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FILTRACIÓN DEFINICIÓN La filtración es un método físico-mecánico para la separación de mezclas de sustancias compuestas de diferentes fases (fase: componente homogéneo en un determinado estado de agregación). Un medio filtrante poroso es atravesado por un líquido o gas (fase 1) y las partículas sólidas o gotículas de un líquido (fase 2) quedan retenidas en la superficie o en el interior del medio filtrante.

Y puede presentar el siguiente tipo de movimiento:

Cuando los sólidos en suspensión de una solución son mayores al 2 % el proceso se denomina filtración, si los sólidos en suspensión son 2-4 % el proceso se de precipitación. Es una operación básica, muy utilizada la industria química, y tal como se muestra en la figura consiste en la separación de partículas sólidas de una suspensión mediante un medio filtrante que deja pasar el líquido y retiene el sólido. Las partículas sólidas retenidas sobre el medio filtrante van formando un lecho poroso, a través del cual circula el fluido, denominado torta filtrante.

En el proceso de filtración existen tres componentes:

  

Medio filtrante o membrana. Filtrado. Torta del filtrado.

En general, los poros del medio filtrante tendrán una forma tortuosa y serán mayores que las partículas que deben separarse, operando el filtro de forma eficaz únicamente después de que un depósito inicial haya sido retenido en el medio. Todo equipo de filtración, independiente 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 (Veron, J.). A medida que avanza el proceso de filtración aumenta el espesor de la torta por lo que la resistencia al paso de fluido es cada vez mayor, pudiéndose llevar a cabo la operación de las siguientes formas:

 

Filtración a presión constante: El caudal disminuye con el tiempo. Filtración a caudal constante: La presión aumenta al avanzar la filtración

Los volúmenes de las suspensiones a tratar variarán desde grandes cantidades que aparecen en la depuración del agua y en el tratamiento de minerales en la industria minera, hasta cantidades relativamente pequeñas de la industria química, en la que la variedad de sólidos será considerable. En la mayor parte de casos en la industria química lo que interesa son los sólidos, siendo sus propiedades físicas y tamaño de gran importancia. Los filtros también son muy variados: la elección del más adecuado así como de las condiciones óptimas de operación, son función de diversos factores entre los que cabe destacar los siguientes:

        

Las propiedades del fluido, especialmente viscosidad, densidad y propiedades corrosivas. La naturaleza del sólido: tamaño y forma de las partículas, distribución de tamaños y características del relleno. La concentración de los sólidos en la suspensión a filtrar. La cantidad de material a tratar y su valor. Temperatura del medio a filtrar. Si el producto que interesa es el sólido, el fluido o ambos. Caudal de suspensión a tratar. Necesidad de lavado del sólido filtrado Método de filtración y precisión requerida.

Las exigencias para el filtro son tan diferentes como lo son cada uno de los campos de aplicación. Se tienen que tener en cuenta las características químicas y físicas de la muestra a filtrar, así como el consiguiente análisis o manipulación del precipitado o del filtrado.

TEORÍA DE LA FILTRACIÓN La teoría de la filtración se una de las aplicaciones para poder calcular la velocidad de filtración. Cuando existe una caída de presión a través del filtro, la máxima velocidad de filtración se produce al inicio del

proceso, debido a que la resistencia a la filtración es mínima, ya que no existen todavía sólidos depositados. La orientación inicial de las partículas en la torta es muy importante y puede influir significativamente en la estructura y permeabilidad de todo el lecho del filtro. Una caída de presión excesiva y elevadas velocidades iniciales de filtración pueden producir un taponamiento de la tela filtrante y una elevada resistencia a la filtración posterior.(Doran, 1998) Los factores más importantes de los que depende la velocidad de filtración son, por lo tanto: 

La caída de presión desde la alimentación hasta el lado más lejano del medio filtrante.



El área de la superficie filtrante.



La viscosidad del filtrado.



La resistencia de la torta filtrante.



La resistencia del medio filtrante y de las capas iniciales de torta.

Filtración por torta: en ella la proporción de sólidos en la suspensión es elevada y la mayor parte de las partículas se recogen en la torta filtrante que posteriormente se separa del medio. La función del medio filtrante es, generalmente, la de actuar como soporte para la torta filtrante mientras las capas iniciales de la misma proporcionan el verdadero filtro. El medio filtrante debe ser mecánicamente fuerte, resistente a la acción corrosiva del fluido y debe ofrecer tan poca resistencia como sea posible al flujo de filtrado. Normalmente se utilizan tejidos, aunque para la filtración de líquidos corrosivos en unidades discontinuas los materiales granulares y sólidos porosos resultan útiles. Una característica importante en la selección de un tejido es la facilidad en la separación de la torta, factor clave en el funcionamiento de las unidades automáticas existentes en la industria. Hay que tener en cuenta las etapas iniciales de la formación de la torta que son de gran importancia por las siguientes razones:



Para una presión cualquiera de filtración, la velocidad de flujo es mayor al comienzo del proceso ya que la resistencia es entonces mínima.



Elevadas velocidades de filtración iniciales pueden provocar la obturación de los poros del soporte, causando una resistencia muy alta al paso del flujo.



La orientación de las partículas en las capas iniciales puede influenciar de forma apreciable la estructura de toda la torta filtrante.

En función del problema o bien de la finalidad de la filtración, se distingue entre filtración de separación o filtración clarificarte. En el caso de la filtración de separación, se trata de recuperar un determinado sólido de un líquido (torta de filtrado) para seguir trabajando con el sólido. Aquí no es imprescindible que todas las partículas sean eliminadas del líquido. Contrariamente, en la filtración clarificante, el líquido se debe limpiar en lo posible completamente de componentes indeseados o precipitados, para poder seguir trabajando con el líquido purificado. Como podemos ver a continuación, el mecanismo de separación por filtración angular, es un método de filtración, donde una membrana polimérica, permite dividir el fluido y los sólidos (feed), así obteniendo un fluido limpio (permeate) y una mezcla concentrada (retentate). Una aplicación para este tipo de filtrado es la fabricación de vinos y cervezas. La filtración es aplicable a mezclas heterogéneas y no homogéneas y la forma de separación depende de la naturaleza de las partículas que vayan a ser separadas y de las fuerzas que actúan sobre ellas para separarlas. Las características más importantes de las partículas son: tamaño, forma, densidad, y en el caso de que sean fluidos la viscosidad y la densidad. Para el caso de sólidos se considera: 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 separarse y recogerse, por ejemplo en la torta y en el tanque de filtrado de un filtro prensa. Existen casos en que los sólidos a filtrar son muy finos y forman una torta densa e impermeable, obstruyendo rápidamente cualquier medio filtrante que sea suficientemente fino para retenerlos. La filtración práctica de estos materiales exige que la porosidad de la torta aumente de forma que permita el paso del líquido con una

velocidad razonable. Esto se realiza añadiendo un Coadyuvante de filtración, tal como tierra de diatomeas, perlita, celulosa de madera purificada u otros materiales porosos inertes a la suspensión antes de la filtración. El coadyuvante de filtración puede separarse después de la torta de filtración disolviendo los sólidos o quemando el coadyuvante. Si la torta no tiene valor, se desecha junto con el coadyuvante. Otra forma de emplear el coadyuvante de filtración es mediante pretratamiento, es decir, depositando una capa del mismo sobre el medio filtrante antes de comenzar la operación. En los filtros discontinuos la capa del material es generalmente delgada, mientras que en un filtro continuo, dicha capa es gruesa y la parte superior de la misma se retira de forma continua con una cuchilla rascadora para exponer una superficie de filtración fresca. La filtración tiene varias aplicaciones: desde el procedimiento analítico de laboratorio hasta aplicaciones técnicas en grandes líneas de producción. En prácticamente todas las ramas industriales se filtra ya sea en el análisis de alimentos, el ensayo de morteros, el análisis de humos o el control microbiológico, en el análisis para el control de plaguicidas o fertilizantes mediante cromatografía ya sea de gases o líquida. En algunas ocasiones es el líquido (el filtrado) que constituye al producto deseado, y en otras ocasiones la torta del filtro. Cabe recalcar, que cuando los sólidos están dentro del 2-4% el proceso se llama precipitación, mientras que cuando son mayores al 4% es el proceso de filtración, así las diferencias entre:

Filtración Hace uso de una membrana. Se usa el flujo. Se realiza con flujo turbulento. Se pueden usar coadyuvantes.

CONSIDERACIONES

Sedimentación Este proceso no usa membrana. Es un proceso más económico ya que se realiza por gravedad Se usa la fuerza hidrostática. Se realiza con flujo laminar. Se pueden usar floculantes y coagulantes.



Propiedades del sólido

- No compresible: La filtración se da fácilmente, ya que poseen alta porosidad. Estos sólidos no se deforman por efecto de la presión.- Compresible: La filtración es difícil porque se comprimen y cierran todos los canales para que el agua pase, es decir poseen baja porosidad. Estos sólidos se deforman por efecto de la presión y tiende a formarse la pasta. 

Propiedades del fluido:

- Baja viscosidad: Fácil de filtrar.- No newtoniano: Difícil de filtrar. POROSIDAD: Espacio hueco. Los sólidos compresibles tienen una alta porosidad, es decir, gran cantidad de espacio para que el líquido fluya; mientras que los sólidos incompresibles tienen baja porosidad.

EFECTOS PRÁCTICOS DE LAS VARIABLES DE FILTRACIÓN

PRESIÓN La 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 FILTRACIÓN La 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 TEMPERATURA La 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 viscosidad de un fluido. TAMAÑO DE PARTÍCULA Y CONCENTRACIÓN Estas 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 FILTRANTE

La 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. MECANISMOS FILTRANTES Características de los medios filtrantes 

Elevado poder de retención de partículas o microorganismos.



Gran resistencia química y mecánica.



Facilidad de desprendimiento de la torta.



Máximo volumen filtrante.



Elevado caudal de filtración con mínima resistencia al flujo.



Escasa o nula capacidad de adsorción de sustancias.

MATERIALES FILTRANTES Materiales filtrantes sueltos Algodón, lana de vidrio, pasta de celulosa, sílice, carbón vegetal. Materiales porosos Vidrio fritado: inercia química, carga negativa.

Materiales sinterizados: filtración de gases. Porcelana porosa y sílice. TEJIDOS Y MEMBRANAS Fibras de celulosa: 

Placas, discos, papeles, etc.



Estado seco: líquidos polare y apolares.



Estado húmedo: líquidos polares.



Filtro en profundidad.

Ésteteres de celulosa 

Membranas de nitrocelulosa y acetato de celulosa.



Amplia gama de tamaño de poro y bien definidos.



Muy poroso (80%): elevado caudal de filtración.



Filtración en superficie.



Estabilidad térmica limitada.



Componentes extraíbles.



Incompatibles con ciertos disolventes orgánicos.

Fibra de Vidrio 

Retículo de fibras finas de vidrio.



Caudal alto.



Resistentes al calor.



Bajo costo.

Fibras sintéticas 

Polipropileno, nylon, polisulfona, etc.



Alta resistencia.



Alta porosidad.

DISPOSITIVOS DE FILTRACIÓN

La selección de un equipo de filtración en general requiere un estudio de las especificaciones y objetivos del proceso junto con una evaluación de la capacidad y características del equipo de filtración en las que las consideraciones sobre el medio filtrante son importantes.

CRITERIOS DE SELECCIÓN 1. Volumen de líquido a filtrar: laboratorio o industrial. 2. Fuerza impulsora: gravedad, presión, vacío, f centrífuga. 3. Grado de separación: tamaño de poro. 4. Producto que selecciona: filtrado o torta. 5. Resistencia térmica: el filtro debe esterilizarse. 6. El filtro debe ser compatible con el fluido. 7. Régimen de trabajo: discontinuo o continuo. 8. Costo de adquisición del equipo. 9. Caudales admisibles. 10.

Calidad de separación de los productos.

11.

Área de la membrana.

12.

Resistencia mecánica.

13.

Tiempo.

14.

Temperatura.

15.

Espesor.

Habitualmente, las características del fluido a tratar tales como caudal y presión, contenido de sólidos y naturaleza, en especial granulométrica, propiedades químicas y temperatura son determinantes en la selección de un filtro de torta o un filtro de clarificación, frecuentemente de cartuchos. La complejidad de factores a considerar y la contradicción que pueden causar algunos de ellos, han llevado a autores como Tiller o Purchas a proponer tablas de ayuda a la decisión en base al parámetro fundamental de la velocidad de formación de la torta y el resultado de pruebas de campo adicionales sencillas. En cuanto al régimen de funcionamiento, en general, los filtros continuos son recomendados en aplicaciones de procesos en régimen permanente, aunque pueden resultar más convenientes los intermitentes en aquellos casos que requieran flexibilidad o una presión más elevada. El material a utilizar en el diseño de un filtro puede varias desde un simple recipiente de plástico hasta lo más

tecnológico, lo importante es poder apreciar la manera en que se da este fenómeno sorprendente. FILTROS DE PAPEL Los papeles de filtro y los cartuchos de papel retienen las impurezas en la superficie y en la matriz del filtro. Frecuentemente se denominan como filtros de profundidad y tienen una elevada capacidad de retener partículas y permiten procesar grandes cantidades de muestra. Las impurezas se van acumulando a medida que avanza la filtración dentro del filtro, modificando las propiedades de filtración. Entre las fibras dispuestas anárquicamente del filtro de profundidad se forma un lecho filtrante secundario. Esta es la razón por la que no se puede determinar una porosidad nominal para los filtros de profundidad. FILTROS DE TORTA Separan grandes cantidades de sólidos en forma de una torta de cristales o de un lodo. Estos son utilizados en las aguas residuales. Algunas partículas sólidas entran en los poros del medio filtrante quedando inmovilizados, luego la torta de sólidos retenidos es la que realiza la filtración y no el medio filtrante.

FILTROS PRENSA En estos se coloca una malla o tela sobre placas verticales (Fig. 2.) de manera que los bordes soporten la tela y al mismo tiempo dejen debajo de ella un área libre lo más grande posible para que pase el filtrado. En esta clase de filtros las placas se alternan acanaladas cubiertas en ambos lados por medio filtrante, con marcos, en conjunto se encuentran apretadas por tornillos o un aprensa hidráulica que la cierra herméticamente. Las placas y los, arcos contienen abertura en un ángulo, las cuales forman un canal al cerrar el filtro y por donde se introduce la papilla de alimentación. Al circular la suspención, la torta se forma en el aldo más alejado de la placa, entrando por el marco, pasando el filtrado a través del medio y por la superficie acanalada de las placas del filtro y saliendo por un canal de salida en la placa. La filtración es continua hasta que el flujo de filtrado es menor que cierto límite práctico. Después de la filtración se puede realizar el lavado de la torta. Los filtros prensa, en general, se construyen en materiales muy

variados: made...