Filtros de tela

Los filtros son materiales porosos a través de los cuales se hace pasar una corriente gaseosa cargada de partículas, que quedarán retenidas en el filtro. La mayoría de los filtros de tela tienen un tamaño de poro bastante grande en relación con las partículas que se quieren eliminar, pero el poder de filtración radica en la acumulación de partículas en la superficie del filtro, que forma una torta que colabora fuertemente en el poder de retención de partículas. Alcanzado cierto límite de volumen de las tortas, la pérdida de presión son elevadas, lo que motiva que los filtros tengan sistemas de limpieza periódica depositando la torta formada en una tolva. Habitualmente la limpieza requiere de una parada del sistema o al menos del compartimento en limpieza. Con este tipo de equipos pueden conseguirse rendimientos mayores del 99% independientemente de las características de gas, haciendo posible la separación de partículas de un tamaño del orden de 0.01 micras. Sus limitantes son la temperatura y la humedad; ya que no pueden manejar flujos a más de 200 °C (dependiendo del material) y deben estar totalmente secos, de lo contrario se queman las bolsas o se apelmaza el polvo y tapan las bolsas.

Una unidad de filtro de tela consiste de uno o más compartimientos aislados conteniendo hileras de bolsas de tela, en la forma de tubos redondos, planos o de cartuchos plisados. El gas cargado de partículas pasa generalmente a lo largo del área de las bolsas y luego a través de la tela. Las partículas son retenidas en la cara de las bolsas corriente arriba y el gas limpio es ventilado hacia la atmósfera. La mayor parte de la energía utilizada para operar el sistema aparece como caída de presión a través de las bolsas, y de las partes y conductos asociados. Los valores típicos de la caída de presión del sistema varía desde cerca de120 hasta 500 milímetros de agua. Las variables importantes del proceso incluyen las características de la partícula, las características del gas y las propiedades de la tela. El parámetro de diseño más importante es la relación aire a tela (el flujo volumétrico de gas en relación con la superficie de tela), y el parámetro de operación de interés por lo general es la caída de presión a través del sistema de filtro. La característica de operación principal de los filtros de tela que los distingue de otros filtros de gas es la capacidad de renovar la superficie de filtración periódicamente por medio de limpiezas, sin tener que desecharlos cada vez que se ha alcanzado una importante acumulación de polvo.

Propiedades de los principales materiales de tela
Tela	Temperatura (ºC)	Resistencia al ácido	Resistencia a las bases	Abrasion Flex
Algodón	82	Deficiente	Muy Buena	Muy Buena
Creslan	121	Buena en ácidos minerales	Buena en base débil	Buena a Muy Buena
Dacron	135	Buena en la mayoría de los ácidos minerales, se disuelve parcialmente en H₂SO₄ concentrado	Buena en base débil, Mediana en base fuerte	Muy Buena
Dynel	71	Poco efecto aún en concentración alta	Poco efecto aún en concentración alta	Mediana a Buena
Fiberglas	260	Mediana a Buena	Mediana a Buena	Mediana
Filtron	130	Buena a Excelente	Buena	Buena a Muy Buena
Membrana de	Depende del forro	Depende del forro	Depende del forro	Mediana
Nextel	760	Muy buena	Buena	Buena
Nomex	190	Mediana	Excelente a temperatura baja	Excelente
Nylon	93	Mediana	Excelente	Excelente
Orlon	126	Buena a Excelente en ácidos minerales	Mediana a Buena en bases débiles	Buena
P84	246	Buena	Buena	Buena
Polipropileno	93	Excelente	Excelente	Excelente
Ryton	190	Excelente	Excelente	Buena
Teflón	232	Inerte excepto al fluoro	Inerte excepto al trifluoruro, el cloro y los metales alcalinos derretidos	Mediana
Lana	93	Muy buena	Deficiente	Mediana a Buena
Fibra de vidrio	550	muy buena en concentraciones moderadas	muy buena en concentraciones moderadas	Mediana

Tipos de filtros de tela en función del método de limpieza empleado: Para cualquier tipo de limpieza, debe aplicarse a la tela la energía suficiente para superar las fuerzas de adhesión que sostiene el polvo en la bolsa, provocando así el desprendimiento de la torta de polvo formada.

Limpieza por agitación. La bolsa se instala sujetada por una estructura que oscila provocando una onda sinusoidal en la tela que dotará a la torta de la suficiente energía para desprenderse del filtro. Puede tratarse de un método manual, o de un sistema automatizado, que mediante sensores de pérdida de presión, activará el mecanismo automáticamente cuando se alcanza el límite de pérdida tolerable.

Limpieza con aire a la inversa. Para materiales de las bolsas más delicados o frágiles la limpieza por agitación es muy agresiva, por lo que se desarrolla este método que proporciona la energía para la limpieza de una manera menos agresiva. Con este método el flujo de aire sucio es interrumpido, y mediante un ventilador adicional, se proporciona un flujo limpio en sentido inverso, con la misma o mayor relación gas a tela que el aire sucio. De esta manera las bolsas se pliegan suavemente desprendiendo la torta. Con este sistema las bolsas deben tener refuerzos en forma de anillos y tapas metálicas que eviten el colapso.

Limpieza con aire comprimido. Se usa un golpe de aire que desciende a través de la bolsa expandiéndola violentamente. Esta configuración permite operar en continuo (sin parada del sistema para la limpieza) y el uso de menos cantidad de tela (relación gas a tela mayor), aunque por contra las pérdidas de presión son mayores, aumentando los costos de operación. El pulso se opone e interrumpe el flujo de aire hacia adelante durante únicamente unas pocas décimas de segundo. Esta acción tiene la desventaja de inhibir la caída del polvo sobre la tolva, pero tiene la ventaja de reformar rápidamente la plasta de polvo que proporciona la recolección eficiente de las partículas.

Filtros enjaulados. Las bolsas son montadas sobre jaulas de alambre para prevenir su colapso mientras el gas polvoriento fluye desde el exterior de la bolsa al interior durante la filtración. En vez de unir ambos extremos de la bolsa a la estructura de la casa de bolsas, en ensamble de bolsa y jaula es por lo general fijada sólo en la parte superior. La parte inferior del ensamble tiende a moverse en el flujo de gas turbulento durante la filtración y puede frotar otras bolsas, lo cual acelera el desgaste.

Filtros de cartucho. Para aumentar la superficie de filtro por unidad de volumen de la casa de bolsas se usan medios de filtración finamente plisados y sostenidos por medio de una estructura de alambre. Un cartucho típico contiene un núcleo interior de soportes rodeado por el medio de filtración plisado y la malla exterior de soporte, mantienen un lado abierto, y otro cerrado mediante una tapa. El cartucho es mantenido firmemente en su lugar contra una placa de montaje que rodea el agujero que lo conecta al pleno de aire limpio. El medio filtrante puede contener entre 5 y 15 pliegues por cada 2,5 cm según las condiciones del material filtrante y de las características del polvo, y la profundidad de cada pliegue está entre los 2,5 y 7,5 cm.

Esquema de un equipo filtrante (filtro y elementos auxiliares)

Diseño de un filtro de bolsas. La clave para diseñar una casa de bolsas es determinar la velocidad superficial que produce el equilibrio óptimo entre la caída de presión y el tamaño de la casa de bolsas. El tamaño de la casa de bolsas se reduce a medida que la velocidad superficial (o relación de gas-tela) aumenta. Sin embargo, las relaciones gas-tela más altas causan mayores caídas de presión. El procedimiento de diseño requiere estimar una relación de gas a tela que es compatible con la selección de la tela y el tipo de limpieza. La selección de la tela con respecto a la composición depende de las características del gas y del polvo; la selección de la tela con respecto a la construcción (tejidas o de felpa) depende en gran medida del tipo de limpieza.

Filtros con agitador y con aire a la inversa.

Primero, la meta del diseño para una caída de presión promedio debe ser especificada junto con la velocidad de flujo de gas total y otros parámetros, tales como Se y K2 (obtenidas ya sea en el campo o por mediciones de laboratorio).

Segundo, se supone una velocidad superficial y el número de compartimientos en la casa de bolsas es calculado basándose en el flujo de gas total, la velocidad superficial (relación gas-tela), el tamaño de la bolsa, y el número de bolsas por compartimiento (Los compartimientos típicos en la industria eléctrica de los Estados Unidos usan bolsas de 30cm de diámetro por 1m de longitud con 400 bolsas por compartimiento). La práctica estándar es diseñar una casa de bolsas para alcanzar la caída de presión especificada cuando un compartimiento se encuentra fuera de línea para su mantenimiento.

El tercer paso es especificar las características de operación de la casa de bolsas (o sea, el período de filtración, el período de limpieza, y el mecanismo de limpieza).

Cuarto, el diseñador debe especificar la eficiencia de limpieza para que la carga residual de polvo pueda ser estimada.

Finalmente, el diseño de casa de bolsas especificado se usa para establecer los detalles para las ecuaciones de caída de presión y velocidad promedio, los que enseguida son resueltos numéricamente para establecer la caída de presión como función del tiempo. La caída de presión es calculada a continuación integrando la caída de presión instantánea durante el ciclo de filtración y dividiendo entre el tiempo del ciclo. Si el promedio calculado es más alto que la especificación de diseño, la velocidad superficial debe ser reducida y se debe repetir el procedimiento. Si la caída de presión promedio calculada es significantemente más baja que la especificación de diseño, la casa de bolsas propuesta se sobrepasaría de tamaño, aumentando la velocidad superficial y repitiendo el procedimiento. Cuando el promedio calculado se acerca lo suficiente al valor especificado supuesto, se ha determinado el diseño:

Caída de presión con en función de la velocidad superficial (relación gas-tela):

Caída de presión a través del filtro en función del tiempo (mmH₂O)

velocidad superficial promedio (m/s)

Velocidad superficial a través del área j del compartimiento i (m/s)

Arrastre del sistema en función del tiempo [mmH₂O/(m/s)]. Éste parámetro es función de la cantidad de polvo recolectado sobre las bolsas.

Arrastre de una bolsa de filtración libre de polvo

Resistencia de la torta al flujo {[mmH₂O/(m/s)]/(g/m²)}

Número de superficies de igual tamaño dentro del compartimento i

Número de compartimentos

Masa de polvo por undad superficial j en el compartimiento i (g/m²)

Masa de polvo que resta sobre la superficie de una bolsa tras es periodo de limpieza (g/m²)

Concentración de polvo en el gas de entrada (g/m³)

La relación gas-tela y la pérdida de presión no están directamente relacionados, con lo que para resolver las ecuaciones hay que empezar con un objetivo conocido y realizar ensayos de prueba y error: para la caída de presión promedio, proponer un diseño de casa de bolsas (número de compartimientos, duración del período de filtración, etc.), suponer una velocidad superficial que produzca esa caída de presión y resuelva el sistema de ecuaciones de caída de presión y velocidad promedio para verificar que la caída de presión calculada es igual a la caída de presión fijada como objetivo. Si no resulta así, repítase el procedimiento con parámetros nuevos hasta que la velocidad produzca una caída de presión promedio que sea suficientemente cercana a la especificación de diseño.

Alternativa para el cálculo de caída de presión máxima:

Arrastre de una bolsa de filtración libre de polvo

Resistencia de la torta al flujo {[mmH₂O/(m/s)]/(g/m²)}

Concentración de polvo en el gas de entrada (g/m³)

Tiempo de filtración

Filtros de bolsas de aire comprimido.

El primer paso es especificar la caída de presión promedio deseada para el tubo-lámina. (Método de Dennis y Klemm)

Arrastre de una bolsa de filtración libre de polvo

Arrastre de un filtro recién limpiado

Resistencia específica del polvo reciclado (el que tras el pulso de aire de limpieza se reincorpora a la bolsa)

Densidad superficial del polvo reciclado

Resistencia específica del polvo recién depositado

Densidad superficial del polvo recién depositado

Velocidad de filtración

Segundo, las características de la casa de bolsas deben ser establecidas (por ejemplo, el tiempo en línea, la energía de limpieza), de las que dependerá el valor de algunas de las constantes.

Tercero, el diseñador debe obtener valores para los coeficientes Se, (K₂)c, y Wc proveniente del campo, la planta piloto o las mediciones de laboratorio.

Cuarto, se estima un valor para la velocidad superficial y la ecuación apropiada se resuelve para la caída de presión como función de tiempo para la duración del ciclo de filtración.

Esta información se usa para calcular la caída de presión promedio del ciclo. Si la caída de presión resulta igual a la caída de presión especificada, el procedimiento termina. Si no es así, el diseñador debe ajustar la velocidad superficial y repetir el procedimiento.