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29/9/2014 Filtracin - Wikipedia, la enciclopedia libre

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Esquema sencillo del mecanismo de separacin porfiltracin angular, un mtodo especial de filtracinen el que un medio filtrante, habitualmente unamembrana polimrica, permite dividir una corrientede fluido y slidos (feed), en otra de fluido limpio(permeate) y una mezcla concentrada (retentate).Este tipo de mecanismos es utilizado, por ejemplo,en la purificacin de agua para consumo humano oen la fabricacin de vinos y cervezas.

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Se denomina filtracin al proceso unitario deseparacin de slidos en suspensin en un lquidomediante un medio poroso, que retiene los slidos ypermite el pasaje del lquido.1

Las aplicaciones de los procesos de filtracin sonmuy extensas, encontrndose en muchos mbitos dela actividad humana, tanto en la vida domsticacomo de la industria general, donde sonparticularmente importantes aquellos procesosindustriales que requieren de las tcnicas qumicas.

La filtracin se ha desarrollado tradicionalmentedesde un estudio de arte prctico, recibiendo unamayor atencin terica desde el siglo XX. Laclasificacin de los procesos de filtracin y losequipos es diverso y en general, las categoras declasificacin no se excluyen unas de otras.

La variedad de dispositivos de filtracin o filtros estan extensa como las variedades de materialesporosos disponibles como medios filtrantes y lascondiciones particulares de cada aplicacin: desde sencillos dispositivos, como los filtros domsticos decaf o los embudos de filtracin para separaciones de laboratorio, hasta grandes sistemas complejos deelevada automatizacin como los empleados en las industrias petroqumicas y de refino para larecuperacin de catalizadores de alto valor, o los sistemas de tratamiento de agua potable destinada alsuministro urbano.

ndice

1 Clasificacin2 Teora de la filtracin

2.1 Estudios experimentales2.2 Limitaciones y conclusiones del modelo

3 Efectos prcticos de las variables de filtracin3.1 Presin3.2 Torta de filtracin3.3 Viscosidad y temperatura3.4 Tamao de partculas y concentracin3.5 Medio filtrante

3.5.1 Microfiltracin3.5.2 Ultrafiltracin3.5.3 Nanofiltracin

3.6 Materiales de precapa, 'ayudafiltros'4 Criterios de seleccin de equipos de filtracin5 Referencias



Clasificacin

El patrn de clasificacin de los procesos de filtracin es diverso, y segn obras de referencia,2 se puederealizar en funcin de los siguientes criterios:

El mecanismo de filtracin.La naturaleza de la mezcla.La meta del proceso.El ciclo operacional.La fuerza impulsora.

En general, estas categoras no se excluyen mutuamente y los procesos de filtracin suelen clasificarseprincipalmente de acuerdo al mecanismo, a la fuerza, al ciclo y a continuacin segn los dems factoresadicionales.

Teora de la filtracin

La filtracin ha evolucionado como un arte prctico desde aplicaciones primitivas, como la tradicionalfiltracin en lecho de arena empleado desde la antigedad para la extraccin de agua potable, recibiendouna mayor atencin terica durante el siglo XX a partir de los trabajos3 de P. Carman en 19374 y B.Ruth en 19465 estudios que fueron progresivamente ampliados en trabajos con medios porosos,6 porHeertjes y colaboradores en 1949 y 19667 y Tiller8 entre 1953 y 1964. Anteriormente, varios autores hanrevisado el estado de los conocimientos en filtracin tanto desde una perspectiva prctica en los trabajosde Cain en 19849 y Kiefer, en 199110 como en sus principios tericos con las publicaciones de Bear,1988.11 y Norden en 1994.12

Aunque la teora de la filtracin no se emplea en exclusiva para el diseo de filtros en aplicacionesconcretas, es frecuentemente empleada para la interpretacin de resultados a escala de laboratorio, laoptimizacin de aplicaciones o la prediccin de cambios en las condiciones de trabajo. Su principallimitacin reside en el hecho de que las caractersticas de la mezcla a tratar de partculas slidas y fluido,a veces llamada lechada, por su complejidad e interaccin pueden ser muy variables en los diferentescasos reales.

El principio terico de la filtracin se fundamenta en la cuantificacin de la relacin bsica de velocidadun fluido o caudal:

donde la fuerza impulsora (F) que puede ser la fuerza de gravedad, el empuje de una bomba de presin ode succin, o la fuerza centrfuga, mientras que la resistencia (R) es la suma de la ofrecida por el mediofiltrante y la torta de slido formada sobre el mismo.

La velocidad del fluido se ve condicionada por el hecho de que tiene que atravesar un medio irregularconstituido por los canales pequeos formados en los intersticios de la torta y el medio filtrante(percolacin), de manera que se puede aplicar la frmula adaptada fluidodinmica de la ley de Hagen-Poiseuille:



donde la velocidad diferencial o instantnea, es decir, el volumen (V) filtrado por tiempo () y porunidad de superficie (A), se relaciona con la fuerza impulsora o cada total de presin (P) sobre elproducto de la viscosidad del filtrado () por la suma de la resistencia de la torta y la del medio defiltracin (r). La resistencia de la torta se expresa por la relacin entre el peso (W) y el rea en funcinde una constante () promedio caracterstica de cada torta.3

Por su parte, si se considera la aproximacin de que la torta es incompresible o compactada de manerauniforme, la masa de la torta filtrante (W) se relaciona con el volumen de filtrado (V) mediante unsencillo balance de materia:

donde la masa de slidos por unidad de volumen filtrado () es funcin de la densidad del filtrado (), lafraccin de slidos en la corriente de aporte o concentracin (c) y la relacin de masas entre la tortahmeda y la seca.

La constante de resistencia especfica de la torta () se relaciona con la presin por la frmula:

donde ' es otra constante que depende del tamao de las partculas que conforman la torta y s, unaconstante de compresibilidad que varia de 0, para tortas incompresibles como diatomeas y arena fina, a1, para las muy compresibles.

Estudios experimentales

Los estudios de filtracin en laboratorio o a escala pequea frecuentemente permiten obtener de maneraexperimental y con un sencillo montaje medidas de la variacin con el del tiempo de del volumenfiltrado (velocidad) y la presin, en funcin de tres tipos de flujo:

presin constantevelocidad constantepresin y velocidad variables

En los ensayos de filtracin a presin constante el fluido es bombeado por un gas o aire comprimidoque se mantiene a la misma presin. En estas condiciones, la ecuacin adaptada de Hagen-Poiseuille sesimplifica a la ecuacin lineal:

donde K, K'p y C son constantes para las condiciones dadas.

En los experimentos de filtracin a volumen constante se emplean bombas de desplazamiento positivopara medir la diferencia de presin inicial y final a la que debe restarse la presin diferencial del mediofiltrante, de manera que la ecuacin de filtracin deviene:



donde P1 es la cada del medio filtrante:

ecuaciones que permiten llegar a la siguiente expresin simplificada para la velocidad de filtracin:

siendo Kr y C', constantes caractersticas para las condiciones dadas.

En el caso general de filtracin a presin y velocidad variables la solucin matemtica a la ecuacingeneral deviene compleja, Tiller ha propuesto un modelo de integracin satisfactorio a condicin deconocer la curva caracterstica de la bomba.

Limitaciones y conclusiones del modelo

Aparte de la premisa previa por la que el modelo de la ecuacin general de filtracin solo es aplicable enel caso de fluidos lquidos a los que se pueda aplicar la ley de Hagen-Poiseuille, los resultadosexperimentales han demostrado que el modelo solo es aplicable en el caso de medios filtrantes queforman torta, sin que pueda emplearse para la modelizacin de aquellos casos de filtracin donde no seforma torta como en el caso de las aplicaciones de fluidos de baja concentracin de slidos y con mediosfiltrantes muy porosos, donde las partculas son retenidas en el interior de los canales.13

Sin embargo, la ecuacin de filtracin ha permitido entender la relacin entre las variables msimportantes en la mayora de los casos prcticos de manera que en aquellos casos donde la torta formadaes rgida, como las formadas por partculas granulares grandes, la constante s se considera nula y seconcluye con:

Es decir, la velocidad de filtracin es directamente proporcional a la presin aplicada y al rea, mientrasque es inversamente proporcional a la viscosidad de la corriente de fluido, la cantidad de torta formada yal tamao de las partculas que la forman.

En cambio, cuando la torta es muy compresible como en los casos en los que el slido es muy blando odeformable, la resolucin de la ecuacin lleva a la conclusin de que la velocidad de filtrado esindependiente de la presin aplicada y nicamente proporcional al rea de filtracin grande:

Efectos prcticos de las variables de filtracin

El efecto de cada una de las variables incluidas en la ecuaciones resueltas de filtracin se puedeconstatar en la mayora de los casos prcticos y de las aplicaciones, siendo su conocimiento y control deimportancia particular para los procesos industriales.



Presin

En la mayora de los casos,3 la compresibilidad de la torta de filtracin se encuentra entre valores de 0,1y 0,8 de manera que la mayor parte del aumento de la prdida de carga del fluido es consecuencia delmedio filtrante. En general, si el aumento de presin conlleva un aumento significativo del caudal ovelocidad de filtracin, es un indicio de la formacin de una torta granulada. En cambio, para las tortasespesas o muy finas, un aumento de la presin de bombeo no resulta en un aumento significativo delcaudal de filtrado. En otros caso, la torta se caracteriza por una presin crtica por encima de la cual, lavelocidad de filtracin incluso disminuye. En la prctica, se prefiere operar a un velocidad constante,empezando a baja presin, aunque por el empleo generalizado de sistemas de bombeo centrfugos, lascondiciones habituales son de presin y caudal variables.

Torta de filtracin

La teora seala que, considerando aparte las caractersticas del medio filtrante, el caudal que entra esigual al caudal que sale (Ecuacin de Continuidad).Como resultado de estas dos variables conjuntas,para una misma cantidad de fluido a filtrar se observar que su caudal es inversamente proporcional alcuadrado del espesor de la torta al final del proceso. Esta observacin conlleva que la mximaproductividad se alcanza tericamente con aquellas tortas de espesor muy fino cuya resistencia supera ala del medio mismo filtrante. Sin embargo, otros factores como el tiempo para regenerar la torta, sudificultad de descarga y el coste de una superficie filtrante ms amplia explica que en la prctica seprefiera trabajar en condiciones de tortas espesas.

Viscosidad y temperatura

El efecto de la viscosidad es como lo indican las ecuaciones de velocidad; la velocidad de flujo defiltrado en cualquier instante es inversamente proporcional a viscosidad de filtrado.

El efecto de la temperatura sobre la velocidad de filtracin de slidos incompresibles es evidente, sobretodo, mediante su efecto sobre la viscosidad.

Tamao de partculas y concentracin

El efecto del tamao de las partculas sobre la resistencia de la torta y la tela es muy notable. Afectan alcoeficiente en la ecuacin para la resistencia de la torta, y los cambios mayores afectan lacompresibilidad.14

Medio filtrante

El medio filtrante es el elemento fundamental para la prctica de la filtracin y su eleccin es,habitualmente, la consideracin ms importante para garantizar el funcionamiento del proceso.

En general, entre los principales criterios de seleccin del material de medio filtrante, se puedendestacar:

Compatibilidad y resistencia qumica con la mezclaPermeabilidad al fluido y resistencia a las presiones de filtracinCapacidad en la retencin de slidosAdaptacin al equipo de filtracin y mantenimientoRelacin vida til y coste



La variedad de tipos de medios porosos utilizados como medios filtrantes es muy diversa,15 en forma detelas y fibras tejidas, fieltros y fibras no tejidas, slidos porosos o perforados, membranas polimricas oslidos particulados, a lo que se suma la gran variedad de materiales: fibras naturales, fibras sintticas,materiales metlicos, materiales cermicos y polmeros.

Microfiltracin

Generalmente se llama microfiltracin al proceso de filtracin con membranas cuyos tamaos de porovaran entre 0,1 y 10 micrones. con estas membranas se retienen partculas en suspencin con tamaosdentro de el rango de los poros o mayores, dejando pasar las partculas disueltas de dimensionesmenores.

Ultrafiltracin

Generalmente se considera ultra filtracin la que se obtiene utilizando membranas cuyos poros permitenseparar molculas con un peso molecular superior a los 10 Dalton/gmol. Con estas membranas se lograseparar y concentrar protenas, desinfectar el agua reteniendo bacterias y virus, etc.

Nanofiltracin

Las membranas utilizadas en la nanofiltracin son capaces de retener molculas sin carga elctrica conpeso molecular superior a los 200 dalton/gmol. Este tipo de filtracin es usado para concentrarcompuestos orgnicos y para desmineralizar parcialmente el solvente.

Materiales de precapa, 'ayudafiltros'

Adicionalmente, algunas aplicaciones de especial dificultad por la baja velocidad del fluido, complejidadde la mezcla o calidad no satisfactoria de clarificacin, requieren el empleo de ayudafiltros16 materialesde prefiltracin o materiales de precapa.

Estas son sustancias granuladas o fibrosas que permiten la formacin sobre el medio filtrante de unatorta prefiltrante adicional de mayor permeabilidad y mayor profundidad, donde quedan retenidas lasfases heterogneas en forma de flculos deformables o pastas de mayor viscosidad y contenido enslidos finos. Ejemplos de sustancias frecuentemente empleadas para la ayuda de filtracin son:17

tierras de diatomeas o tierras diatomceas (slice de alta pureza)tierras de Kieselguhr (diatomita)Perlita o lava expandida (silicato alcalino de aluminio)fibras de celulosa o pulpa de madera molidayesocarbn activado

En general, estas sustancias se caracterizan por su baja densidad, su facilidad para recubrir las superficiedel medio filtrante, su compresibilidad, su baja tendencia a sedimentarse y su inercia qumica con elfluido. En el caso del yeso y del carbn, solo se emplean en casos muy especficos debido a su bajaeficacia, aunque en el caso de ste ltimo, es frecuente emplearlo bajo forma de carbn activado, encombinacin con las diatomeas para aadir una funcin de adsorcin.

trpodeembudopapel de filtro



tringulo de arcillavaso de precipitadosvagueta

Criterios de seleccin de equipos de filtracin

La seleccin de un equipo de filtracin en general requiere un estudio de las especificaciones y objetivosdel proceso junto con una evaluacin de la capacidad y caractersticas del equipo de filtracin en las quelas consideraciones sobre el medio filtrante son importantes.

Los factores a considerar relativos del proceso que suelen citarse son:3

caractersticas fluidomecnicas y fisicoqumicas de la corriente de fluido a tratar o lechadacapacidad de produccincondiciones del procesoparmetros de funcionamientomateriales de construccin

Por su parte, los criterios del equipo de filtracin a estudiar suelen ser:

tipo de ciclo: continuo o por lotesfuerza de impulsincaudales admisiblescalidad de la separacinfiabilidad y mantenimientomateriales de construccin y dimensionescoste

En la estimacin de costes, con frecuencia se consideran:

coste de adquisicin del equipocostes de instalacin y puesta en marcha incluyendo acondicionamiento del fluido o tratamientosprevios requeridoscostes de operacin: mano de obra, electricidad, consumo de fluidos auxiliarescoste de mantenimiento: mano de obra de sustitucin de medios filtrantes consumibles, piezas derecambio, tiempos de paradavida del equipocoste del medio filtrante consumible

Habitualmente, las caractersticas del fluido a tratar tales como caudal y presin, contenido de slidos ynaturaleza, en especial granulomtrica, propiedades qumicas y temperatura son determinantes en laseleccin de un filtro de torta o un filtro de clarificacin, frecuentemente de cartuchos.

La complejidad de factores a considerar y la contradiccin que pueden causar algunos de ellos, hanllevado a autores como Tiller18 o Purchas19 a proponer tablas de ayuda a la decisin en base alparmetro fundamental de la velocidad de formacin de la torta y el resultado de pruebas de campoadicionales sencillas.

En cuanto al rgimen de funcionamiento, en general, los filtros continuos son recomendados enaplicaciones de procesos en rgimen permanente, aunque pueden resultar ms convenientes losintermitentes en aquellos casos que requieran flexibilidad o una presin ms elevada. El material autilizar en el diseo de un filtro puede varias desde un simple recipiente de plstico hasta lo mstecnolgico, lo importante es poder apreciar la manera en que se da este fenmeno sorprendente.



Referencias

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Categoras: Procesos qumicos Operaciones de separacin Procesos de separacinTcnicas de laboratorio

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