Diseño y desarrollo conceptual de un filtro prensa en una máquina para tratamiento de aguas residuales

1. UNIVERSIDAD JOSÉ ANTONIO PÁEZ
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA
NEUMÁTICA Y OLEOHIDRÁULICA
DISEÑO DE UN FILTRO PRENSA PARA AGUAS INDUSTRIALES
Profesor: Gruber Caraballo
Alumno: Federico Wiortt
San Diego, Septiembre de 2013

2. INDICE
DISEÑO DE UN FILTRO PRENSA PARA AGUAS INDUSTRIALES ................................................... 1
RESUMEN DE LA INVESTIGACIÓN ................................................................................................ 3
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................ 4
TEORIA DE FILTROS PRENSA......................................................................................................... 5
Ciclos de Filtración .................................................................................................................... 6
Especificaciones Técnicas.......................................................................................................... 7
Mecanismo de Cierre ................................................................................................................ 8
Sistema de Control.................................................................................................................... 8
Placas de Filtrado ...................................................................................................................... 9
Medio Filtrante.......................................................................................................................... 9
Cálculos de elementos del filtro prensa.................................................................................. 10
CONCLUSIÓN............................................................................................................................... 12

3. RESUMEN DE LA INVESTIGACIÓN
La necesidad de utilizar el agua tratada de planta de tratamiento de
aguas residuales , para la producción de detergente y jabón en la empresa
Alimentos Polar Comercial Planta Limpieza, hace necesaria la creación de
un proyecto que permita eliminar los sólidos presentes en el agua
después de haber sido tratada, por lo tanto, la idea es planificar el
desarrollo de un filtro prensa que cumpla dicho objetivo, de esta manera
minimizar la dependencia del agua de pozos profundos que se
encuentran en planta.
Para el cumplimiento del objetivo principal, se establecen las siguientes
etapas de investigación:
a. Levantamiento de información en el área donde se va a implementar
dicho filtro: Esta información se obtendrá de entrevistas a operadores y
supervisores y de la información que se encuentre en el departamento de
mantenimiento de la planta.
b. Diseño y cálculos de cada uno de los elementos del filtro prensa de
agua tratada.
c. Desarrollo por parte de la empresa de la estructura del filtro prensa de
agua tratada.
d. Pruebas a todo el sistema del filtro prensa de agua tratada.
e. puesta en marcha del filtro prensa.

4. INTRODUCCIÓN
En Alimentos Polar Planta Limpieza en poco tiempo será más costosa la
obtención de agua a través de la construcción de pozos profundos con
recursos propios de la empresa, debido a que el Ministerio del Ambiente,
tiene previsto decretar una resolución que establecerá el cobro del
recurso hídrico extraído mediante la perforación de pozos, por lo que
aumentaría los costos de la producción industrial de detergente y jabón.
Por lo tanto se ha decidido planificar los objetivos necesarios para el
diseño de un sistema de filtración de agua tratada, que permita eliminar
los sólidos presentes en el agua ya procesada por planta de tratamiento y
de esta manera poder utilizar el agua tratada (sin presencia de sólidos), en
los procesos de producción de jabón y detergente.
La presencia de sólidos en el agua tratada, hace imposible el uso de esta
agua en los procesos industriales de fabricación, por lo tanto esta idea es
factible por ser la más económica y de mayor vida útil a través del tiempo.
El diseño del filtro prensa requerido, se planteara en base a un filtro
prensa de mayor tamaño existente en planta de tratamiento de aguas
residuales industriales.

5. TEORIA DE FILTROS PRENSA.
Es un separador de líquidos y sólidos a través de filtración por presión.
Utiliza un método simple y confiable para lograr una alta compactación de
los lodos generados en plantas de tratamiento por sedimentación,
sistemas biológicos o sistemas físico-químico. Es capaz de comprimir y
deshidratar sólidos hasta obtener del 30% al 50% en peso de los lodos
compactados. Tiene una capacidad que va desde 0.5 a 300 pies cúbicos. Se
fabrica en acero al carbón
con recubrimiento de pintura epóxica de alta resistencia química o acero
inoxidable. Las placas filtrantes desmontables están hechas de
polipropileno, y las telas pueden ser de tipo sellada, no sellada o
membranas de alta resistencia. Cuenta con un sistema hidráulico-
neumático que puede ser automático, semiautomático o manual.
Las placas tienen una concavidad las que forman una cámara hermética
al juntarse con otra placa y ser presionadas a alta presión. Cada placa está
cubierta por la tela filtrante (medio filtrante), la que retiene los sólidos y
deja pasar el líquido contenido en el lodo (FILTRADO).
Cada placa cuenta con orificios centrales y orificios laterales. Por los
orificios centrales es alimentado el lodo a deshidratar y los laterales sirven
para evacuar el filtrado.
El lodo líquido es bombeado a las CAMARAS (A) rodeadas por telas
filtrantes (B). Al bombear la presión se incrementa y fuerza al lodo a
atravesar las telas, provocando que los sólidos se acumulen y formen una
“torta” seca (C). El PISTON (D) hidráulico empuja la PLACA de acero (E)
contra las PLACAS de polietileno (F) haciendo la prensa. El CABEZAL (G) y
el SOPORTE terminal (H) son sostenidos por rieles de las BARRAS de
soporte (I), diseñados especialmente.

6. El filtrado pasa a través de las telas y es dirigido hacia los canales de las
placas y orificios de drenado (J) del cabezal para descarga. Este filtrado
típicamente contendrá menos de 15 ppm (mg/l) en sólidos suspendidos.
La torta es fácilmente removida haciendo retroceder el pistón
neumático, relajando la presión y separando cada una de las placas, para
permitir que la “torta” compactada caiga desde la cámara.
Ciclos de Filtración
CICLO: Tiempo de llenado y compactación de lodo dentro de un Filtro
Prensa.
Este ciclo depende de las características de deshidratación de cada lodo,
así como del contenido de sólidos. Un alto contenido de sólidos reduce
este ciclo.
Los filtros de prensa son sistemas de deshidratación intermitente. Cada
operación de prensado supone los siguientes pasos:
1. Cierre de la prensa: cuando el filtro está totalmente vacío, la cabeza
móvil que es activado por el sistema hidráulico-neumático cierra las
placas. La presión de cierre es regulada mediante la filtración.
2. Llenado: Durante esta fase corta la cámara se llena con lodos para su
filtración. El tiempo de relleno depende del flujo de la bomba de
alimentación.
Para lodo con gran capacidad de filtración es mejor rellenar el filtro
rápidamente para evitar la formación de una pasta en la cámara primaria
antes de que se haya rellenado del todo.
3. Filtración: Una vez rellenada la cámara, la llegada de manera continua
de lodo a tratar para ser desaguado provoca un aumento de la presión
debido a la formación de una capa espesa de lodo en las membranas. Esta
fase de filtración puede reducirse de manera manual, mediante un
temporizador o un indicador del flujo que activa una alarma de parada
cuando se alcanza el final de la capacidad de filtración. Cuando se ha
parado la bomba de filtración, los circuitos de filtración y ductos centrales,
que están todavía rellenos de lodo se les aplica aire comprimido para su
purgado.
4. Apertura del filtro: La cabeza móvil se retira para desarmar la primera
cámara de filtración. La Torta cae por su propio peso. Un sistema
mecanizado tira de las placas una por una. La velocidad en la separación
de las placas puede ajustarse teniendo en cuenta la textura de la pasta.

7. 5. Limpieza: La limpieza de las membranas puede llevarse a cabo entre
15-30 operaciones del proceso. Para unidades largas o medias esto tienen
lugar en prensados usando spray de agua a altas presiones (80-100 bar).
La limpieza esta sincronizada con la separación de las placas.
Especificaciones Técnicas
FILTRO PRENSA.
El filtro descrito en esta propuesta consiste en un soporte de cabecera
posterior fijo, una unidad móvil para el desplazamiento y fijación de las
placas, un soporte anterior fijo y un par de barras de unión. El soporte de
cabecera posterior contiene una alimentación central para el lodo a filtrar
y salidas laterales a lo largo de cada lado del filtro para el líquido filtrado.
El soporte inferior sostiene el cilindro hidráulico de cierre y contiene el
sistema de bombeo hidráulico. Las barras laterales conectan los extremos
y soportan las placas de filtrado. La unidad móvil está montada en ruedas
guías soportadas por las barras laterales y es accionada por el cilindro
hidráulico.
Tamaño placa 37 x 37 pul
Espesor de torta 32 mm
Número de cámaras 41
Peso aproximado de
Placas: 15.6 kg
Entrada de agua:1 c/u, alimentación centrada 3” flange de cara plana
Descarga líquido: 4 c/u, 2” ½ descarga esquina
Servicio aire Intermitente: 100 psi
Presión de operación neumática: 80 psi
Rango de operación: 0 a 5000psi
Presión hidráulica de operación de trabajo: 3000 psi

8. Mecanismo de Cierre
• Un cilindro hidráulico montado en el extremo anterior, abre y cierra la
prensa y mantiene la presión durante el proceso de desaguado. Se
proveen las tuberías necesarias para la conexión al sistema de alta
presión hidráulico. Todos los componentes están diseñados para operar a
una presión de 5.000 psi.
• Una bomba hidráulica de accionamiento neumático permite el cierre
del sistema a una presión de 3000 psi. La presión se mantiene constante
durante el ciclo de desaguado compensando los cambios de presión y
temperatura que pueden contraer el conjunto de placas.
• Se provee un sistema para limitar la presión hidráulica a 3.000 psi.
• El aceite se almacena en un depósito integrado a la unidad hidráulica en
la parte inferior del lado anterior del equipo.
Sistema de Control
El panel de control del filtro prensa se monta debajo del soporte inferior
e incluye lo siguiente:
• Manómetro de presión neumática para el control de la bomba
hidráulica la válvula distribuidora de apertura y cierre del cilindro
hidráulico y la válvula de accionamiento de la bomba hidráulica.
• Manómetro de presión hidráulica, para el control de presión al interior
de las Cámaras del cilindro hidráulico (manómetro especial rango de 0 a
5000 psig. Conexión ¼”
• Válvula de cuatro vías 3 posiciones con actuador neumático rotatorio
para controlar el cilindro hidráulico. Conexión ¼”
•Válvula de 3 vías 2 posiciones para accionar la bomba hidráulica.
Conexión ¼”
• Válvula reguladora de presión, para ajustar el set point de presión del
cilindro hidráulico.
•Válvula check.
•Selector neumático de tres posiciones, para la apertura, parada y cierre
del cilindro hidráulico.

9. Placas de Filtrado
Las placas de filtrado son fabricadas en polipropileno, y son capaces de
formar una torta de lodo de espesor nominal de 32 mm. El espesor del
alma de la placa tiene un mínimo de 25 mm con superficie acanalada para
drenaje y equipada con conectores resistentes para estabilizar las cámaras
de filtrado contra diferencias de presión a lo largo de la prensa. La
superficie de filtración de las placas tendrá acanaladuras para proveer un
área de flujo por debajo del medio filtrante. Los pasos del flujo tendrán un
tamaño adecuado para permitir la operación uniforme sobre la superficie
de las placas.
Las placas filtrantes están construidas con drenajes superiores e
inferiores para permitir el uso efectivo de limpieza por aire y expeler
exceso de filtrado, antes de abrir la prensa.
Medio Filtrante
El material del medio filtrante es polipropileno hilado diseñado para
trabajo pesado. La adecuada resistencia de la tela filtrante provee una
larga vida útil capaz de superar los 1.000 ciclos con un cuidado normal de
operación.
Las telas están diseñadas para una capacidad de flujo de aire de 3-5 cfm.
La tela filtrante es resistente a soluciones ácidas.

10. Cálculos de capacidades de elementos del filtro prensa
Tomando en cuenta el manual del fabricante del filtro existente en planta
de tratamiento de aguas residuales (ver anexos), se pudo determinar, que
para una presión de entrada de fluido de sesenta (60) psi en el soporte
posterior fijo y cero (0) presión del lado del soporte anterior móvil
empujada por el vástago del cilindro oleo hidráulico, la fuerza resultante
sería de 138.240 libras. Con esta información aportada por el fabricante,
se puede proceder a calcular las capacidades de los elementos del filtro
prensa adicional que se necesita implementar en planta de tratamiento de
aguas residuales.
Cálculo de caudal de la bomba en función de la velocidad del cilindro,
asumiendo 1 minuto para el tiempo de extensión del cilindro.
Area8 = πr2= 50,27pul2
Area4 = πr2= 12,57pul2
DATOS A = (50,27 – 12,57)=37,7pul2
Carrera = 36” 1pie = 12” entonces 36” = 3pies
D camisa = 8” Por lo tanto la velocidad del cilindro es:
D vástago = 4” Vc=3pies/60seg = 0,05pie/seg
Usando la siguiente fórmula: pie/seg = gpm/3,117Xpul2
Gpm = 0,05x3,117x50,27 =7,83gpm (caudal bomba)
Presión de entrada del fluido= 60 psi.
Fuerza externa en la placa = 138240 lbs.

11. Presión de trabajo de cilindro oleohidráulico = Fuerza externa/Area8 =138.240lbs/50,27pul2
=2749,95psi.
Tiempo de ciclo. (tc)
tc= t1 + t2 y t1= 60 seg
Para calcular t2 necesitamos la velocidad de retroceso.
pie/seg = 7,83/ 3,117x37,7 = 0,07 pie/seg t2= 3/0,07= 45,02seg
Entonces: t2= 60+45,02= 105,02seg
Velocidades de entrada (Ve) y velocidad de sálida (Vs) del vástago.
Ve= 7,83/3,117x37,7= 0,07pie/seg Vs= 7,83/3,117x50,27=0,05pie/seg

12. CONCLUSIÓN
La adecuada planificación para la elaboración de los objetivos, me
permitió desarrollar el diseño de un sistema de filtrado de agua tratada,
que permita a la empresa Alimentos Polar planta Limpieza, la reutilización
del recurso hídrico, en los procesos industriales.
Con las lluvias de ideas que surgieron de una serie de clases, entrevistas
académicas y entrevistas de planta, conjuntamente con la adecuada
consulta teórica, obtuve los cálculos necesarios para el diseño de un filtro
prensa. Con los cálculos de este sistema Hidráulico de accionamiento
neumático, pude obtener los equipos e instrumentos necesarios para una
futura implementación.

13. ANEXOS
Manual de Operación de Filtro Prensa
Datos de Presión de Entrada y Fuerza suministrada por el fabricante

14. Plano de Control Neumático y Oleohidráulico del Filtro Prensa a Implementar
Especificaciones del Aceite a utilizar suministrados por el Fabricante