Prensa de filtro

Una prensa de filtro industrial es una herramienta utilizada en procesos de separación , específicamente para separar sólidos y líquidos. La máquina apila varios elementos filtrantes y permite abrir fácilmente el filtro para extraer los sólidos filtrados, además de facilitar la limpieza o el reemplazo del material filtrante.

Las prensas de filtro no pueden funcionar en un proceso continuo, pero ofrecen un rendimiento muy alto, especialmente cuando se desea un bajo contenido de líquido residual en el sólido. Entre otros usos, las prensas de filtro se emplean en las fábricas de mármol para separar el agua del lodo y reutilizarla durante el proceso de corte del mármol.

Generalmente, la pulpa que se va a separar se inyecta en el centro de la prensa y se llena cada cámara. Un tiempo de llenado óptimo garantiza que la última cámara se cargue antes de que el lodo de la primera comience a compactarse. A medida que las cámaras se llenan, la presión dentro del sistema aumenta debido a la formación de lodo espeso. Luego, el líquido se filtra a través de telas filtrantes mediante aire comprimido, aunque en ciertos casos, como por ejemplo si se reutiliza agua de un proceso anterior, podría ser más rentable utilizar agua.

La primera prensa de filtro se inventó en el Reino Unido en 1853 y se utilizó para obtener aceite de semillas mediante celdas de presión. Sin embargo, presentaba numerosas desventajas, como la gran cantidad de mano de obra necesaria y la discontinuidad del proceso. Los principales avances en la tecnología de prensas 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 la extracción de la torta y la absorción de humedad. Nueve años después, la empresa Kurita comenzó a desarrollar diafragmas flexibles para reducir la humedad en las tortas de filtración. Este dispositivo permite optimizar el ciclo de filtración automático, la compresión de la torta, la descarga de la torta y el lavado de la tela filtrante, lo que amplía las oportunidades para diversas aplicaciones industriales. K. McGrew realizó una revisión histórica detallada, que se remonta a la época en que la dinastía Shang utilizaba prensas para extraer té de las hojas de camelia y aceite de los frutos en el año 1600 a. C. ^{[ 1 ]}

Existen 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 (totalmente) automáticos.

Prensa de filtro de placas y marcos

La prensa de filtro de placas y marcos es el diseño más básico y también se la conoce como "filtro de placas de membrana". Este tipo de prensa de filtro consta de muchas placas y marcos alternados, ensamblados con el soporte de un par de rieles, con membranas filtrantes insertadas entre cada par de placas y marcos.

• Las placas proporcionan soporte a las membranas filtrantes bajo presión y tienen ranuras estrechas que permiten que el filtrado fluya a través de la membrana hacia la placa y, posteriormente, hacia un sistema de recolección.
• Los marcos forman una cámara entre las membranas y las placas, en la cual se bombea la suspensión y se acumula la torta de filtración .

La pila se comprime con la fuerza suficiente para proporcionar un sellado hermético entre cada placa y marco; la membrana filtrante puede tener un sello integrado alrededor del borde o el propio material filtrante puede actuar como una junta cuando se comprime.

A medida que la suspensión 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 suficientemente llenas.

Para retirar la torta de filtración y limpiar los filtros, se separa la pila de placas y marcos, y la torta se desprende o se raspa de las membranas para recogerla en una bandeja inferior. ^{[ 2 ]} A continuación, se limpian las membranas de filtración con líquido de lavado y se vuelve a comprimir la pila, lista 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 finales 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 que requería su funcionamiento. ^{[ 4 ]}

Las prensas de filtro se utilizan en una gran variedad de aplicaciones, desde la deshidratación de lodos de minería mineral hasta la purificación de plasma sanguíneo . ^{[ 3 ]} Al mismo tiempo, la tecnología de prensas de filtro 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, "la prensa de filtro ha demostrado ser la técnica más eficaz y fiable para satisfacer las necesidades actuales". ^{[ 8 ]} Un ejemplo es la prensa de filtro de placas a escala piloto, especializada en la deshidratación de lodos de carbón. En 2013, la Sociedad para la Minería, la Metalurgia y la Exploración publicó un artículo que destacaba esta aplicación específica. ^{[ 9 ]} Se mencionó que el uso de la prensa de filtro es muy beneficioso para las operaciones de la planta, ya que ofrece la deshidratación de carbón ultra limpio 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 ]}

Numerosas aplicaciones especializadas están asociadas a los diferentes tipos de prensas de filtro que se utilizan actualmente en diversas industrias. La prensa de filtro de placas se utiliza ampliamente en operaciones de producción de jarabe de arce , como la elaboración de jarabe de arce en Canadá , debido a su alta eficiencia y fiabilidad. Según M. Isselhardt, «la apariencia puede influir en el valor del jarabe de arce y en la percepción de calidad del cliente». ^{[ 14 ]} Esto hace que el proceso de filtración del jarabe crudo sea crucial para obtener el producto deseado con alta calidad y una presentación atractiva, lo que demuestra la gran importancia que tienen los métodos de prensa de filtro en la industria.

A continuación se muestran algunos cálculos típicos de filtros prensa utilizados para la operación de manejo aplicada en el tratamiento de aguas residuales :

S es la tasa de carga sólida en libras.+h / ft 2 .<r /> B es biosólidos en gal / h , s es el % de sólidos/100. A es el área de la placa en ft² .

Se puede obtener una alta tasa de filtración produciendo una torta delgada. Sin embargo, una prensa de filtro convencional es un sistema discontinuo y el proceso debe detenerse para descargar la torta de filtro y volver a ensamblar la prensa, lo que consume tiempo. Prácticamente, 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 partícula sea lo más grande posible para evitar el bloqueo de los poros mediante el uso de un coagulante . A partir de trabajos experimentales, el caudal de 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 el caudal de filtrado disminuye. ^{[ 7 ]} Si se desea el sólido, la pureza del sólido puede aumentarse lavando la torta y secándola al aire. ^{[ 18 ]} Se puede tomar una muestra de torta de filtro de diferentes lugares y pesarla para determinar el contenido de humedad utilizando el balance de materia global. ^{[ 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 apropiados. ^{[ 19 ]}

Actualmente, las placas filtrantes se fabrican con polímeros o acero recubierto de polímero. Proporcionan una buena superficie de drenaje para las telas filtrantes. Las dimensiones de las placas varían de 10 x 10  cm a 2,4 x 2,4 m y el grosor del marco de 0,3 a 20  cm. ^{[ 18 ]}

^{Las áreas típicas de} tela pueden variar desde 1  m² o menos a escala de laboratorio hasta 1000 m² en un entorno ^de producción, aunque las placas pueden proporcionar áreas de filtración de hasta 2000 m² . Normalmente, una prensa ^de filtro de placas y marcos puede formar una torta de hasta 50 mm de espesor; sin embargo, en casos extremos, puede llegar hasta los 200 mm. Una prensa de placas empotradas puede formar una torta de hasta 32 mm de espesor. ^{[ 7 ]}     

En los inicios del uso de prensas 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 menos eficaces de centrífuga o prensa de filtro de banda . 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 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 transporte y en el costo total de eliminación.

La presión de operación suele ser de hasta 7 bares para metal. ^{[ 18 ]} La mejora de la tecnología permite 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 adhieren entre sí, es posible instalar paletas móviles en la prensa de filtro 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 ]}

Se requiere un pretratamiento de las suspensiones antes de la filtración si la suspensión sólida se ha sedimentado. La coagulación como pretratamiento puede mejorar el rendimiento de la prensa de filtro, ya que aumenta la porosidad de la torta de filtración, lo que acelera la filtración. La variación de la temperatura, la concentración y el pH permite controlar el tamaño de los flóculos. Además, si la torta de filtración es impermeable y dificulta el flujo del filtrado, se puede añadir un aditivo químico de filtración al proceso de pretratamiento para aumentar la porosidad de la torta, reducir su resistencia y obtener una torta más gruesa. Sin embargo, los aditivos de filtración deben poder eliminarse de la torta de filtración mediante tratamiento físico o químico. Un aditivo de filtración común es la tierra de diatomeas (Kieselguhr), que proporciona una porosidad de 0,85. ^{[ 21 ]}

En cuanto al 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 caro en comparación con una prensa de filtro continua con la misma producción. ^{[ 3 ]}

Existen dos métodos posibles de lavado: el lavado simple y el lavado exhaustivo. En el lavado simple, el líquido de lavado fluye a alta velocidad por el mismo canal que la suspensión, lo que provoca la erosión de las tortas cerca del punto de entrada. De esta forma, los canales formados se ensanchan constantemente, obteniéndose así una limpieza irregular. Una técnica mejor es el lavado exhaustivo, en el que el líquido de lavado se introduce por un canal diferente detrás de la tela filtrante, denominado placas de lavado. Fluye a través de todo el espesor de las tortas, primero en dirección opuesta y luego en la misma dirección que el filtrado. El líquido de lavado se descarga normalmente por el mismo canal que el filtrado. Tras el lavado, las tortas se pueden eliminar fácilmente mediante aire comprimido para eliminar el exceso de líquido. ^{[ 18 ]}

Actualmente, las prensas de filtro se utilizan ampliamente en muchas industrias y generan diversos tipos de residuos. Residuos nocivos, como sustancias químicas tóxicas de la industria de tintes y patógenos provenientes de los flujos de residuos, pueden acumularse en las tortas de filtración; por lo tanto, el tratamiento de estos residuos es diferente. En consecuencia, antes de verter los residuos al medio ambiente, la aplicación de un postratamiento constituye una etapa importante de desinfección. Esto previene riesgos para la salud de la población local y de los trabajadores que manipulan los residuos (tortas de filtración), así como impactos negativos en el ecosistema. Dado que las prensas de filtro generan una gran cantidad de residuos, si se opta por la recuperación de terrenos, se recomienda su eliminación en áreas drásticamente alteradas, como zonas mineras donde el desarrollo y la regeneración de la vegetación no son posibles. Otro método es la incineración, que destruye los contaminantes orgánicos y reduce la masa de los residuos. Generalmente se realiza en un dispositivo cerrado mediante una llama controlada. ^{[ 2 ]}

Se han generado numerosos debates sobre si las prensas de filtro son suficientes para competir con los equipos modernos, tanto en la actualidad como en el futuro, dado que fueron uno de los dispositivos de deshidratación accionados por máquina más antiguos. Si bien es posible mejorar la eficiencia en muchas aplicaciones donde las prensas de filtro modernas presentan las mejores características, a pesar de las numerosas mejoras mecánicas, siguen funcionando con el mismo concepto que cuando se inventaron. La falta de progreso en la mejora de la eficiencia, así como la escasez de investigación para superar los problemas asociados a las prensas de filtro, sugieren una posible insuficiencia en su rendimiento. Al mismo tiempo, muchos otros tipos de filtros podrían realizar el mismo trabajo, o incluso mejor, que las prensas de filtro. En ciertos casos, es crucial comparar las características y el rendimiento. ^{[ 22 ]}

Las prensas de filtro ofrecen una amplia gama de aplicaciones; una de sus principales ventajas es la capacidad de proporcionar una gran superficie de filtración en un espacio relativamente reducido. La superficie disponible es una de las dimensiones más importantes en cualquier proceso de filtración, ya que maximiza el caudal y la capacidad del filtro. Una prensa de filtro de tamaño estándar ofrece una superficie de filtración de 216 ^{m² ,}  mientras que un filtro de banda estándar solo ofrece aproximadamente 15 m² . ^{[ 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 filtración por prensa que puede cumplir esta función es el método de filtro rotatorio a presión, que proporciona producción continua en una sola unidad, donde la filtración se dirige mediante presión. Sin embargo, en casos donde la concentración de sólidos en lodos con alto contenido de sólidos es demasiado alta (50 % o más), es mejor tratar estos lodos mediante filtración al vacío, como un filtro de banda de vacío indexado continuo, ya que una alta concentración de sólidos en los lodos aumentará la presión y, si la presión es demasiado alta, el equipo podría dañarse o su funcionamiento podría ser menos eficiente. ^{[ 22 ]}

Lista de diferentes tipos de máquinas de prensado de filtros industriales y placas filtrantes