Fundamentos y Aplicaciones de la Filtración en Procesos Industriales

Objetivos

• Conocer y evaluar el funcionamiento del **filtro al vacío** y el **filtro a presión**, estableciendo diferencias de tipo técnico a partir de sus variables operacionales.
• Conocer distintas telas filtrantes y observar sus diferencias en el tejido a través de una lupa.

Introducción

La **filtración** es el proceso de separar el líquido del sólido mediante una suspensión, haciéndolo pasar por un lecho poroso denominado **medio filtrante**. El lecho retiene las partículas, mientras que el líquido pasa a través del medio filtrante, recibiendo el nombre de **filtrado**. Para establecer el flujo a través del medio filtrante es necesario aplicar el **gradiente de presión** como fuerza impulsora. Para aplicar este gradiente existen varias formas:

1. Gravedad
2. Vacío
3. Presión
4. Vacío y presión combinados
5. Fuerza centrífuga
6. Gradiente de saturación

De la aplicación de estos gradientes nacen distintos equipos llamados filtros.

Clases de Filtración

1. Filtración con formación de queque
2. Filtración sin formación de queque
3. Filtración profunda

Filtración con Formación de Queque

Se caracteriza porque el sólido de la suspensión es retenido en la superficie del medio filtrante como una capa denominada **queque**. Esto se produce naturalmente cuando los poros del medio filtrante tienen un tamaño menor que las partículas. Cuando este no es el caso, es necesario cubrir el medio filtrante con una delgada capa de material fibroso, llamado **ayuda de filtración**, que bloquea las partículas a través del medio filtrante. En este tipo de filtración, el flujo de suspensión es perpendicular a la superficie del medio filtrante.

Este se utiliza para suspensiones que tienen un 10% de sólidos en volumen y es uno de los procesos de filtración más usados en la minería y en general.

Filtración sin Formación de Queque

Cuando el flujo de filtración es paralelo a la superficie del medio filtrante, este aún retiene partículas sólidas. Sin embargo, el flujo de suspensión produce una **tasa de cizalle** muy alta, la que previene la formación de una capa de sólidos, retornándolos a la suspensión. En esta forma, el líquido atraviesa el medio filtrante mientras que el sólido permanece en suspensión, aumentando su concentración durante el tiempo. Es útil cuando se desea concentrar una suspensión sin que sea necesario un producto de baja humedad. Es utilizada principalmente en la filtración de gases polvorientos.

Ciclos de Filtración

Todos los ciclos de filtración, sean continuos o discontinuos, trabajan en la formación de queque, lavado, secado y descarga.

Formación del Queque

La magnitud del material depositado en el medio filtrante depende del gradiente de presión, de la concentración de la suspensión y del tiempo de succión. En este ciclo hay un flujo continuo de filtrado a través del medio filtrante y del queque.

Lavado de Queque

Depende del objetivo seguido por la filtración. Sirve para eliminar impurezas o para recuperar los líquidos valiosos. Esto implica calcular la cantidad de agua mínima necesaria para desplazar los líquidos de los poros y el tiempo necesario.

Secado de Queque

El agua retenida en los poros es desplazada succionando aire de la atmósfera. Para ello, es necesario conocer la cantidad de agua contenida en el queque. El criterio para seleccionar la humedad residual del queque es económico cuando no es una restricción del equipo.

Descarga del Queque

Para una operación eficiente es necesario el desprendimiento y la descarga del queque. En el caso de la filtración al vacío, la descarga es muy simple y consiste en raspar las telas y eliminar el producto por gravedad. En el caso de la filtración a presión (filtración hiperbárica), la descarga se complica por la necesidad de mantener la presión de la cámara, de modo que es necesario tener válvulas que permitan presurizar la zona de descarga en ciclos controlados.

Variables de Operación

• Variables de entrada: Flujo y concentración de entrada de la suspensión.
• Variables de salida: Flujo de descarga y humedad del queque.
• Variables de diseño: Área de filtración y gradiente de presión.
• Variables de control: Tiempo de filtración, de lavado y de secado, magnitud de la agitación.
• Parámetros: Porosidad, permeabilidad y compresibilidad del queque, densidad y viscosidad del filtrado, densidad y forma de las partículas.
• Perturbaciones: Granulometría del sólido.

Medios Filtrantes

El principal objetivo del medio filtrante es provocar una buena separación entre los componentes de una suspensión con el mínimo consumo de energía. Para escoger un medio filtrante se necesita tener en cuenta muchos factores:

• Condiciones térmicas y químicas: Los polímeros son el medio más adecuado para el medio filtrante. Los más usados son **polipropileno (PP), polietileno (PET) y poliamida (PA).**
• Requerimientos en la filtración: Claridad en el filtrado (una alta retención de partículas finas), rendimiento, contenido de humedad del queque, efectiva liberación del queque (de fácil desprendimiento), baja resistencia al paso del fluido y resistencia a la abrasión.
• Consideraciones respecto al equipo: Importante donde se va a usar el medio filtrante: el tipo de pulpa, volumen del producto, contenidos de sólidos requeridos, así como si es filtración a presión o al vacío.
• Costos: Costo del medio como la vida útil, tipo de medio a utilizar.
• Otras consideraciones para el uso del medio filtrante: Trama, mínima humedad del queque, peso/área, máxima vida útil de la tela, permeabilidad del aire, menor tendencia a la colmatación (obstrucción), permeabilidad del agua, espesor de la tela, porosidad, resistencia a la temperatura, resistencia a la tensión, capacidad de suciedad, fácil descarga del queque, mínima resistencia del flujo.

Tipos de Filtros

Se clasifican por la fuerza de filtración: de gravedad, presión y vacío. Y según sus características mecánicas: filtros de plato y marcos, de tambor rotatorio, de discos, de lecho de arena y de pre-capa, entre otros.

Filtros de Gravedad

Son los más antiguos, como los filtros de lecho de arena, instalados en las plantas depuradoras de agua de las ciudades. Están formados por tanques o cisternas formadas por una capa de arena o arcilla en un falso fondo con una rejilla del mismo tamaño.

Filtros al Vacío

Para una filtración más rápida se utiliza un embudo Büchner, el cual posee una placa con huecos para soportar el papel de filtro. Hay de porcelana, vidrio y plástico. Se recorta de tal manera que tape todos los huecos y no quede levantado en el exterior, y se moja con agua destilada. El embudo está provisto de un anillo de caucho que encaja perfectamente en la boca de un Erlenmeyer de tubuladura lateral (conocido como matraz de Kitasato). Cuando el líquido filtrado es importante, es conveniente colocar una trampa entre el Erlenmeyer que recibe el filtrado y la trompa de succión, porque siempre existe el peligro de que el agua se devuelva y contamine el filtrado.

Filtros a Presión

Son los más usados en las empresas y la fuerza impulsora es realizada por presión, lo que permite un mayor rendimiento de filtración. Son indispensables para el ahorro de tiempo en el secado de muestras para su análisis. Sus tamaños y materiales son indispensables en un laboratorio de metalurgia. Se usan generalmente para secar concentrados o relaves provenientes de una prueba de flotación. También sirven para secar de forma acelerada una gran cantidad de mezclas y pastas de distintas composiciones.

Reconocimiento del Tejido de la Tela Filtrante

• Tejido liso o de tafetán: Método básico del tejido, en el que cada hilo de la urdimbre se entrelaza con el hilo de la trama. Se denomina tejido liso o de tafetán.
• Tejido cruzado o de sarga: Por líneas diagonales muy marcadas, producidas por el entrelazado de los hilos de urdimbre con un hilo de la trama en filas alternas. El tejido cruzado proporciona una tela de gran resistencia.
• Tejido de satinado o satén (satín): Tienen una textura más densa que los tejidos cruzados, pero su principal característica es la suavidad que se consigue a expensas de la resistencia. La superficie suave del tejido de satén se logra pasando los hilos de la urdimbre encima de unos cuantos hilos de la trama, con un entrelazado mínimo.

Variables a Utilizar en la Filtración

• Velocidad de filtración: Depende de la naturaleza del material a filtrar, en especial con la porosidad del queque, que está relacionada con el tamaño de la partícula.
• Porcentaje de humedad.
• Capacidad de filtración.
• Porcentaje de sólido del queque.
• Porcentaje de sólido de la alimentación.