Filtració
Es denomina filtració al procés unitari de separació de sòlits en una suspensió a través d'un mig mecànic poroso, també cridats tamís, garbell, cedazo o filtre. En una suspensió d'un líquit per mig d'un mig poroso, reté els sòlits majors del tamany de la porosidad i permet el pas del líquit i partícules de menor tamany de la porosidad.[1]
Generalment al mig mecànic poroso que és usat per a la separació mecànica se li crida filtre, tamís, cedazo i garbell o popularment: malla o tela.
Generalment s'utilisa el terme filtrar quan nos referim a la separació mecànica de partícules de menor tamany que coloidal, (colar o tamizar quan són partícules majors), o que no es veuen simple vista.
Les aplicacions dels processos de filtració són molt extenses, trobant-se en molts àmbits de l'activitat humana, tant en la vida domèstica com de la indústria general, a on són particularment importants aquells processos industrials que requerixen de les tècniques químiques.
La filtració s'ha desenrollat tradicionalment des d'un estudi d'art pràctic, rebent una major atenció teòrica des de el Plantilla:SIGLO. La classificació dels processos de filtració i els equips és divers i en general, les categories de classificació no s'exclouen unes d'unes atres.
La varietat de dispositius de filtració o filtres és tan extensa com les varietats de materials porosos disponibles com a mijos filtrantes i les condicions particulars de cada aplicació: des de senzills dispositius, com els filtres domèstics de café o els embuts de filtració per a separacions de laboratori, fins a grans sistemes complexos d'elevada automatisació com els empleats en les indústries petroquímicas i de refine per a la recuperació de catalisadors d'alt valor, o els sistemes de tractament d'aigua potable destinada al suministrament urbà.
Classificació
[editar | editar còdic]El patró de classificació dels processos de filtració és divers, i segons obres de referència,[2] es pot realisar en funció dels següents criteris:
- El mecanisme de filtració.
- La naturalea de la mescla.
- La meta del procés.
- El cicle operacional.
- La força impulsora.
En general, estes categories no s'exclouen mútuament i els processos de filtració solen classificar-se principalment d'acort al mecanisme, a la família, al cicle i a continuació segons els demés factors adicionals.
Teoria de la filtració
[editar | editar còdic]La filtració ha evolucionat com un art pràctic des d'aplicacions primitives, com la tradicional filtració en llit d'arena amprat des de l'antiguetat per a l'extracció d'aigua potable, rebent una major atenció teòrica durant el XX a partir dels treballs[3] de P. Carman en 1937[4] i B. Ruth en 1946[5] estudis que varen anar progressivament ampliats en treballs en mijos porosos,[6] per Heertjes i colaboradors en 1949 i 1966[7] i Tiller[8] entre 1953 i 1964. Anteriorment, varis autors han revisat l'estat dels coneiximents en filtració tant des d'una perspectiva pràctica en els treballs de Cain en 1984[9] i Kiefer, en 1991[10] com en els seus principis teòrics en les publicacions de Bear, 1988[11] i Norden en 1994.[12]
Encara que la teoria de la filtració no s'ampra en exclusiva per al disseny de filtres en aplicacions concretes, és freqüentment amprada per a l'interpretació de resultats a escala de laboratori, l'optimisació d'aplicacions o la predicció de canvis en les condicions de treball. La seua principal llimitació residix en el fet de que les característiques de la mescla a tractar de partícules sòlides i decorregut, a voltes cridada lechada, per la seua complexitat i interacció poden ser molt variables en els diferents casos reals.
El principi teòric de la filtració es fonamenta en la quantificació de la relació bàsica de velocitat un decorregut o cabal:
a on la força impulsora (F) que pot ser la força de gravetat, l'espente d'una bomba de pressió o de succió, o la força centrífuga, mentres que la resistència (R) és la suma de l'oferida pel mig filtrante i la coca de sòlit formada sobre el mateix.
La velocitat del decorregut es veu condicionada pel fet de que té que travessar un mig irregular constituït pels canals menuts formats en els intersticios de la coca i el mig
filtrante (percolación), de manera que es pot aplicar la fòrmula obtinguda fluidodinámica de la llei de Hagen-Poiseuille:
a on la velocitat diferencial o instantànea, és dir, el volum (V) filtrat per temps (θ) i per unitat de superfície (A), es relaciona en la força impulsora o caiguda total de pressió (P) sobre el producte de la viscosidad del filtrat (μ) per la suma de la resistència de la coca i la del mig de filtració (r). La resistència de la coca s'expressa per la relació entre el pes (W) i l'àrea en funció d'una constant (α) promig característica de cada coca.[3]
Per la seua banda, si es considera l'aproximació de que la coca és incompresible o compactar de manera uniforme, la massa de la coca filtrante (W) es relaciona en el volum de filtrat (V) per mig d'un senzill balanç de matèria:
a on la massa de sòlits per unitat de volum filtrat (ω) és funció de la densitat del filtrat (ρ), la fracció de sòlits en la corrent d'aporte o concentració (c) i la relació de masses entre la coca humida i la seca.
La constant de resistència específica de la coca (α) es relaciona en la pressió per la fòrmula:
a on α' és una atra constant que depén del tamany de les partícules que conformen la coca i s, una constant de compresibilidad que varia de 0, per a coques incompresibles com diatomeas i arena fina, a 1, per a les molt compresibles.
Estudis experimentals
[editar | editar còdic]Els estudis de filtració en laboratori o a escala menuda freqüentment permeten obtindre de manera experimental i en un senzill montage medides de la variació en el del temps del volum filtrat (velocitat) i la pressió, en funció de tres tipos de fluix:
- pressió constant
- velocitat constant
- pressió i velocitat variables
En els ensajos de filtració a pressió constant el decorregut és bombejat per un gas o aire comprimit que es manté a la mateixa pressió. En estes condicions, l'equació adaptada de Hagen-Poiseuille se simplifica a l'equació llineal:
a on K, K'p i C són constants per a les condicions donades.
En els experiments de filtració a volum constant s'ampren bombes de desplaçament positiu per a medir la diferència de pressió inicial i final a la que deu restar-se la pressió diferencial del mig filtrante, de manera que l'equació de filtració devé:
a on P1 és la caiguda del mig filtrante:
equacions que permeten aplegar a la següent expressió simplificada per a la velocitat de filtració:
sent Kr i C', constants característiques per a les condicions donades.
En el cas general de filtració a pressió i velocitat variables la solució matemàtica a l'equació general devé complexa, Tiller ha propost un model d'integració satisfactori a condició de conéixer la curva característica de la bomba.
Llimitacions i conclusions del model
[editar | editar còdic]Aparte de la premissa prèvia per la que el model de l'equació general de filtració solament és aplicable en el cas de decorreguts líquits als que es puga aplicar la llei de Hagen-Poiseuille, els resultats experimentals han demostrat que el model solament és aplicable en el cas de mijos filtrantes que formen coca, sense que puga amprar-se per a la modelización d'aquells casos de filtració a on no es forma coca com en el cas de les aplicacions de decorreguts de baixa concentració de sòlits i en mijos filtrantes molt porosos, a on les partícules són retingudes en l'interior dels canals.[13]
No obstant, l'equació de filtració ha permés entendre la relació entre les variables més importants en la majoria dels casos pràctics de manera que en aquells casos a on la coca formada és rígida, com les formades per partícules granulars grans, la constant s es considera nula i es conclou en:
És dir, la velocitat de filtració és directament proporcional a la pressió aplicada i a l'àrea, mentres que és inversamente proporcional a la viscosidad de la corrent de decorregut, la cantitat de coca formada i al tamany de les partícules que la formen.
En canvi, quan la coca és molt compresible com en els casos en els que el sòlit és molt bla o deformable, la resolució de l'equació du a la conclusió de que la velocitat de filtrat és independent de la pressió aplicada i únicament proporcional a l'àrea de filtració gran:
Referències
[editar | editar còdic]- ↑ Coulson, J. M. (2003). «Capítul 9: Filtració», Ingenieria Química: operacions bàsiques, 3ª edició, Editorial Reverté, p. 413. ISBN 8429171363.
- ↑ Perry, Robert H. Manual de l'ingenier químic, 3.ª ed. 1992, vol. 2, ISBN 970-10-0013-7.
- ↑ 3,0 3,1 Perry op. cit.
- ↑ Carman, P. (1937), "Fluïu Flow Through Granular Beds," Trans. Institution of Chem. Eng., pp. 150-166.
- ↑ Ruth, B. (1946), "Correlating Filtration Theory with Industrial Practice" en Industrial and Engineering Chemistry, 38:6, pp. 564-571.
- ↑ US Patent Perlite products with controlled particle size distribution. 30 de març de 2004.
- ↑ # Heertjes, P. M. i H. v.d. Haas (1949)."Studies in filtration. Part I" Recueil 68:361-383. Heertjes, P. M. i Lerk, C. F. (1966)."Filter blocking, filter mija and filter aids" Chapter 2 in Solid-Liquid Separation (London: Her Majesty's Stationery Office), pp. 37-43.
- ↑ Tiller, F. M. (1953) "The role of porosity in filtration. Numerical methods for constant rate and constant pressure filtration based on Kozeny's law" Chemical Engineering Progress 49(9):467-479. Tiller, F. M. i Cooper, Harrison (1962)"The role of porosity in filtration: Part V. Porosity variation in filter cakes" A.I.Ch.E. Journal 8(4):445-449. Tiller, F. M. i Shirato, Mompei (1964)."The role of porosity in filtration: VI. New definition of filtration resistance" A.I.Ch.E. Journal 10(1):61-67.
- ↑ Cain, C. W., Jr. (1984) "Filter aid, use in filtration" Chapter 21, "Expanders to Finned Tubes, Selection of" en Encyclopedia of Chemical Processing and Design (New York: Marcel Dekker, Inc.) pp. 348-372.
- ↑ Kiefer, J. (IV/1991)."Kieselguhr filtration" Brauwelt International pp. 300-302, 304-309.
- ↑ Bear, Jacob (1988) "Derivations of Darcy's Law" in Chapter 5 "The Equation of Motion of a Homogeneous Fluïu" in Dynamics of Fluids in Porous Mija, 2nd edition, (Dover Publications, Inc., New York) pp. 161-176. Norden, 1994.
- ↑ Norden, Harry V. and Kauppinen, Petteri (1994)."Application of volume balanços and the differential diffusion equation to filtration" Separation Science and Technology 29(10):1319-1334.
- ↑ Hermans i Bredée, J. Soc. Chem. Ind., 55T, 1 (1936).
- Este artícul conté una traducció derivada de «Filtración» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.