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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
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A continuacion una presentacion de algunos materiales filtrantes:

Filtracion
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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.

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Principios de Filtración

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 clarificante. 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 llamaprecipitación, mientras que cuando son mayores al 4% es el proceso de filtración, así las diferencias entre:
Filtración
Sedimentación
Hace uso de una membrana.
Se usa el flujo.
Se realiza con flujo turbulento.
Se pueden usar coadyuvantes.
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.

CONSIDERACIONES
  • 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.




CLASIFICACIÓN


La filtración puede clasificarse de acuerdo a:
  • Materia a separar
  • Fuerza impulsora
  • Flujo
  • Mecanismo retención

Material a Separar

Filtración convencional o clarificación:
≥ 10 µm
Microfiltración (mayor información microfiltracion)
0,1 – 10 µm
Ultrafiltración
0,001 – 0,1 µm
Ósmosis inversa
0,001 – 0,0001 µm

Fuerza Impulsora
  • Hidrostática
  • Presión
  • Vacío
  • Centrifugación

Flujo
  • Constante
  • Variable

Mecanismo de retención
  • Cribado: Retención mecánica
- Límite de separación absoluto
- Estructura Homogénea
- Espesor pequeño (no absorben líquidos)
- Colmatación rápida (>S, prefiltros, coadyuvantes)


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  • Adsorción: Atracción electrostático o fuerzas de Van der Waals

- Estructura Tridimiensional
- Gran tortuosidad
- Adsorción+ Cribado
- Límite de separación nominal
- Cesión fragmentos y/o impurezas
- No se colmatan rapidamente
- Gran capacidad de retención
- Mayor Absorción de líquido.
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  • Formación de torta

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 viscocidad 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.

MECANISMO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS FILTROS DE MEMBRANA









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, cílice, 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.

AYUDAS/ COADYUVANTES DE LA FILTRACIÓN


COADYUVANTES
Son polímeros sólidos no compresibles que forman una malla, mejorando la porosidad. Al ser sólidos incompresibles se los coloca junto a los compresibles para:
  • Evitar taponamiento de la malla.
  • Va al fluido.
  • Va a la formación de la torta.

Productos:
- Extracelular: Recomendados cuando se permite el filtrado y no recomendado cuando hay fenómenos de absorción o adsorción del producto.
- Intracelular: No recomendado. Su separación es difícil (sólidos, arena o tierra de diatomeas)
- Fase líquida: absorción del líquido
AYUDAS
  • Sirven para desnaturalizar proteínas (con calor), el sólido cambia, puede abrirse o perder estructura, por lo tanto hay más espacio.
  • Se pueden usar electrolitos que ayudan a la coagulación, a formar el lecho y así es más fácil retener sólidos, pero puede darse una mezcla con el fluido.

Los coadyuvantes se emplean en dos formas: o bien se añaden al líquiedo turbio que contiene el precipitado difícil de filtrar, dispersándolo en el seno de este para filtrarlo conjuntamente con el precipitado, o se disponen previamente sobre el material filtrante (filtrando primero una dispersión del coadyuvante en agua pura) y luego se filtra a través del líqudo turbio. Este último proceso es el que se emplea cuando se precisa que el precipitado recogido en la torta no resulte contaminado por las partículas del coadyuvante. Sin embargo, el otro procedimiento es más efectivo cuando la cantidad de precipitado es de alguna importancia.

El coadyuvante de filtración más empleado es el kieselguhr o tierra de diatomeas, constituído por infinidad de esqueletos silíceos de pequeñísimos animales marinos. Tiene un aspecto a tierra blancuzca, y como tal se beneficia en las localidades donde se encuentra en yacimientos de espesor variable. A veces se somete a un tratamiento con ácidos diluídos para exaltar su capacidad adsorbente por elevarse mediante él su desarrollo superficial. Se emplean también como coadyuvantes el mármol molido, el Carbonato de Calcio precipitado, el coque, el bagazo azucarero, etc.

Se puede dar pretratamiento a los caldos de fermentación con el fin de mejorar las características de la filtración. El calentamiento para desnaturalizar proteínas favorece de cierta manera la capacidad del filtración de caldos miceliales como ocurre en la producción de penicilina. También pueden añadirse electrolitos para promover la coagulación de los coloides y así formar partículas mayores y más densas que resulten más fáciles de filtrar.

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: madera, metales y aleaciones, e incluso de porcelana o de gres. En ocasiones, las placas y marcos se recubren de materiales inatacables frente a ciertos reactivos, como el caucho. El material filtrante en estos aparatos es siempre un tejido, el cual puede ser de naturaleza muy variada como lana, seda, algodón, nylon, nitrocelulosa, cloruro de polivinilo, etc.
El filtro prensa es más barato en cuanto se refiere a coste de instalación por unidad de superficie de filtración, el límite de presión a que pueden trabajar estos aparatos suele ser bastante elevado, y por ello pueden filtrar con relativa rapidez, lo que es sinónimo de un elevado rendimiento de la superficie filtrante. El inconveniente que presenta este tipo de filtración es que resulta caro los coste de mano de obra, debido a la necesidad de efectuar manualmente la descarga de las cámaras y los marcos .
Los campos de aplicación para esta clase de filtros son: Cuando el líquido turbio contiene una gran cantidad de precipitado, cuando el precipitado es de filtración difícil, cuando el precipitado hay que lavarlo hasta el agotamiento o casi haste este límite (tipo de placas y marcos con placas lavadoras) cuando el volumen de producción no es exclusivamente grande.
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FILTROS ESPESADORES DE PRESIÓN

El objeto de un filtro espesador es separar parte del líquido contenido en una suspensión diluida para obtener otra concentrada. Tiene la apariencia de un filtro de prensa, sin embargo, no contiene marco y las placas están modificadas. Las placas sucesivas llevan canales apareados que forman, cuando se monta la prensa, una conducción larga en espiral para la suspensión. Los lados de los canales están recubiertas con un medio filtrante mantenido entre las placas. Mientras la suspensión pasa por el canal a presión, una parte del fluido sigue fluyendo por el canal hacia al distribuidor múltiple de descarga de líquido claro. La suspensión espesada se mantiene en movimiento rápido para no obstruir el canal. El número de placas escogido es tal de modo que la diferencia de presión en todo el aparato no exceda de 6 kgf /cm2. En estas condiciones es posible duplicar la concentración de la suspensión de entrada. Si se requiere una concentración mayor, la suspensión espesada en un filtro se introduce nuevamente en un segundo filtro.
FILTROS ROTATORIOS

Filtros rotatorio (continuo de vacío)
En este tipo de filtros, el flujo pasa a través de una tela cilíndrica rotatoria, de la que se puede retirar la torta de forma continua. La fuerza más común aplicada es la de vacío. En estos sistemas, la tela se soporta sobre la periferia de un tambor sobre los que se está formando la torta.
Cabe destacar que los filtros anteriormente vistos son a modo de ejemplo destacando el filtro de prensa, el cual fue usado en el laboratorio. Se pueden encontrar una variedad muy amplia de estos en el comercio dependiendo de la finalidad del proceso a realizar.
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Filtro Rotatorio
En este tipo de filtros, el flujo pasa a través de una tela cilíndrica rotatoria, de la que se puede retirar la torta de forma continua, es decir son filtros de vacío de trabajo continuo. La fuerza más común aplicada es el vacío. En estos sitemas, la tela se soporta sobre la periferia de un tambor sobre los que se está formando la torta.

El principal filtro rotatorio es el Filtro Wolf, ilustrado en el siguiente gráfico, y cuyo funcionamiento es como sigue. En el filtro de tambor la superficie de dicho tambor cilíndrico constituye la superficie de filtración. Suele ser una malla metálica sobre la que se coloca el material filtrante adecuado, en este caso externa. El líquido turbio llega continuamente al depósito inferior, en el que se sumerge parcialmente el tambor rotatorio, como se muestra en la figura. Simultáneamente llega también a dicho líquido una corriente de aire para mantenerlo en buen estado de agitación y que la disposición de la torta filtrante sea uniforme.

Figura 4. Filtros Rotatorios
Figura 4. Filtros Rotatorios
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Como se observa en la figura, el tambor está dividido interiormente en compartimento que, al girar, se conectan a través del eje: a) con una canalización de vacío y un depósito para la recogida del filtrado; b) con la misma canalización y con un depósito para recoger el líquido de lavado; c) con una canalización de aire a presión.
De esta forma:
  1. Posición 1: el vacío aspira el líquido turbio, se forma la torta sobre la superficie filtrante de este sector, y el líquido filtrado va al depósito correspondiente.
  2. Posición 2: al seguir el giro, esta sección permite que la torta se escurra.
  3. Posición 3: recibe el agua de riego u otro líquido de lavado, procedente de unas boquillas pulverizadoras, recogiéndose este líquido aparte, si se desea, en un segundo depósito.
  4. Posición 4: una corriente de aire, que penetra por acción del vacío a través del precipitado, lo seca.
  5. Posición 5: hace que sobre el precipitado actúe desde el interior hacia afuera una pequeña presión de aire o vapor de agua, que desprende en parte el precipitado, el cual es rascado por una cuchilla y va a caer, lavado y prácticamente seco, a un depósito colector.

Variando el grado de inmersión del tambor se modifica, evidentemente, la superficie de filtración. Y, variando el número de revoluciones, se consigue que la torta de precipitado sea más o menos gruesa.
Una variante de los filtros rotatorios son aquellos que en vez de tambor tienen su superficie de filtración constituida por discos de superficie permeable, y con el mismo funcionamiento que el filtro de tambor.

  • Su principal aplicación en casos en que se precisa un gran volumen de producción.
  • Escasa mano de obra.
  • Son muy aptos para trabajar líquidos turbios con gran concentración de sólidos, siempre que el contenido de éstos no sea tan grande que impida la formación de una torta adherente sobre la superficie.
  • No son adecuados para filtrar líquidos turbios con muy poco precipitado o cuando éste es de carácter gelatinoso.

Es económico, en ocasiones, pasar los líquidos turbios, antes de llevarlos al filtro rotatorio, por un espesador, para aliviar en parte su trabajo.

Los filtros de tambor rotatorio de vacío, son los más utilizados en la industria de la fermentación, en estos dispositivos se cubre un tambor horizontal de 0.5 a 3m de diámetro con una tela filtrante y se le hace girar lentamente a 0.1 - 2 RPM.
La tele es sumergida en el tanque de mezcla de manera parcial. A medida que que la sección del tambor entra en el líquido se aplica vacío desde del interior del tambor para que forme una torta en la superficie de la tela mientras el liquido es recogido por tuberías internas del tambor y se coloca en otro tanque. El vació deja de aplicarse una vez que el tambor alcanza una zona de descarga donde se desprende la torta.

FILTRO DE CAJA

Llamado también de hoja y de bolsa porque sus elementos filtrantes tienen más o menos estas formas. Consta de una caja o carcasa en cuyo interior se alojan unas hojas o bolsas planas cuya parte inferior de todas ellas comunicacon una misma tuberia encargada de recoger el líquido filtrante

Pertenecen a este tipo de filtros los de Valdez, de Kelly y de Sweetland, entre otros.Aunque no varían en esencia unos de otros, son muy distintos en cuanto a detalles de construcción

FILTRO DE NUTCHA

Representan a filtros de vacío de funcionamiento discontinuo. Estos aparatos se emplean para trabajos en escala relativamente pequeña. Se construyen en gran variedad de materiales. Pueden servir para trabajar simplemente por gravedad o adaptarse al trabajo a presión si se los cierra por la parte superior para que pueda aplicarse tal efecto.

El material filtrante se deposita sobre la placa filtrante, a través de la cual pasa el líquido turbio.



FILTRACIÓN POR GRAVEDAD

El filtro por gravedad consiste en un depósito de doble fondo sobre el primero de los cuales, que es perforado, se sitúa la materia filtrante, generalmente arena. El líquido a filtrar se introduce por la parte superior, desde donde cae a un plato que lo distribuye regularmente por toda la superficie del material filtrante, y la que atraviesa por su propio peso (por gravedad) saliendo por la parte inferior.

Grafico Filtración por Gravedad.png
Fig: Filtro por Gravedad

Para que el fondo del filtro no se obstruya con la arena, se coloca sobre un lecho de grava, se complementa la instalación con los agujeros de bombe, por lo que se practica la limpieza y reposición de la carga. Estos filtros también pueden trabajar con ligeras presiones y de esta manera la filtración sea más rapida.

En lugar de arena se suele emplear también carbón activo o no, tierras adsorbentes u otros materiales de grano más o menos gruesos como carbonato cálcico, amianto, etc.

Estos filtros de gravedad se emplean cuando la cantidad de sólidos que contiene el líquido tubio es muy pequeña.

FILTRACIÓN CON MEMBRANAS

La membrana filtra fundamentalmente en la superficie de la misma. Partículas mayores que la porosidad nominal permanecen sobre el
filtro, mientras que las partículas más pequeñas pasan el filtro, a no ser que otras interacciones en el filtro retengan éstas en la matriz
de la misma. La filtración es claramente más lenta que con filtros de profundidad.

A continuación se adjunta un archivo donde se explica el proceso de Filtración:



FILTRACIÓN CENTRIFUGA

Se separa el sólido de liquido a través de la fuerza centrifuga obtenida de una cesta rotatoria con un medio filtrante en su pared que retiene los sólidos de la filtración por la presión que se ejerce.

Tipos de filtración centrifuga:

  • Centrifugas discontinuas suspendidas.

  • Centrifugas automáticas discontinuas.

  • Centrifugas continuas filtración.

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)


ECUACIONES PARA LA FILTRACIÓN

La ecuación básica de la filtración, obtenida de la Ley de Poiseuille-D'Arcy es:
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donde:
  • V = volumen del filtrado
  • t = tiempo
  • dV/dt = velocidad de filtración
  • Para la presión se generalmente una escala relativa en la que la presión atmosférica normal es el nivel cero de esta escala. En este caso, P, es decir la diferencia de presión aplicada a través de la torta, es numéricamente igual al vacío producido, ya que:

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Por consiguiente la variación de la presión se puede sustituir por P, siendo equivalente al vacío aplicado.
  • Rtorta = resistencia que presenta la torta al paso del filtrado
  • Rmedio filtrante = resistencia ofrecida por el medio filtrante al paso del filtrado

La ecuación anterior puede expresarse como:

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Donde V es el volumen del filtrado, t el tiempo de formación; P el vacío aplicado; A el área de filtración; c parámetro obtenido en tablas o sea la cantidad de sólidos depositados por unidad de volumen filtrado. En consecuencia cV será la cantidad de sólidos en la torta (Kg) que corresponden al volumen V de filtrado; r la resistencia específica de la torta al paso del filtrado (resistencia por kg de torta). El significado físico de r y sus unidades se trata más adelante; Rm es la resistencia inicial del medio filtrante. Esta resistencia es normalmente despreciable, en comparación con la de la torta; u es la viscosidad del filtrado.
El significado físico del parámetro r puede apreciarse en la ecuación anterior, se desprecia el término Rm (resistencia del medio filtrante). Resolviendo la ecuación para r.
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En función de las fases se distinguen diferentes campos de aplicación: Filtración de
  • Partículas sólidas de líquidos (suspensiones)
  • Partículas sólidas de gases
  • Gotículas líquidas de gases (aerosoles)
  • Gotículas de un líquido no miscible de otro líquido (emulsiones)

Con ayuda de la filtración se pueden separar componentes sólidos de suspensiones o gases, así como componentes líquidos de aerosoles o emulsiones. Mediante un filtro hidrófobo se puede filtrar p.ej. agua de combustibles. Aire u otros gases se pueden limpiar de aerosoles de agua, aceite o alquitrán.

La filtración tiene una amplia gama de aplicaciones: desde el procedimiento analítico en el laboratorio hasta aplicaciones técnicas en grandes líneas de producción. En practicamente todas las ramas industriales se filtra – ya sea p.ej. en el análisis de alimentos, el ensayo de morteros, el análisis de humos o en el control microbiológico.

Podemos encontrar un sin número de aplicaciones para esta operación unitaria como:
  • Filtros domésticos de café
  • Grandes sistemas complejos de elevada automatización como los empleados en las industrias petroquímicas y de refino para la recuperación de catalizadores de alto valor.
  • Desalar, Diafiltrar y purificar , pigmentos y abrillantadores ópticos
  • Limpiar las corrientes de aguas residuales y de lavado
  • La concentración y deshidratación de minerales como arcilla caolínica, dióxido de titanio y carbonato de calcio.
  • Tratamiento para el agua de uso potable.

Una aplicacion muy importante de la filtración son el diseño de los biofiltros.

Campo de aplicación de los diferentes tipos de filtros
En función del tamaño de las partículas a separar se pueden emplear diferentes tipos de filtros:

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Entonces, los parámetros a tomar en cuenta para la filtración, son:

  • Porosidad del medio
  • Presión de filtrado (caudal)
  • Área de membrana (depende del caudal)
  • Resistencia mecánica del material
  • Tiempo
  • Temperatura (modifica la viscosidad)
  • Espesor (ligado a la resistencia)

ULTRA FILTRACIÓN.

La ultrafiltración consiste en la separación por una membrana en donde se aplica una alta presión.


  • Se realiza para separar partículas de 0.01 a 0.1 micrómetros.
  • Realiza una remoción del 90%.
  • Presenta una reducción de costos.















PARÁMETROS PARA LA ULTRAFILTRACIÓN








Separación en donde se remueven las partículas coloidales y dispersas de un líquido al hacerlo atravesar por una membrana aplicando alta presión. Permite separar moléculas de alto peso molecular, como agua, sales, aminoácidos, proteínas, etc.

  • Remueve partículas de 0,001-0,1 micrómetros
  • Remueve más del 90% de los contaminantes.
  • Reduce costo de disposición y/o reciclado hasta el 10%
  • Requiere poca energía.



DIFERENCIA ENTRE FILTRACIÓN-ULTRA-MICROFILTRACIÓN

  • Caudal
  • Presión: Ultra > Micro > Filtración
  • Tamaño del Poro
  • Parámetros de filtrado

La Microfiltración y la Ultrafiltración son procesos que dependen de la temperatura. Retienen los sólidos disueltos y otras sustancias existentes en el agua, pero en menor medida que la nano filtración y la ósmosis inversa.

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Microfiltro Hidrofílico
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Microfiltro Hidrofóbico










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Ultrafiltro


BIOFILTROS

También denominados filtros biológicos son dispositivos que eliminan una amplia gama de compuestos contaminantes desde una corriente de fluido (aire o agua) mediante un proceso biológico.

Funcionamiento general:


El aire es aspirado cerca del foco de emanación y habitualmente guiado a una cámara de acondicionamiento. Aquí es saturado de humedad y luego guiado a un lecho de biomasa fijada. Las sustancias contaminantes se absorben a la biopelícula de biomasa formada sobre el relleno y aquí posteriormente son digeridos por microorganismos. En el proceso de digestión y metabolización son transformados en compuestos que ya no huelen:
  • Los compuestos orgánicos son degradados

Así la superficie del relleno es siempre regenerada y no se satura. En principio se trata de una oxidación de los contaminates a baja temperatura y los microorganismos pueden entenderse como catalizadores de esta reacción.
Los compuestos no volátiles (como los ácidos formados) son arrastradas por el agua de lluvia o el agua de regadío aplidado sobre la biomasa.
En algunos casos, debido a la presencia de ácidos el pH de los lixiviados puede bajar a 1 o 2. Aun así, lo normal es que el relleno orgánico tenga una alcalinidad suficiente como para neutralizar el pH de los lixiviados.

Una aplicación práctica podemos encontrarla en el siguiente documento de tratamiento de aguas residuales.

IMPORTANCIA:































PARÁMETROS PARA LA SELECCIÓN DE UN FILTRO:

  • Porosidad del medio
  • Presión del filtrado(el caudal debe ser proporcional al área de la membrana)
  • Resistencia Mecánica del Material
  • Temperatura (Cambia de viscosidad)
  • Espesor (Ligado a la resistencia)

TIPOS DE FILTROS
  • Escala
  • Volatilidad
  • % de Sólidos Suspendidos
  • Resistencia
  • Lavado y secado del filtro, dentro de lo cual se toma en cuenta el tiempo y cantidad de agua.

LA FILTRACIÓN, ULTRAFILTRACIÓN Y MICROFILTRACIÓN SE DIFERENCIA EN:

  • Caudal
  • Presión
  • Tamaño del Poro
  • Partícula de Filtrado

APLICACIONES


FILTRACION EN LA INDUSTRIA

  • Química: filtración de azufre fundido, silicato sódico, ácido cítrico, resinas y fibras sintéticas, plásticos.

  • Farmacéutica: producción de vitaminas y antibióticos

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  • Alimentaría: filtración de glucosa, fructosa y azúcares, jugos de frutas, cerveza, vinos.
  • TRATAMIENTO AGUAS RESIDUALES
    Tratamiento primario

    Filtros de arena:

    Verticales

    Horizontales:

    Filtros normales.

    Galerías filtrantes.

    Filtración mecánica.

    Filtración mediante hormigón, carbón, porcelana u otros productos.


Tratamiento terciario:

Se basa simplemente en filtrar las aguas residuales procedentes de anteriores tratamientos consiguiéndose obtener, por ejemplo, una

rebaja de los sólidos de lodos activados.

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ANEXOS

http://www.revista.unal.edu.co/index.php/dyna/article/view/13589/14381

Referencias:
La filtración es, esencialmente, una operación mecánica, que no requiere una gran cantidad de energía. En la operación típica mostrada en la Figura 1, se establece gradualmente una torta sobre el medio filtrante, incrementándose progresivamente la resistencia al flujo. En los instantes iniciales de la operación se depositan partículas en las capas superficiales del soporte, formándose el medio filtrante. 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.
El tipo de filtración descrito anteriormente se denomina 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.
es una de las técnicas de separación más atiguas