Filtros de cartucho para polvo: diseño, materiales, cálculo del tamaño del filtro

Cuando se trata de desempolvar una corriente de gas, los filtros de cartucho pueden presentar ventajas significativas en comparación con los filtros de mangas convencionales, especialmente en términos de área de filtración en un volumen reducido. Esta página le ayuda a comprender cómo están fabricados los filtros de cartucho y cómo dimensionar un sistema de filtración con cartuchos.

1. Filtros de cartucho: diseño

¿Qué es un filtro de cartucho?

A diferencia de los filtros de mangas, que tienen el aspecto de una tela flexible y se montan sobre una jaula para darles forma, los filtros de cartucho adoptan la forma de cartuchos rígidos plegados. El medio filtrante está dispuesto en pliegues que permiten alcanzar una mayor área de filtración que los filtros de mangas en el mismo volumen.

¿Cuál es la diferencia entre los filtros de cartucho y los filtros de mangas?

Los filtros de cartucho presentan las siguientes ventajas y desventajas en comparación con los filtros de mangas.

Ventajas de los filtros de cartucho frente a los filtros de mangas

• Mayor área de filtración dentro del mismo volumen, lo que permite tener un colector de polvo más pequeño
• Montaje y desmontaje fácil de los cartuchos, ahorro en tiempo de mantenimiento
• Mayor eficiencia de filtración
• Mayor vida útil si se utilizan correctamente

Desventajas de los filtros de cartucho frente a los filtros de mangas

• Mayor coste unitario
• Riesgo de obstrucción entre los pliegues con materiales pegajosos

Los cartuchos son huecos, lo que permite que el aire pase a través del medio filtrante, pero también ayuda a limpiar el cartucho enviando aire pulsante dentro del cuerpo del filtro. Sin embargo, la tapa final del cartucho no está hecha de material filtrante y, por lo tanto, representa una superficie "perdida" tanto para la filtración como para la eficiencia de limpieza, ya que el aire de limpieza no puede atravesarla.

Sin embargo, recientemente se han introducido nuevos diseños en los que la tapa final del filtro se reemplaza por un cono interno, que tiene la doble ventaja de extender el área de filtración y mejorar la eficiencia de limpieza del pulso de aire.

2. Materiales de los filtros de cartucho

¿Cuántos tipos de filtros de cartucho existen?

Los siguientes materiales se utilizan comúnmente para los filtros de cartucho:

• Mezclas de celulosa
• Poliéster termofijado (spunbonded)

Las mezclas de celulosa (celulosa + poliéster) son los materiales más simples y económicos, pero ofrecen un rendimiento relativamente bajo en comparación con el poliéster, que tiende a ser más eficiente y es el material base para estos cartuchos. El poliéster termofijado (spunbonded) proporciona una mejor filtración, menor caída de presión, se limpia más fácilmente con un sistema de chorro pulsante y es más duradero.

Estos dos medios filtrantes permiten la filtración al hacer que el polvo penetre en el material, lo que genera una alta caída de presión.

La matriz básica de poliéster puede mejorarse aún más aplicando una capa de material especial que permite retener el polvo en la superficie y, por lo tanto, evitar su penetración profunda en el material:

• Nanofibras: una capa muy fina (<1 micra) de nanofibras (<0.3 micras) se aplica sobre los materiales de soporte. Esto evita que el polvo más fino penetre profundamente en el cartucho y lo obstruya. Como consecuencia, también facilita la limpieza del filtro.

• Laminado por soplado (meltblown): un termoplástico se funde y sopla sobre el material de soporte. Mejora la eficiencia de filtración, pero parte del polvo puede penetrar profundamente en el laminado, lo que puede dificultar su limpieza.

• ePTFE: Una membrana de PTFE puede aplicarse fácilmente sobre la superficie de los cartuchos. La membrana permite una mejor eficiencia de filtración al tiempo que reduce la adherencia de partículas, favoreciendo así una limpieza eficiente. El rendimiento es similar al de las nanofibras, pero permite alcanzar una mayor eficiencia; en consecuencia, el coste también es mayor que los tratamientos con nanofibras.

La densidad de los pliegues también debe considerarse al seleccionar un filtro de cartucho. De hecho, es tentador aumentar el número de pliegues para incrementar el área de filtración. Sin embargo, esto puede generar problemas, ya que el polvo se acumulará más fácilmente entre los pliegues, lo que reducirá significativamente la superficie real de filtración. Por lo tanto, debe encontrarse un equilibrio, que depende en gran medida del material procesado.

Además, si la densidad de los pliegues es alta, es interesante considerar diseños de cartuchos con separadores que eviten que los pliegues entren en contacto y cierren el espacio entre ellos. Los separadores pueden ser externos o internos al cartucho.

Otras opciones disponibles incluyen medios filtrantes ignífugos.

3. Filtros de cartucho: cálculo del área de filtración requerida y dimensionamiento del filtro

Dimensionamiento de filtros de cartucho: ¿cómo dimensionar un sistema de filtros de cartucho?

Al diseñar un colector de polvo que utilice filtros de cartucho, deben estudiarse los siguientes criterios de dimensionamiento: relación aire-tela (velocidad de filtración), velocidad intersticial y velocidad en el conducto ("can velocity").

3.1 Relación aire-tela para filtros de cartucho

La relación aire-tela es, en realidad, similar a la velocidad de filtración, calculada dividiendo el flujo volumétrico de aire en la entrada del colector de polvo por el área total de filtración instalada.

Relación_Aire_Tela = Q_{_aire}/S_{_filtro_efectiva}

donde:

Q_{_aire} = flujo total de aire en la entrada del filtro de mangas (m³/s)
S_{_filtro_efectiva} = superficie real del filtro disponible (m²)

En EE.UU., se realiza el mismo cálculo pero con cfm y ft^² , lo que da una relación aire-tela en ft/min. Es importante saber en qué unidades se expresa la relación, ya que los valores

Para filtros de mangas, las referencias bibliográficas mencionan velocidades de filtración de hasta 0.06-0.07 m/s, pero en los filtros de cartucho las velocidades de filtración suelen ser más bajas, del orden de 0.025 m/s, a veces hasta 3 veces menores que en los filtros de mangas. 0.025 m/s es un buen valor para una primera aproximación, pero se pueden obtener valores más precisos a partir de los datos de los fabricantes.

Ejemplo: los siguientes datos son proporcionados por un fabricante de cartuchos

El fabricante indica una permeabilidad de 150 m^³/m^²/h, lo que significa una velocidad de filtración o relación aire-tela de 150 m/h = 0.0416 m/s, valor ligeramente superior al indicado anteriormente.

La relación aire-medio es el criterio de diseño más común discutido para los filtros. Sin embargo, en sistemas de chorro pulsante donde los cartuchos están montados verticalmente y la entrada de aire cargado de polvo se encuentra debajo de los cartuchos, no debe descuidarse la velocidad del aire por debajo y entre los filtros. Si es demasiado alta, evitará que el polvo desalojado de los filtros durante un pulso de aire comprimido caiga. El aire que asciende arrastrará inmediatamente el polvo, haciendo ineficaz la limpieza por chorro pulsante.

3.2 Velocidad en el conducto ("can velocity")

La velocidad en el conducto ("can velocity") se define como el flujo volumétrico de aire dividido por el área transversal de la cámara de filtración.

Velocidad_en_ducto = Q_aire/S_cámara

Donde:

Q_aire = flujo total de aire en la entrada del filtro de mangas (m^³/s)
S_cámara = área transversal de la cámara de filtración (m^²)

3.3 Velocidad intersticial

La velocidad intersticial es la velocidad entre los filtros, lo que significa que se define como el flujo volumétrico de aire dividido por (el área transversal de la cámara menos la suma de las áreas transversales de los filtros)

Velocidad_Intersticial = Q_aire/(S_cámara-S_{sección_filtros})

Donde:

Q_aire = flujo total de aire en la entrada del filtro de mangas (m^³/s)
S_cámara = área transversal de la cámara de filtración (m^²)
Ssección_filtros = suma de las áreas transversales de los filtros

3.4 Un criterio adicional

[Kenchin] en un artículo propone un criterio adicional para filtros de cartucho: la velocidad de flujo de aire en la periferia del filtro. La velocidad de filtración (relación aire-tela) se calcula sobre el área total de filtración de los cartuchos, incluyendo todos los pliegues. Sin embargo, la "envoltura" del filtro tiene un área mucho menor que cuando se consideran las superficies de los pliegues, lo que significa que la velocidad del aire, al acercarse a los cartuchos, será mucho mayor. Para ciertos polvos, la velocidad periférica del aire puede ser demasiado alta para permitir que estos caigan del filtro, lo que impide una limpieza eficiente.

Velocidad_Periférica = Q_aire/[n_cartucho*(S_periferia)]

Donde:

Q_aire = flujo total de aire en la entrada del filtro de mangas (m^³/s)
n_cartucho = número de cartuchos en la cámara de filtración
Speriferia = superficie de la envoltura del cartucho filtrante (m^²)

Fuente

[Kenchin] Diseño de un colector de polvo de cartucho para una mejor limpieza del filtro y un rendimiento confiable, Kenchin, PBE
Derechos de autor www.PowderProcess.net