FILTRACIÓN. Mercedes Fernández Arévalo

Transcripción

1 Mercedes Fernández Arévalo

2 OPERACIÓN N UNITARIA PARA SEPARAR UN SÓLIDO S DESDE UN FLUIDO O UN FLUIDO DESDE OTRO

3 FLUIDO INICIAL (efluente, turbio) FILTRO RESIDUO (torta) Precipitado FILTRADO P Líq. transparente (sól-líq. o líq. q.-líq.).) Esterilizar (líq. q.-aire) Eliminar part. del aire

4 CLASIFICACIÓN 1. MATERIAL A SEPARAR 2. FUERZA IMPULSORA 3. FLUJO 4. MECANISMO RETENCIÓN

5 CLASIFICACIÓN 1. MATERIAL A SEPARAR: Filtración convencional (= clarificación): 10 µm (clarifar soluciones) Microfiltración: µm (agua p. iny.) Ultrafiltración: µm (macromoléculas) (MEMBRANAS) Ósmosis inversa: µm (iones) (MEMBRANAS- P)

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7 P 2. FUERZA IMPULSORA: Hidrostática (gravedad) Presión Vacío Centrifugación 3. FLUJO: Constante Variable 4. MECANISMO RETENCIÓN: Cribado Adsorción Formación torta FILTRACIÓN: Superficie Profundidad

8 Filtros de membrana Filtración en Superficie Cribado: : Retención mecánica f(ø) Límite de separación absoluto Estructura homogénea Espesor pequeño (no absorben líquidos) Colmatación rápida (>S, prefiltros,, coadyuvantes)

9 Filtros en profundidad Adsorción: : (atracción electrost. o fuerzas de Van der Waals) Estructura tridimensional Gran tortuosidad Adsorción + Cribado Límite de separación nominal Cesión fragmentos y/o impurezas No se colmatan rápidamente Gran capacidad de retención > > Absorción de líquido

10 Formación de torta

11 CAUDAL: Q = dv/dt dt (m 3 s -1 ) Q = JA FLUJO: J = dv/adt (ms -1 ) Ec.. POISEUILLE: P 1 P 2 r l P π r 4 J = dv/adt = 8 η l VELOCIDAD LINEAL MEDIA: V m = P d m 2 K η l m = J / e

12 POROSIDAD: e = V poros / V total (e = 0 1) SUPERFICIE EFECTIVA DE FILTRACION: S B = A poros / V filtro SUPERFICIE TOTAL: S = A total / V filtro SUPERFICIE OPACA: S O = S (1 e)

13 ECUACIÓN DE KOZENY d m = e / S O = e / S (1 e) P d m 2 J = V m e = e = K η l m P η l m e 3 K S 2 (1 e) 2 J = P R m η l m K S 2 (1 e) 2 e 3 1 / R m RESISTENCIA ESPECÍFICA (del medio filtrante) > e < Rm > J K = 5 ( K = 5 (cte.) Ej.: S = 4 e = 0.3 Rm = e = 0.6 Rm = 59.26

14 ECUACIÓN DE CARMAN Lecho del filtro no es constante R = Rm + Rt (torta) P J = dv/adt = = Inversa Integra η (Rm + Rt) P η (Rm + α w V/A) α = Resistencia específica de la torta wv = sólidos s por unidad de V η α w V t / V/A = + P P = cte. 2 P A η Rm P t / V/A Kp t / V/A = Kp V/A + C C V/A

15 ECUACIÓN DE CARMAN t / V/A η Rm P η α w 2 P V/A CONSIDERACIONES PRÁCTICAS SOBRE LA VELOCIDAD DE FILTRACIÓN 1. Presión 2. Cantidad y características de los sólidos 3. Medio y área de superficie filtrante 4. Viscosidad del filtrado CONSIDERACIONES ÓPTIMAS DE FILTRACIÓN

16 ECUACIÓN DE CARMAN CONSIDERACIONES PRÁCTICAS SOBRE LA VELOCIDAD DE FILTRACIÓN 1. PRESIÓN: : Fuerza impulsora dv/dt dt Tortas incompresibles Sólidos cristalinos Indeformables Tamaño uniforme Tortas compresibles P Tortas floculentas Geles

17 ECUACIÓN DE CARMAN CONSIDERACIONES PRÁCTICAS SOBRE LA VELOCIDAD DE FILTRACIÓN 2. CANTIDAD Y CARACTERÍSTICAS DEL SÓLIDO > W < Ø < J PRETRATAMIENTO PARA AUMENTAR EL TAMAÑO MEDIO DE PARTÍCULA COAGULACIÓN O FLOCULACIÓN (electrolitos, modificar ph, adsorbentes) PREFILTROS Pueden precipitar o adsorber p.a.,., conservantes, colorantes,

18 Proceso de filtración por flujo directo Filtración tangencial Proceso continuo Mínimo depósito de sólidos Micro- y ultra- filtración y ósmosis inversa > aporte energía (desplazamiento tangencial y gradiente de P)

19 ECUACIÓN DE CARMAN CONSIDERACIONES PRÁCTICAS SOBRE LA VELOCIDAD DE FILTRACIÓN 3. MEDIO Y ÁREA FILTRANTE < Rm del filtro > e > S B > J S B = A poros / V filtro AUMENTAR LA SUPERFICE DE FILTRACIÓN (filtros prensa, cartuchos, filtros pliegues) 4. VISCOSIDAD DEL FLUIDO < η > J AUMENTAR LA TEMPERATURA Y DILUIR CON FLUIDOS DE BAJA VISCOSIDAD

20 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 filtrable Elevado caudal de filtración con mínima resistencia al flujo No exista extracción de ningún componente del filtro Escasa o nula capacidad de adsorción de sustancias (macromoléculas, conservantes, etc.)

21 MATERIALES FILTRANTES (1) 1. Materiales filtrantes sueltos Algodón, lana de vidrio, pasta de celulosa, sílice, carbón vegetal Separación partículas grandes Cesión de filamentos (filtrar varias veces) 2. Materiales porosos Vidrio fritado: Metales sinterizados: Porcelana porosa y sílice Filtración en profundidad Inercia química,, carga negativa Filtración de gases Filtración en profundidad

22 MATERIALES FILTRANTES (2) 3. Tejidos y membranas (1) 3.1. Fibras de celulosa: Placas, discos, papeles (ceden fibras) Estado seco: líquidos polares y apolares Estado húmedo: líquidos polares Filtro en profundidad Esterilizables con vapor de agua Clarificación y prefiltro

23 MATERIALES FILTRANTES (3) 3. Tejidos y membranas (2) 3.2. Ésteres de celulosa: Membranas de nitrocelulosa y acetato de celulosa: muy utilizados Amplia gama de tamaño de poro y bien definidos Muy porosos (80%): elevado caudal de filtración Filtración en superficie y esterilizante Estabilidad térmica limitada (80 C) Componentes extraíbles (nitrocelulosa) Incompatibles con ciertos disolventes orgánicos

24 MATERIALES FILTRANTES (4) 3. Tejidos y membranas (3) 3.3. Fibra de vidrio: Retículo de fibras finas de vidrio, relativamente grueso (0.25 mm) Caudal alto, gran capacidad antes de colmatarse y elevada resistencia química Resistentes al calor y de bajo costo Cesión de fragmentos al filtrado Filtración en profundidad

25 MATERIALES FILTRANTES (5) 3. Tejidos y membranas (4) 3.3. Fibras sintéticas Polipropileno, Nylon, Polisulfona, Difluoruro de polivinilideno (PVDF), Politetrafluoruro de etileno (PTFE o teflón), Policarbonato Alta resistencia y ceden pocas fibras Filtración en superficie Alta porosidad, tamaño uniforme de poros Se utilizan como filtros finales (micro- y ultrafiltración) y algunos en filtración esterilizante

26 COADYUVANTES DE LA FILTRACIÓN Tierra de diatomeas Pulpa de celulosa Carbón activo Arcilla Talco Se incorporan al líquido a filtrar 1. Facilitan el depósito de impurezas 2. Evitan el colmatado rápido 3. Retienen por adsorción diversas impurezas Polvos insolubles e inertes Capa de depósito pulverulento sobre filtro rígido que actúa como soporte La tenuidad del polvo condiciona la porosidad Tienen gran capacidad adsorbente: pueden retener fármacos disueltos y colorantes

27 DISPOSITIVOS DE FILTRACIÓN 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 se selecciona: : filtrado o torta 5. Resistencia térmica: : el filtro debe esterilizarse 6. El filtro debe ser compatible con el fluido: Tablas de compatibilidad entre filtros y disolventes 7. Régimen de trabajo: : continuo o discontinuo

28 FILTROS PRENSA Gran superficie de filtración

29 DISCOS APILADOS Gran superficie de filtración

30 ROTARY DRUM VACUUM FILTER

31 DISCOS FILTRANTES DE MEMBRANAS PARA JERINGAS

32 FILTRACIÓN DE GASES: : OBJETIVOS 1. Eliminar polvo o gérmenes: zonas asépticas (habitaciones o locales) campanas de flujo laminar 2. Recuperar partículas de polvo generadas durante el desarrollo de una OTF: (pulverización, mezclado, compresión...) MATERIALES FILTRANTES: LANA DE VIDRIO (+ líquido viscoso) METAL SINTERIZADO TUBOS O MANGAS FILTRANTES

33 CONTROLES DEL PROCESO DE FILTRACIÓN 1) ENSAYO DE INTEGRIDAD: Punto de burbuja - Método simple y no destructivo - Se utiliza en filtros de membrana - Presión necesaria para desalojar el liquido que ocupa los poros de una membrana y que provoca la aparición de burbujas de aire visibles a la salida del filtro - La presión necesaria es inversamente proporcional al radio del poro y tiene que ser similar al especificado por el fabricante

34 CONTROLES DEL PROCESO DE FILTRACIÓN 2) DETERMINACIÓN DEL CAUDAL: - Tiene interés en el ámbito industrial y proporciona una medida de la porosidad (superficie efectiva de filtración) - Se determina a partir del tiempo que invierte un volumen determinado de líquido en atravesar un filtro

35 CONTROLES DEL PROCESO DE FILTRACIÓN 3) RESISTENCIA A LA COLMATACIÓN (VOLUMEN MÁXIMO FILTRABLE) - Volumen máximo que una membrana es capaz de filtrar antes de colmatarse - Estima la duración de un filtro - Depende de la viscosidad del fluido que se filtre, de la cantidad de partículas en el medio y de la presión aplicada

36 CONTROLES DEL PROCESO DE FILTRACIÓN 4) ADSORCIÓN DE COMPONENETES DE LA FORMULACIÓN - Principios activos, proteínas y conservantes -Depende de la naturaleza de le membrana y de las interacciones electrostáticas e hidrofóbicas -Valoración de sustancias en el filtrado

37 CONTROLES DEL PROCESO DE FILTRACIÓN 5) EXTRAIBLES DE LA MEMBRANA - Impurezas de fabricación (calidad del filtro) -Control analítico: extracción (condiciones agresivas) + valoración HPLC - Control toxicológico en animales