Un filtro prensa industrial es una herramienta que se utiliza en los procesos de separación , específicamente para separar sólidos y líquidos. La máquina apila muchos elementos filtrantes y permite que el filtro se abra fácilmente para eliminar los sólidos filtrados y permite una fácil limpieza o reemplazo del medio filtrante.
Los filtros prensa no se pueden operar en un proceso continuo, pero pueden ofrecer un rendimiento muy alto, particularmente cuando se desea un líquido residual bajo en el sólido. Entre otros usos, los filtros prensa se utilizan en las fábricas de mármol para separar el agua del barro y reutilizar el agua durante el proceso de corte del mármol.
Concepto detrás de la tecnología de filtros prensa
Generalmente, la lechada que se separará se inyecta en el centro de la prensa y se llena cada cámara de la prensa. [1] El tiempo de llenado óptimo asegurará que la última cámara de la prensa se cargue antes de que el lodo de la primera cámara comience a apelmazarse. A medida que las cámaras se llenan, la presión dentro del sistema aumentará debido a la formación de lodos espesos. [2] Luego, el líquido se filtra a través de telas de filtro por la fuerza usando aire presurizado, pero el uso de agua podría ser más rentable en ciertos casos, como si se reutilizara el agua de un proceso anterior.
Historia
La primera forma de filtro prensa se inventó en el Reino Unido en 1853, y se utilizó para obtener aceite de semillas mediante el uso de celdas de presión. Sin embargo, había muchas desventajas asociadas con ellos, como un alto requerimiento de mano de obra y un proceso discontinuo. Los principales desarrollos en la tecnología de filtros prensa comenzaron a mediados del siglo XX. En Japón, en 1958, Kenichiro Kurita y Seiichi Suwa lograron desarrollar el primer filtro prensa automático de tipo horizontal del mundo para mejorar la eficiencia de eliminación de la torta y la absorción de humedad. Nueve años después, Kurita Company comenzó a desarrollar diafragmas flexibles para disminuir la humedad en las tortas de filtración. El dispositivo permite la optimización del ciclo de filtración automático, la compresión de la torta, la descarga de la torta y el lavado de la tela filtrante, lo que aumenta las oportunidades para diversas aplicaciones industriales. [3] Una revisión histórica detallada, que se remonta a cuando la dinastía Shang usó prensas para extraer el té de las hojas de camelia y el aceite de las caderas en 1600 aC, fue compilada por K. McGrew. [4]
Tipos de filtros prensa
Hay cuatro tipos básicos principales de filtros prensa: filtros prensa de placa y marco, filtros prensa empotrados de placa y marco, filtros prensa de membrana y filtros prensa (totalmente) automáticos.
Prensa de filtro de placa y marco
Un filtro prensa de placa y marco es el diseño más fundamental y puede denominarse "filtro de placa de membrana". Este tipo de filtro prensa consta de muchas placas y marcos alternados ensamblados con los soportes de un par de rieles, con membranas de filtro insertadas entre cada par de placas y marcos. [5] [6]
- Las placas brindan soporte a las membranas del filtro bajo presión y tienen ranuras estrechas para permitir que el filtrado fluya a través de la membrana hacia la placa y luego hacia un sistema de recolección.
- Los marcos proporcionan una cámara entre las membranas y las placas en la que se bombea la lechada y se acumula la torta del filtro.
La pila se comprime con suficiente fuerza para proporcionar un sello hermético a los líquidos entre cada placa y el marco, la membrana del filtro puede tener un sello integrado alrededor del borde o el material del filtro en sí puede actuar como una junta cuando se comprime.
A medida que la lechada se bombea a través de las membranas, la torta de filtración se acumula y se vuelve más espesa. La resistencia del filtro también aumenta y el proceso se detiene cuando el diferencial de presión alcanza un punto en el que las placas se consideran lo suficientemente llenas.
Para quitar la torta de filtración y limpiar los filtros, la pila de placas y marcos se separan y la torta se cae o se raspa de las membranas para ser recolectada en una bandeja debajo. [7] Las membranas del filtro se limpian luego con líquido de lavado y la pila se vuelve a comprimir para comenzar el siguiente ciclo. [8]
Un ejemplo temprano de esto es el filtro prensa Dehne, desarrollado por ALG Dehne (1832-1906) de Halle , Alemania, y comúnmente utilizado a finales del siglo XIX y principios del XX para extraer azúcar de la remolacha azucarera y de la caña de azúcar , y para secar lechadas de mineral. Su gran desventaja fue la cantidad de trabajo involucrado en su operación. [9]
Prensa de filtro (completamente) automática
Un filtro prensa automático tiene el mismo concepto que el filtro manual y el filtro de marco, excepto que todo el proceso está completamente automatizado . [10] Consiste en filtros prensa de placa y marco más grandes con "cambiadores de placa" mecánicos. [3] La función del cambiador de placas es mover las placas y permitir la descarga rápida de las tortas de filtro acumuladas entre las placas. También contiene un compresor de diafragma en las placas de filtración que ayuda a optimizar las condiciones de funcionamiento al secar aún más las tortas de filtración. [3]
Los filtros prensa totalmente automáticos proporcionan un alto grado de automatización al mismo tiempo que proporcionan un funcionamiento ininterrumpido. La opción del sistema de apertura simultánea de la placa del filtro, por ejemplo, ayuda a realizar una liberación de la torta particularmente rápida reduciendo el tiempo del ciclo al mínimo. El resultado es un filtro prensa de alta velocidad que permite una mayor producción por unidad de área de filtro. Por esta razón, estas máquinas se utilizan en aplicaciones con productos altamente filtrables donde se requieren altas velocidades de filtración. Estos incluyen, por ejemplo, concentrados y residuos de minería. Existen diferentes sistemas para un funcionamiento completamente automático. Estos incluyen, por ejemplo, los dispositivos de vibración / agitación, la versión de pinza de extensión / tela de extensión o los dispositivos de raspado. El tiempo de funcionamiento sin personal de un filtro prensa completamente automático es 24 horas al día, 7 días a la semana.
Prensa de filtro de placa empotrada
Un filtro prensa de placa empotrada no utiliza marcos y en su lugar tiene un hueco en cada placa con bordes inclinados en el que se encuentran las telas de filtro, la torta de filtración se acumula en el hueco directamente entre dos placas y cuando las placas están separadas, los bordes inclinados permiten la torta para caer con el mínimo esfuerzo. [11] Para simplificar la construcción y el uso, las placas suelen tener un orificio en el centro, que pasa a través de la tela filtrante y alrededor del cual se sella para que la lechada fluya a través del centro de cada placa hacia abajo de la pila en lugar de hacia adentro desde el borde de cada plato. Aunque es más fácil de limpiar, este método tiene desventajas, como un mayor tiempo de cambio de tela, la imposibilidad de acomodar los medios de filtro que no pueden adaptarse al hueco curvo, como el papel, y la posibilidad de formar una torta irregular. [12]
Prensa de filtro de membrana
Los filtros prensa de membrana tienen una gran influencia en la sequedad del sólido al usar una membrana inflable en las placas de filtro para comprimir el líquido restante de la torta de filtración antes de que se abran las placas. En comparación con los procesos de filtración convencionales, logra los valores de humedad residual más bajos en la torta de filtración. Esto hace que el filtro prensa de membrana sea un sistema potente y ampliamente utilizado. Dependiendo del grado de deshidratación, se pueden lograr diferentes contenidos de materia seca (contenido de materia seca - porcentaje en peso de material seco en la torta de filtración) en la torta de filtración apretando con placas de membrana. El rango de contenido de materia seca alcanzable se extiende desde el 30 hasta más del 80 por ciento. Los filtros prensa de membrana no solo ofrecen la ventaja de un grado extremadamente alto de deshidratación; también reducen el tiempo del ciclo de filtración en más de un 50 por ciento en promedio, dependiendo de la suspensión. Esto se traduce en ciclos y tiempos de respuesta más rápidos, lo que conduce a un aumento de la productividad. El medio de inflado de la membrana consta de aire comprimido o un medio líquido (por ejemplo, agua).
Aplicaciones
Los filtros prensa se utilizan en una gran variedad de aplicaciones diferentes, desde la deshidratación de lodos de minería hasta la purificación del plasma sanguíneo . [8] Al mismo tiempo, la tecnología de filtro prensa está ampliamente establecida para la deshidratación de carbón ultrafino y la recuperación de filtrado en las plantas de preparación de carbón. Según G.Prat, "se ha demostrado que el filtro prensa es la técnica más eficaz y fiable para cumplir con los requisitos actuales". [13] Uno de los ejemplos es el filtro prensa de placas a escala piloto, que se especializa en la deshidratación de lodos de carbón. En 2013, la Sociedad de Minería, Metalurgia y Exploración publicó un artículo destacando esta aplicación específica. [14] Se mencionó que el uso del filtro prensa es muy beneficioso para las operaciones de la planta, ya que ofrece deshidratación de carbón ultralimpio como producto, además de mejorar la calidad del agua extraída para que esté disponible para la limpieza de equipos. [15]
Otros usos industriales de los filtros prensa de membrana automáticos incluyen deshidratación de lodos residuales municipales, [16] recuperación de agua de concreto premezclado, [17] recuperación de concentrado de metal y deshidratación de estanques de cenizas volantes a gran escala. [18]
Muchas aplicaciones especializadas están asociadas con diferentes tipos de filtros prensa que se utilizan actualmente en diversas industrias. El filtro prensa de placa se utiliza ampliamente en operaciones de azúcar como la producción de jarabe de arce en Canadá , ya que ofrece una eficiencia y confiabilidad muy altas. Según M.Isselhardt, "la apariencia puede afectar el valor del jarabe de arce y la percepción de calidad del cliente". [19] Esto hace que el proceso de filtración de jarabe crudo sea extremadamente crucial para lograr el producto deseado con una forma atractiva y de alta calidad, lo que nuevamente sugiere cuán apreciados son los métodos de filtro prensa en la industria.
Evaluación de características importantes
A continuación, se muestran algunos cálculos de filtro prensa típicos utilizados para la operación de manipulación aplicada en el tratamiento de aguas residuales:
Tasa de carga de sólidos
S = (B x 8.34 lb / gal xs) ⁄ A
Donde,
S es la tasa de cargas sólidas en lb+h ⁄ pie 2.B es biosólidos en gal ⁄ h
s es el% de sólidos / 100.
A es el área de la placa en pies 2 .
Rendimiento neto del filtro
Dónde:
- NFY es el rendimiento neto del filtro en kg / h / m 2 .
- S es la tasa de carga de sólidos en kg / h / m 2 .
- P es el período en h.
- TCT es el tiempo total del ciclo en h.
(S × P) da el tiempo de ejecución del filtro. [20]
Tasa de flujo de filtrado
Dónde:
- u es el caudal del filtrado a través de la tela y la torta (m / s),
- dV / dt es la tasa de filtración volumétrica (m 3 / s),
- R c es la resistencia de la torta de filtración (m-1),
- R f es la resistencia inicial del filtro (resistencia de una capa inicial de torta, telas filtrantes, placa y canal) (m-1),
- μ es la viscosidad del filtrado (N · s / m 2 ),
- ΔP es la diferencia de presión aplicada (N / m 2 ) de un lado al otro del medio filtrante,
- A es el área de filtración (m 2 ).
Esos son los factores más importantes que afectan la tasa de filtración. Cuando el filtrado pasa a través de la placa del filtro, se forman depósitos de sólidos y aumenta el espesor de la torta, lo que también aumenta Rc mientras que se supone que Rf es constante. [21] La resistencia al flujo de la torta y el medio filtrante se puede estudiar calculando la tasa de flujo de filtración a través de ellos.
Si el caudal es constante, se puede obtener la relación entre la presión y el tiempo. La filtración debe operarse aumentando la diferencia de presión para hacer frente al aumento de la resistencia al flujo resultante de la obstrucción de los poros. [21] La tasa de filtración se ve afectada principalmente por la viscosidad del filtrado, así como por la resistencia de la placa del filtro y la torta.
Ciclo de tiempo óptimo
Se puede obtener una alta tasa de filtración produciendo una torta fina. Sin embargo, un filtro prensa convencional es un sistema por lotes y el proceso debe detenerse para descargar la torta del filtro y volver a ensamblar la prensa, lo que requiere mucho tiempo. En la práctica, la tasa de filtración máxima se obtiene cuando el tiempo de filtración es mayor que el tiempo necesario para descargar la torta y volver a montar la prensa para permitir la resistencia de la tela. [21] Las propiedades de la torta de filtración afectan la tasa de filtración, y es deseable que el tamaño de las partículas sea lo más grande posible para evitar el bloqueo de los poros mediante el uso de un coagulante . A partir del trabajo experimental, el caudal de líquido a través del medio filtrante es proporcional a la diferencia de presión. [22] A medida que se forma la capa de torta, aumenta la presión que se aplica al sistema y disminuye la velocidad de flujo del filtrado. [12] Si se desea el sólido, la pureza del sólido se puede aumentar mediante el lavado de la torta y el secado al aire. [23] Se puede tomar una muestra de la torta de filtración de diferentes lugares y pesarla para determinar el contenido de humedad utilizando el balance general de materiales. [14]
Posibles heurísticas que se utilizarán durante el diseño del proceso.
La selección del tipo de filtro prensa depende del valor de la fase líquida o la fase sólida. Si se desea extraer la fase líquida, el filtro prensa es uno de los métodos más apropiados para ser utilizado. [24]
Materiales
Hoy en día, las placas de filtro están hechas de polímeros o acero recubierto con polímero. Proporcionan una buena superficie de drenaje para telas filtrantes. Los tamaños de las placas varían de 10 por 10 cm a 2,4 por 2,4 my de 0,3 a 20 cm para el grosor del marco. [23]
Medio filtrante
Las áreas típicas de tela pueden variar desde 1 m 2 o menos a escala de laboratorio hasta 1000 m 2 en un entorno de producción, aunque las placas pueden proporcionar áreas de filtrado de hasta 2000 m 2 . Normalmente, el filtro prensa de placa y marco puede formar hasta 50 mm de espesor de torta, sin embargo, se puede empujar hasta 200 mm para casos extremos. La prensa de placa empotrada puede formar hasta 32 mm de espesor de torta. [12]
En los primeros días del uso de la prensa en la industria del tratamiento de biosólidos de residuos municipales , los problemas con la adherencia de la torta a la tela eran problemáticos y muchas plantas de tratamiento adoptaron tecnologías de centrifugadoras o filtros prensa de cinta menos efectivas . Desde entonces, ha habido grandes mejoras en la calidad de los tejidos y la tecnología de fabricación que han hecho que este problema sea obsoleto. [25] A diferencia de EE. UU., La tecnología de filtro de membrana automático es el método más común para deshidratar biosólidos de desechos municipales en Asia. La humedad es típicamente un 10-15% menor y se requiere menos polímero, lo que ahorra costos de transporte y eliminación general.
Condición de uso
La presión de funcionamiento suele ser de hasta 7 bares para el metal. [23] La mejora de la tecnología permite eliminar gran cantidad de humedad a 16 bar de presión y operar a 30 bar. [8] Sin embargo, la presión es de 4-5 bares para marcos de madera o plástico. [23] Si la concentración de sólidos en el tanque de alimentación aumenta hasta que las partículas sólidas se unen entre sí. Es posible instalar cuchillas móviles en el filtro prensa para reducir la resistencia al flujo de líquido a través de la lechada. [26] Para el proceso previo a la descarga de la torta, el soplado de aire se utiliza para las tortas que tienen una permeabilidad de 10 −11 a 10 −15 m 2 . [14]
Pretratamiento
Se requiere un tratamiento previo de las lechadas antes de la filtración si la suspensión sólida se ha asentado. La coagulación como tratamiento previo puede mejorar el rendimiento del filtro prensa porque aumenta la porosidad de la torta del filtro, lo que conduce a una filtración más rápida. Variar la temperatura, la concentración y el pH puede controlar el tamaño de los flóculos. Además, si la torta de filtración es impermeable y difícil para el flujo del filtrado, se puede agregar un químico auxiliar de filtración al proceso de pretratamiento para aumentar la porosidad de la torta, reducir la resistencia de la torta y obtener una torta más espesa. Sin embargo, los auxiliares de filtración deben poder eliminarse de la torta de filtración mediante tratamiento físico o químico. Una ayuda de filtrado común es la tierra de diatomeas, que da 0,85 de vacío. [26]
En términos de manipulación de la torta, el filtro prensa por lotes requiere un tamaño de bandeja de descarga grande para contener una gran cantidad de torta y el sistema es más caro en comparación con el filtro prensa continuo con el mismo rendimiento. [8]
Lavado
Hay dos métodos posibles de lavado que se están empleando, el "lavado simple" y el "lavado a fondo". Para un lavado simple, el licor de lavado fluye a través del mismo canal que la lechada con alta velocidad, provocando la erosión de las tortas cerca del punto de entrada. Por tanto, los canales formados se agrandan constantemente y, por tanto, se obtiene normalmente una limpieza desigual. Una mejor técnica es el lavado a fondo en el que el licor de lavado se introduce a través de un canal diferente detrás de la tela filtrante llamado placas de lavado. Fluye a través de todo el espesor de las tortas en dirección opuesta primero y luego en la misma dirección que el filtrado. El licor de lavado normalmente se descarga a través del mismo canal que el filtrado. Después del lavado, los pasteles se pueden quitar fácilmente suministrando aire comprimido para eliminar el exceso de líquido. [23]
Desperdicio
Hoy en día los filtros prensa son ampliamente utilizados en muchas industrias, también producirían diferentes tipos de desechos. Los desechos nocivos, como los productos químicos tóxicos de las industrias de tintes, así como los patógenos del flujo de desechos, pueden acumularse en las tortas de desechos; por tanto, el requisito para el tratamiento de esos desechos sería diferente. Por lo tanto, antes de descargar el flujo de desechos al medio ambiente, la aplicación del postratamiento sería una etapa importante de desinfección. Se trata de prevenir riesgos para la salud de la población local y de los trabajadores que se ocupan de los residuos (tortas de filtración) así como prevenir impactos negativos en nuestro ecosistema. Dado que el filtro prensa produciría una gran cantidad de desechos, si se eliminara mediante recuperación de tierras, se recomienda eliminarlo en las áreas que están drásticamente alteradas, como las áreas mineras, donde el desarrollo y la fijación de la vegetación no son posibles. Otro método es la incineración, que destruiría los contaminantes orgánicos y disminuiría la masa de los desechos. Por lo general, se realiza en un dispositivo cerrado mediante el uso de una llama controlada. [7]
Ventajas y desventajas en comparación con otros métodos competitivos.
Se han debatido muchos debates sobre si los filtros prensa son suficientes para competir con los equipos modernos tanto en la actualidad como en el futuro, ya que los filtros prensa eran uno de los dispositivos de deshidratación accionados por máquina más antiguos. Las mejoras en la eficiencia son posibles en muchas aplicaciones donde los filtros prensa modernos tienen las mejores características para el trabajo; sin embargo, a pesar del hecho de que se han realizado muchas mejoras mecánicas, los filtros prensa todavía funcionan con el mismo concepto que cuando se inventaron por primera vez. La falta de progreso en la mejora de la eficiencia, así como la falta de investigación para superar los problemas asociados que rodean a los filtros prensa, han sugerido la posibilidad de un rendimiento inadecuado. Al mismo tiempo, muchos otros tipos de filtros podrían hacer el mismo o mejor trabajo que los filtros de prensa. En ciertos casos, es fundamental comparar características y rendimientos. [27]
Filtro prensa por lotes versus un filtro de correa de vacío continuo
Los filtros prensa ofrecen una amplia gama de aplicaciones, una de sus principales propuestas es la capacidad de proporcionar un área de filtro grande en un espacio relativamente pequeño. La superficie disponible es una de las dimensiones más importantes en cualquier proceso de filtrado, ya que maximiza el caudal y la capacidad del filtro. Un filtro prensa de tamaño estándar ofrece un área de filtrado de 216 m 2 , mientras que un filtro de cinta estándar solo ofrece aproximadamente 15 m 2 . [27]
Lodos con alto contenido de sólidos: funcionamiento a presión continua
Los filtros prensa se utilizan comúnmente para deshidratar lodos con alto contenido de sólidos en plantas de procesamiento de metales, una de las tecnologías de filtro de prensa que podría realizar el trabajo es el método de filtro de presión giratorio, que proporciona una producción continua en una sola unidad, donde la filtración se dirige a través de la presión. Sin embargo, en los casos en que la concentración de sólidos en lechadas con alto contenido de sólidos es demasiado alta (50% +), es mejor manipular estas lechadas mediante filtración al vacío, como un filtro de cinta de vacío indexado continuo, ya que aumentará la alta concentración de sólidos en las lechadas. presión y si la presión es demasiado alta, el equipo podría dañarse y / o funcionar menos eficientemente. [27]
El desarrollo actual
En el futuro, las demandas del mercado para la industria de filtración moderna se volverán más finas y de mayor grado en separación, y particularmente en el propósito del reciclaje de materiales, el ahorro de energía y la tecnología ecológica. Para satisfacer las crecientes demandas de un mayor grado de deshidratación de materiales difíciles de filtrar, se requieren filtros de presión súper alta. Por lo tanto, la tendencia a aumentar la presión para el filtro prensa automático seguirá desarrollándose en el futuro.
Los mecanismos de filtro prensa convencionales suelen utilizar compresión mecánica y aire para eliminar el licor; sin embargo, la eficacia de la producción de una torta de baja humedad es limitada. Se ha introducido un método alternativo mediante el uso de vapor en lugar de aire para la deshidratación de la torta. La técnica de deshidratación con vapor puede ser un método competitivo ya que ofrece un producto de torta de baja humedad. [28]
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