Sedimentacion Uam Importante

Planta Piloto de Fermentaciones

Departamento de Biotecnologa

Sedimentacin

Sergio Huerta OchoaUAM-Iztapalapa



Aplicar los principios de la mecnica de fluidos en el

planteamiento y resolucin de problemas prcticos,

relacionados con la sedimentacin.

Objetivos

relacionados con la sedimentacin.

Desarrollar la capacidad basado en conocimientos

terico-prcticos para disear, seleccionar y evaluar

equipos de sedimentacin.



Sedimentacin

Es una operacin de separacin de fases fluido-slido en la que las partculas slidas se separan del fluido debido a que por su mayor densidad, tienden a sedimentar debido a la gravedad.

El fluido puede ser un lquido o gas, aunque en este ltimo caso pasa a ser El fluido puede ser un lquido o gas, aunque en este ltimo caso pasa a ser fluidizacin

Usos

Clarificacin: Obtener una fase lquida clara, sin slidos en suspensin (ej: tratamiento de aguas)

Espesamiento: Obtener una pulpa de densidad adecuada para alguna operacin subsiguiente (ej: pulpa para filtrado)



Sedimentacin

Variables:

Tamao de partcula

Densidad de la partculas Densidad de la partculas

Forma de las partculas

Propiedades superficiales

Otros fenmenos

Sedimentacin impedida

Coagulacin

Floculacin

Dispersin



Sistemas de dispersin

Son sistemas multifsicos, compuestos de dos o tres fases

Una fase contnua (medio dispersante) Una fase contnua (medio dispersante)

Una o dos fases discontnuas (fases dispersas)

Clasificacin segn el tamao de partcula

Suspensiones, partculas mayores que 1 micron

Coloides, desde 1 micron a 10 angstrom

Las pulpas tienen caractersticas de suspensiones y coloides a la vez.



Estabilidad de las dispersiones

Se define como la capacidad de un sistema de mantener en el tiempo una

concentracin uniforme a travs de todo el volumen sin necesidad de

agitacin mecnica externa.

Cuando el sistema no es estable, se separan ambas fases por sedimentacin

de la fase slida debido a la fuerza de gravedad.

Una suspensin es un sistema naturalmente inestable.

La velocidad de separacin de ambas fases est determinada por la

propiedades fsicas de ambas fases y la concentracin de la fase slida



Estabilidad de las dispersiones

A medida que la partcula es ms pequea, menor es el efecto de la fuerza

de gravedad.de gravedad.

A este nivel, son significativos factores tales como las fuerzas de atracccin y

repulsin entre las partculas.

Si predominan las fuerzas de repulsin, el sistema se mantiene estable

En caso contrario, las partculas sedimentan solas o forman agregados.



Coagulacin y floculacin

Para el espesamiento de pulpas, se hace necesario disminuir la estabilidad

de las dispersiones.

Esto permite favorecer la formacin de agregados multipartculas con

velocidades de sedimentacin superiores a la de una partcula normal.

Se hace necesario reducir la barrera energtica, disminuyendo el potencial

superficial.

Posibilidades:

Adsorcin superficial de iones

Condensacin de la doble capa



Condensacin de la doble capa

Consiste en la reduccin de su tamao debido a un aumento de la fuerza

inica de la solucin

Esto se logra aumentando la concentracin de un electrolito indiferente a la

superficie

La disminucin del perfil del potencial permite reducir la barrera energtica

con lo que se favorece la formacin de agregados de partculas.

Cuando se induce la desestabilizacin de una dispersin mediante adsorcin

superficial de iones o por compresin de la doble capa, el fenmeno se

denomina coagulacin.



A travs de tuberas, el agua pasa a un

tanque o cmara de mezcla donde se

agita y se combina con un producto que

neutralice y desestabilice los coloides

(partculas pequeas que pueden afectar

la salud). la salud).

Este proceso dura fracciones de

segundo y requiere de una fuerte

agitacin, que permita una rpida

difusin del producto qumico compuesto

de Sulfato de Aluminio y Cloruro Frrico



Floculacin

La floculacin es otra forma de producir agregados de partculas

El agregado de partculas se produce como consecuencia de la adicin de El agregado de partculas se produce como consecuencia de la adicin de

compuestos orgnicos de cadena larga (polielectrolitos)

Estos compuestos se adsorben sobre la superficie

Mecanismos

Si la cadena es corta, el reactivo produce hidrofobizacin de las

superficies

Si la cadena es larga con mltiples grupos polares, cada molcula se

adsorbe sobre varias partculas.



Luego, el agua pasa a un tanque

donde la agitacin homognea y lenta

del agua y el qumico hace que las

partculas de turbiedad se unan a las

otras para formar un flculo que

pueda ser fcilmente removido en la

sedimentacin. Una vez que el agua sedimentacin. Una vez que el agua

ha sido coagulada y floculada, el

siguiente proceso consiste en separar

los ms densos. Esta sedimentacin

se lleva a cabo en los decantadores,

ya sean de forma circular o

rectangular.En estos procesos, el

agua elimina cerca del 70% de sus

impurezas biolgicas e inorgnicas.



Velocidad de sedimentacin

La velocidad de separacin o velocidad de sedimentacin est determinada

por las propiedades del slido, del lquido o de la mezcla.por las propiedades del slido, del lquido o de la mezcla.

Propiedades del slido

Densidad

Forma

Rugosidad superficial

Condicin elctrica de su superficie

Distribucin granulomtrica




Propiedades de la fase lquida

Densidad

Viscosidad Viscosidad

Naturaleza molecular

Substancias disueltas

Propiedades de la mezcla

Concentracin de slidos

Viscosidad de la mezcla



Sedimentacin discontinua

Curva de sedimentacin

Lquido claro

Concentracin constante

Concentracin variable

Sedimento

Video Sedimentacin




Las zonas de sedimentacin y la del lquido claro crecen a expensas de las

zona de concentracin uniforme hasta que desaparece (punto crtico).

Hasta este punto, las partculas sedimentan libremente, chocando

eventualmente debido a la concentracin

Despus del punto crtico, las partculas descansan una sobre otra

producindose una compresin final.

Esto ocurre debido al peso de la columna hidrosttica.




La nica interfase ntida es la existente entre el agua clara y la pulpa.

La variacin de esta altura respecto del tiempo se utiliza para caracterizar la La variacin de esta altura respecto del tiempo se utiliza para caracterizar la sedimentacin batch.

La velocidad de desplazamiento se calcula mediante la pendiente de la curva.

La curva presenta tres zonas tpicas:

Recta al principio, en que la velocidad de la interfase es constante

Tramo curvo, cuando desaparece la zona de concentracin constante

Asinttica, despus del punto crtico



Tipos de Sedimentacin

Ocurre en suspensiones

diluidas, las partculas tienen

muy poca interaccin con

otras mientras sedimentan

Tipo II (Sedimentacin floculante)

Las partculas floculan

conforme sedimentan

La velocidad de los flculos

se incrementan con el

Tipo I (Sedimentacin discreta):

Las partculas sedimentan

de acuerdo a la Ley de Stocks

El parmetro de diseo es:

Tasa de flujo superficial

overflow (Q/As)

se incrementan con el

tiempo

Parmetros de diseo:

* Tasa de flujo superficial

* Profundidad del tanque, o

* Tiempo de retencin

hidrulico



La teora bsica del flujo de slidos a travs de fluidos se basa en el concepto de cuerpos

con movimiento libre

ddV

mFgc = dmFgc =

donde:

F es la fuerza resultante que acta sobre cualquier cuerpo

es la aceleracin del cuerpo, y

m es la masa del mismo

ddV



Las fuerzas que actan sobre cualquier cuerpo que est cayendo son:

Cuerpo

c

EE

g

maF = Ley de Newton

Cuerpo

slido

c

fD

Dg

SvCF S

2

2 =

c

E

S

Bg

am

F

=Fuerza de flotacin

Principio de Arqumides

Fuerza de arrastre



Por lo tanto tenemos:

( )d

dVmgFFF cBDE =

Sustituyendo FE, FD, y FB tenemos:

m

SvCaa

d

dVsfD

s

EE

2

=

Ecuacin general para la fuerza total que acta sobre un cuerpo en cualquier campo de

fuerza.

Su solucin requiere del conocimiento de

la naturaleza de la fuerza externa y

el coeficiente de arrastre,CD



Si la fuerza externa es la gravedad, aE

es igual a la aceleracin de la gravedad g, la

ecuacin anterior se transforma:

m

SvCg

d

dV D

S 21

2

=

Velocidad terminalVelocidad terminal

Para partculas esfricas, el rea proyectada perpendicular al flujo es:

y la masa es

Entonces para el caso de un campo gravitacional y sustituyendo para S y m se tiene:

4

2

pD

S

pD

6

3

Sp

D

S D

vCg

d

dV

43

12

=



A la velocidad terminal, v = vt ; por consiguiente,0=ddV

=

SSp

tD gD

vC

14

3 2

( )

D

pS

tC

gDv

3

4 =

Flujo laminar,

Turbulento o de

transicin

Re-arreglando trminos,



( )18

2

pS

t

gDv

=

Ley de Stokes (Rgimen laminar)

Re

24

CD =NRe 0.1

Rgimen de transicin

44.0Re

24+=

p

DC

44.0=DC

Rgimen de transicin

Ley de Newton (Rgimen turbulento)

( )

D

pS

tC

gDv

3

4 =

( )

D

pS

tC

gDv

3

4 = NRe 1.0



Se puede derivar una expresin en la cual no aparece el tamao de partcula:

( )

+=

32Re 3

4logloglog

t

SD

v

gC

El tamao de una partcula que tiene una velocidad terminal fija, puede determinarse de

la siguiente grfica. Su interseccin con la curva apropiada de esfericidad, da el nmero

de Reynolds terminal, a partir del cual puede calcularse Dp

Esfericidad = rea superficial de una esfera equivalente de

una partcula

Esfera equivalente = esfera del mismo volumen de

una partcula

La desviacin de la esfera no importa en la regin de

la Ley de Stocks como sucede en el regin de la Ley

de Newton

Las partculas caen con su rea ms pequea

sealando hacia abajo en la regin de la Ley

de Stocks

La superficie ms grande seala hacia abajo

en la regin de la Ley de Newton

Esfericidad



CD es tambin una funcin de la velocidad, por lo que resulta una ecuacin con dos

incgnitas. Una tcnica para la solucin simultnea es utilizar la ecuacin:

( )t

pp

D vgD

C log23

4loglog

=

Expresando el nmero de Reynolds en funcin de la velocidad terminal en forma

logartmicap

vD

logloglog +=

tv logloglog Re +=

Eliminando vt entre ambas ecuaciones resulta

( )

+=

2

3

Re3

4loglog2log

Sp

D

gDC

Nota: Se traza una lnea recta con pendiente -2 que pase por el punto:

( )

==

2

3

Re3

4,1

Sp

D

gDC

La interseccin de la lnea recta con la curva de la esfericidad deseada nos da el nmero

de Reynolds terminal de donde se puede calcular vt



Cada obstaculizada de partculas esfricas

Se puede derivar un factor de correccin (R) que incorpore los efectos de viscosidad

para una suspensin dada, permitiendo el uso de una ecuacin ms conveniente,

( )gD Sp 2 = ( )RgDv SpH

18

=

Donde vH es la velocidad terminal para la sedimentacin obstaculizada

Diseo de un Sedimentador

http://www.nptel.iitm.ac.in/courses/Webcourse-contents/IIT-KANPUR/wasteWater/Lecture%206.htm

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