Mecánica de filtración: Cómo los filtros capturan las partículas

E.C. Fitch. Traducción por Roberto Trujillo Corona, Noria Latín América

Un filtro ideal proporciona la máxima resistencia al paso de los contaminantes arrastrados al mismo tiempo que ofrece la mínima resistencia al flujo del fluido del sistema. Los medios filtrantes son materiales porosos que contienen poros y capilares.

Los capilares son pasajes que se extienden de un lado al otro del medio filtrante, mientras que los poros son restricciones individuales dentro de los capilares. Por lo tanto, los medios filtrantes en realidad consisten en aberturas que están definidas por los elementos estructurales del medio, por ejemplo, las fibras.

Cuando el fluido contaminado antes de un filtro pasa a través del medio filtrante, una fracción de las partículas en el fluido son capturadas y retenidas. En condiciones normales, la fracción de las partículas retenidas varía según su tamaño, la tasa de filtración o la tasa Beta del filtro (eficacia de separación) del medio y la integridad estructural del filtro.

Las partículas atrapadas mecánicamente por la superficie o por constricciones dentro de los intersticios del medio son capturadas y retenidas por un proceso llamado absorción, un mecanismo de tamizado y filtrado. Sin embargo, si las partículas son atraídas y retenidas por fuerzas superficiales en el medio filtrante, el mecanismo es la adsorción, fuerzas conocidas como electrostáticas, puentes de hidrógeno y fuerzas de atracción de Van der Walls.

Clasificaciones de filtros

Los medios filtrantes a menudo se clasifican como medios de “superficie” o “profundidad”. El caso clásico de un medio de superficie es una malla de alambre, mientras que un medio de profundidad puede ser un fieltro comprimido. En realidad, las partículas expuestas a los medios generalmente determinan si se producirá una filtración superficial o profunda. Si las partículas son demasiado grandes para entrar en los poros, tiene lugar la filtración superficial.

Si las partículas son lo suficientemente pequeñas como para penetrar los intersticios del medio, entonces son capturadas y retenidas por filtración profunda o escapan a la captura por completo. Por lo tanto, no es correcto referirse a los medios filtrantes como de tipo superficial o profundo porque estos términos se refieren al proceso de filtración y no al tipo de medio.

Otro tipo de filtración puede ocurrir en sistemas tribológicos: “filtración de torta”. Cuando las partículas contaminantes son demasiado grandes para restringir el flujo de fluido a través de los medios, se acumulan en la cara aguas arriba del filtro y forman una “torta”. Obviamente, las propiedades del medio filtrante son extremadamente importantes en la formación de una torta. Sin embargo, una vez que se ha formado una torta en la superficie de entrada del medio filtrante, la subsiguiente captura y retención de partículas y la permeabilidad de la estructura del filtro se rigen por la naturaleza de este lecho de partículas (la torta), más que por el medio filtrante mismo. La filtración de torta puede proporcionar una vida útil infinitamente más larga que la filtración superficial o incluso profunda, y el nivel de filtración mejora enormemente.

El flujo de partículas arrastradas a través de los pasajes de un medio fibroso es un fenómeno complejo debido a la diversidad de los mecanismos de transporte, captura y retención involucrados. Se complica aún más por las ubicaciones en una matriz de fibra donde se puede capturar una partícula, por la probabilidad de que la partícula objetivo realmente alcance un sitio de captura y, finalmente, por la probabilidad de que la partícula sea retenida incluso si es capturada.

Una descripción general de algunos de los principios de la mecánica de filtración es extremadamente importante para comprender la física de la filtración, explicar las anomalías de filtración, planificar para lo “inesperado” y reconocer el valor de los “avances” en la filtración.

Mecanismos de transporte de partículas

Comprender el movimiento de una partícula a medida que se mueve a través de un medio fibroso es importante para seleccionar un filtro. Los mecanismos por los cuales una partícula puede ser transportada o puede llegar al sitio de captura se ilustran en la Fig. 1 y pueden categorizarse como:

Interceptación directa
Impactación inercial
Difusión browniana
Gravedad
Efectos hidrodinámicos
Atracción electrostática

El tipo de mecanismo de transporte que domina varía de una situación de filtración a otra. De hecho, el mecanismo dominante puede variar de un poro a otro en el mismo medio. La eficacia de cada mecanismo de transporte para varios modos de filtración debe evaluarse antes de poder establecer el mecanismo dominante para la filtración del sistema tribológico.

Figura 1. Mecanismos de transporte de partículas

Interceptación directa. Este tipo de mecanismo se caracteriza por una partícula que sigue la línea de corriente de un fluido y no se desvía de esa línea de corriente. Por lo general, una partícula será capturada si se encuentra dentro del radio de una partícula de una fibra. Si esta suposición es válida, y este fuera el único mecanismo involucrado en el proceso de filtración, entonces la eficiencia de filtración debería ser independiente del caudal. La mayoría de los investigadores consideran que este mecanismo es efectivo en la mayoría de los casos de filtración.

Impactación inercial. Si la masa de una partícula contaminante es mucho mayor que la del fluido portador, la partícula no puede seguir la misma trayectoria que la del fluido. Las partículas se desvían de las líneas de corriente cuando el fluido pasa alrededor de una fibra. Por lo tanto, la partícula puede ser “lanzada” a un posible sitio de retención. Se podría esperar que los efectos de este mecanismo de transporte aumenten con partículas más pesadas y con un flujo creciente a través del medio. Aunque las investigaciones no han demostrado si la impactación inercial es importante en todos los procesos de filtración, el mecanismo puede representar un aspecto significativo.

Difusión browniana. Las partículas que son muy pequeñas exhiben un movimiento browniano. Estas partículas no se mueven a lo largo de una línea de corriente fluida, sino que se difunden por toda la matriz de la fibra. Pueden llegar a un posible sitio de retención y permanecer allí. El efecto del movimiento browniano aumentaría con partículas más pequeñas y disminuiría con velocidades de fluido más altas: a velocidades más altas, las partículas tienen menos tiempo para difundirse y acercarse a un sitio de captura. El movimiento browniano generalmente se desprecia como mecanismo de transporte de partículas de más de un micrón de diámetro, especialmente con líquidos viscosos.

Gravedad. Si las partículas tienen una densidad diferente a la del fluido, están sujetas a la gravedad y, por lo tanto, se desvían de las líneas de corriente del fluido. Si la velocidad del fluido es lo suficientemente baja, es posible que las partículas entren en un sitio de retención y sean capturadas. Las partículas más pesadas aumentan los efectos gravitacionales, mientras que una mayor velocidad y viscosidad del fluido disminuyen los efectos. Los efectos de la gravedad generalmente se desprecian en el flujo de fluido viscoso con partículas de menos de 25 a 30 micrones de diámetro.

Efectos hidrodinámicos. Debido a la falta de esfericidad de muchas partículas contaminantes o a la falta de uniformidad del campo de flujo, pueden ocurrir efectos hidrodinámicos en las partículas. Estos efectos hacen que las partículas suspendidas migren lateralmente, lo que les permite salir de una corriente de fluido y posiblemente entrar en un sitio de retención. Estos efectos son más notorios en la filtración de partículas altamente no esféricas. Sin embargo, la mayoría de las partículas contaminantes que se encuentran en los sistemas operativos tienen formas irregulares.

Atracción electrostática. Las partículas que poseen una carga diferente a la de la fibra del filtro son atraídas a la superficie de la fibra.

Esta fuerza de atracción puede ser particularmente efectiva cuando la velocidad del fluido de transporte a través de los capilares del medio filtrante es baja. El principio electrostático se ha aplicado artificialmente en algunos diseños de filtros para lograr un mejor desempeño de separación.

Fuerzas y sitios de retención

Los sitios de retención más comunes para las partículas son las superficies de las fibras, las aberturas de los poros y las constricciones de los poros, como se muestra en la Fig. 2. Las fuerzas de retención incluyen las fuerzas superficiales, las fuerzas de fricción y las fuerzas de presión axial del fluido. Las fuerzas superficiales generalmente se clasifican como fuerzas de Van der Waals o fuerzas electrostáticas.

Figura 2. Sitios de retención de partículas

Las partículas se capturan en las aberturas de los poros y las constricciones si las partículas son más grandes que estas aberturas. Las partículas se mantienen o retienen en su posición por fricción o por la presión axial del fluido que actúa sobre las partículas. Si una partícula se atasca en la abertura de un poro, las fuerzas de fricción pueden mantenerla en su lugar. No se cree que pequeñas oleadas de flujo puedan desalojar tales partículas.

Si una partícula se acerca a la superficie de una fibra, puede ser capturada por las fuerzas de la superficie. Bajo tales condiciones, se puede calcular el movimiento de una partícula pequeña cerca de un colector mucho más grande. Al comparar las fuerzas hidrodinámicas sobre una partícula cerca de una fibra con la fuerza de atracción de Van der Waals que actúa entre la partícula y la fibra, se puede predecir la probabilidad de captura de una partícula determinada.

Las fuerzas superficiales, moleculares o electrostáticas, son de bajo nivel y tienen pequeños rangos de influencia. Por lo tanto, no pueden atraer partículas de la mayor parte de la corriente de fluido, pero son efectivos solo cuando las partículas están cerca de la superficie de una fibra.

Desorción de partículas

Las partículas que de alguna manera escapan de los filtros se suman al nivel de concentración de partículas aguas abajo del filtro. Estas partículas eran no filtrables, puenteadas o desorbidas. Por lo tanto, existe una partícula en el efluente debido a una de las siguientes razones (ver Fig. 3):

Es demasiado pequeña para ser capturada por el medio filtrante
Evitó la captura tomando un pasaje de flujo alternativo – fuga de derivación
Fue forzada a través de un espacio poroso por el diferencial de presión a través del medio
Migró a través de pasajes tortuosos debido a los efectos de las oleadas de flujo

La primera razón resulta de factores de ineficiencia de los medios filtrantes. La segunda razón se deriva de las roturas en el medio, el sellado deficiente y la construcción incorrecta de la válvula del filtro, una función del área de los poros del medio para alternar el área de la ruta del flujo. La importancia de las razones tercera y cuarta depende de la presencia de partículas capturadas en el medio.

Figura 3. Modos de escape de partículas

En un filtro nuevo, no se pueden desprender partículas porque no existen en el medio; sin embargo, en un elemento parcialmente cargado, está presente una gran cantidad de partículas que podría liberarse. Por lo tanto, el término “desorbido” se reserva para los casos en que las partículas capturadas en el medio se desprenden y escapan al efluente.

El medio filtrante se compone de una distribución de poros que tienen un espectro de tamaño similar al ilustrado en la Fig. 4. Por lo tanto, las partículas más pequeñas que un poro objetivo dado pueden pasar a través del filtro sin ser capturadas. Tal medio podría exhibir una curva de eficiencia de separación como se muestra en la Fig. 5.

Figura 4. Distribución del tamaño del poro del medio filtrante

Figura 5. Características de eficiencia de separación de partículas

Tenga en cuenta que siempre hay un tamaño de partícula “D” donde la eficiencia de separación es cero y otro tamaño “D” donde la eficiencia es, teóricamente, del 100 por ciento. Así, algunas partículas se clasifican como no filtrables debido a su pequeño tamaño.

Cuando las partículas pueden tomar un camino alternativo en lugar de pasar por el medio filtrante, existe la posibilidad de que ocurra un “desvío”. Tales caminos alternativos podrían ser simplemente roturas, fracturas o agujeros en los medios; una junta o sello deficiente entre los lados aguas arriba y aguas abajo del elemento filtrante; o una construcción incorrecta de la válvula de derivación (por ejemplo, obturadores, carretes o aletas de válvula sin asentar). La gravedad de las fugas de derivación en el proceso de filtración es una función del área de los poros del medio frente al área de la ruta de flujo alternativa, o el antiguo axioma de flujo de la ruta de menor resistencia.

Una vez que se capturan las partículas, su retención está dictada por el proceso de filtración en vigor, la dinámica del fluido y el impacto y la vibración del dispositivo asociado. En el caso de un medio sin soporte, el diferencial de presión a través del medio aumenta, provocando distorsión y estiramiento a medida que se absorben las partículas. Dichos cambios en el medio agrandan los poros y permiten que las partículas sean arrastradas a través de espacios porosos normalmente demasiado pequeños.

Si se inducen picos de flujo, o si se detiene el flujo y luego se reinicia, puede ocurrir una descarga severa o desorción de partículas previamente capturadas. Si las partículas se capturan en las aberturas de los poros mediante una acción de tamizado, lo más probable es que permanezcan capturadas, independientemente de la inestabilidad del flujo.

Sin embargo, las partículas adheridas a las fibras por fuerzas adhesivas moleculares o electrostáticas pueden perderse debido a las oleadas de flujo debido a las variaciones en las fuerzas de arrastre hidrodinámicas que actúan sobre las partículas. Si se detiene el flujo, las fuerzas hidrodinámicas que actúan sobre las partículas son cero y las fuerzas moleculares o electrostáticas tienden a acercar la partícula a la superficie de la fibra.

A medida que la partícula se acerca a la superficie, estas fuerzas adhesivas aumentan de forma inversamente proporcional a la distancia entre la partícula y la superficie de la fibra. La probabilidad de que estas partículas sean desalojadas por fuerzas hidrodinámicas cuando el flujo aumenta o se reinicia, por lo tanto, no es tan grande como antes de que se detuviera el flujo.

En general, se acepta que muchas partículas se capturan en lugares distintos de las aberturas de los poros o las paredes de las fibras. En casi todos los procesos de filtración profunda en estado estacionario, la caída de presión a través del medio filtrante permanece constante durante la mayor parte de su vida útil y luego comienza a aumentar.

Cuando las partículas contaminantes se capturan en las aberturas de los poros o en las paredes de la ruta de flujo principal, el área de flujo efectiva se reduce y la caída de presión tiende a aumentar a un ritmo mucho más rápido que durante la vida inicial del filtro. Este hecho apoya el argumento de que un gran número de partículas son capturadas fuera de las aberturas de los poros y las constricciones del camino del flujo.

En los pasajes altamente tortuosos que se encuentran en un medio fibroso, existen muchas cavidades o áreas protegidas donde, en condiciones estables, el fluido está casi estancado. Si una partícula entra en una de estas regiones estancadas, probablemente se mantendrá allí por los efectos de arrastre causados por la viscosidad del fluido.

Si una partícula fuera capturada en tal región, la ruta de flujo equivalente del fluido no cambiaría inmediatamente y la caída de presión no aumentaría. Las oleadas de flujo o la detención y reinicio del flujo probablemente harían que muchas de las partículas capturadas en estas regiones fueran desorbidas o liberadas.

Estos resultados predichos concuerdan estrechamente con los resultados experimentales reales tanto en el laboratorio como en el campo. Por lo tanto, se supone que una gran cantidad de partículas que se capturan en muchos medios fibrosos se capturan realmente en estas áreas estancadas.

Además, es razonable suponer que después de que una partícula es capturada en una de estas regiones, se asentará o ascenderá lentamente debido a las fuerzas gravitatorias. Entonces, las partículas pueden acercarse a la superficie de una fibra y ser capturadas por las fuerzas de la superficie.

Las partículas que evaden la captura por el medio filtrante en realidad anulan el propósito de la filtración. Cuando un filtro proporciona una ruta de flujo alternativa alrededor del medio filtrante, el flujo que toma el camino de menor resistencia puede resultar en un flujo de derivación suficiente para enmascarar completamente la influencia del filtro mismo.

Este contaminante sin filtrar no es un fenómeno de desorción, sino que representa una fuente de ingreso de partículas al sistema tanto como otros puntos reconocidos de origen de contaminantes.