Filtros y coladores

Los coladores retienen residuos de tubería como incrustaciones, óxido, compuesto de junta y metal de soldadura en las tuberías, protegiendo equipos y procesos. Este tutorial considera la gama de tipos de coladores y filtros en uso y cómo dimensionarlos y seleccionarlos para diferentes aplicaciones.

Filtros y coladores

A medida que el mercado se vuelve cada vez más competitivo, se ha puesto más énfasis en reducir el tiempo de inactividad de la planta y el mantenimiento. En sistemas de vapor y condensado, los daños a la planta son frecuentemente causados por residuos de tubería como incrustaciones, óxido, compuesto de junta, metal de soldadura y otros sólidos, que pueden encontrar su camino dentro del sistema de tubería. Los coladores son dispositivos que retienen estos sólidos en líquidos o gases que fluyen, y protegen los equipos de sus efectos dañinos, reduciendo así el tiempo de inactividad y el mantenimiento. Debe instalarse un colador aguas arriba de cada purga de vapor, caudalímetro y válvula de control. Los coladores pueden clasificarse en dos tipos principales según su configuración del cuerpo; a saber, el tipo Y y el tipo canasta. Ejemplos típicos de estos tipos de coladores se pueden ver en la Figura 12.4.1.

Coladores tipo Y

Para vapor, un colador tipo Y es el estándar usual y se usa casi universalmente. Su cuerpo tiene una forma cilíndrica compacta que es muy fuerte y puede manejar altas presiones. Es literalmente un recipiente a presión, y no es raro que los coladores tipo Y puedan manejar presiones de hasta 400 bar g. Sin embargo, el uso de coladores a estas presiones se complica por las altas temperaturas asociadas con el vapor a esta presión; y posteriormente se deben usar materiales exóticos como acero cromo molibdeno. Aunque hay excepciones, tamaño por tamaño, los coladores tipo Y tienen una menor capacidad de retención de suciedad que los coladores tipo canasta, lo que significa que requieren limpieza más frecuente. En sistemas de vapor, esto generalmente no es un problema, excepto donde hay altos niveles de óxido, o inmediatamente después de la puesta en servicio cuando se pueden introducir grandes cantidades de residuos. En aplicaciones donde se esperan cantidades significativas de residuos, generalmente puede instalarse una válvula de purga en la tapa del colador, lo que permite que el colador use la presión del vapor para limpiarse, sin tener que apagar la planta. Los coladores tipo Y en líneas horizontales de vapor o gas deben instalarse de modo que el bolsillo esté en el plano horizontal (Figura 12.4.2(a)). Esto evita que el agua se acumule en el bolsillo, ayudando a prevenir que gotas de agua sean arrastradas, lo que puede causar erosión y afectar los procesos de transferencia de calor. Sin embargo, en sistemas de líquidos, el bolsillo debe apuntar verticalmente hacia abajo (Figura 12.4.2(b)), esto asegura que los residuos retirados no sean succionados de regreso a las tuberías aguas arriba durante condiciones de bajo flujo. Aunque es aconsejable instalar coladores en líneas horizontales, esto no siempre es posible, y pueden instalarse en tuberías verticales si el flujo es descendente, en cuyo caso los residuos se dirigen naturalmente al bolsillo (Figura 12.4.2(c)). La instalación no es posible con flujo ascendente, ya que el colador tendría que instalarse con la abertura del bolsillo apuntando hacia abajo y los residuos caerían de regreso por la tubería.

Coladores rectos y angulares

Además de los coladores tipo Y, se usan varias configuraciones diferentes de cuerpo en sistemas de vapor, a saber, coladores rectos y angulares. Estos se muestran en la Figura 12.4.3. Estos tipos de colador funcionan de manera similar al colador tipo Y y tienen un rendimiento similar. Se usan cuando la geometría de la tubería de vapor no se adapta al uso de un colador tipo Y.

Unidades de colador tipo canasta

El colador tipo canasta o tipo olla se caracteriza por una cámara orientada verticalmente, típicamente más grande que la de un colador tipo Y. Tamaño por tamaño, la caída de presión a través de un colador canasta es menor que la del tipo Y, ya que tiene una mayor área de filtrado libre, lo que hace que el colador tipo canasta sea el tipo preferido para aplicaciones con líquidos. Como la capacidad de retención de suciedad también es mayor que en los coladores tipo Y, el colador tipo canasta también se usa en tuberías principales de vapor de mayor diámetro. Los coladores tipo canasta solo pueden instalarse en tuberías horizontales, y para coladores canasta más grandes y pesados, la base del colador necesita ser soportada. Cuando se usan coladores tipo canasta en sistemas de vapor, puede formarse una cantidad significativa de condensado. En consecuencia, los coladores diseñados para uso en sistemas de vapor generalmente tienen un tapón de drenaje, que puede equiparse con una purga de vapor para eliminar el condensado. Los coladores tipo canasta se encuentran comúnmente en una disposición dúplex. Un segundo colador se coloca en paralelo con el colador primario, y el flujo puede desviarse a través de cualquiera de los dos coladores. Esto facilita la limpieza de la unidad de colador mientras el sistema de fluidos sigue operando, reduciendo el tiempo de inactividad por mantenimiento.

Filtros

Mientras que los coladores eliminan todas las partículas visibles en el vapor, a veces es necesario eliminar partículas más pequeñas, por ejemplo, en las siguientes aplicaciones:

• Cuando hay inyección directa de vapor en un proceso, lo que puede causar contaminación del producto. Ejemplo: En la industria alimentaria, y para la esterilización de equipos de proceso en la industria farmacéutica.
• Donde el vapor sucio puede causar el rechazo de un producto o lote de proceso debido a manchas o retención visible de partículas. Ejemplo: Esterilizadoras y máquinas de papel/cartón.
• Donde se requiere emisión mínima de partículas de los humidificadores de vapor. Ejemplo: Humidificadores usados en un ambiente ‘limpio’.
• Para la reducción del contenido de agua del vapor, asegurando un suministro seco y saturado. En tales aplicaciones de ‘vapor limpio’, los coladores no son adecuados y deben usarse filtros. Un filtro usado en un sistema de vapor típicamente consiste en un elemento filtrante de acero inoxidable sinterizado. El proceso de sinterización produce una estructura porosa fina en el acero inoxidable, que elimina cualquier partícula del fluido que pasa a través de él. Están disponibles filtros capaces de eliminar partículas tan pequeñas como 1 μm, cumpliendo con las necesidades de buena práctica del vapor culinario.

La naturaleza porosa fina del elemento filtrante creará una mayor caída de presión a través del filtro que la asociada con un colador del mismo tamaño; esto debe considerarse cuidadosamente al dimensionar tales filtros. Además, los filtros se dañan fácilmente por caudales excesivos, y no deben excederse los límites especificados por el fabricante.

Cuando el filtro se usa en aplicaciones de vapor o gas, debe instalarse un separador aguas arriba del filtro para eliminar cualquier gota de condensado retenida en suspensión. Además de mejorar la calidad del vapor, esto prolongará la vida del filtro. También debe instalarse un colador tipo Y aguas arriba del filtro para eliminar todas las partículas más grandes que de otro modo bloquearían rápidamente el filtro, aumentarían la cantidad de limpieza requerida y reducirían la vida del elemento filtrante. Al instalar manómetros a cada lado del filtro, se puede medir la caída de presión a través del filtro, que puede usarse entonces para identificar cuándo el filtro requiere limpieza. Una alternativa a esto es instalar un presostato en el lado aguas abajo del filtro. Cuando la presión aguas abajo disminuye por debajo de un nivel establecido, una luz de alarma puede encenderse en una sala de control alertando a un operador, que puede entonces limpiar el filtro.

Mallas de colador

Hay dos tipos de mallas usadas en coladores:

• Mallas perforadas - Se forman perforando un gran número de agujeros en una plancha plana del material requerido usando una perforadora múltiple. La lácha perforada luego se enrolla en un tubo y se suelda por puntos. Estas son mallas relativamente gruesas y los tamaños de agujero típicamente varían de 0,8 mm a 3,2 mm. En consecuencia, las mallas perforadas solo son adecuadas para eliminar residuos generales de tubería.
• Mallas de tejido - Un alambre fino se forma en una disposición de rejilla o malla. Esto luego se superpone comúnmente sobre una malla perforada, que actúa como jaula de soporte para la malla. Al usar una malla de tejido, es posible producir tamaños de agujero mucho más pequeños que con mallas perforadas. Se pueden lograr tamaños de agujero de hasta 0,07 mm. Posteriormente, se usan para eliminar partículas más pequeñas que de otro modo pasarían a través de una malla perforada. Las mallas de tejido generalmente se especifican en términos de ‘malla’; que representa el número de aberturas por pulgada lineal de malla, medidas desde la línea central del alambre. La Figura 12.4.6 muestra una malla de 3 mesh.

El tamaño de agujero correspondiente en la malla de tejido se determina a partir del conocimiento del diámetro del alambre y el tamaño de malla; generalmente lo especifica el fabricante. El tamaño máximo de partícula que se permitirá pasar a través de la malla puede determinarse usando geometría. Si, por ejemplo, se especifica una malla de 200 mesh y las especificaciones del fabricante indican que el tamaño de agujero es 0,076 mm, entonces el tamaño máximo de partícula que pasará por la malla puede encontrarse usando el teorema de Pitágoras:

El problema con esta dimensión es que las mallas son bidimensionales y la partícula debe llegar al agujero en cierta orientación. Por lo tanto, si una partícula larga y delgada llega al colador ‘de frente’, puede ser permitida pasar a través de la malla. Sin embargo, si golpea el agujero ‘de lado’ sería detenida. Si esto puede ser un problema, debe usarse una malla más fina.

El área de filtrado es el área disponible para eliminar residuos. Un área de filtrado mayor significa que la frecuencia de purga para limpiar la malla se reduce considerablemente. El área libre es la proporción del área total de los agujeros al área total de filtrado, generalmente expresada como porcentaje. Esto afecta directamente la capacidad de flujo del colador. Mayor área libre (y malla más gruesa), mayor capacidad de flujo y en última instancia menor caída de presión a través del colador. Como la mayoría de las mallas de colador tienen áreas de filtrado y libres muy grandes, la caída de presión a través del colador es muy baja cuando se usa en sistemas de vapor o gas (ver Ejemplo 12.4.1). Sin embargo, en sistemas de agua bombeada o fluidos viscosos, la caída de presión puede ser significativa. Los coladores deben tener capacidades de flujo citadas en términos de un índice de capacidad o valor Kvs.

Ejemplo 12.4.1

Un colador DN40 con un valor Kvs de 29, está instalado en un sistema de tubería de vapor de 40 mm de diámetro, que pasa 500 kg/h de vapor saturado a 8 bar g. ¿Cuál es la caída de presión a través del colador? Usando la fórmula empírica en la Ecuación 3.21.2:

Esto equivale a una caída de presión de apenas más del 0,5%.

La caída de presión a través de un colador puede determinarse ya sea del valor Kv o de un diagrama de pérdida de presión. El método para hacer esto para flujo de vapor se muestra en el Módulo 12.2, y para flujo de agua en el Módulo 6.3. Las mallas están típicamente disponibles en varios materiales diferentes; los más comúnmente usados en aplicaciones de vapor son los aceros austeníticos, debido a su resistencia y resistencia a la corrosión. Cuando el colador se usa con químicos especializados o en aplicaciones marinas, debe usarse una malla de monel.

Opciones de colador

Además de los coladores estándar, hay varias otras opciones disponibles.

Insertos magnéticos

Un inserto magnético puede colocarse en un colador tipo canasta para eliminar pequeños residuos de hierro o acero. Pequeñas partículas de hierro o acero pueden estar presentes en un fluido donde hay desgaste de piezas de hierro o acero. Estas partículas pasarán incluso a través de las mallas más finas, y es necesario usar un inserto magnético. El inserto está diseñado para que todo el fluido pase sobre el imán a una velocidad relativamente baja y el elemento magnético es lo suficientemente fuerte para capturar y retener todas las partículas metálicas presentes. El material magnético generalmente está encerrado en un material inerte como el acero inoxidable para prevenir la corrosión.

Coladores autolimpiantes

Hay varios tipos diferentes de colador autolimpiente, que permiten eliminar la acumulación de residuos en la malla sin apagar la planta. El proceso de limpieza puede iniciarse manual o automáticamente; además, los coladores que se limpian automáticamente generalmente pueden configurarse para limpiarse periódicamente, o cuando la caída de presión a través del colador aumenta.

• Coladores autolimpiantes de tipo mecánico - usan alguna forma de rascador o cepillo mecánico, que se rastrilla sobre la superficie de la malla. Desaloja cualquier residuo atrapado en la malla, haciendo que caiga a un área de recolección en la parte inferior del colador.
• Coladores de tipo retrolavado - invierten la dirección del flujo a través de la malla. Se cambia un juego de válvulas de modo que el agua se dirige a través de la malla en la dirección inversa y sale a través de una válvula de descarga. El fluido desaloja cualquier residuo atrapado en la malla y lo transporta en el fluido de retrolavado a un drenaje de desecho. Además de los coladores mecánicos y de retrolavado, hay varios tipos de mallas de colador de diseño único. Uno de los tipos más comunes es el tipo disco metálico, borde positivo (ver Figura 12.4.8). El elemento filtrante se construye a partir de un paquete de discos circulares, separados por arandelas espaciadoras construidas sobre un eje principal con tirantes. El grosor de las arandelas o espaciadores proporciona el grado requerido de filtración. La dirección de flujo del fluido que se filtra es desde el exterior del elemento hasta el núcleo hueco, que se forma por los espacios entre los discos principales. Esto significa que cualquier residuo queda atrapado en la superficie exterior de los discos. Para limpiar el colador, todo el paquete del colador se rota por la manija externa contra un juego de cuchillas de limpieza estacionarias intercaladas con el paquete principal. Durante esta rotación, los residuos acumulados se acumulan en el borde de ataque de la cuchilla de limpieza, y se depositan en una ranura vertical sólida formada en la superficie exterior del elemento filtrante por piezas de empaque especiales. Como no hay flujo a través de esta parte del elemento, no hay fuerza que retenga la suciedad acumulada contra el elemento, y esta cae al sumidero en la parte inferior del colador.

Coladores temporales

Los coladores temporales están diseñados para la protección de equipos e instrumentación durante los períodos de arranque. El colador generalmente se instala entre un juego de bridas durante un período inicial después de que se ha instalado una nueva planta. Se recomienda la instalación de un tramo de tubería igual o mayor que la longitud del colador para facilitar la instalación o extracción. Hay tres configuraciones básicas de coladores temporales, a saber, el tipo cónico, el tipo canasta y el tipo placa. La construcción estándar es de malla perforada o malla de alambre pesada de una sola capa. Se pueden agregar revestimientos de malla de alambre dentro o fuera del colador para capacidades de filtrado más finas. Si se usa una malla de alambre, se debe tener cuidado de asegurar que la dirección del flujo sea contra la malla de alambre con el metal perforado como respaldo.