Un filtro prensa industrial es una herramienta que se utiliza en procesos de separación , específicamente para separar sólidos y líquidos. La máquina apila muchos elementos filtrantes y permite abrir fácilmente el filtro para retirar los sólidos filtrados, además de permitir una fácil limpieza o reemplazo del medio filtrante.
Los filtros prensa no pueden funcionar en un proceso continuo, pero pueden ofrecer un rendimiento muy alto, especialmente cuando se desea un bajo nivel de líquido residual en el sólido. Entre otros usos, los filtros prensa se utilizan en las fábricas de mármol para separar el agua del lodo y reutilizar el agua durante el proceso de corte del mármol.
Generalmente, el lodo que se va a separar se inyecta en el centro de la prensa y se llena cada cámara de la prensa. El tiempo de llenado óptimo garantizará 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 lodo espeso. Luego, el líquido se cuela a través de telas filtrantes a la fuerza utilizando aire presurizado, pero el uso de agua podría ser más rentable en ciertos casos, como si se reutilizara agua de un proceso anterior.
La primera forma de prensa de filtro se inventó en el Reino Unido en 1853, utilizada para obtener aceite de semillas mediante el uso de celdas de presión. Sin embargo, existían muchas desventajas asociadas con ellas, como la alta necesidad de mano de obra y el proceso discontinuo. Los principales avances en la tecnología de prensa de filtro comenzaron a mediados del siglo XX. En Japón, en 1958, Kenichiro Kurita y Seiichi Suwa lograron desarrollar la primera prensa de filtro horizontal automática del mundo para mejorar la eficiencia de eliminación de la torta y la absorción de humedad. Nueve años después, la compañía Kurita comenzó a desarrollar diafragmas flexibles para reducir la humedad en las tortas de filtro. 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 conduce al aumento de las oportunidades para varias aplicaciones industriales. K. McGrew recopiló una revisión histórica detallada, que se remonta a cuando la dinastía Shang utilizó prensas para extraer té de las hojas de camelia y aceite de los escaramujos en 1600 a. C. [1]
Hay cuatro tipos básicos principales de filtros prensa: filtros prensa de placas y marcos, filtros prensa de placas y marcos empotrados, filtros prensa de membrana y filtros prensa (completamente) automáticos.
Un filtro prensa de placas y marcos es el diseño más básico y puede denominarse "filtro de placas con membrana". Este tipo de filtro prensa consta de muchas placas y marcos alternados ensamblados con los soportes de un par de rieles, con membranas filtrantes insertadas entre cada par de placas y marcos. [ cita requerida ]
La pila se comprime con suficiente fuerza para proporcionar un sello hermético entre cada placa y 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 el lodo 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 la diferencia de presión alcanza un punto en el que las placas se consideran lo suficientemente llenas.
Para retirar la torta de filtración y limpiar los filtros, se separa la pila de placas y marcos y la torta se cae o se raspa de las membranas para recolectarla en una bandeja debajo. [2] Luego, las membranas de filtración se limpian con líquido de lavado y la pila se vuelve a comprimir para comenzar el siguiente ciclo. [3]
Un ejemplo temprano de esto es la prensa de filtro Dehne, desarrollada por ALG Dehne (1832-1906) de Halle , Alemania, y comúnmente utilizada a fines del siglo XIX y principios del XX para extraer azúcar de la remolacha azucarera y de la caña de azúcar , y para secar lodos de mineral. Su gran desventaja era la cantidad de mano de obra involucrada en su operación. [4]
Un filtro prensa automático tiene el mismo concepto que el filtro manual y el filtro de marcos, excepto que todo el proceso está completamente automatizado . [5] Consiste en filtros prensa de placas y marcos más grandes con "desplazadores de placas" mecánicos. [ cita requerida ] La función del desplazador de placas es mover las placas y permitir la descarga rápida de las tortas de filtrado acumuladas entre las placas. También contiene un compresor de diafragma en las placas de filtrado que ayuda a optimizar las condiciones de funcionamiento al secar aún más las tortas de filtrado. [ cita requerida ]
Los filtros prensa totalmente automáticos ofrecen un alto grado de automatización y, al mismo tiempo, permiten un funcionamiento ininterrumpido. La opción del sistema de apertura simultánea de las placas de filtrado, por ejemplo, ayuda a conseguir una liberación especialmente rápida de la torta, reduciendo al mínimo el tiempo del ciclo. El resultado es un filtro prensa de alta velocidad que permite una mayor producción por unidad de superficie de filtro. Por este motivo, estas máquinas se utilizan en aplicaciones con productos altamente filtrables en las que se requieren altas velocidades de filtración. Entre ellos se encuentran, por ejemplo, los concentrados y residuos de minería. Existen diferentes sistemas para el funcionamiento totalmente automático. Entre ellos se incluyen, por ejemplo, los dispositivos de vibración/agitación, la versión con pinza esparcidora/tela esparcidora o los dispositivos de raspado. El tiempo de funcionamiento sin personal de un filtro prensa totalmente automático es de 24 horas al día, 7 días a la semana. [ cita requerida ]
Un filtro prensa de placas empotradas no utiliza marcos y, en su lugar, tiene un hueco en cada placa con bordes inclinados en los que se colocan las telas filtrantes; la torta de filtración se acumula en el hueco directamente entre dos placas y, cuando las placas se separan, los bordes inclinados permiten que la torta se caiga con un mínimo esfuerzo. [6] Para simplificar la construcción y el uso, las placas suelen tener un orificio en el centro que atraviesa la tela filtrante y alrededor del cual se sella para que la suspensión fluya a través del centro de cada placa hacia abajo de la pila en lugar de hacia adentro desde el borde de cada placa. Aunque es más fácil de limpiar, este método tiene desventajas, como un mayor tiempo de cambio de tela, la incapacidad de acomodar medios filtrantes que no se puedan adaptar al hueco curvo, como el papel, y la posibilidad de formar una torta desigual. [7]
Las prensas de filtro de membrana tienen una gran influencia en la sequedad del sólido al utilizar 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 la prensa de filtro 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 mediante el prensado con placas de membrana. El rango de contenidos de materia seca alcanzables se extiende desde el 30 hasta más del 80 por ciento. Las prensas de filtro de membrana no solo ofrecen la ventaja de un grado de deshidratación extremadamente alto, sino que también reducen el tiempo del ciclo de filtración en más del 50 por ciento en promedio, dependiendo de la suspensión. Esto da como resultado tiempos de ciclo y de respuesta más rápidos, lo que conduce a un aumento de la productividad. El medio de inflado de membrana está compuesto por aire comprimido o un medio líquido (por ejemplo, agua).
Los filtros prensa se utilizan en una gran variedad de aplicaciones diferentes, desde la deshidratación de lodos de minería de minerales hasta la purificación del plasma sanguíneo . [3] Al mismo tiempo, la tecnología de filtros prensa está ampliamente establecida para la deshidratación de carbón ultrafino , así como para la recuperación de filtrado en plantas de preparación de carbón. Según G. Prat, "se ha demostrado que el filtro prensa es la técnica más eficaz y confiable para satisfacer los requisitos actuales". [8] Uno de los ejemplos es el filtro prensa de placas a escala Pilot, que se especializa en la deshidratación de lodos de carbón. En 2013, la Sociedad de Minería, Metalurgia y Exploración publicó un artículo que destaca esta aplicación específica. [9] Se mencionó que el uso del filtro prensa es muy beneficioso para las operaciones de la planta, ya que ofrece la deshidratación de carbón ultralimpio como producto, además de mejorar la calidad del agua extraída para que esté disponible para la limpieza de equipos. [10]
Otros usos industriales de las prensas de filtro de membrana automáticas incluyen la deshidratación de lodos de desechos municipales, [11] la recuperación de agua de hormigón premezclado, [12] la recuperación de concentrado de metal y la deshidratación de estanques de cenizas volantes a gran escala. [13]
Existen muchas aplicaciones especializadas asociadas con los diferentes tipos de filtros prensa que se utilizan actualmente en diversas industrias. Los filtros prensa de placas se utilizan ampliamente en operaciones de azucarado , como la producción de jarabe de arce en Canadá , ya que ofrecen una eficiencia y una confiabilidad muy altas. Según M. Isselhardt, "la apariencia puede afectar el valor del jarabe de arce y la percepción de calidad del cliente". [14] Esto hace que el proceso de filtración de jarabe crudo sea extremadamente crucial para lograr el producto deseado con alta calidad y forma atractiva, lo que nuevamente sugiere cuán altamente apreciados son los métodos de filtros prensa en la industria.
A continuación se muestran algunos cálculos típicos de prensa de filtro utilizados para operaciones de manipulación aplicadas en el tratamiento de aguas residuales:
S= (B x 8,34 lb/gal xs) ⁄ A
Donde,
S es la tasa de cargas sólidas en lb+h ⁄ pie 2 .<r />B son biosólidos en gal ⁄ h s es el % de sólidos/100. A es el área de la placa en ft 2 .
Dónde:
(S × P) da el tiempo de funcionamiento del filtro. [15]
Dónde:
Estos son los factores más importantes que afectan la velocidad de filtración. Cuando el filtrado pasa a través de la placa de filtrado, se forman depósitos de sólidos que aumentan el espesor de la torta, lo que también aumenta Rc, mientras que se supone que Rf es constante. [16] La resistencia al flujo de la torta y del medio filtrante se puede estudiar calculando la velocidad 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 realizarse aumentando la diferencia de presión para hacer frente al aumento de la resistencia al flujo resultante de la obstrucción de los poros. [16] La velocidad de filtración se ve afectada principalmente por la viscosidad del filtrado, así como por la resistencia de la placa y la torta de filtración.
Se puede obtener una alta tasa de filtración al producir una torta fina. Sin embargo, una prensa de filtro convencional es un sistema por lotes y el proceso debe detenerse para descargar la torta de filtro y volver a ensamblar la prensa, lo que consume mucho tiempo. En la práctica, la tasa de filtración máxima se obtiene cuando el tiempo de filtración es mayor que el tiempo que se tarda en descargar la torta y volver a ensamblar la prensa para permitir la resistencia de la tela. [16] Las propiedades de la torta de filtro afectan la tasa de filtración, y es deseable que el tamaño de la partícula sea lo más grande posible para evitar el bloqueo de los poros mediante el uso de un coagulante . A partir del trabajo experimental, la velocidad de flujo del líquido a través del medio filtrante es proporcional a la diferencia de presión. [17] A medida que se forma la capa de torta, la presión aplicada al sistema aumenta y la velocidad de flujo del filtrado disminuye. [7] Si se desea el sólido, la pureza del sólido se puede aumentar mediante el lavado de la torta y el secado al aire. [18] Se puede tomar una muestra de torta de filtro de diferentes lugares y pesarla para determinar el contenido de humedad mediante el uso del balance de material general. [9]
La selección del tipo de filtro prensa depende del valor de la fase líquida o de la fase sólida. Si se desea extraer la fase líquida, el filtro prensa es uno de los métodos más adecuados. [19]
En la actualidad, las placas de filtrado se fabrican a partir de polímeros o acero recubierto de polímero. Proporcionan una buena superficie de drenaje para las telas filtrantes. Los tamaños de las placas varían de 10 x 10 cm a 2,4 x 2,4 m y de 0,3 a 20 cm para el espesor del marco. [18]
Las áreas típicas de tela pueden variar desde 1 m2 o menos en escala de laboratorio hasta 1000 m2 en un entorno de producción, aunque las placas pueden proporcionar áreas de filtrado de hasta 2000 m2 . Normalmente, la prensa de filtro de placas y marcos puede formar hasta 50 mm de espesor de torta, sin embargo, puede llegar hasta 200 mm para casos extremos. La prensa de placas empotradas puede formar hasta 32 mm de espesor de torta. [7]
En los primeros días en que se utilizaban las prensas en la industria de tratamiento de biosólidos de residuos municipales, los problemas con la adherencia de la masa a la tela eran problemáticos y muchas plantas de tratamiento adoptaron tecnologías de prensa centrífuga o de filtro de banda menos efectivas . Desde entonces, ha habido grandes mejoras en la calidad de la tela y la tecnología de fabricación que han hecho que este problema sea obsoleto. [20] A diferencia de los EE. UU., la tecnología de filtro de membrana automático es el método más común para deshidratar biosólidos de residuos municipales en Asia. La humedad suele ser entre un 10 y un 15 % menor y se requiere menos polímero, lo que ahorra en costos de transporte y eliminación general.
La presión de operación es comúnmente de hasta 7 bares para el metal. [18] La mejora de la tecnología hace posible eliminar una gran cantidad de humedad a 16 bares de presión y operar a 30 bares. [3] Sin embargo, la presión es de 4-5 bares para marcos de madera o plástico. [18] Si la concentración de sólidos en el tanque de alimentación aumenta hasta que las partículas sólidas se adhieran entre sí, es posible instalar cuchillas móviles en el filtro prensa para reducir la resistencia al flujo de líquido a través de la suspensión. [21] Para el proceso previo a la descarga de la torta, se utiliza soplado de aire para tortas que tienen una permeabilidad de 10 −11 a 10 −15 m 2 . [9]
Si la suspensión sólida se ha asentado, es necesario realizar un pretratamiento de las suspensiones antes de la filtración. La coagulación como pretratamiento puede mejorar el rendimiento de la prensa de filtro porque aumenta la porosidad de la torta de filtración, lo que conduce a una filtración más rápida. La variación de la temperatura, la concentración y el pH puede controlar el tamaño de los flóculos. Además, si la torta de filtración es impermeable y dificulta el flujo del filtrado, se puede añadir un coadyuvante de filtración al proceso de pretratamiento para aumentar la porosidad de la torta, reducir su resistencia y obtener una torta más espesa. Sin embargo, los coadyuvantes de filtración deben poder eliminarse de la torta de filtración mediante un tratamiento físico o químico. Un coadyuvante de filtración común es la tierra de diatomeas, que proporciona un vacío de 0,85. [21]
En términos de manejo de la torta, la prensa de filtro por lotes requiere una bandeja de descarga de gran tamaño para contener una gran cantidad de torta y el sistema es más costoso en comparación con la prensa de filtro continua con el mismo rendimiento. [3]
Existen dos métodos de lavado posibles que se están empleando, el "lavado simple" y el "lavado a fondo". En el caso del lavado simple, el licor de lavado fluye a través del mismo canal que la suspensión a alta velocidad, lo que provoca la erosión de las tortas cerca del punto de entrada. De este modo, los canales formados se agrandan constantemente y, por lo tanto, normalmente se obtiene una limpieza desigual. Una técnica mejor 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 se descarga normalmente a través del mismo canal que el filtrado. Después del lavado, las tortas se pueden retirar fácilmente suministrando aire comprimido para eliminar el exceso de líquido. [18]
En la actualidad, las prensas de filtro se utilizan ampliamente en muchas industrias y también producen diferentes tipos de desechos. Los desechos nocivos, como los químicos tóxicos de las industrias de tintes, así como los patógenos de la corriente de desechos, pueden acumularse en las tortas de desechos; por lo tanto, el requisito para tratar esos desechos sería diferente. Por lo tanto, antes de descargar el flujo de desechos al medio ambiente, la aplicación de un postratamiento sería una etapa de desinfección importante. Es para prevenir riesgos para la salud de la población local y los trabajadores que se ocupan de los desechos (tortas de filtración), así como para prevenir impactos negativos en nuestro ecosistema. Dado que las prensas de filtro producirían una gran cantidad de desechos, si se eliminaran mediante recuperación de tierras, se recomienda eliminarlos en áreas que se alteren drásticamente, como 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 utilizando una llama controlada. [2]
Se ha debatido mucho sobre si las prensas de filtro son suficientes para competir con los equipos modernos en la actualidad y en el futuro, ya que las prensas de filtro fueron uno de los dispositivos de deshidratación accionados por máquinas más antiguos. Es posible mejorar la eficiencia en muchas aplicaciones en las que las prensas de filtro modernas tienen las mejores características para el trabajo; sin embargo, a pesar de que se han realizado muchas mejoras mecánicas, las prensas de filtro siguen funcionando según el mismo concepto que cuando se inventaron por primera vez. La falta de progreso en las mejoras de eficiencia, así como la falta de investigación para superar los problemas asociados que rodean a las prensas de filtro, han sugerido la posibilidad de que el rendimiento sea inadecuado. Al mismo tiempo, muchos otros tipos de filtros podrían hacer el mismo trabajo o mejor que los filtros prensa. En ciertos casos, es crucial comparar las características y el rendimiento. [22]
Los filtros prensa ofrecen una amplia gama de aplicaciones, una de sus principales ventajas es la capacidad de proporcionar una gran área de filtrado en un espacio relativamente pequeño. El área de 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 banda estándar solo ofrece aproximadamente 15 m 2 . [22]
Las prensas de filtro se utilizan comúnmente para deshidratar lodos con alto contenido de sólidos en plantas de procesamiento de metales. Una de las tecnologías de filtro prensa que podría realizar el trabajo es el método de filtro de presión rotatorio, 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 lodos con alto contenido de sólidos es demasiado alta (50%+), es mejor manejar estos lodos utilizando filtración al vacío, como un filtro de banda de vacío indexado continuo, ya que la alta concentración de sólidos en lodos aumentará la presión y si la presión es demasiado alta, el equipo podría dañarse y/o funcionar de manera menos eficiente. [22]
En el futuro, las demandas del mercado para la industria de filtración moderna serán cada vez más finas y de mayor grado de separación, y en particular con el propósito de reciclar materiales, ahorrar energía y utilizar 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 los filtros prensa automáticos seguirá desarrollándose en el futuro.
Los mecanismos de prensa de filtro convencionales suelen utilizar compresión mecánica y aire para desfangar; sin embargo, la eficiencia de producción de torta con bajo contenido de humedad es limitada. Se ha introducido un método alternativo que utiliza vapor en lugar de aire para desfangar la torta. La técnica de desfangado con vapor puede ser un método competitivo ya que ofrece un producto de torta con bajo contenido de humedad. [23]
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