sección cónica donde estos son separados, para posteriormente recogerlos en el colector. En la figura 6, Es posible identificar las partes importantes de esta centrifuga. A diferencia de los peeler y los de cesta no necesita un lavado a los sólidos recolectados, además este maneja velocidades mucho más altas que permiten un secado mucho mayor y una eficiencia de filtrado más alta.

Fundamentación:Este equipo funciona gracias a la fuerza centrífuga, la cual se encarga de realizar la separación de las partículas sólidas, al tener estas un peso específico mayor al del líquido.

Manuela

Centrífugas de cesta: Para este es necesario adicionar la suspensión, posteriormente el líquido se escurre a través del medio filtrante ubicado en las paredes para salir por el punto de salida,

por su parte los sólidos forman una torta con un espesor deseado a la cual se le rocía un líquido de lavado para separar el material soluble, se vuelve a centrifugar hasta secar, en la parte inferior se realiza la descarga de los sólidos (McCabe, Smith, & Harriott, 1985) Como se puede observar en la figura 7, Es decir que para esta es necesario tener en cuenta que la velocidad aunque es baja maneja un rango intermedio entre la del hidrociclón y la peeler, por otro lado su funcionamiento implica un tamaño específico de torta para determinar el tiempo de filtrado necesario en el proceso.

Fundamentación:Al aplicar la fuerza centrífuga, los sólidos se dirigen a las paredes quedando atrapados en el medio filtrante de las paredes, para así formar una torta con un espesor deseado, y luego poder descargarla en la parte inferior de la centrifuga, de forma lenta y manual.

Peeler: Su funcionamiento comienza cuando al comenzar a funcionar el tambor, ingresa la alimentación, con ayuda del medio filtrante se obtiene el líquido que es descargado y la torta formada es deshidratada y posteriormente lavada para finalmente secarla y descargarla, como se muestra en la figura 8 Es posible observar las partes nombradas anteriormente. Lo que quiere decir que su funcionamiento es similar al de cesta con la diferencia que las velocidades de operación manejadas son menores a esta.

Fundamentación:La fuerza centrífuga es la encargada

de generar la separación, enviando el líquido al medio filtrante y de esta forma producir su descarga, mientras los sólidos forman una torta a la cual es necesario lavar, deshidratar y secar para recolectarla posteriormente.

Filtros de Vacío. En estos filtros la separación sólido-líquido se da debido a la presión que imprime una bomba de vacío bajo la superficie donde se encuentra el producto (medio filtrante). (TEFSA, Tecnicas de filtración, 2013) (Warren L. McCabe, 1991) Dependiendo de la forma de la superficie filtrante se encuentran dos grupos de filtros de vacío: filtros de banda de vacío y filtros rotativos de vacío.Filtros de banda de vacío: Como se puede observar en la figura 9, las mezclas se alimentan sobre una tela (medio filtrante) que a su vez se desplaza sobre una banda que actúa de soporte. (TEFSA, Tecnicas de filtración, 2013) (Westech, 2013)

La ejecución de este tipo de filtros puede presentar diferentes variantes dependiendo del objetivo con que se fabrican o el producto que se quiere recuperar. Por ejemplo, se fabrican filtros de banda de vacío de bandejas, en este caso la filtración se realiza sobre una tela horizontal apoyada en unas bandejas individuales, que pueden ser de acero inoxidable o materiales sintéticos. Las bandejas acompañan al medio filtrante en un movimiento de vaivén, reguladas por las válvulas de control del vacío en el filtro. Otro ejemplo son los filtros de banda de goma de vacío, en donde la filtración tiene lugar sobre una banda de goma horizontal que actúa de soporte, esta banda está ranurada en toda su superficie para permitir la circulación del filtrado hacia el canal de drenaje central. La caja de vacío ubicada bajo la banda recibe el líquido filtrado para enviarlo hacia un depósito separador. (Filtros de banda DELKOR, 2013) (TEFSA, Tecnicas de filtración, 2013)Fundamentación:

La fuerza centrífuga es la encargada de generar la separación, enviando el líquido al medio filtrante y de esta forma producir su

descarga, mientras los sólidos forman una torta a la cual es necesario lavar, deshidratar y secar para recolectarla posteriormente.

Filtros rotativos de vacío: En estos filtros el producto a filtrar llega de forma continua a la cuba del filtro. Su superficie exterior está dividida en celdas recubiertas por la tela filtrante. El vacío aplicado al filtro, que es creado por una bomba exterior, llega a las celdas a través de un cabezal de control y las tuberías consiguientes, dando lugar a la absorción del líquido a través

de la tela filtrante depositándose el sólido sobre la misma tela filtrante y como una capa uniforme (ver Fig. 10). (BA Equipamentos s.r.l , 2013) (TEFSA, Tecnicas de filtración, 2013) (Warren L. McCabe, 1991)

Fundamentacion

El fundamento de los filtros al vacío se basa en la presión atmosférica, que es la fuerza impulsora para que el líquido atraviese el filtro cuando se aplica el vacío al sistema. Permite la filtración de aquellas suspensiones en las que la fuerza de gravedad no es suficiente para el proceso. (Filtración , 2013)

La principal utilidad de estos filtros está en separar un sólido de un líquido, cuando lo que se quiere recuperar es el sólido, como se observa en la figura 1. (Filtración , 2013)

Claudia

EQUIPOS DE FILTRACION

Existen varios tipos de filtros industriales pero los más comunes son:

a) Filtroprensa

Los filtros prensa pueden operarse a presión constante o puede incrementarse gradualmentela presión para mantener el volumen de filtrado constante ya que comúnmente se empleanbombas centrífugas con estos equipos, la filtración se da inicialmente a tasa constanteseguida de a presión constante. La presión empleada en este tipo de equipos es de 25-75psig. (276-61RN/m2).Estos equipos existen con las placas en forma vertical u horizontal.Filtroprensa de Placas Verticales

El elemento básico en un filtroprensa vertical es un arreglo de placas de drenado verticalesque sostienen a medio filtrante. Un diseño muy conocido es la prensa de placas y marcos.En ésta tipo de filtro placas y marcos. En éste tipo de filtro placas estriadas cubiertas deambos lados con el medio filtrante, se alternan con marcos en un soporte (Fig.1). Elconjunto de placas y marcos puede apretar con un tornillo sinfín mecánico o hidráulico paraevitar las fugas de fluido. El medio filtrante actúa también como junta. Tanto las placascomo los marcos están previstos de aberturas en una esquina formándose un canal pordonde se alimenta la suspensión a filtrarse.Además, el centro hueco de los marcos se encuentra conectado por un canal auxiliar alcanal de alimentación (Fig.2). La suspensión alimentada entra a los marcos y la torta seacumula en el espacio vacío, mientras que el filtrado pasa a través del medio filtrante ysobre las superficies estriadas de las placas de donde es retirado por medio de un canal dedrenado en cada placa. La filtración continua hasta que el flujo de filtrado cae por debajo deun nivel práctico o si la presión alcanza un nivel inaceptable.dibujosb) Filtros al vacíoEste tipo de filtros es recomendado para procesos continuos. En estos filtros se mantieneuna presión subatmosférica corriente abajo del medio filtrante y atmosférica corrientearriba.Filtros de Tambor Rotatorio al Vacío.Consisten de un tambor rotatorio girando alrededor de su eje horizontal. La superficie deltambor consiste de un número de compartamientos poco profundos formados por flejesdivisorios que corren a lo largo del tambor (Fig.3). Cada compartimento se encuentraconectado por una o varias tuberías a una válvula rotatoria automática situada centralmenteen un extremo del tambor. El tambor se encuentra parcialmente sumergido en un tanqueabierto que contiene la suspensión a filtrarse. El medio filtrante cubre la superficie deltambor y se encuentra soportado por placas perforadas. El tambor gira a velocidades delorden de 0.1-2 rpm. Conforme el tambor gira los compartimentos sumergidos en lasuspensión forman un vacío. El filtrado fluye a través del medio filtrante y salen por latubería de drenado, mientras que los sólidos forman una torta en la superficie externa delmedio filtrante. Conforme el compartimento emerge de la suspensión, la capa de torta esraspada.DibujosFiltros CentrífugosEn estos filtros se emplea la fuerza centrífuga como fuerza motriz. Estos filtros realmenteson centrífugas adaptadas con un recipiente perforado sobre el cual se coloca un mediofiltrante.La suspensión a filtrar se alimenta al interior del recipiente sujeto a fuerzas centrífugas, elfiltrado fluye a través del medio filtrante y la torta se acumula en el interior del recipiente.

2. Selección de los Equipos de FiltraciónEsta selección depende considerablemente de los factores económicos, pero esto variará dependiendo de:a. La viscosidad del fluido, densidad y reactividad química.b. Tamaño de las partículas sólidas, distribución de tamaños, forma, tendencias a la floculación y

deformabilidad.c. Concentración de la pasta alimentada.d. Cantidad del material que va a ser manejada.

e. Valores absolutos y relativos de los productos líquido y sólido.f. Que tan completa se requiere la separación.g. Gastos relativos de mano de obra, capital y fuerza motriz.

3. Metodología para la resolución de problemas de Filtración.1. Generalmente los problemas de filtración muestran dos partes en el planteamiento. Una parte es la

experimental, donde se han realizado experiencias en laboratorio con la suspensión que se usará en la real, tratando de simular el proceso y, la otra parte, la real donde se encuentra la incógnita a buscar pero que usa la misma suspensión de la experimental.

2. Una vez conocido los datos de ambas partes (real y experimental) se determina que tipo de filtración por torta se está desarrollando para conocer cuales ecuaciones se van a utilizar, teniendo en cuenta que existen tres tipos de ecuaciones la de la presión constante, la de filtro rotatorio y la de velocidad constante.

3. Cuando se tienen todos estos datos y las ecuaciones a utilizar se utiliza la parte experimental para conocer valores de la suspensión y del medio filtrante que se necesitan. Por ejemplo, si es filtración a presión constante de la pendiente Kp se despejan los valores de a ,.C,.m , gc (en conjunto) que permanecerán constantes entre el experimental y el real ya que la suspensión no cambia y del punto de corte el valor de Rm de ser necesario. Si es a velocidad constante, del valor de la pendiente se obtiene s y del punto de corte Kr se obtiene en conjunto los valores de a o,.C,.m , gc. Si se trabaja con filtro rotatorio, normalmente, el experimental es a presión constante y los valores despejados se utilizan en el real.

4. Como recomendación en este tipo de ejercicio las unidades con las que se trabaja deben estar en un solo

sistemas de unidades, por lo que tienen que ser transformadas al inicio de la operación.

Moises