001 Decantacion y Sedimentacion

OPERACIONES UNITARIASEAP INGENIERIA AGROINDUSTRIAL

FQIQIAUNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS

Decantación ySedimentación

ING. SAMUEL SILVA BAIGORRIA

▪ La eliminación de suspensiones de sólidos valiosos, por ejemplo, la separación de los cristales a partir de un licor madre;

▪ La separación de líquido clarificado de las suspensiones

▪ Decantación de lodos obtenidos en varios procesos (por ejemplo, el tratamiento de aguas residuales y agua potable, etc.).

Aplicaciones:


• Cuando la caída de la partícula no se ve afectada por la proximidad a la pared del vaso y otras partículas, el proceso se llama decantación libre. Se aplica a modelos simples del movimiento de las partículas en los fluidos

• La operación de separar una suspensión o suspensión diluida a través de la acción de la gravedad, generando un líquido claro, y lodos con un alto contenido de sólidos se llama sedimentación. En este caso, se utilizan ecuaciones empíricas (se debe evitar el uso de las ecuaciones de movimiento de partículas sólidas aislada en fluidos ).

• La decantación libre se produce cuando la concentración volumétrica de las partículas son menos de 0,2% (0,2% a 40% se llama Decantación Influenciada)

Sedimentación versus Decantación

• La sedimentación se produce cuando la concentración en volumen de las partículas es mayor que 40%


➢ Si las partículas son demasiado pequeñas, existe el movimiento browniano.

➢ Es un movimiento aleatorio generado por las colisiones entre las moléculas y partículas del fluido.

➢ En este caso, la teoría convencional de movimiento de una partícula en un fluido no debe ser utilizada y se hace uso de ecuaciones empíricas.

Movimiento Browniano de una partícula

http://www.youtube.com/watch?v=74RL_FlYJZw&feature=related




Es la separación de una suspensión diluida por la fuerza del campo gravitatorio, para obtener un líquido claro y un “lodo" con la mayoría de los sólidos.

1. Sedimentación

Tipos de lodos:

tiempo


Mecanismo (fases) de la sedimentación

tiempo

Zona clarificada

Concentración zona uniforme

Sólidos sedimentados

La zona de transición

Concentración zona no uniforme

Puede suceder en proceso continuo o discontinuo. La diferencia es que en un proceso continuo, la situación se muestra en la probeta # 3 manteniendose, permitiendo la entrada y salida constante

#3


La sedimentación se produce en equipos industriales llamados tanques de decantacion o decantadores, que pueden actuar como espesantes y clarificadores.Cuando el producto es un "lodo“ se trata de un espesador y cuando el producto es un “liquido limpio” se trata de un clarificador

Las zonas de sedimentación en un sedimentador en continuo ING. SAMUEL SILVA BAIGORRIA

Ejemplo – Velocidad de Sedimentación : La siguiente tabla muestra un ensayo de suspensión de cal en el agua, con una concentración inicial de 236 g / L. La curva muestra la relación entre la concentración y la sedimentación de los sólidos

Tiempo, h

Altura da interface, cm

0 36

0,25 32,4

0,50 28,6

1,00 21

1,75 14,7

3,00 12,3

4,75 11,55

12,0 9,8

20,0 8,8

Eq. Recta en el instante i: zL=zi-vL*t

zL

Zi

vL = (zi-zL)/t

t


Tempo h

Velocidad de sedimentacion, cm/h

Concentracion g/L

0,5 15,65 236

1,0 15,65 236

1,5 5,00 358

2,0 2,78 425

3,0 1,27 525

4,0 0,646 600

8,0 0,158 714

Las pendientes de la curva por encima de, en cualquier instante, representan las velocidades de sedimentación de la suspensión. Así que si se elabora un cuadro de "tiempo" versus“ velocidad".

Z0 = altura interfaz inicial, cmC0 = concentración inicial, g / LZi = altura de la interfaz en tiempo de "i", si todos los

sólidos estuvieran en la concentración "c",C = concentración de sólidos en el tiempo "i", g / L

Se puede calcular la concentración de sólidos en cada instante y plotear.La concentración de sólidos en suspensión (C) se obtiene mediante la siguiente ecuación.


Ejercicio

Un lodo biológico proveniente de un tratamiento de residuos secundario debe ser concentrado desde 2500 hasta 10900 mg / litro, en un decantador en continuo.

El flujo de entrada es de 4,5 x 106 litros por día.

Determinar el área requerida a partir de los datos de la siguiente tabla.

Tiempo (min) 0 1 2 3 5 8 12 16 20 25

Altura de la interface (cm)

51 43,5 37 30,6 23 17,9 14,3 12,2 11,2 10,7


Considerando el área de sedimentación constante

Tiempo = 11,2 min


Tiempo (min)

Altura de la interface (cm)

Concentración de suspensión (mg/ml)

0 51 2500,01 43,5 2931,02 37 3445,93 30,6 4166,75 23 5543,58 17,9 7122,9

12 14,3 8916,116 12,2 10450,820 11,2 11383,925 10,7 11915,9

Concentración deseada= 10900 mg/ml

Tiempo = 17,5 min

Cálculo del área


► SEDIMENTACION DISCRETA (Tipo 1): Las partículas permanecen con una dimensión y velocidad permanece constante durante el proceso de sedimentación.

► SEDIMENTACION FLOCULENTA (Tipo 2): Las particulas se aglomeran y aumentan su tamaño y la velocidad durante el proceso de sedimentación.

► SEDIMENTACION EN ZONA (Tipo 3): Las partículas sedimentan en masa (por ejemplo, adición de cal). Las partículas están cerca e interactuar.

► SEDIMENTACION POR COMPRESION (Tipo 4): Las partículas se compactan como lodo.

CLASSIFICACION DE LOS PROCESOS DE SEDIMENTACION


2. Sedimentación DISCRETA (TIPO 1)► Las partículas con dimensiones y velocidades se mantienen

constantes durante todo el proceso de sedimentación, no se produce interacción entre ellos.

Decantadores en una planta de tratamiento de aguas residuales


L


Decantador laminar de placas


B

H

L

1Vh

Vs

Considere un decantador horizontal de lado y la trayectória de la partícula sólida (linea trazada):

Velocidad de flujo superficial en direccion “h”:

Velocidad promedio de la partícula en dirección “s”: v (velocidade de sedimentación)

[1]

[2]

Aislando “t” de [1] y substituyendo en [2] se tiene:[3]

Como la velocidad de la partícula en direccion “h” es la misma del fluido, se tiene de [1]:

[4]

Cálculos del Proyecto t1 t2Δt = t2-t1 = t


Substituyendo ahora [4] en [3] se tiene:

Las partículas con vs inferiores a la razon Q/BL (que seria Vc) no sedimentaran, y estaran com el fluido clarificado.

[5]

“vs” = velocidad (vertical) de sedimentación (m/s)“vh” = velocidad (horizontal) de flujo superficial (m3/m2/dia)

Ecuaciones básicas para la sedimentación discreta:


Ejemplo:Dimensionamiento de un sedimentador convencional.

Exigencia:

(1) El área del sedimentador (2) El tiempo de residencia de la partícula en el sedimentador

donde

• Caudal: 1,0 m3/s• Número de unidades de

sedimentación: 4• Velocidad de sedimentación de

las partículas sólidas: 1,67m/h (valor obtenido de un estudio prévio)

• Profundidad de lamina líquida: H=4,5 m

• ρf = 1000 kg/m3 y µf = 1 cP

Se pide calcular:

BH

L

1

Vh

Vs

t1

t2

Δt=t2-t1=t

(3) La velocidad horizontal


Resolución: (1) Área del sedimentador

(Dado suministrado)

Substituyendo a Q y vs se tiene:

*** Admitiendo una relación entre L/B igual a 4 (valor generalmente usado), se tiene: 4B2 = 540 m2

B 11,62 m≅ L 46,47 m≅ BH

L ING. SAMUEL SILVA BAIGORRIA

(2) Tiempo de residencia de la partícula en el sedimentador (hasta alcanzar la parte de bajo del sedimentador y se deposita formando el “lodo”)

Volumen = B.L.H = 11,6m * 46,5m * 4,5m = 2430 m3

Substituyendo Q y volumen en la ecuación de arriba se tiene:

Tiempo = 2,70h = 2h 42minutos

(3) Velocidad horizontal

BH

L

vh

vs


Verificaçión del número de Reynolds:

12122 < 20000 OK!

Condición inicial


Diámetro de las partículas

Frec

uenc

ia re

lativ

a

Diámetro crítico

Somente las partículas con diámetro superior al diámetro crítico seran sedimentadas.

3. SEDIMENTACION (TIPOS 2 Y 3)

Distribución de los diámetros de las partículas en la suspensión diluida

Tales casos se producen cuando el tamaño se realizó teniendo en cuenta únicamente las partículas superiores son más grandes que el diámetro crítico, y, posiblemente, la suspensión diluida fue alterada. Otro caso se produce cuando hay un limitado espacio físico para construir el sedimentador.


Diámetro de las partículas

Frec

uenc

ia re

lativ

a

Diámetro crítico

dp > dc

Partículas sedimentables

Nueva distribución de los diámetros de las partículas presentes en la suspensión

diluída

Con la aplicación de agentes floculantes se tiene:

Las dosificaciones de los agentes floculantes utilizados en el tratamiento de agua potable

➢ Sulfato de alumínio: 5 mg/L a 100 mg/L

➢ Cloreto férrico: 5 mg/L a 70 mg/L

➢ Sulfato férrico: 8 mg/L a 80 mg/L

➢ Coagulantes orgánicos catiónicos: 1 mg/L a 4 mg/L

Floculación: “Precipitación de ciertas soluciones coloidales, en forma de escamas finas, causada por un reactivo.”

Con el aumento en el diámetro de las partículas es por lo tanto, aumentando su velocidad de sedimentación a lo largo de la altura.


Existen correlaciones empíricas para la decantación influenciada que consideran un flujo laminar de partículas esféricas rígidas, uno de ellas es el siguiente :

Cuando hay interferencia entre las partículas, lo que resulta en la velocidad de sedimentación más baja que la decantación gratuita proporcionada por la ecuación de Stokes.

DECANTACION INFLUENCIADA (0,2% a 40%)

(Densidad aparente de la mezcla)

Vt,w = Velocidad del movimento descendente de las partículas sólidas


Esta ecuación permite calcular la velocidad de sedimentación de las partículas pequeñas en una decantación influenciada. No hay información equivalente en el caso de las grandes esferas, o en el caso de las partículas irregulares.

Ejemplo:Calcule la velocidad de sedimentación dela partícula en el caso de una decantación influenciada de esferas de vidrio con tamaño de 200 mesh dentro del agua.

Datos:

Concentración = 0,2


Si consideramos como base de cálculo 1 m3 de suspensión (mezcla), de ese volumen 0,2 m3 será vidrio, con una masa de 0,2 x 2600 kg/m3 = 520 kg, y tenemos 0,8 m3 de água con una masa de 800 kg.

Resolución:

La masa total de suspensión será 1320 kg, por lo tanto:

A través de la ecuación de decantación influenciada, se obtiene la velocidad de sedimentación de la partícula:

(densidad de la mezcla; aparente)


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