Antes de analizar los factores que determinan los porcentajes de humedad y de concentración de sólidos de los residuos de filtración del filtro de prensa, veamos cómo se forman los residuos de filtración a partir de la pulpa.
Una pulpa es una mezcla de partículas sólidas suspendidas en un líquido. Por lo general, las pulpas de minerales y áridos están formadas por partículas suspendidas en agua.
Cuando las partículas sólidas de una pulpa se separan del agua, se puede formar un residuo sólido. La concentración de agua y sólidos en la pulpa o en los residuos desaguados se puede describir como el porcentaje de concentración de sólidos o el porcentaje de humedad, tal como se muestra a continuación.
La relación existente entre el porcentaje de concentración de sólidos y el porcentaje de humedad se describe en la siguiente ecuación simple:
Si se conoce uno de estos porcentajes, es muy sencillo calcular el otro.
Cómo medir la concentración de una pulpa o un residuo
Una forma fácil de medir la concentración del material de la pulpa o el residuo es secando una muestra en un horno con un aporte de calor suficiente para evaporar toda la humedad. El procedimiento es bastante simple y consta de los siguientes pasos:
- Pese un recipiente de secado vacío en una balanza.
- Pese la muestra húmeda en una balanza.
- Seque la muestra en un horno.
- Pese la muestra seca en una balanza y, luego, vuelva a colocar la muestra en el horno.
- Siga secando la muestra y controlando el peso seco del material hasta que este deje de perder peso.
- Calcule el peso húmedo y el peso seco de la muestra restando a cada peso total el peso del recipiente.
- Para calcular la concentración de sólidos, utilice la siguiente fórmula: Peso seco de la muestra÷ Peso húmedo de la muestra x 100 = Porcentaje de concentración de sólidos.
- Para calcular el porcentaje de humedad, utilice la siguiente fórmula: 100 % - Porcentaje de concentración de sólidos = Porcentaje de humedad.
A los efectos de este análisis, suponemos que el líquido presente en las mezclas de pulpa es el agua.
Los filtros de prensa desaguan el material de pulpa en residuos sin goteo (tal como se muestra más arriba).
Principales factores que influyen sobre los porcentajes de humedad y de concentración de sólidos de los residuos de filtración del filtro de prensa
La cantidad de líquido que se puede separar de una pulpa para crear un residuo de filtración desaguado por medio de un filtro de prensa de placas empotradas/de membranas estará determinada por distintos factores. Entre los factores principales, podemos mencionar los siguientes:
- Distribución del tamaño de partículas del material (PSD),
- Composición del material,
- Presión de alimentación del filtro de prensa,
- Tiempo de filtrado del filtro de prensa,
- Desaguado adicional por medio del secado de los residuos y la compresión de la membrana
Distribución del tamaño y forma de las partículas del material
Las partículas de minerales y áridos que conforman cualquier tipo de pulpa revisten diversos tamaños y formas. Para determinar la cantidad de partículas de distintos tamaños se efectúan mediciones del tamaño de las partículas. Las formas de las partículas se pueden evaluar visualmente con el fin de determinar su redondez, planitud o irregularidad.
En general, los materiales compuestos por partículas gruesas con formas redondas uniformes o irregulares se desaguan con mayor facilidad. Las partículas gruesas suelen tener más espacios vacíos entre sí, lo que permite que el agua fluya más libremente entre ellas. Del mismo modo, las partículas redondas o irregulares tienden a crear un mayor espacio vacío entre ellas y, por lo tanto, son más fáciles de desaguar.
Para graficarlo, imagine que vierte agua en un frasco de vidrio con un puñado de canicas comprimidas. El agua fluirá rápidamente entre las canicas hasta llenar el frasco. Asimismo, al drenar el agua del frasco de canicas, esta saldrá rápidamente del recipiente y quedará muy poca agua en el frasco.
Por el contrario, los materiales compuestos por partículas más finas con formas planas o uniformes son más difíciles de desaguar. Los materiales compuestos por partículas finas, en especial si estas revisten formas planas o uniformes, pueden compactarse firmemente al eliminar el agua y, en consecuencia, limitar la generación de espacios vacíos que permitan el flujo del agua entre las partículas.
Cuando se agrega agua en un frasco lleno de partículas de arena fina, el frasco demora mucho tiempo en llenarse debido a que el agua debe penetrar por todos los pequeños espacios existentes entre las partículas. Si luego se intenta retirar el agua del frasco, solo una escasa cantidad de agua fluirá libremente dada la reducción del espacio existente entre las partículas.
En mayor o menor grado, siempre una fina capa de agua tiende a adherirse a la superficie de cualquier tipo de partícula. Para un determinado volumen de partículas, las partículas finas ofrecerán una superficie significativamente más amplia y una retención de humedad comparativamente mayor que las partículas más grandes.
Composición del material
Las distintas composiciones de los materiales pueden afectar la cantidad de agua que se puede extraer de una pulpa utilizando una tecnología de desaguado con filtros de prensa de placa. Según su composición, las superficies de cualquier tipo de partículas suelen exhibir algún nivel de hidrofobia (repelencia al agua) o hidrofilia (adherencia al agua).
Por ejemplo, las partículas de carbón tienden a repeler el agua y, por consiguiente, es más fácil desaguarlas y disminuir su porcentaje de humedad.
Residuos de filtración desaguados a partir de residuos de carbón.
Por otra parte, las partículas de arcilla tienden a ser más hidrofílicas (afines al agua), lo cual dificulta mucho más su desaguado. Los materiales orgánicos tienden a ser mucho más difíciles de desaguar porque suelen tener moléculas de agua químicamente adheridas a su estructura. Esto torna casi imposible su desaguado por métodos mecánicos. Muchas pulpas naturales de minerales y áridos contienen materiales orgánicos, lo cual puede incidir en la cantidad de agua que se puede extraer a través de un filtro de prensa de placas.
Presión de alimentación del filtro de prensa
Los filtros de prensa de placas de membrana o placas empotradas están diseñados para funcionar hasta una determinada presión de alimentación de pulpa. Por lo general, cuanto mayor sea la presión de alimentación de pulpa, mayor será la velocidad de desaguado y, en consecuencia, menor será el porcentaje de humedad de los residuos.
Hoy en día, la mayoría de los filtros de prensa están diseñados para baja presión (presión de alimentación de pulpa máxima de 100 psi) o alta presión (presión de alimentación de pulpa máxima de 225 psi). Para trabajar con materiales muy difíciles de desaguar, se han diseñado filtros de prensa de muy alta presión que admiten presiones de alimentación de 500 psi o superiores.
Tiempo de alimentación del filtro de prensa
Los filtros de prensa de placa funcionan por lotes y no de forma continua. La humedad final de los residuos depende directamente del tiempo de filtrado. Sin embargo, la velocidad de desaguado del filtro de prensa cambia drásticamente una vez concluido el ciclo de filtración.
Al inicio de la etapa de filtración del filtro de prensa, la pulpa se bombea rápidamente entre los espacios vacíos de las placas de filtrado empotradas. Los sólidos suspendidos en la pulpa quedan capturados en las telas filtrantes unidas a las superficies de las placas.
A medida que el material de residuos de filtración se desagua, las placas de filtrado se llenan de materiales sólidos que provienen de la superficie de las telas y se acumulan como residuos, lo que dificulta aun más el proceso de desaguado.
En la siguiente tabla, se muestra un modelo de curva de desaguado donde se grafica la humedad de los residuos en función del tiempo transcurrido. Las velocidades iniciales de desaguado son muy elevadas, pero estos índices descienden rápidamente a medida que el material de los residuos de filtración comienza a acumularse en las telas filtrantes.
Durante algún tiempo, la velocidad de desaguado mantiene un ritmo razonable. Pero luego el índice se torna muy lento y el porcentaje de reducción de humedad registra incrementos muy leves en plazos muy prolongados. Una vez alcanzada la menor velocidad de desaguado, la filtración se interrumpe en un nivel aceptable a fin de descargar los residuos y permitir el inicio de un nuevo ciclo.
Desaguado adicional por medio del secado de los residuos y la compresión de la membrana
Una vez finalizado el período de filtrado, pueden seguirse dos pasos adicionales para reducir aun más el porcentaje de humedad de los residuos de filtración:
- Secado de los residuos
- Compresión de la membrana
Estos dos pasos tienen lugar cuando se detiene la bomba de alimentación de pulpa. Por lo tanto, la velocidad de producción del filtro de prensa para el resto del ciclo por lotes es igual a cero.
Secado de los residuos
El secado de los residuos consiste en la introducción de aire comprimido a través de los residuos, mientras estos permanecen atascados entre las placas de filtrado. La tubería de descarga de filtrado del extremo superior se utiliza para impulsar el ingreso del aire comprimido desde el sector superior de las placas de filtrado. El aire comprimido se dirige en forma descendente a través del material de los residuos, forzando la salida de la humedad remanente a través de las tuberías de descarga del extremo inferior. Las placas de filtrado están configuradas con puertos de secado de residuos especiales que fuerzan el paso del aire comprimido por los residuos antes de permitir su salida de las placas.
Tal como se observa en el ejemplo de desaguado que se muestra a continuación, la mayor parte de la humedad eliminada en el secado de residuos se extrae muy rápidamente al inicio del proceso. Luego, la reducción de la humedad se produce muy lentamente mientras continúa el suministro de aire comprimido a través de los residuos.
El secado de los residuos se suele utilizar cuando el material de los residuos es muy poroso y cuando se desea reducir al máximo el nivel de humedad de dichos residuos.
Compresión de la membrana
Al igual que en el paso de secado de los residuos, el paso de la compresión de la membrana se utiliza para eliminar más agua de los residuos de filtración que se hayan formado entre las placas de filtrado.
Las placas de membranas tienen superficies flexibles que se expanden al entrar en contacto con el agua o el aire comprimido. Las superficies expandidas de las placas comprimen los residuos y, de esta forma, se logra la expulsión de una mayor cantidad de agua.
El nivel de reducción de humedad que se puede alcanzar a través de este método depende directamente de la capacidad de compresión del material de los residuos. En líneas generales, cuanto mayor sea la capacidad de compresión del material, mayor será la humedad eliminada.
Una vez que se produce la compresión de la membrana, no es posible seguir reduciendo la humedad de los residuos aunque se prolongue el tiempo de compresión. A continuación, se muestra una curva de desaguado que ilustra un ejemplo de compresión de membrana.
La cantidad de líquido que puede extraerse de la pulpa depende en gran medida de las características intrínsecas del material sólido. Además, la presión y el tiempo de alimentación también influyen sobre los resultados del desaguado.
Además de los factores del proceso y el diseño, como la presión de alimentación y el tiempo de filtración, la incorporación de un paso de secado de residuos o compresión de membrana puede reducir aun más el porcentaje de humedad de los residuos de filtración.
