Simulación de la operación de un filtro prensa

El modelo matemático

Para propósitos de operación general un filtro prensa puede manejarse, mediante los respectivos controles, a velocidad constante, o a presión constante. Es por esto que el modelo que se ha presentado permite simular la operación en estas dos modalidades.

Sin embargo de lo que queda dicho, (George Granger Brown and Associates, 1950) indica muy acertadamente que el arranque del filtro prensa debe realizarse a una velocidad constante adecuada, para permitir que se empiece a formar la torta, cosa que no ocurriría si la operación comienza a una presión constante elevada de 500 kPa, por ejemplo.

El modelo no considera estos refinamientos, aunque podría haberlo hecho, incluyendo el tiempo de llenado del filtro, en que no se observa el egreso de filtrado porque el lodo que ingresa está llenando el filtro.

Por estas razones indicaremos brevemente los modelos matemáticos de presión constante y de velocidad constante, en ese orden, para que los amables lectores puedan comprender cómo funciona el modelo.

Filtración a presión constante

En este caso la caída de presión a través del filtro es un parámetro más, ya que –por ser parámetro- su valor no varíadurante el tiempo virtual de la simulación.

Hay muchísimas fuentes que pueden utilizarse para fines de modelar el funcionamiento del filtro. La Ecuación fundamental para la filtración utiliza el enfoque clásico de los Fenómenos de Transporte en Ingeniería Química, que no es otro que el postular una fuerza motriz que promueve el fenómeno, que es una magnitud que se encuentra en el numerador, que no es otra que la caída de presión ΔP, y en el denominador se utiliza la s (Perry)uma de las resistencias, que está dada por la Resistencia de la torta, que es variable, porque su espesor crece a medida que progresa la filtración, hasta llegar hasta el borde del marco del filtro, punto en el cual la filtración debe interrumpirse so pena de que la presión aumente hasta un valor que produzca la explosión del marco o de la unión de la tela que une un marco con otro, fenómeno que no es tan raro como podría parecer, si no se utiliza un control automático que cierre la válvula de entrada del lodo a una presión dada.

La ecuación fundamental para la filtración es entonces la siguiente, que se publicó inicialmente en Trans. Inst. Chem. Engnrs.,1938, con el nombre de Ecuación de Carmán, que la reproduce  (Perry).

Ecuacion I

En el modelo que yo desarrollé tomé la resistencia del medio filtrante como cero, porque ese parámetro debe determinarse experimentalmente.

Como ya hemos dicho, el primer término del denominador corresponde a la resistencia de la torta, y el segundo representa la resistencia del medio filtrante, que se debe determinar experimentalmente, y que yo lo asumí como cero, precisamente por esta causa.

Quedando así las cosas, cuando el filtrado se realiza a presión constante ΔP es un parámetro más, como lo son α, la resistencia específica del filtro, W es la masa de sólidos suspendidos en el lodo, y μ es la viscosidad cinemática, en N-s/m2 y r es la resistencia del medio filtrante.

Como yo he escogido la nomenclatura de (Earle, 1983) la anterior fórmula se maneja, con los símbolos del autor citado, de la siguiente manera.

Ecuacion II

Como escogí que la resistencia del medio filtrante sea cero, entonces en mí artículo, la velocidad de filtración de un proceso a ΔP constante se representaría de la siguiente forma.

Ecuacion III

Donde W representar la masa total de sólidos en el lodo, que es igual a la concentración de sólidos w (símbolo algébrico en minúscula) multiplicado por el volumen de lodo filtrado,

Ecuacion IV

Si se combinan las dos expresiones obtiene la siguiente ecuación:

Ecuacion V

De la expresion anterior se puede escribir la ecuación que permite calcular la velocidad de filtración en modalidad de filtración a presión constante, que es la siguiente.

Ecuacion VI

Lo que quiere decir que, a presión constante la velocidad varía, y que depende del valor de la caída de presión impuesta por el operador y limitada por el fabricante del equipo.

Filtración a velocidad constante

Si se utiliza la ecuación de Carmán se obtiene la expresión diferencial para la caída de presión en filtración a velocidad constante, que es la siguiente.

Ecuacion VII

La misma que, una vez que se efectúan las integraciones, queda como se muestra a continuación.

Ecuacion VIII

Cálculos comunes a ambas modalidades

Hay cálculos que se deben realizar de igual manera, sin que la modalidad de operación tenga que ver con ello, y son: el volumen filtrado, y y el espesor del cake o torta, que al final es el parámetro que determina la duración de la filtración.

Las expresiones para esto son las que siguen.

Volumen filtrado

El volumen filtrado se representa por medio de la siguiente expresión.

Ecuaccion IX

Masa de la torta o cake

La actualización de la masa de torta se reduce a un balance de masa de los sólidos que se van depositando sobre el medio filtrante, que se puede representar por medio de las dos expresiones siguientes donde  es la porosidad del cake o torta.

Ecuacion X

De donde la expresión para Lc puede expresarse de la siguiente manera:

EcuacionXI

La simulación del filtro prensa

La simulación del filtro prensa viene a cuento a raíz de una investigación que estoy haciendo sobre la digestión de excremento de pollos por medio de bacterias liofilizadas mezcladas con enzimas. Las enzimas segmentan el sustrato para que éste pueda pasar a través de las membranas celulares de las bacterias y éstas lo metabolicen.

En el argot de aquellos que usan el excremento como abono, éste se conoce como “gallinaza”, y consiste de una mezcla del excremento propiamente dicho con virutas de madera y cascarilla de arroz, mezcla que hace que la operación manual de recolección se facilite debido a la gomosidad del excremento, que es la reesponsable de la adherencia de éste a las virutas y a la cascarilla, sustancias con las que forma una sola masa macrocópicamente heterogénea.

Esta mezcla, que es fácil de recolectar, se convierte en su estado original en un obstáculo para la para la digestión bacteriana, porque las enzimas digieren con menos facilidad la madera y la cascarilla, que es fibrosa; y porque el análisis de los sólidos digeridos, se dificulta mucho, como me di cuenta cuando, al principio, quise digerir la mezcla en su totalidad (excremento, viruta, y cascarilla); y porque, además, las virutas y la cascarilla constituyen aproximadamente un ochenta por ciento de la mezcla.

Entendido esto me di cuenta que debía utilizar filtración para separar los sólidos, de manera de poder aprovechar más eficientemente las enzimas sólo para la digestión del excremento.

También me di cuenta de que después de la digestión debía separar los sólidos no digeribles, también por filtración.

Fue entonces que debí ponerme a aprender los que es un filtro prensa, y cómo se maneja, a más de aquilatar la importancia de la profundidad de las cámaras, que son las que le dan la capacidad al filtro, ya que una vez que estas se llenan con torta explotarían si inadvertidamente se excede su capacidad, como sucedería si se quisiera seguir filtrando.

La profundidad de las cámaras, la superficie total de filtración, y el modo de operación (a velocidad constante o a presión constante, o mixto (George Granger Brown and Associates, 1950)) tienen, evidentemente, importancia superlativa para la especificación de un filtro, así como las tienen las propiedades fisicoquímicas del filtrado como la viscosidad, por ejemplo y la porosidad de la torta o “cake” que se forma sobre el medio filtrante.

De todas estas lucubraciones nació la idea de simular un filtro prensa, porque si no se dispone del equipo, la mejor manera de adquirir alguna idea de cómo funciona y de los parámetros de operación que son importantes, es la experimentación virtual, o simulación, ya que no conlleva riesgos de mojarse (como le ocurrió a una estudiante hace años, cuando visitabamos una empresa) si al operador se le va la mano en la presión o se olvida de cerrar la válvula de alimentación cuando el filtro está lleno; ni de incurrir en costos, porque el “equipo” sólo existe en la memoria del computador.

Para los fines consiguientes simulé la operación del filtro tanto a presión constante como a velocidad constante, lo que me permito mostrar a continuación.

Operación a presión constante

A continuación muestro la interface de usuario de la operación a presión constante.

PRIMERA INTERFASE USUARIO

 

Figura 1. Interface de usuario para operación a presión constante

FIGURA2

Figura 2. Filtración a presión constante

FIGURA 3

Figura 3. Operación a presión constante

FIGURA 4

Figura 4. Filtración a presión constante

Como se puede ver de la gráfica anterior, la “presión constante” que en este caso fue de 50 kPa, produce una velocidad de filtración constante haccia el término de la filtración, que se evidencia en el quiebre de la curva de volumen de filtrado.

Filtrado a velocidad constante

A continuación se presenta un ejemplo de filtración a velocidad constante utilizando el mismo programa, que sirve para ilustrar las dos modalidades. Lo primero que puede observarse es que los parámetros de impresión deben cambiar en función de los diferentes tiempos de ejecución de las dos modalidades de operación.

Segunda Interface de usuario

Figura 5. Interfase de usuario para operación a velocidad constante

Figura6

Figura 6. Filtrado a velocidad constante

Figura7

Figura 7. Filtrado a velocidad constante

Figura8

Figura 8. Filtrado a velocidad constante

Datos de filtración de Brown (George Granger Brown and Associates, 1950)

Los gráficos que siguen corresponden a la tabulación de los datos de operación de un filtro real, que presenta Brown, en su excelente libro Unit Operations  al que hube de imponerle un área para poder establecer la velocidad del filtrado.  El autor citado no proporciona más datos que una escueta tabla. No se conocen ni la profundidad de las cámaras, pero sí se advierte que es un filtro que opera a 25º kPa.

Obsérvese el quiebre en la gráfica de la presión, que se debe, en mi opinión, a que la filtración comienza cuando se abre una válvula para dejar pasar el lodo hacia el filtro, y a que deben llenarse todas las cámaras del filtro (y formarse la torta contra la superficie filtrante del marco) antes que la filtración propiamente dicha comience. Pienso que ésta es la razón por la que entre tiempo igual a cero y tiempo igual a un minuto el autor no consigna datos, que los he asumido como ceros.

Decidí colocar estos datos reales que datan de antes de 1950, que es el año de la primera impresión del libro, porque me pareció que había que darle algún viso de realidad, y de comparación. a la simulación, y porque –cosa rara- no encontré otro ejemplo en los otros libros de que dispongo, que no son muchos, y porque probablemente no busqué con suficiente acuciosidad.

La duración de una filtración depende de la velocidad a la que se pasa el lodo, de la presión a la que se pasa, y de las especificaciones del filtro

En un principio pensé en hacer algunos cambios a los parámetros de operación de “mi” filtro para obtener datos que se pudiesen comparar con los de Brown, pero luego desistí de ello. Sin embargo creo que aprendí mucho, porue la difeerencia entre “mucho” y “nada” es infinita.

Figura9

Figura 9. Datos de un filtro real elaborados a partir de un problema de Brown

Código del programa

A continuación he pegado el código del programa, para todo aquél que desee implementarlo.

Option Explicit

Dim epsilon, So, k1, nnu, v, Rop, Deltat, Deltap, w, Lc, P, epsilonv, epsilonn, PB, Tiempo As Double

Dim Deltaprint, Inc, Vol_Filtrado, Dp, r As Double

Dim N, Fila As Integer

Dim A, B, C, D, E, FF, Modo_filtracion As String

 

Sub filtro()

epsilon = Worksheets(“Hoja1”).Cells(2, 3)

‘epsilon = epsilonv

So = Worksheets(“Hoja1”).Cells(3, 3)

k1 = Worksheets(“Hoja1”).Cells(4, 3)

nnu = Worksheets(“Hoja1”).Cells(5, 3)

v = Worksheets(“Hoja1”).Cells(6, 3)

Rop = Worksheets(“Hoja1”).Cells(7, 3)

Deltat = Worksheets(“Hoja1”).Cells(8, 3)

w = Worksheets(“Hoja1”).Cells(9, 3)

Lc = Worksheets(“Hoja1”).Cells(10, 3)

PB = Worksheets(“Hoja1”).Cells(11, 3)

Deltaprint = Worksheets(“Hoja1”).Cells(12, 3)

Inc = Worksheets(“Hoja1”).Cells(13, 3)

A = Worksheets(“Hoja1”).Cells(14, 3)

Deltap = Worksheets(“Hoja1”).Cells(16, 3)

r = Worksheets(“Hoja1”).Cells(17, 3)

Modo_filtracion = Worksheets(“Hoja1”).Cells(15, 3)

If Modo_filtracion = “Dp constante” Then

 

Else

Deltap = 0

End If

 

Worksheets(“Hoja1”).Range(“a20:f5000”).Clear

Fila = 20: Tiempo = 0: Vol_Filtrado = 0

If Modo_filtracion = “v constante” Then

Call velocidad_constante

Call Escritura_de_Titulos(Fila, “Tiempo,s”, “Lc,m”, “Volumen Filtrado,m3”, “DeltaP, Pa”, “v,m/s”)

Else

Call presion_constante

Call Escritura_de_Titulos(Fila, “Tiempo,s”, “Lc,m”, “Volumen Filtrado,m3”, “DeltaP, kPa”, “v,m/s”)

End If

 

Do

 

Tiempo = Tiempo + Deltat

Call Volumen(v, A, Vol_Filtrado, Deltat)

If Modo_filtracion = “v constante” Then

 

Call Caida_de_Presion(w, r, nnu, Vol_Filtrado, Deltap, Tiempo, A)

 

 

Else ‘Const Press. Filtration, Earle

v = (Deltap * A) / (nnu * Vol_Filtrado * w * r) ‘ Earle, Unit Operations in Food Processing Const. Press. Filtration

‘ Eq 10-12

End If

 

Call Actualizacion_Lc(Vol_Filtrado, w, Lc, Deltat, epsilon, A, Rop)

 

If Tiempo = Deltat Xor Tiempo >= Deltaprint Then

Call Escritura_de_Resultados(Fila, Tiempo, Lc, Inc, Deltaprint, Deltap, v, Vol_Filtrado)

End If

 

Loop While Lc <= PB

End Sub

 

Sub Caida_de_Presion(w, r, nnu, Vol_Filtrado, Deltap, Tiempo, A)

Deltap = (Vol_Filtrado ^ 2 * nnu * w * r) / (2 * A ^ 2 * Tiempo)

 

End Sub

Sub Actualizacion_Lc(Vol_Filtrado, w, Lc, Deltat, epsilon, A, Rop)

Lc = ((w * Vol_Filtrado) / (A * (1 – epsilon) * Rop))

End Sub

Sub Escritura_de_Titulos(Fila, A, B, C, D, E)

Worksheets(“Hoja1”).Cells(Fila, 1) = A

Worksheets(“Hoja1”).Cells(Fila, 2) = B

Worksheets(“Hoja1”).Cells(Fila, 3) = C

Worksheets(“Hoja1”).Cells(Fila, 4) = D

Worksheets(“Hoja1”).Cells(Fila, 5) = E

‘Worksheets(“Hoja1”).Cells(Fila, 6) = FF

Fila = Fila + 1

End Sub

Sub Escritura_de_Resultados(Fila, Tiempo, Lc, Inc, Deltaprint, Deltap, v, Vol_Filtrado)

Worksheets(“Hoja1”).Cells(Fila, 1) = Tiempo

Worksheets(“Hoja1”).Cells(Fila, 2) = Lc

Worksheets(“Hoja1”).Cells(Fila, 3) = Vol_Filtrado

Worksheets(“Hoja1”).Cells(Fila, 4) = Deltap / 1000 ‘kPa

Worksheets(“Hoja1”).Cells(Fila, 5) = v ‘m/s

‘Worksheets(“Hoja1”).Cells(Fila, 6) = Vol_Filtrado ‘m^3

Fila = Fila + 1

Deltaprint = Deltaprint + Inc

End Sub

Sub Volumen(v, A, Vol_Filtrado, Deltat)

Vol_Filtrado = Vol_Filtrado + (v * A) * Deltat

End Sub

Comentarios generales

Como comentarios me parece que hay que resaltar que se debe utilizar una bomba de desplazamiento positivo capaz de presiones considerables. Es también imprescindible hacer algunas pruebas porque colocar un valor de viscosidad en una interface de usuario es relativamente fácil, pero medir la viscosidad de una mezcla como la que menciono al principio de éste artículo es una cosa que, por el momento, no me imagino como hacer.

Se debe así mismo llevar a cabo un análisis financiero para determinar cuál habría de ser la duración de los ciclos de filtrado versus los ciclos de desarme y lavado, ya que la duración de los primeros debe ser más larga que la duración de los últimos, y –de nuevo- eso tiene que ver con todas las variable y parámetros que antes mencioné.

Otro libro que es importantísimo, y que se encuentra en la Internet es el del Profesor Earle (Earle, s.f.).

En general, investigando el asunto me i cuenta que la bibliografía es muy dispersa y los enfoques también, y que –como en todo- todos son iguales, pero hay algunos más iguales que otros.

Trabajos Citados

Earle. (s.f.). Unit Operations in Food Processing . Recuperado el 22 de June de 2017, de nzifst.org.nz

George Granger Brown and Associates. (1950). Unit Operations (Seveth printing, February, 1960 ed.). (o. W. Sons, Ed.) New York, New York, U.S.A.: John Wiley & Sons.

 

 

 

Acerca de

Professor of modeling and simulation, and process design at Escuela Politécnica Nacional, in Quito, Ecuador. . In the past I was a P4, P5, and D1 at the Organization for the Prohibition of Chemical Weapons, located in the Kingdom pf the Netherlands

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