Marco Teorico SEDIMENTACION semana once PDF

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LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA II

MARCO TEÓRICO 1. SEDIMENTACIÓN: La sedimentación es una operación unitaria que consistente en la separación por la acción de la gravedad de las fases sólida y líquida de una suspensión diluida para obtener una suspensión concentrada y un líquido claro. 2. DESPLAZAMIENTO DE SÓLIDOS EN EL SENO DE UN FLUIDO La dirección del movimiento de las partículas de un sólido en el seno de un fluido se efectuará de arriba abajo, o viceversa, según sea la densidad relativa del sólido con respecto al fluido. Aquellas partículas cuya densidad sea inferior a la del fluido, se elevarán y flotaran, mientras que las más densas se sumergirán y descenderán en el seno del mismo. Se pueden distinguir dos tipos de sedimentación, atendiendo al movimiento de las partículas que sedimentan: 2.1 Sedimentación libre: Se produce en suspensiones de baja concentración de sólidos. La interacción entre partículas puede considerarse despreciable, por lo que sedimentan a su velocidad de caída libre en el fluido. 2.2 Sedimentación por zonas: Se observa en la sedimentación de suspensiones concentradas. Las interacciones entre las partículas son importantes, alcanzándose velocidades de sedimentación menores que en la sedimentación libre. La sedimentación se encuentra retardada o impedida. Dentro del sedimentador se desarrollan varias zonas,

caracterizadas por diferente concentración de sólidos y, por lo tanto, diferente velocidad de sedimentación. Dependiendo de cómo se realice la operación, la sedimentación puede clasificarse en los siguientes tipos: 2.3 Sedimentación intermitente: El flujo volumétrico total de materia fuera del sistema es nulo, transcurre en régimen no estacionario. Este tipo de sedimentación es la que tiene lugar en una probeta de laboratorio, donde la suspensión se deja reposar.

2.4 Sedimentación continua: la suspensión diluida se alimenta continuamente y se separa en un líquido claro y una segunda suspensión de mayor concentración. Transcurre en régimen estacionario.

3. SEDIMENTACIÓN POR ZONAS El mecanismo de sedimentación puede describirse observando lo que ocurre durante una prueba de sedimentación intermitente en una probeta de vidrio, a medida que los sólidos se sedimentan a partir de una suspensión. La Fig. 1 (a) muestra una suspensión preparada recientemente con una concentración uniforme de partículas sólidas uniformes en toda la probeta. En cuanto se inicia el proceso, todas las partículas empiezan a sedimentarse y se supone que alcanzan con rapidez las velocidades terminales bajo condiciones de sedimentación obstaculizada. Se establecerán varias zonas de concentración Fig.1 (b). La zona D de sólidos sedimentados incluirá de manera predominante las partículas más pesadas, que se sedimentan más rápido. En una zona de transición poco definida situada por encima del material sedimentado, existen canales a través de los cuales debe subir el fluido. Este fluido es forzado desde la zona D al comprimirse. La zona C es una región de distribución de tamaño variable y concentración no uniforme. La zona B es una zona de concentración uniforme, de casi la misma concentración y distribución que había al inicio.

En la parte superior de la región B existe un límite por encima del cual está el líquido transparente de la

región A. Si la suspensión original tiene un tamaño cercano a las partículas más pequeñas, la línea entre A y B es definida. A medida que continúa la sedimentación, las zonas varían como se ilustra en la Fig. 22-18b, c, d. Nótese que A y D crecen a expensas de B. Por último alcanza un punto en donde B y e desaparecen y todos los sólidos aparecen en D; esto se conoce como punto crítico de sedimentación (Fig. 22-18e) -es decir, el punto en el cual se forma una sola interfase discernible entre el líquido clarificado y el sedimento. El proceso de sedimentación desde este punto consiste en una compresión lenta de los sólidos, con el líquido desde la capa límite de cada partícula siendo forzado hacia arriba a través de los sólidos al interior de la zona clarificada. Las velocidades de sedimentación son muy lentas en esta suspensión densa. La fase final es un caso extremo de sedimentación obstaculizada.

Figura 1: Perfil de sedimentación, por zonas

4. SEDIMENTADOR CONTINUO En la operación ilustrada de sedimentación intermitente, las alturas de las diferentes zonas varían con el tiempo, las mismas zonas estarán presentes en un equipo operando con régimen continuo. Sin embargo, una vez que se ha alcanzado un estado estable (cuando la alimentación al espesador de la suspensión por unidad de tiempo es igual a la velocidad de eliminación de Iodos y líquido clarificado), las alturas de todas las zonas serán constantes. En la Fig. 2 se muestran las zonas para una sedimentación continua.

Figura 2: Zonas en un sedimentador continuo 5. SEDIMENTACIÓN EN SEDIMENTADORES VERTICALES 1.1 Determinación de la velocidad de precipitación Las pendientes de la curva (altura z de la interfaz de líquido claro en función del tiempo) en cualquier momento representan las velocidades de sedimentación de suspensión en cualquier instante y son características de una concentración específica de sólidos.

La primera porción de la curva tiende a ser lineal, correspondiendo a una velocidad contante de la sedimentación de los lodos a la concentración inicial. En el espesamiento esta región inicial representa una parte significativa del tiempo total de espesamiento. A medida que transcurre el tiempo la velocidad de sedimentación disminuye. Coe Clevenger en 1916 y Kynch en 1952 propusieron un modelo para explicar esto suponiendo que la velocidad de sedimentación es proporcional a la concentración de sólidos suspendidos. Una vez que se pasa la región de velocidad constante de sedimentación cada punto de la curva corresponde a una concentración diferente de sólido.

Figura 3: Relación altura-tiempo en sedimentadores intermitentes 1.2 Teoría de Kynch Este método está basado en el análisis matemático de la sedimentación intermitente; encontrando que la velocidad de sedimentación y la concentración en la zona que limita la capacidad puede determinarse con una simple prueba de sedimentación intermitente.

La prueba de sedimentación comienza con una concentración inicial uniforme de sólidos. En la zona “C” la concentración del sólido debe estar comprendida entre la composición inicial del lodo en la zona “B” y la del lodo final en la zona “D”. Si la capacidad de manejo de sólidos por unidad de área es más baja cerca de alguna concentración intermedia, una zona de esta concentración deberá comenzar a crecer, puesto que la velocidad a la que los sólidos entran en esta zona es menor a la velocidad de salida de la misma. El comportamiento de las suspensiones concentradas durante la sedimentación ha sido analizado por Kynch, utilizando sobre todo consideraciones de continuidad. Las suposiciones básicas realizadas son las siguientes: 1. La concentración de partículas es uniforme a través de cualquier capa horizontal. 2. Los efectos de pared pueden despreciarse. 3. No existe una sedimentación diferencial de partículas debido a diferencias de tamaño, forma o composición. 4. La velocidad de caída de las partículas depende únicamente de la concentración local de partículas. 5. La concentración inicial o es uniforme o aumenta hacia el extremo inferior de la suspensión. 6. La velocidad de sedimentación tiende a cero al aproximarse la concentración a un valor límite correspondiente al de la capa de sedimento depositado en el fondo del recipiente.

1.2.1 Velocidad Crítica de Sedimentación Se obtiene de una prueba intermitente con una probeta. Al principio de la prueba, los sólidos se encuentran dispersos de manera uniforme a través del cilindro con una concentración co . La masa total de sólidos en la probeta es coAzo , donde A es el Área de sección transversal de la probeta y zo es la altura inicial de la interfase que, en el caso, es la profundidad del líquido. Sea θc el tiempo necesario para lograr la concentración crítica c 2. Físicamente, esta concentración se alcanza en el momento en que la velocidad de sedimentación disminuye con rapidez. Se grafican los datos altura de interfase z vs Tiempo θ. Esto da una curva que se utiliza para determinar θ2 y c2 de la siguiente manera. La primera parte de la curva representa a la “sedimentación libre” a una velocidad casi constante. Se traza una tangente a esta parte de la curva. Al final de la prueba, cuando las concentraciones son altas y las velocidades son bajas, la curva también muestra una velocidad casi constante, se prolongan dos tangentes hasta que se interceptan. En la intersección se traza el ángulo de bisección. La intersección de la línea de este ángulo de bisección con la curva de sedimentación produce la estimación del tiempo θc para que los sólidos entren a la zona de compresión y la concentración en θc es Cc. Durante la prueba, la masa de sólidos en la probeta es constante. Un balance de materiales para los sólidos da lugar a: � 0A� 0 =�� A��= �� A�� ó �0 �0 =�� ��= �� ��

Donde u denota a los valores del flujo inferior. Así se obtiene la velocidad de sedimentación en θc con la pendiente de la curva en θc

�� =

�1 − �� ��...