Procesos de sedimentacin por gravedadLas partculas ms pesadas
que el fluido en el que estn suspendidas puedensepararse de un gas
o un lquido en un gran tanque de sedimentacin, donde lavelocidad
del fluido es baja y las partculas tienen tiempo suficiente para
sedimen-tar. Sin embargo, los dispositivos sencillos de este tipo
tienen una utilidad limita-da debido a que la separacin no es
completa y se requiere mucha mano de obrapara retirar las partculas
sedimentadas del fondo del tanque.Casi todos los separadores
industriales estn provistos de un sistema para laseparacin continua
de los slidos sedimentados. La separacin puede ser parcialo
prcticamente completa. Un sedimentador que retira casi todas las
partculasde un lquido se conoce como un clarificador, mientras que
un dispositivo quesepara los slidos en fracciones recibe el nombre
de un clasifcador. A ambostipos de aparatos se aplican los mismos
fundamentos de sedimentacin.Clasificadores por gravedad. La mayor
parte de los clasificadores utilizados enlos procesos qumicos
separan las partculas por tamaos, en situaciones en lasque la
densidad de las partculas finas es la misma que la de las gruesas.
La ramade elutriacin del cristalizador que se muestra en la Figura
28.11 es un ejemplo.Ajustando la velocidad ascensional del lquido
de tal forma que sea inferior a la velocidad terminal de
sedimentacin de los cristales grandes, este dispositivodevuelve los
cristales linos no deseados a la zona de cristalizacin para
suposterior crecimiento.Los clasificadores mecnicos son muy
utilizados en la molienda en circuitocerrado (vase la Fig. 27.14),
especialmente en las operaciones metalrgicas. Eneste caso las
partculas relativamente gruesas se llaman arenas mientras que
lasuspensin de partculas finas recibe el nombre de Zimos. Se deja
tiempo suficientepara que las arenas sedimenten hasta el fondo del
dispositivo mientras que loslimos salen con el lquido efluente.En
la Figura 30.23 se muestra un clasificador mecnico tpico. En este
disposi-tivo la cmara de sedimentacin est inclinada y el lquido
rebosa por el extremoinferior. La suspensin alimento se introduce
de forma continua por un puntointermedio. La velocidad de flujo y
la concentracin de la suspensin se ajustande forma que los linos no
tengan tiempo de sedimentar sino que salgan con ellquido que
abandona el clasificador. Las partculas ms grandes decantan hastael
fondo de la cmara y despus son retiradas.En el clasificador de
flujo cruzado que se ilustra en la Figura 30.23, la cmaraes
semicilndrica y est inclinada con un ngulo de aproximadamente 12
con lahorizontal. Un transportador helicoidal rotatorio transporta
hacia arriba losslidos sedimentados a lo largo del fondo de la
cmara, los saca del depsito delquido y los lleva hasta el vertedero
de descarga. Este clasificador opera bien conpartculas gruesas para
devolverlas al molino, de forma que no se necesitan transportadores
y elevadores auxiliares. Sin embargo, para separaciones ntidascon
partculas ms tinas deben utilizarse otros tipos de clasificadores.
Ms ade-lante se describen formas modificadas de cmaras y centrfugas
de sedimentacinpara ser utilizadas con esta
finalidad.Clasificadores lavadores. Los dispositivos que separan
partculas de diferentedensidad se conocen como clasificadores
lavadores. Se utilizan los dos mtodosprincipales de separacin:
lavadero por flotacin y sedimentacin diferencial.
Mtodos de hundimiento y flotacin. Los mtodos de hundimiento y
flotacinutilizan un medio lquido de separacin cuya densidad es
intermedia entre elmaterial ligero y el pesado. La separacin se
produce porque las partculaspesadas sedimentan a travs del medio,
mientras que las ms ligeras flotan. Estemtodo presenta la ventaja,
en principio, de que la separacin depende solamentede la diferencia
de densidades de las dos sustancias y es independiente del tamaode
las partculas. Este mtodo tambin se denomina separacin de fluido
espeso.Los procesos de separacin con fluidos espesos o densos se
utilizan parapartculas relativamente gruesas, superiores
normalmente a 10 mallas. El primerproblema en la utilizacin de
hundimiento y flotacin es la eleccin de un mediolquido con la
densidad adecuada para que el material iigero flote y el pesado
sehunda. Se pueden utilizar lquidos verdaderos, pero como la
densidad del medioha de estar comprendida en el intervalo de 1,3 a
35 o superior, existen pocoslquidos que sean suficientemente
densos, baratos, no txicos y no corrosivos. Sepueden emplear
hidrocarburos halogenados, y para limpiar carbn disolucionesde
cloruro clcico. Lo ms frecuente es utilizar un pseudolquido
consistente enuna suspensin acuosa de partculas tinas de un mineral
pesado, como magnetita(densidad relativa = 5,17), ferrosilicio
(densidad relativa = 6,3 a 7) y galena(densidad relativa = 7,5). La
relacin de mineral a agua se puede variar paraobtener un amplio
intervalo de densidades del medio. Deben existir dispositivospara
introducir la mezcla a separar, para retirar las corrientes
superior e inferior,y para recuperar el fluido de separacin que
puede ser relativamente caro encomparacin con los materiales a
tratar. Durante el proceso las partculas caen o ascienden con sus
velocidades terminales y se utiliza la sedimentacin impedida.Las
aplicaciones ms frecuentes de hundimiento y flotacin son la
limpieza decarbn y la concentracin de minerales. En condiciones
adecuadas, se han pro-puesto 6 operaciones de limpieza entre
materiales cuya diferencia de densidadesrelativas es solamente de
0,l.Mtodos de sedimentacin diferencial. Los mtodos de sedimentacin
diferencialutilizan la diferencia entre las velocidades terminales
que puedan existir entresustancias de diferente densidad. La
densidad del medio es menor que 1 decualquiera de las sustancias.
La desventaja del mtodo reside en que como lamezcla de materiales a
separar comprende un intervalo de tamaos de partcula,las ms grandes
y ligeras sedimentarn con la misma velocidad que las mspequeas y
pesadas, por lo que se obtendr una fraccin mezclada.En la
sedimentacin diferencia1 ambos materiales, ligero y pesado,
sedimentana travs del mismo medio. Este mtodo se basa en el
concepto de partculas conigual velocidad de sedimentacin.
Considrense partculas de dos materiales A yB que sedimentan a travs
de un medio de densidad p. Sea el material A el mspesado, por
ejemplo, galena (densidad relativa = 7,5), y el material B
cuarzo(densidad relativa = 2,65). La velocidad terminal de una
partcula de tamao D,y de densidad pP que sedimenta por gravedad a
travs de un medio de densidad pviene dada por la Ecuacin (7.42)
para la sedimentacin en el rgimen de la ley de Stokes. Para una
partcula de galena de densidad ppA y dimetro D,,, estaecuacin puede
escribirse como
Clarificadores y espesadores. Para la clasificacin o eliminacin
de slidos rela-tivamente gruesos, que tienen velocidades de
sedimentacin razonablementegrandes, resulta satisfactoria la
separacin en condiciones de sedimentacin libreo impedida. Para
separar partculas has, de dimetros de unos pocos micrometros o
inferiores, las velocidades de sedimentacin resultan demasiado
bajas ypara que la operacin pueda realizarse, es preciso aglomerar
o flocular laspartculas para formar partculas grandes que posean
una velocidad de sedimen-tacin razonable.
Floculacin. Muchos limos constan de partculas con cargas
elctricas, positivaso negativas, y debido a la repulsin de cargas
iguales, las partculas tienden adispersarse. Si se aade un
electrlito, los iones que se forman en la disolucinneutralizan las
cargas de las partculas, que pueden entonces aglomerarse yformar
flculos de mayor tamao. Cuando las partculas originales estn
carga-das negativamente ser efectivo el catin del electrlito,
mientras que cuando lacarga es positiva el activo ser el anin. En
cualquier caso, cuanto mayor es lavalencia del ion ms eficaz es el
ion como agente de floculacin. Otros mtodosde floculacin incluyen
el uso de agentes superficialmente activos y la adicin demateriales
tales como cola, caliza, almina o silicato sdico, que arrastran
conellos las particulas. En un limo convenientemente tratado los
flculos son visiblesa simple vista.Las partculas floculadas poseen
dos importantes caractersticas de sedmen-tacin. La primera de ellas
es la complicada estructura de los flculos. Losagregados poseen
dbiles enlaces entre las partculas y retienen una
considerablecantidad de agua en sus estructuras, que acompaa a los
flculos en la sedimen-tacin. Aunque inicialmente los flculos
sedimentan de forma libre o impedida, ypor tanto son aplicables en
principio las ecuaciones habituales, no resulta prcti-co utilizar
cuantitativamente las leyes de la sedimentacin debido a que
eldimetro y la forma de un flculo no se puede definir fcilmente.La
segunda caracterstica de las partculas floculadas es la complejidad
de sumecanismo de sedimentacin. La evolucin de la sedimentacin de
una suspen-sin floculada tpica es como se describe a continuacin.
La Figura 30.25~muestra una suspensin uniformemente distribuida en
el lquido y lista parasedimentar. La profundidad total de la
suspensin en Z,.
Si no hay arenas en la mezcla, la primera aparicin de slidos en
el fondo del sedimentador, se debe alos flculos que se originan en
la parte inferior de la mezcla. Tal como muestra laFigura 30.256,
estos slidos, que consisten en flculos que descansan suavementeunos
sobre otros forman una capa llamada zona D. Encima de la zona D
seforma otra capa, llamada zona C, que es una capa de transicin,
cuyo contenidoen slidos vara desde el de la pulpa original hasta el
de la zona D. Encima de lazona C est la zona B que consiste en una
suspensin homognea de la mismaconcentracin que la pulpa original.
Encima de la zona B est la zona A que, silas partculas han sido
totalmente floculadas, es un lquido claro. En pulpas bienfloculadas
el lmite entre las zonas A y B es ntido. Si quedan partculas
sinaglomerar la zona A es turbia y el lmite entre las zonas A y B
es confuso.En la Figura 30.2% se observa que a medida que avanza la
sedimentacin, losespesores de las zonas D y A aumentan, el de la
zona C permanece constante,mientras que el de la zona B disminuye.
Posteriormente, tal como muestra laFigura 30.25d, desaparecen las
zonas B y C, y todos los slidos estn en la zonaD, comenzando
entonces un nuevo efecto llamado compresin. El momento en elque la
compresin resulta por primera vez evidente recibe el nombre de
puntocritico. En la compresin una parte del lquido que acompaaba a
los flculos enla zona de compresin D es expulsado cuando el peso de
los slidos depositadosrompe la estructura de ,los flculos. Durante
la compresin una parte del lquido contenido en los flculos se
proyecta fuera de la zona D formando como peque-os surtidores y el
espesor de esta zona disminuye. Finalmente, tal como muestrala
Figura 30.25e, cuando el peso de slidos alcanza el equilibrio
mecnico con laresistencia a la compresin de los flculos, se detiene
el proceso de sedimentacin.En este momento el limo alcanza su
altura final. Todo el proceso que se represen-ta en la Figura 30.25
recibe el nombre de sedimentacin.Velocidad de sedimentacin. En la
Figura 30.26 se muestra la representacingrfica tpica de la altura
de los limos (el lmite entre las zonas A y B) frente altiempo. Tal
como indica la primera parte de la curva, durante la primera etapa
desedimentacin la velocidad es constante. A medida que el slido se
acumula en la zona D, la velocidad de sedimentacin disminuye y va
descendiendo uniforme-mente hasta que se alcanza la altura final.
El punto crtico corresponde al puntoC de la Figura 30.26.
El comportamiento de las suspensiones vara mucho tanto en sus
velocidadesde sedimentacin como en las alturas relativas de las
distintas zonas durante lasedimentacin. Para evaluar con exactitud
las caractersticas de sedimentacin decada suspensin individual, es
preciso realizar un estudio experimental.Equipo de sedimentacin;
espesadores. El proceso que se acaba de describir serealiza a gran
escala en un aparato llamado espesador. Para partculas
quesedimentan con una velocidad relativamente grande puede resultar
adecuado untanque de sedimentacin discontinuo o bien un cono de
sedimentacin continuo.Sin embargo, para numerosas funciones es
preciso emplear un espesor agitadomecnicamente como el que se
muestra en la Figura 30.27, que consiste en untanque grande,
relativamente poco profundo, provisto de unos rastrillos o
ras-quetas radiales que se mueven lentamente accionados desde un
eje central. Sufondo puede ser plano o ligeramente cnico. La
suspensin alimento diluida fluyedesde un canal o artesa inclinada
hacia el centro del espesador. El lquido semueve radialmente con
una velocidad decreciente constantemente permitiendoque los slidos
sedimenten hacia el fondo del tanque. El lquido claro rebosahacia
un canal por la parte superior del tanque. Los brazos del rastrillo
agitansuavemente la suspensin y la desplazan hacia el centro del
tanque, de donde seretira a travs de una gran abertura que comunica
con la entrada de una bomba de lodos. En algunos diseos los brazos
del rastrillo estn pivotados de tal formaque pueden ascender para
vencer cualquier obstruccin como terrones o barrosendurecidos que
puedan existir en el fondo del tanque.
Los espesadores agitados mecnicamente son generalmente grandes,
con va-lores entre 30 a 300 pies (10 a 100 m) de dimetro y 8 a 12
pies (2,5 a 3,5 m) deprofundidad. En un espesador grande los
rastrillos pueden efectuar una revolu-cin cada 30 minutos. Estos
espesadores resultan especialmente tiles cuando espreciso tratar
grandes volmenes de una suspensin diluida, como en el caso dela
fabricacin de cemento o en la obtencin de magnesio a partir de agua
de mar.Tambin son muy utilizados en el tratamiento de aguas.El
volumen de lquido claro producido en la unidad de tiempo por
unespesador continuo depende fundamentalmente del rea de la seccin
transversaldisponible para la sedimentacin, siendo en los
sedimentadores industriales casiindependiente de la profundidad del
lquido. Por tanto, las mayores capacidadespor unidad de rea
transversal del tanque se obtienen utilizando un espesador de
bandejas mltiples, con varias zonas poco profundas de sedimentacin,
situadasunas encima de otras, en un tanque cilndrico. Unos
agitadores de rastrillos orasquetas hacen descender la suspensin
sedimentada desde una bandeja hasta lasiguiente. En estos
dispositivos se puede realizar un lavado en contracorriente
demltiple etapa. Su dimetro es considerablemente menor que el de
los espesado-res de una sola etapa.Zonas de sedimentacin en
espesadores continuos. En un espesador continuoequipado con
rastrillos para retirar el flujo inferior, la pulpa de alimentacin
seintroduce por el centro de la unidad a una profundidad del orden
de 1 metro pordebajo de la superficie del lquido. Tal como muestra
la Figura 30.28, por encimadel nivel de la alimentacin hay una zona
de clarificacin que casi est libre deslidos, donde la mayor parte
del lquido que entra con la alimentacin asciendepara ser retirada
con la corriente superior. Los slidos sedimentan por debajo
delnivel de la alimentacin, junto con algo de lquido que abandona
la unidad con elflujo inferior.Por debajo del nivel de la
alimentacin hay una regin llamada zona desedimentacin 15, en la
cual los flculos individuales estn dbilmente unidosentre s, y todas
las partculas independientemente de su tamao descienden conla misma
velocidad. Cerca del fondo hay una zona de compresin en la que
laconcentracin de los slidos aumenta rpidamente hasta alcanzar el
valor corres-pondiente a la corriente inferior. Esta zona
corresponde a la zona D de unespesador discontinuo, si bien, por
supuesto, en un espesador continuo no varacon el tiempo. Los
rastrillos que operan en el fondo de la zona de compresintienden a
romper la estructura de los flculos y a compactar la corriente
inferiorhasta un contenido de slidos mayor que en la zona D de un
espesador disconti-nuo.En la prctica se puede obtener una corriente
superior clara si la velocidadascendente del lquido en la zona
diluida es inferior a la velocidad terminalmnima de los slidos en
todos los puntos de la zona. La velocidad del lquido esproporcional
a la velocidad de la corriente superior, y si sta es
demasiadogrande, saldr turbia. Cuando ocurre esto el equipo est
sobrecargado. Por otroIADO lado, el contenido de slidos y el grado
de espesamiento de la corriente inferiordepende del tiempo de
retencin del material en la zona de compresin, que a SUvez es
proporcional a la profundidad de esta zona. Puesto que la
profundidad dela zona solamente se puede aumentar con un tanque ms
profundo y, por tantoms caro, el lmite econmico se alcanza para una
concentracin de la corrienteinferior algo menor que la que
finalmente se podra alcanzar al cabo de un largoperodo de tiempo.El
dimetro de un espesador debe ser suficientemente grande para
acomodar-se a los flujos de lquido y slidos a tratar. Si la
clarificacin es importante, eldimetro del tanque viene dado por el
rea de la seccin horizontal a travs de lazona de clarificacin. Este
rea tiene que ser suficientemente grande para que lavelocidad
ascendente del lquido en esta zona sea inferior a la velocidad
desedimentacin de la partcula ms pequea que ha de ser separada. En
lasoperaciones de espesamiento, el rea de la seccin transversal, y
por tanto eldimetro, viene dada por el flujo limitante de los
slidos en una de las dos zonasinferiores; es decir, la masa de
slidos que pueden sedimentar a travs de unaseccin transversal dada
en un determinado tiempo.En un espesador continuo la densidad de
flujo total descendente de slidosconsta de dos partes: la densidad
de flujo de slidos transportados por el lquidodescendente y la
densidad de flujo adicional que resulta de la sedimentacin delos
slidos a travs del lquido. La primera de ellos recibe el nombre de
densidadde flujo de transporte y la segunda el de densidad de flujo
de sedimentacin. Ladensidad de flujo de transporte, tal como
muestra la Figura 30.29a, aumentalinealmente con la concentracin
para un flujo dado de la corriente inferior. Porotra parte, la
densidad de flujo de sedimentacin es cero en la corriente
superior,donde no hay slidos, y aumenta rpidamente con la
concentracin en la zona declarificacin, para alcanzar un valor
mximo o cercano a la concentracin de laalimentacin. Despus
disminuye al aumentar ms la concentracin, estando la sedimentacin
cada vez ms impedida (vase la Fig. 30.29b). Por tanto, la densi-dad
de flujo total pasa por un mximo y despus por un mnimo al aumentar
laconcentracin, tal como puede observarse en la Figura 30.29a. Si
la concentra-cin de la corriente inferior c, es mayor que la
concentracin para esta densidadde flujo crtica mnima, debe de
existir suficiente rea para que en ninguna partedel tanque se
sobrepase esta densidad de flujo.
Procesos de sedimentacin centrfugaUna partcula determinada
sedimenta por accin de la gravedad en un fluidodado con una
determinada velocidad mxima. Para aumentar la velocidad
desedimentacin, la fuerza de la gravedad que acta sobre la partcula
puedesustituirse por una fuerza centrfuga mucho ms intensa. Los
separadores centr-fugos han sustituido en buena parte a los
separadores por gravedad en lasoperaciones de produccin debido a su
mayor eficacia con gotas finas y partcu-las, as como su tamao mucho
menor para una determinada capacidad.Separacin de slidos contenidos
en gases; ciclones. La mayor parte de los sepa-radores centrfugos
para retirar partculas de corriente gaseosas no contienenpartes
mviles. El dispositivo tpico es el separador de cicln que se
representa enla Figura 30.30. Consiste en un cilindro vertical con
un fondo cnico, una entradatangencial cerca de la parte superior y
una salida para el polvo situada en elfondo del cono. La entrada
generalmente es rectangular. La conduccin de salidase prolonga
dentro del cilindro para evitar que se forme un cortocircuito de
airedesde la entrada hasta la salida.El aire entra cargado de polvo
recorre un camino en espiral alrededor y haciaabajo del cuerpo
cilndrico del cicln. La fuerza centrfuga desarrollada en elvrtice
tiende a desplazar radialmente las partculas hacia la pared, de
forma queaquellas que alcanzan la pared deslizan hacia abajo dentro
del cono y se recogen.El cicln es esencialmente un dispositivo de
sedimentacin en el que una intensafuerza centrfuga, que acta
radialmente, es la que se utiliza en vez de una fuerzagravitacional
relativamente dbil dirigida verticalmente.
La fuerza centrfuga Fc correspondiente al radio Y es igual a
mz&,/rg,, donde mes la masa de la partcula y utan es su
velocidad tangencial. La relacin entre lafuerza centrfuga y la
fuerza de gravedad es
Separaciones lquido-slido: hidroclones32h, 40bLos ciclones
tambin se utilizan para la separacin de slidos a partir de lquidos,
en algunas ocasiones como espesadores, pero ms comn como
clasicadores. En estos servicios reciben el nombre de hidrociclones
o hidroclones. En la gura 29.40a se muestra la accin en un
hidrocicln. La alimentacin entra tangencialmente a alta velocidad
cerca de la parte superior. El lquido sigue un camino en espiral
cerca de la pared del tanque, formando un fuerte vrtice
descendente. Las partculas de slido grandes o pesadas se separan en
la pared y son impulsadas hacia abajo y salen del cicln como una
suspensin o una pasta. Un oricio de descarga variable controla la
consistencia del ux inferior.La mayor parte del lquido regresa
hacia arriba en un vrtice interno y sale a travs de una tubera
central de descarga, que se conoce como buscador de vrtice.
En un hidrocln es imposible tener una buena eliminacin de slidos
y una alta concentracin del ujo inferior. En las operaciones de
espesamiento, con casi todos los slidos eliminados del sobreujo, la
concentracin del ujo inferior debe ser menor de 12% en volumen.
Cuando se utilizan los hidrociclones para clasicacin, el ujo
inferior puede estar ms concentrado, hasta un mximo de 50% en
volumen para suspensiones de piedra caliza o carbn. La gura 29.40b
muestra cmo se modica la forma del hi-drocicln dependiendo de la
funcin de la unidad.La cada de presin p en un hidrocicln vara con
la velocidad de alimentacin elevada a una potencia entre 2.0 y 3.3.
Para alimentaciones diluidas el dimetro de corte vara con el
dimetro del cicln a la potencia 1.5, as que para una cada de presin
deter-minada, un dimetro pequeo da una mejor separacin que uno
grande. Por lo tanto, los hidrociclones son pequeos: el intervalo
del dimetro va de 10 mm (0.4 in.) a alrededor de 1.2 m (48 in.).
Para manejar ujos grandes, se conectan varios hidrociclones pequeos
en paralelo, con tantos como 480 unidades de 10 mm dispuestos en un
solo ensamble.El tamao de corte es una funcin dbil de la cada de
presin; para alimentaciones diluidas vara con p0.25. As que las
grandes cadas de presin no son econmicos. Los hidrociclones grandes
operan con un p de alrededor de 1 atm; en los pequeos es de 4 a 5
atm.Los hidrociclones encuentran aplicaciones en operaciones de
eliminacin de granos en la produccin de almina, eliminacin de
carbono en la recuperacin de yeso para la manufactura de cido
fosfrico, clasicacin de pigmentos y magmas de cristales y etapas
similares del proceso. Estos equipos han reemplazado ampliamente a
los claricadores mecnicos en la pulverizacin en circuito
cerrado.
Decantadores centrfugos. Los lquidos inmiscibles se separan
industrialmenteen decantadores centrfugos como los descritos en el
Captulo 2. La fuerza deseparacin es mucho mayor que la de gravedad
y acta en el sentido de alejarsedel eje de rotacin en vez de estar
dirigida hacia la superficie terrestre. Losprincipales tipos de
decantadores centrfugos son las centrfugas tubulares y
lascentrfugas de disco.Centrz$zga tubular. En la Figura 30.32 se
muestra una centrfuga tubular lqui-do-lquido. El recipiente es alto
y estrecho, con un dimetro de 4 a 6 pulg (100 a 150 mm (4 a 6 in.),
y gira con unas 15 000 rpm en una carcasa estacionaria. La
alimentacin entra desde una boquilla estacionaria insertada a travs
de una abertura situada en el fondo del recipiente, y se separa en
dos capas concntricas de lquido en el interior del re-cipiente. La
capa interior, o ms ligera, rebosa sobre un vertedero situado en la
parte
superior del recipiente; es llevada hacia fuera y depositada
dentro de un compartimento estacionario de descarga y despus se
descarga en una tubera. El lquido ms pesado uye sobre otro
vertedero, situado dentro de un compartimento separado y se
descarga por una tubera. El vertedero por el que uye el lquido
pesado puede separarse y re-emplazarse por otro con una abertura de
diferente tamao. La posicin de la interfase lquido-lquido (la zona
neutra) se mantiene por medio de un balance hidrulico, tal como se
muestra en la gura 2.6 y la ecuacin (2.17). En algunos diseos, el
lquido se descarga a presin y la posicin de la interfase se ja
ajustando vlvulas externas situadas en las lneas de
descarga.Centrfuga de discos. La centrfuga de discos que se ilustra
en la gura 29.42 es alta-mente efectiva para algunas separaciones
lquido-lquido. Un recipiente corto y ancho de 200 a 500 mm (8 a 20
in.) de dimetro gira sobre un eje vertical. El recipiente tiene un
fondo plano y una tapa cnica. La alimentacin entra por arriba a
travs de una tubera estacionaria y se sita en el cuello del
recipiente. En una centrfuga tubular se forman dos capas lquidas;
uyen sobre dos represas ajustables hacia conductos de descarga
separadas. Dentro del recipiente, y girando con l, existen discos
espaciados estrechamente que en realidad son conos de lmina metlica
colocados unos encima de otros. Haciendo perforaciones en los
discos, aproximadamente a la mitad de la distancia entre el eje y
la pared del recipiente, se forman canales a travs de los cuales
pasan los lquidos. En la operacin, la alimentacin lquida entra por
el fondo del recipiente, y uye por los canales y asciende sobre los
discos. El lquido ms pesado es forzado hacia fuera desplazando el
lquido ligero hacia el centro del recipiente. Durante su recorrido,
el lquido ms denso choca muy rpido contra la cara inferior de un
disco y uye sobre ella hasta la periferia del recipiente sin
encontrar nada ms de lquido ligero. De manera anloga el lquido
ligero uye hacia dentro y hacia arriba sobre las supercies
superiores de los discos. Puesto que los discos estn muy prximos,
la distancia que una gota de cualquiera de los lquidos tiene que
recorrer para escapar de
la otra supercie es mucho ms corta que en el caso de una
centrfuga tubular, donde las capas de lquido son relativamente
gruesas. Adems, en una mquina de discos existe un esfuerzo cortante
considerable en la interfase lquido-lquido, ya que una fase uye en
un sentido y la otra lo hace en sentido contrario. Estos esfuerzos
cortantes ayudan a romper ciertos tipos de emulsiones. Las
centrfugas de disco son especialmente valiosas cuando la nalidad de
la centrfuga no es la separacin completa, sino la concentracin de
una fase uida, como en el caso de la separacin de la crema de la
leche o la concentracin de ltex de caucho.Si la alimentacin lquida
que entra en una centrfuga tubular o en una de discos contiene
suciedad u otras partculas pesadas, los slidos se acumulan dentro
del recipiente y es preciso descargarlos peridicamente. Esto se
realiza parando la mquina, abriendo el recipiente y retirando la
carga de slidos. Esto la vuelve antieconmica si los slidos
representan slo un pequeo porcentaje de la alimentacin.Las
centrfugas tubulares y de discos se utilizan con ventaja para
separar trazas de slidos de aceites lubricantes, lquidos de
proceso, tinta y bebidas que deben estar per-fectamente limpias.
Son capaces de separar slidos gelatinosos o viscosos que obstruiran
rpidamente un ltro. Por lo general clarican un solo lquido de forma
que el recipiente posee un solo sobreujo de lquido; sin embargo,
tambin pueden arrastrar hacia abajo los slidos, separando
simultneamente dos fases lquidas.Centrfugas de boquillas de
descargaCuando el lquido de alimentacin contiene mayor porcentaje
de slidos, es preciso que exista un dispositivo para la descarga
automtica de los mismos. En la gura 29.43 se muestra una forma de
realizar esto. Este separador es un tipo de centrfuga modicada de
discos con un doble recipiente cnico. En la periferia del
recipiente en su dime-tro mximo hay una serie de pequeos oricios o
boquillas con un dimetro del orden de 3 mm. La parte central del
recipiente opera en la misma forma que en la centrfu-ga de discos
normal, rebosando una o las dos corrientes de lquidos claricados.
Los slidos son desplazados hacia la periferia del recipiente y
salen de forma continua a travs de las boquillas junto con una
cantidad considerable de lquido. En algunos di-seos, parte de la
suspensin se descarga desde las boquillas y se recicla a travs del
recipiente para aumentar la concentracin de slidos; tambin es
posible introducir l-quido de lavado en el recipiente para efectuar
un lavado por desplazamiento. En otros diseos, las boquillas estn
cerradas la mayor parte del tiempo por medio de tapones o vlvulas
que se abren con cierta periodicidad para descargar una suspensin
mode-radamente concentrada.Separadores de lodosEn una centrfuga con
boquillas de descarga, los slidos abandonan el recipiente por
debajo de la supercie del lquido y, por lo tanto, llevan consigo
cantidades considera-bles de lquido. Para separar una suspensin de
alimentacin en una fraccin de lquido claro y un lodo pesado seco,
hay que desplazar del lquido, de manera mecnica, los slidos
sedimentados y drenarlos mientras se encuentran todava bajo la
accin de la fuerza centrfuga. Esto se realiza en separadores
continuos de lodos; un ejemplo tpico de este procedimiento se
muestra en la gura 29.44. En esta centrfuga de transportador
helicoidal hay un recipiente cilndrico con una seccin terminal
cnica que gira alrededor de un eje horizontal. La alimentacin entra
a travs de una tubera axial estacionaria y se proyecta en forma de
roco en un estanque o capa anular de lquido dentro del recipiente
cilndrico. El lquido claricado uye a travs de unos oricios situados
en la placa que cubre el extremo no cnico del recipiente. La
posicin radial de estos ori-cios ja el espesor de la capa anular de
lquido. Los slidos sedimentan a travs del lquido hacia la supercie
interior del recipiente; un transportador helicoidal que gira un
poco ms lento que ste desplaza los slidos fuera del estanque y los
eleva hasta una playa hacia las aberturas de descarga en el extremo
pequeo del cono. Sobre los slidos se puede pulverizar lquido de
lavado mientras ascienden hasta la playa con el n de eliminar las
impurezas solubles. El lquido procedente del lavado uye hacia el
estanque y se descarga con el resto del lquido. El lodo drenado y
el lquido claro salen del recipiente por diferentes partes de la
carcasa a travs de unas aberturas existentes para tal efecto.Las
centrfugas de transportador helicoidal se construyen con dimetros
del recipiente mximos comprendidos entre 100 a 1 400 mm (4 a 54
in.), y separan grandes cantidades de material. Por ejemplo, una
mquina de 450 mm es capaz de tratar de 1 a 2 toneladas de slidos
por hora, una mquina de 1 400 mm, trata 50 toneladas por hora. Con
alimen-taciones formadas por suspensiones espesas, la capacidad de
una mquina determinada est limitada por el par de fuerzas (torque)
que puede soportar el transportador. Con suspensiones diluidas los
limitantes del rendimiento son la capacidad de tratamiento de
lquido del recipiente y los oricios de descarga.La operacin prctica
de un separador de lodos requiere que los slidos sean ms densos que
el lquido y que no se vuelva a formar la suspensin por la accin del
transpor-tador. En la separacin de slidos ligeros nos una modicacin
conocida como centrfuga de transporte de ujo axial (descrita
posteriormente) es ms efectiva que la centrfuga de enrollamiento
total mostrada en la gura 29.39. Aun as, el lquido euente de estas
m-quinas por lo general no est totalmente exento de slidos y
requiere una claricacin posterior. Considerando estas
restricciones, los separadores de lodos resuelven una gran variedad
de problemas: separan partculas nas de lquidos, escurren y lavan
cristales que drenan libremente y, con frecuencia, se utilizan como
clasicadores.Fundamentos de la sedimentacin centrfugaEn una
sedimentacin centrfuga, una partcula de un tamao determinado se
separa del lquido si dispone de tiempo suciente para que la
partcula alcance la pared del recipiente separador. Si se supone
que en todo momento la partcula se est moviendo radialmente con su
velocidad terminal es posible calcular el dimetro de la partcula ms
pequea que se puede separar.Considere el volumen de lquido en la
centrfuga que se representa en la gura 29.45. El punto de
alimentacin est en la parte inferior y el punto de descarga en la
superior. Suponga que todo el lquido se mueve hacia arriba a travs
del recipiente con una velocidad constante y arrastrando consigo
partculas slidas. Tal como se aprecia en la gura, una determinada
partcula comienza a sedimentar en el fondo del recipiente a una
cierta posicin en el lquido, es decir, a una distancia r del eje de
rotacin. Su tiempo de sedimentacin est limitado por el tiempo de
residencia del lquido en el recipiente; al nal de este tiempo
suponga que la partcula est a una distancia rB del eje de rotacin.
Si rB < r2, la partcula abandona el recipiente con el lquido; si
rB = r2, se deposita en la pared del recipiente y se separa del
lquido. Si la partcula sedimenta en el intervalo de la ley de
Stokes, la velocidad terminal a un radio r, de acuerdo con la
ecuacin (7.40), esr D p p ( ) 2 2Se puede denir el punto de corte2
como el dimetro de la partcula que justamente alcanza la mitad de
la distancia entre r1 y r2. Si Dpc, es el dimetro de corte, una
partcula de este dimetro se desplaza una distancia y = (r2 r1)/2
durante el tiempo de sedimenta-cin disponible. Si se ha de separar
una partcula de dimetro Dpc, es preciso que alcance en el tiempo
disponible la pared del recipiente. Por lo tanto, rB = r2 y rA =
(r1 + r2)/2 y la ecuacin (29.78) se transforma entonces
enCentrfugas transportadoras de ujo axialEn 1970 Schnittger38
demostr que el tiempo de residencia real en una centrfuga
trans-portadora es muy inferior que el que determina la ecuacin
(29.82). Propuso un modelo en que el lquido uye en una delgada capa
lmite sobre un lquido esencialmente estancado. La separacin crtica
tiene lugar en esta capa, una vez que las partculas se mueven desde
la capa lmite dentro del estanque, en efecto se separan a menos que
despus se resuspendan de forma mecnica. Una capa lmite delgada
proporciona mejor separacin que una gruesa. El volumen total del
estanque no es importante; se requiere que el estanque no sea ms
profundo que lo necesario para asegurar que los slidos compactados
estn debajo de la supercie.En una centrfuga transportadora de ujo
axial, el enrollamiento se corta en las seccio-nes de alimentacin y
sedimentacin para formar una cinta transportadora que opera cerca
de la pared del recipiente, permitiendo que no se perturbe la
supercie del lquido. La capa lmite puede entonces uir en una
direccin axial desde el punto de alimentacin hasta la descarga del
lquido. La turbulencia se minimiza en la zona de alimentacin y en
la salida del lquido por el diseo de los canales de ujo. Las aspas
longitudinales en la seccin de sedimentacin aseguran que el lquido
en la capa lmite gire a la velocidad mxima del
recipiente; dichas aspas, que forman un ngulo con la direccin
radial, tambin funcionan como los discos de una centrfuga de
discos, reduciendo la distancia a la que una partcula debe
sedimentar antes de que impacte con una supercie slida. Una vez que
esto sucede es poco probable que la partcula sea resuspendida.En
una centrfuga de mximo enrollamiento (vase gura 29.44) el lquido
uye en una trayectoria en espiral contraria al movimiento del
transportador. En estas condiciones la capa lmite es hasta 10 veces
el espesor de una capa que uye slo en una direccin axial. Adems, el
ujo en espiral induce la formacin de remolinos y turbulencias en la
capa lmite, impidiendo la sedimentacin; cuando el ujo es axial, la
capa lmite est en ujo laminar, y no se impide la sedimentacin.
Willis y Shapiro44 dan valores de para centrfugas de ujo axial. La
adicin de aspas puede aumentar el valor de de 3 a 4
veces.Clasicadores centrfugosDurante el paso de lquido a travs del
recipiente de una centrfuga, las partculas slidas ms grandes son
expulsadas fuera del lquido. Las partculas ms nas pueden no
sedi-mentar en el tiempo disponible y ser arrastradas con el lquido
euente. Como en el caso de un clasicador hidrulico por gravedad,
las partculas slidas se separan de acuerdo con el tamao, la forma o
la gravedad especca. En un clasicador centrfugo, la fuerza de
separacin es del orden de 600 veces la fuerza de gravedad, lo que
permite separaciones ntidas de partculas de 1 m de dimetro o menos.
Sin embargo, en las mquinas centr-fugas tambin se clasican
partculas mucho ms gruesas que stas.La fuerza de sedimentacin
elevada en una centrfuga da lugar a que se puedan obtener
velocidades prcticas de sedimentacin con partculas mucho menores
que en el caso de un clasicador por gravedad. Mientras que con una
fuerza mayor no se modican las velocidades relativas de
sedimentacin de las partculas pequeas, s que se vencen los pequeos
efectos perturbadores de las corrientes de conveccin libre y el
movimiento browniano en un clasicador por gravedad, lo que permite
separaciones, en algunos casos, que son imposibles de realizar en
una unidad por gravedad. Con partculas gruesas es posible cambiar
el rgimen de sedimentacin, de forma que una partcula que sedimenta
por gravedad de acuerdo con la ley de Stokes puede sedimentar en
rgimen intermedio o con la ley de Newton en una centrfuga. Por lo
tanto, las partculas que sedimentan con igual velocidad en una
unidad por gravedad pueden a veces separarse parcialmente en una
centrfuga. Por otra parte, los culos sueltos o los aglomerados
dbiles que sedimentan muy rpido en un espesador por gravedad, a
menudo se rompen en un clasicador centrfugo y sedimentan
lentamente, o no sedimentan en absoluto, a pesar de la mayor fuerza
disponible para la sedimentacin.
