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OPERACIONES UNITARIAS“EQUIPOS EN SEDIMENTACION” Iván A. Salazar, Laura Portela, Lina M. López, Sebastián Cadena OPERACIONES CON SÓLIDOS ING. QUÍMICA DOC. ING. IVÁN RAMÍREZ MARÍN FACULTAD DE INGENIERÍA UNIVERSIDAD DE AMÉRICA NOVIEMBRE 2013 OPERACIONES UNITARIAS “SEDIMENTACION” Iván A. Salazar 1 , Laura Portela 1 , Lina M. Lopez 1 , Sebastián Cadena 1 1 Facultad de Ingeniería Química, Universidad de América de Colombia. Tel: 3376680 Fax: 57 1 336294 Email: [email protected] RESUMEN Este trabajo contiene información sobre la operación unitaria de sedimentación, sus principios físicos, sus clases, equipos utilizados, aplicaciones industriales y costos en la industria. Tiene como objetivo sintetizar los contenidos encontrados en fuentes como libros y páginas de internet para el mejor estudio de la operación, resaltando lo esencial y más importante para un mejor entendimiento de los conceptos y demás ítems. (ver www.ucatedraivan.wordpress.com) Palabras Claves: Sedimentación, operación unitaria, principios físicos. ABSTRACT This paper contains information on research showing sedimentation unit operation, its physical principles, their classes, equipment used, and industrial applications in industry costs. It aims to synthesize the contents found in sources such as books and websites for the best study of the operation, highlighting the essential and most important for a better understanding of the concepts and other items Key words: Sedimentation, unit operation, physical principles. INTRODUCCIÓN El proceso de sedimentación representa el más importante proceso unitario para separaciones mecánicas de sólido-líquido. Es tal vez la operación unitaria más usada en el tratamiento de aguas y aguas residuales. En la mayoría de los casos, el objetivo principal es la obtención de un efluente

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Mostrar las generalidades, principios físicos y los equipos utilizados para la sedimentación, con sus respectivas ventajas, desventajas, industrias en las que se utilizan y costos actuales de los mismos.

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  • 1. OPERACIONES UNITARIASEQUIPOS EN SEDIMENTACION Ivn A. Salazar, Laura Portela, Lina M. Lpez, Sebastin Cadena OPERACIONES CON SLIDOS FACULTAD DE INGENIERAING. QUMICA DOC. ING. IVN RAMREZ MARN UNIVERSIDAD DE AMRICA NOVIEMBRE 2013OPERACIONES UNITARIAS SEDIMENTACION 1Ivn A. Salazar1, Laura Portela1, Lina M. Lopez1, Sebastin Cadena1 Facultad de Ingeniera Qumica, Universidad de Amrica de Colombia. Tel: 3376680 Fax: 57 1 336294 Email: [email protected] Este trabajo contiene informacin sobre la operacin unitaria de sedimentacin, sus principios fsicos, sus clases, equipos utilizados, aplicaciones industriales y costos en la industria. Tiene como objetivo sintetizar los contenidos encontrados en fuentes como libros y pginas de internet para el mejor estudio de la operacin, resaltando lo esencial y ms importante para un mejor entendimiento de los conceptos y dems tems. (ver www.ucatedraivan.wordpress.com) Palabras Claves: Sedimentacin, operacin unitaria, principios fsicos. ABSTRACT This paper contains information on research showing sedimentation unit operation, its physical principles, their classes, equipment used, and industrial applications in industry costs. It aims to synthesize the contents found in sources such as books and websites for the best study of the operation, highlighting the essential and most important for a better understanding of the concepts and other items Key words: Sedimentation, unit operation, physical principles.INTRODUCCIN El proceso de sedimentacin representa el ms importante proceso unitario paraseparaciones mecnicas de slido-lquido. Es tal vez la operacin unitaria ms usada en el tratamiento de aguas y aguas residuales. En la mayora de los casos, el objetivo principal es la obtencin de un efluente

2. OPERACIONES UNITARIASEQUIPOS EN SEDIMENTACION Ivn A. Salazar, Laura Portela, Lina M. Lpez, Sebastin Cadena OPERACIONES CON SLIDOS FACULTAD DE INGENIERAING. QUMICA DOC. ING. IVN RAMREZ MARN UNIVERSIDAD DE AMRICA NOVIEMBRE 2013clarificado con la ayuda de equipos sedimentadores que se adecuan y utilizan segn la industria y el fin para el que son construidos e implementados. SEDIMENTACIN La sedimentacin es una operacin de separacin slido- fluido en la que las partculas slidas de una suspensin, se separan debido a la densidad del disolvente y el soluto, la concentracin y el tamao de las partculas en suspensin, la presencia o no de coagulantes en la mezcla y el estado de agitacin del conjunto. El producto de mayor inters suele ser generalmente el fluido libre de partculas, pero en otros casos es el propio producto slido; aunque rara vez se consigue la separacin total de las dos fases de forma absoluta y ntida. Los slidos en suspensin sedimentables son aquellos que por accin de la gravedad se separan del seno del lquido y son arrastrados hacia el fondo del tanque sedimentador, donde pueden ser separados del lquido a la cual se desea darle tratamiento para remocin de dichas partculas. Los slidos sedimentables son aquellos que tienen una densidad mayor a la del lquido donde se encuentran. An y cuando tericamente deben separarse todas las partculas ms densas que el lquido que contiene dichos slidos, la eficiencia del proceso de remocin es generalmente baja ya que en el proceso de separacin estninvolucrados otros factores como corrientes de turbulencia y de desestabilizacin de la cama de lodos, etc. La separacin del material en suspensin del lquido que lo contiene involucra un proceso netamente fsico. En este proceso se manifiestan una serie de fuerzas como son: La fuerza que provoca que el slido sedimente y que se debe a la accin de la gravedad. La fuerza de oposicin o el empuje que se manifiesta por el desplazamiento del lquido por la partcula suspendida que se desplaza verticalmente hacia abajo. La fuerza de friccin que se debe al desplazamiento de la partcula por el fluido. Si la fuerza gravitatoria es mayor que las fuerzas de oposicin, la partcula se precipita al fondo del recipiente (sedimenta), de lo contrario, la partcula no se separa del lquido y ser arrastrada por el lquido sobrenadante que sale en la parte superior del sedimentador. El factor principal que conduce a la sedimentacin es la densidad de la partcula. A mayor densidad, mayor fuerza gravitacional y ms eficiente separacin del slido. Tambin influye en la separacin la densidad del lquido. 3. OPERACIONES UNITARIASEQUIPOS EN SEDIMENTACION Ivn A. Salazar, Laura Portela, Lina M. Lpez, Sebastin Cadena OPERACIONES CON SLIDOS FACULTAD DE INGENIERAING. QUMICA DOC. ING. IVN RAMREZ MARN UNIVERSIDAD DE AMRICA NOVIEMBRE 2013SEDIMENTACIN POR GRAVEDAD ESPESADORES La funcin principal de un espesador continuo es concentrar los slidos en suspensin mediante asentamiento por gravedad, para lograr un balance de materia en rgimen estacionario con extraccin continua de slidos, especialmente en el efluente inferior a la velocidad con que entran a la alimentacin. Espesadores convencionales: Se caracteriza porque su bandeja de alimentacin se encuentra en la parte superior del equipo.Esta suspensin diluida sedimenta a velocidad constante formando un manto de altura variable, para transformarse en sedimento en la parte inferior del equipoFigura 1. Fases del sedimentado. El Espesador Convencional se utilizan con frecuencia cuando el uso de floculante es problemtico o caro. La gran superficie y las bajas tasas de enjuague permiten que laspartculas se depositen sin ayuda de floculante. Beneficios: Consumo de floculante reducido Maneja fcilmente las fluctuaciones del proceso Reduccin de gastos de operacin Levante de rastras con baja friccin Aunque las necesidades de espacio y costos de capital (CAPEX) son a menudo ms altos los costos a largo plazo en funcionamiento (OPEX) pueden ser considerablemente menores. Desventajas: Se ha demostrado que los espesadores convencionales su tiempo de sedimentar es de horas debido a que no tiene un agente floculante Espesador de alta densidad: Estas unidades tienen paredes laterales ms altas y una inclinacin ms pronunciada para maximizar densidades. Permiten la eliminacin de precipitados de desecho a una concentracin que evita la segregacin de partculas finas y gruesas o la formacin de una capa de lquido en la superficie del depsito. Beneficios: Descargas inferiores de alta densidadtransportable con bombas convencionales (centrfuga) Mecanismos de torque de alta eficiencia Sistemas de aspas de bajo perfil Levante de rastras con baja friccin Desventaja: 4. OPERACIONES UNITARIASEQUIPOS EN SEDIMENTACION Ivn A. Salazar, Laura Portela, Lina M. Lpez, Sebastin Cadena OPERACIONES CON SLIDOS FACULTAD DE INGENIERAING. QUMICA DOC. ING. IVN RAMREZ MARN UNIVERSIDAD DE AMRICA NOVIEMBRE 2013Las densidades ms altas perjudican a la unidad del mecanismo que requiere ms esfuerzo de Torque, as como el mecanismo de rastra es arrastrado a travs del material de ms alta viscosidad. Operacin: Cuando se opera correctamente, los espesadores requieren mnima atencin y, si las caractersticas de la alimentacin no cambian radicalmente, cabe esperar que se mantengan las condiciones de diseo. Para ello, se deben controlar las velocidades de alimentacin y el efluente inferior, as como las concentraciones de slidos. La velocidad de dosificacin de floculante y el nivel de la interface, preferiblemente con sistemas dependientes de instrumentacin. La puesta en marcha de un espesador es la parte ms difcil de la operacin, ya que en esta etapa es donde existe una mayor probabilidad de dao mecnico que en cualquier otro momento.CLARIFICADORES Los clarificadores continuos se emplean, generalmente, con suspensiones diluidas, normalmente corrientes de procesos industriales y residuos domsticos municipales, y su principal propsito es producir un efluente superior relativamente claro. Los clarificadores emplean un mecanismo de construccin ms ligera y un mecanismo de transmisin de impulso con menor capacidad de torsin.Clarificadores rectangulares: El mecanismo de rasquetas empleado en muchos diseos consiste en una draga de arrastre tipo cadena, aunque para lo9s procesos ligeros se usan sistemas de succin. La draga de arrastre mueve la pulpa de depositada hacia una tolva de lodos situada en un extremo, por medio de raspadores que hay al final de las largusimas cadenas. Durante su retorno a la posicin de las rasquetas, las palas deben pasar cerca del nivel de agua y as actuar como desnatadores para quitar la espuma o nata de la superficie. Este tipo de clarificador se usa en procesos tales como separaciones preliminares de aceite y agua en refineras y en clarificacin de corrientes residuales en fbricas siderrgicas. La calidad (transparencia) del efluente superior obtenida con estos clarificadores no es tan buena como con los clarificadores circulares, debido principalmente al reducido permetro de rebose por rea equivalente. Clarificadores circulares: El mecanismo es soportado por puente, por columna central y de traccin perifrica. El primero de ellos est limitado a tanques de dimetro menor a 20m por motivos econmicos. Un clarificador circular est equipado con un dispositivo desnatador de superficie, que incluye un desnatador rotatorio, una placa 5. OPERACIONES UNITARIASEQUIPOS EN SEDIMENTACION Ivn A. Salazar, Laura Portela, Lina M. Lpez, Sebastin Cadena OPERACIONES CON SLIDOS FACULTAD DE INGENIERAING. QUMICA DOC. ING. IVN RAMREZ MARN UNIVERSIDAD DE AMRICA NOVIEMBRE 2013desviadora de espuma y una caja recolectora de espuma, los clarificadores esta provistos generalmente de rodillos de plstico en las cuchillas de raspado de los brazos de arrastre, ya que es deseable que el fondo este limpio para evitar la acumulacin de slidos orgnicos. Clarificadores de placa inclinada: Se ha incrementado el uso de la placa inclinada para la clarificacin. Estos separadores contienen mltiples placas inclinadas de 45 a 60 con respecto a la horizontal. Se utilizan varios mtodos de alimentacin para que la entrada pase por cada canal inclinado con aproximadamente un tercio de la altura vertical desde el fondo. Esto da por resultado que los slidos tengan que sedimentarse solo en una pequea distancia de cada canal antes de deslizar la base hacia abajo para darles paso a la zona de recoleccin, que se encuentra debajo de las placas. La ventaja principal del clarificador de placas inclinadas es su capacidad incrementada por unidad de rea plana. Los inconveniente ms importantes son la concentracin variable de los slidos de efluente inferior, que es menor que en otros clarificadores por gravedad, y la dificultad de limpiarlo cuando se dan incrustaciones o depsitos. Clarificadores por contacto de slidos:Estos clarificadores permiten las velocidades mximas de efluente superior, con una dosis mnima de productos qumicos para producir un efluente de la mejor calidad. La entrada, con su dosis de productos qumicos, se pone en contacto con slidos previamente sedimentados en un tubo de succin de recirculacin, dentro del pozo de reaccin, por medio de la accin de bombeo de la turbina, que da por resultado un mezclado total de estas corrientes. Debido a la concentracin ms elevada de slidos que se recirculan, todas las reacciones qumicas son mas rpidas y casi completas, lo que mejora la floculacin. Los clarificadores por contacto de slidos presentan ventajas en clarificadores de sedimento o aguas turbias que requieren coagulacin y floculacin para eliminar las bacterias, los slidos suspendidos o el color. Las aplicaciones incluyen el ablandamiento de agua mediante la adicin de cal, la clarificacin de las corrientes de los procesos industriales, el tratamiento terciario para la eliminacin de fosfatos, as como la eliminacin de slice de las salmueras geotrmicas o de las aguas de superficie que se utilizan como de reposicin en las torres de enfriamiento. Componentes y accesorios para las unidades de sedimentacin Los componente bsicos son los mismo tanto si el sistema se utiliza para espesamiento como para clarificacin: el tanque, la estructura de apoyo del motor, la 6. OPERACIONES UNITARIASEQUIPOS EN SEDIMENTACION Ivn A. Salazar, Laura Portela, Lina M. Lpez, Sebastin Cadena OPERACIONES CON SLIDOS FACULTAD DE INGENIERAING. QUMICA DOC. ING. IVN RAMREZ MARN UNIVERSIDAD DE AMRICA NOVIEMBRE 2013unidad de impulso y el dispositivo de elevacin, la estructura de arrastre, el pozo de alimentacin, los dispositivos de efluentes superior e inferior, la instrumentacin y las instalaciones para la floculacin. Tanques: Los tanques o estanques se construyen con materiales como el acero, hormign, madera, tierra compactada, laminado de plstico y cemento con tierra. La seleccin de los materiales de construccin se basa en el coste, la disponibilidad, la topografa, la capa fretica, las condiciones del terreno, el clima, la temperatura de operacin y la resistencia a la corrosin. Generalmente, los tanques industriales de hasta 30m de dimetro estn hechos de acero. El hormign se suele utilizar en los tratamientos de aguas municipales y en aplicaciones industriales grandes. Se ha demostrado que son econmicas las unidades extremadamente grandes en las que se utilizan estanque de tierra con recubrimientos impermeables. Estructuras de soporte de las unidades motrices: existen tres mecanismos bsicos de unidad motriz: Espesadores con mecanismo soportado en un puente: estos espesadores son generalmente, de un dimetro superior a los 30m, siendo el mximo de 45m. ofrecen las siguientes ventajas sobre los de mecanismo soportado por columnacentral: (1) capacidad para transferir cargas a la periferia del tanque,(2) capacidad para dar una concentracin de efluente inferior ms consistente y densa con un solo punto de extraccin,(3) un dispositivo de elevacin menos complicado, (4) menos partes estructurales sujetas a la acumulacin, (5) acceso al mecanismo de impulso por ambos extremos y (6) menor coste para unidades con dimetro inferior a 30m. Espesadores con mecanismo soportado por columna central: estos espesadores suelen tener un dimetro de unos 20m. el mecanismo esta soportado por una columna central de acero o de hormign, y los brazos de arrastre estn unidos a un sistema de impulso que gira alrededor de la columna central. Espesadores por traccin: estos espesadores se adaptan mejor a tanques de mas de 60m de dimetro. Su mantenimiento es, generalmente mas fcil que el de otros espesadores, lo cual es una ventaja cuando estn situados en lugares alejados. Las desventajas de un espesador por traccin son que (1) no puede usarse ningn dispositivo practico de elevacin,(2) la operacin puede ser difcil en climas donde la nieve y el hielo son frecuentes, y (3) el esfuerzo 7. OPERACIONES UNITARIASEQUIPOS EN SEDIMENTACION Ivn A. Salazar, Laura Portela, Lina M. Lpez, Sebastin Cadena OPERACIONES CON SLIDOS FACULTAD DE INGENIERAING. QUMICA DOC. ING. IVN RAMREZ MARN UNIVERSIDAD DE AMRICA NOVIEMBRE 2013de impulso de torsin se debe transmitir desde la periferia del tanque hacia el centro, donde se presentan las condiciones ms pesadas de rastrilleo. Mecanismo de impulso: son el componente clave de la unidad de sedimentacin. Proporcionan, la fuerza para mover las rasquetas a travs de la pulpa espesada y para mover los slidos sedimentados hasta el punto de descarga, soporta el mecanismo que le permite rotar, capacidad adecuada de reserva para soportar perturbaciones y sobrecargas temporales, y control fiable que protege al mecanismo de daos sobrecargas. Los mecanismos de impulso suelen tener un engranaje recto de hierro o acero montado sobre cojinetes, piones de aleacin de acero o cualquier engranaje de bronce o hierro maleable, transportado a su vez por cinta de engranaje de acero endurecido. Tambin se emplean sistemas hidrulicos de impulso. Este conjunto esta guarnecido para obtener una vida mxima de servicio. El mecanismo de impulso contiene un sistema medidor de la torsin indicada en el mecanismo que puede transmitirse a un indicador a distancia. Si la torsin alcanza un valor excesivo, este sistema activa automticamente los dispositivos de seguridad, como alarma sonora, elevndose las rasquetas y parndose el mecanismo de impulso. Mecanismo de elevacin de las rasquetas: estos mecanismos deber usarsecuando existe la posibilidad de una operacin anormal de espesamiento. El mecanismo de elevacin puede ajustarse para que eleve automticamente los rastrillos cuando ocurre un nivel especfico de torsin y seguir elevndolo hasta que la torsin vuelve a su valor normal o hasta que se alcanza la altura mxima de elevacin. Generalmente, deben tomarse las medidas correctivas necesarias para eliminar la causa de la perturbacin. Los dispositivos de elevacin de los rastrillos pueden ser manuales para los espesadores de dimetro pequeo o motorizado para grandes. La principal ventaja de este diseo es el rea superficial relativamente pequea del mecanismo de rasquetas, que reduce acumulacin de slidos y el tiempo muerto en las aplicaciones en que puede darse incrustacin o formacin de islas. Una desventaja de este diseo o cualquiera con brazos ensamblados por bisagras y auto elevable es que en el centro existe una elevacin muy pequea y, por lo general, es en este lugar donde ocurren las sobrecargas. Otra desventaja es la dificultad de que existe para regresar las rasquetas a la posicin ms baja en los espesadores que contienen slidos que se compactan firmemente. Mecanismo de arrastre: el mecanismo de arrastre o de rasquetas ayuda a desplazar los slidos sedimentados hasta el punto de descarga y tambin ayuda en el 8. OPERACIONES UNITARIASEQUIPOS EN SEDIMENTACION Ivn A. Salazar, Laura Portela, Lina M. Lpez, Sebastin Cadena OPERACIONES CON SLIDOS FACULTAD DE INGENIERAING. QUMICA DOC. ING. IVN RAMREZ MARN UNIVERSIDAD DE AMRICA NOVIEMBRE 2013espesamiento de la pulpa a romper los puentes de floculos, permitiendo la salida del fluido y la consolidacin de los floculos. Los mecanismos de arrastre se disean para aplicaciones especficas y suelen tener dos brazos largos con rasquetas y, optativamente, dos brazos cortos para las unidades con el mecanismo soportado por puente o por columna central. Las unidades de traccin tienen generalmente a un brazo largo y tres cortos. Generalmente, el diseo convencional se utiliza en las unidades soportadas por puente, en tanto que el diseo de doble pendiente se emplea para las unidades de mayor dimetro. Los extremos de las rasquetas pueden tener fondos en forma de pico o sierra para cortar slidos que tienen tendencia a compactarse. Pozo de alimentacin: el pozo de alimentacin se disea para permitir que la alimentacin entre a una espesador convencional con la turbulencia mnima y una distribucin uniforme, mientras disipa la mayor parte de su energa cintica. La pulpa entra al pozo de alimentacin, que por lo general est localizado en el centro del espesador, a travs de un tubo o canal suspendido del puente. Algunos diseos especiales de pozos de alimentacin utilizados para disiparla velocidad de entrada y crear condiciones tranquilas para la sedimentacin dividen la corriente de alimentacin y la dejan que entre al pozo de alimentacin de forma tangencial, por ladosopuestos. Las dos corrientes colisionan para disipar energa cintica. Dispositivo de rebose: el efluente clarificado se elimina por medio de un canal perifrico, localizado dentro o fuera del tanque. El efluente entra al canal al sobre fluir un vertedero plano o con muescas en V, o mediante orificios sumergidos en el fondo del canal. Los clarificadores industriales pueden tener velocidades de efluente superior mayores, que dependen de la aplicacin y la claridad deseada de efluente superior. Los canales se pueden colocar de diferentes formas para lograr la velocidad de efluente superior deseada. Para mejorar la clarificacin hay varias alternativas, que incluyen un canal anular dentro del tanque (el lquido fluye por ambos lados) canales radiales conectados al canal perifrico (que proporciona un vertedero muy largo, que puede ser necesario cuando se dan velocidades de efluente superior anormalmente elevadas y la claridad del efluente superior es importante). Por otra parte, en muchas aplicaciones de los espesadores no se requieren canales perifrico completos y no se obtienen ninguna diferencia en la claridad de efluente superior o del inferior en su concentracin. Dispositivo de extraccin: los slidos concentrados se eliminan del espesador mediante una bomba centrifuga para precipitados, o bien una bomba de desplazamiento positivo, o en ocasiones, mediante descarga por gravedad a travs de 9. OPERACIONES UNITARIASEQUIPOS EN SEDIMENTACION Ivn A. Salazar, Laura Portela, Lina M. Lpez, Sebastin Cadena OPERACIONES CON SLIDOS FACULTAD DE INGENIERAING. QUMICA DOC. ING. IVN RAMREZ MARN UNIVERSIDAD DE AMRICA NOVIEMBRE 2013una vlvula de control de flujo adecuada para utilizarse con suspensiones. Existen cuatro dispositivos bsicos de extraccin: Bomba adyacente al espesador con la tubera enterrada: este dispositivo, con la tubera que procede del cono de descarga enterrada, es el menos costoso, pero el ms susceptible al taponamiento. Se utiliza exclusivamente cuando los slidos no se compactan hasta el grado de formar un precipitado no bombeable, y se puede retro lavar fcilmente si se da taponamiento. Bomba con la tubera del cono de descarga dentro de un tnel: se puede construir un tnel debajo del espesador para proporcionar acceso al cono de descarga cuando los precipitados de efluente inferior son difciles de bombear y tienen las caractersticas que causan taponamiento. La bomba de efluente inferior se puede instalar debajo del espesador o en el permetro. Bomba con una descarga perifrica: la descarga perifrica se utiliza para permitir una reduccin en el coste de instalacin de un tanque de fondo plano sobre el terreno compactado. Dado que se requiere ms torsin para arrastrar los slidos hasta el permetro del tanque, este dispositivo no es adecuado para el servicio que incluye el manejo de slidos gruesoso los que se vuelven no fluido a altas concentraciones. Bombeo por la columna central: este mecanismo se puede utilizar en vez del tnel. Se dispone de varios diseos, el ms comn de los cuales consiste en una bomba montada sobre un puente, con la lnea de succin dentro de una columna central hmeda o seca. InstrumentacinEl control de espesadores se basa normalmente en la idea de que la densidad del efluente inferior obtenido es el criterio ms importante del proceso. La claridad del efluente superior tambin se considera, pero no es tan determinante. Otros factores adicionales a considerar son la optimizacin del uso de floculantes y la proteccin del mecanismo de arrastre. Sensores de nivel de lecho de lodo: la mayora de los dispositivos ms comnmente usados para la deteccin del nivel de lecho de lodos operan por ultrasonidos, radiaciones gamma, infrarroja o luz visible, o simplemente con un corcho que es cuidadosamente lastrado para que flote en la interface del nivel de lecho de lodo. Medidores de flujo: se usan para medir la velocidad de adicin de floculante, de efluente inferior y de flujo de alimentacin. Para el control automtico, los dispositivos ms usados son los medidores de flujo 10. OPERACIONES UNITARIASEQUIPOS EN SEDIMENTACION Ivn A. Salazar, Laura Portela, Lina M. Lpez, Sebastin Cadena OPERACIONES CON SLIDOS FACULTAD DE INGENIERAING. QUMICA DOC. ING. IVN RAMREZ MARN UNIVERSIDAD DE AMRICA NOVIEMBRE 2013magntico y los medidores de flujo de efecto doppler. Indicadores de densidad: se usan para medir la densidad o el contenido de slidos suspendidos en las corrientes de alimentacin y de efluente inferior. Los dispositivos ms usados para el control automtico son los de radiaciones gamma, pero los de ultrasonido son ms efectivos en un rango de densidades de lodo ms bajo. Indicadores de turbidez: operan con haces de luz y detectores de luz visible. Se usan para controlar la turbidez de la alimentacin y del efluente. Detectores de cantidad de corriente: con ellos se obtienen medidas fuertemente relacionadas con el potencial zeta de una suspensin y se usan para la optimizacin de la dosis de coagulante en operaciones de clarificacin. APLICACIONES INDUSTRIALES Los espesadores y los clarificadores tienen la aplicacin industrial de desage en las reas de decantacin que tienen industrias de proceso, incluida la minera, la construccin, pulpa y papel, energa, petrleo y gas, son adems usados para tratar los contaminantes para el retiro en agua y aguas residuales. En la industria del azcar son utilizados para procesar el jugo mezclado y clarificar el jugo antes de la evaporacin. COSTOSComo regla general, el coste total de la instalacin es 3 a 4 veces el coste del mecanismo de arrastre, ms el de los pasillos y el puente o jaula de estribo central, rieles y lavadores de efluente superior. El coste de energa para un espesador continuo es casi insignificante, el bajo consumo de energa es debido a las bajas velocidades de rotacin; y esta baja velocidad implica tambin bajos costes de mantenimiento. La mano de obra es poca, ya que no necesita mucha atencin tras la operacin inicial de balance de alimentacin y efluente superior. Si se requieren reactivos para la floculacin, el coste de stos hace frecuentemente que los dems costes de operacin resulten muy pequeos. SEDIMENTACIN CENTRIFUGA Ciclones (separacin gas-solido) Consiste en un cilindro vertical con un fondo cnico, una entrada tangencial en la parte superior que por lo general es rectangular y una salida para el slido situada en el fondo del cono. El aire cargado de solidos recorre un camino en espiral hacia abajo del cicln. La fuerza centrfuga desarrollada en el vrtice tiende a desplazar radialmente las partculas hacia la pared para que se deslicen hacia abajo dentro del cono y poder recogerlas, y posteriormente las partculas de gas salen por la parte superior ilustrado en la Figura 2. 11. OPERACIONES UNITARIASEQUIPOS EN SEDIMENTACION Ivn A. Salazar, Laura Portela, Lina M. Lpez, Sebastin Cadena OPERACIONES CON SLIDOS FACULTAD DE INGENIERAING. QUMICA DOC. ING. IVN RAMREZ MARN UNIVERSIDAD DE AMRICA NOVIEMBRE 2013Figura 2. Cicln separacin gas slido. El cicln es en esencia un dispositivo de sedimentacin en el que una fuerza centrfuga intensa, que acta radialmente, es la que se utiliza en lugar de una fuerza gravitacional relativamente dbil dirigida de forma vertical. Un cicln de gran dimetro tiene un factor de separacin mucho menor que para dimetros pequeos y son utilizados en flujos no muy grandes para empresas medianas y pequeas; pero cuando el flujo es grande se pueden acoplar varios ciclones de pequeo dimetro utilizaos para grande empresa.mantenimiento y bajos costos de operacin. Cada de presin relativamente baja, comparada con la cantidad de partculas removidas.particulas menores de 10 m. No se puede manejar materiales pegajosos o aglomerados.Hidrociclones (separacin liquido-solido) 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 solido grandes o pesadas se separan en la pared y son impulsadas hacia abajo para salir del cicln. La mayor parte del lquido regresa hacia arriba en una vrtice interno y sale a travs de una tubera central de descarga como se muestra en la Figura 3.La eficiencia de recoleccin aumenta con la densidad de las partculas y disminuye al aumentar la temperatura del gas porque aumenta su viscosidad. Tabla 1 Ventajas y desventajas de los ciclones Ventajas Bajos costos de capital Falta de partes mviles, por lo tanto, pocos requerimientos deDesventajas Eficiencias de recoleccin de partculas suspendidas totales relativamente bajas, particularmente paraFigura 3. Hidrocicln separacin liquido slido. Es imposible tener una buena eliminacin de solidos a una alta concentracin del flujo interior, por eso se utilizan alimentaciones diluidas y maquinas con dimetros pequeos entre 10mm y 1,2m para pequeas empresas, por lo tanto para flujos grandes se conectan 12. OPERACIONES UNITARIASEQUIPOS EN SEDIMENTACION Ivn A. Salazar, Laura Portela, Lina M. Lpez, Sebastin Cadena OPERACIONES CON SLIDOS FACULTAD DE INGENIERAING. QUMICA DOC. ING. IVN RAMREZ MARN UNIVERSIDAD DE AMRICA NOVIEMBRE 2013varios hidrociclones pequeos en paralelo utilizados en grades empresas.separaciones de material bilgico.Tabla 2 Ventajas y desventajas de los hidrociclonesTabla 3 Ventajas y desventajas de la centrifuga tubular Ventajas Facilidad de construccin, instalacin y mantenimiento. Unidades pequeas (ahorro de espacio) Esfuerzos cortantes altos (corte fino, evita la aglomeracin)Desventajas Inflexibilidad (rgidos en construccin con poca posibilidad de variaciones de diseo) Esfuerzos cortantes altos (desventaja a altas concentraciones por imposibilidad de usar floculantes)Centrifuga tubular La alimentacin se introduce por el fondo del recipiente a travs de un pequeo orificio. Seguido, se encuentra un distribuido y un deflector ensamblados que permiten la distribucin y la aceleracin de la alimentacin a la velocidad circunferencial. El lquido centrifugado abandona por rebose o desbordamiento el recipiente por la parte inferior y los slidos que sedimentan contra la pared del recipiente se retiran por la parte superior. Los modelos comerciales son de 102 a 127mm de dimetro y 762mm de longitud y se usan para flujos grandes en empresas de gran escala. Los de menor tamao 44 x 229mm son usados para laboratorio y puede desarrollar 65000g y se emplea paragranVentajas Se usa cuando se requieren altos requerimientos de centrifugacin. Fcil desmontado y limpiezadificultadcomoDesventajas Limite en los caudalesCentrifugas de disco La alimentacin se introduce prxima al eje central, acelerando hasta alcanzar la velocidad establecida mediante una especie de eje sobre el que estn situados de 50 a 150 discos cnicos superpuestos espaciados entre 0,4 y 3mm, para reducir la distancia de la separacin solido-liquido. El ngulo medio formado por los discos con la horizontal esta entre 40 a 55o para facilitar el transporte de slidos. Cuando acta la fuerza centrfuga los slidos sedimentan sobre la cara interna e inferior de los discos y se desplazan hacia el fondo por la inclinacin para recogerlos. Simultneamente el lquido clarificado se mueve hacia arriba por el canal cnico gracias a las aberturas que proporcionan los discos espaciados uniformemente con un paso continuo; esto se muestra a continuacin en la Figura 4. 13. OPERACIONES UNITARIASEQUIPOS EN SEDIMENTACION Ivn A. Salazar, Laura Portela, Lina M. Lpez, Sebastin Cadena OPERACIONES CON SLIDOS FACULTAD DE INGENIERAING. QUMICA DOC. ING. IVN RAMREZ MARN UNIVERSIDAD DE AMRICA NOVIEMBRE 2013que los slidos son desplazados por la zona del tamizado, se somete a lavado en la primera mitad para eliminar impurezas y la segunda mitad est dedicada a deshidratar el slido.Figura 4. Centrifuga de discos. La centrifuga de discos es la ms utilizada en la industria debido a las siguientes ventajas: o Mayor rendimiento y diseo compacto. o Separacin de solidos muy finos de lquidos. o Construccin cerrada y/o hermtica para evitar la contaminacin del producto del medio ambiente. o Fcil manejo.Centrifugas de recipiente apantallado Consiste en un decantador de recipiente macizo en el que se aade en la seccin cnica final una pantalla cilndrica del tamizado. La alimentacin acelerada se introduce y los slidos ms densos sedimentan sobre la pared del recipiente, escapando el efluente a travs de las aberturas que dispone el equipo. A medidaTabla 4 Ventajas y desventajas de la centrifuga de recipiente apantallado Ventajas Se obtienen solidos ms secos debido a la filtracin centrifuga en el tamiz. Los tamices minimizan el taponamiento.Desventajas Dificultad en limpieza y mantenimiento.la elAPLICACIONES INDUSTRIALES Las centrifugas tienen la aplicacin idustrial de la deshidratacin mxima de los lodos residuales en el tratamiento de agua residuales. Cada dcimo por ciento que se incrementa en la materia seca de los lodos, origina un ahorro considerable para el operador en la eliminacin de los mismos. En la purificacin de vacunas, las vacunas no centrifugadas contienen gran cantidad de materiales no esenciales y dainos; purificacin de aceites de lubricacin e industriales; clarificacin y purificacin de productos alimenticios tales como aceites esenciales, extractos y jugos de fruta, y en la minera. COSTOS 14. OPERACIONES UNITARIASEQUIPOS EN SEDIMENTACION Ivn A. Salazar, Laura Portela, Lina M. Lpez, Sebastin Cadena OPERACIONES CON SLIDOS FACULTAD DE INGENIERAING. QUMICA DOC. ING. IVN RAMREZ MARN UNIVERSIDAD DE AMRICA NOVIEMBRE 2013Ni el coste de inversin ni el coste de operacin de una centrfuga pueden correlacionarse directamente mediante una nica caracterstica de un tipo dado que centrfuga. Estos costes dependen tambin de las caractersticas de la centrfuga respecto de la naturaleza fsica y qumica de los materiales a separar, el grado y dificultad de separacin, la flexibilidad y capacidad de la centrfuga y sus equipos auxiliares, el medio en el que se localiza la centrfuga y otros muchos factores no tcnicos, incluyendo la competencia del mercado. CONCLUSIONES Los espesadores y clarificadores son mquinas de bajos costos puesto que requieren una mnima atencin, las caractersticas de alimentacin no cambian radicalmente. Los espesadores estn diseados para las condiciones de trabajo ms severas impuestas por una gran cantidad de pulpa relativamente concentrada, mientras que los clarificadores son diseados para eliminar por completo los slidos en suspensin. La centrifugacin es una operacin unitaria muy importante para separar slidos de lquidos, ya que el proceso de gravedad es demasiado lento y puede llegar a representar perdidas en industrias por la parte de produccin, por eso, lacentrifugacin hace que se acelere en gran medida el procedimiento mediante diferentes equipos como hidrociclones, centrifuga de discos, centrifuga tubular, entre otros. La centrifuga de discos se puede considerar como uno de los mejores equipos y el ms utilizado en las industrias, debido a que realiza una separacin de slidos muy eficiente al retirar los ms finos, al igual presenta un mayor rendimiento y previene la contaminacin del producto. Los precios de los clarificadores oscilan entre 250 y 300 MXP (pesos mexicanos)/ ft3 aproximadamente. Los precios de los espesadores oscilan entre 15000 y 18000 USD/m3 aproximadamente. Los precios de las centrifugas oscilan entre 50000 y 60000 USD aproximadamente. La aplicacin industrial ms comn para la sedimentacin en espesadores y clarificadores es la de tratamiento de aguas y aguas residuales. La sedimentacin por centrfuga representa un papel importante en las aplicaciones biotecnolgicas y de bioprocesos. 15. OPERACIONES UNITARIASEQUIPOS EN SEDIMENTACION Ivn A. Salazar, Laura Portela, Lina M. Lpez, Sebastin Cadena OPERACIONES CON SLIDOS FACULTAD DE INGENIERAING. QUMICA DOC. ING. IVN RAMREZ MARN UNIVERSIDAD DE AMRICA NOVIEMBRE 2013