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informe de uno de los que se deben presentar ene xperimentación...

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SEDIMENTACIÓN DISCONTINUA EXPERIMENTACIÓN EN INGENIERÍA QUÍMICA I

Cristina Saurin Zamora María Rosa Losa Falcó Natividad Castells Calvo

EXPERIMENTACIÓN EN INGENIERÍA QUÍMICA I SEDIMENTACIÓN

1. OBJETIVOS

o Estudio de la sedimentación de suspensiones floculentas. Velocidad de sedimentación. Identificación de zonas de sedimentación. Construcción de las curvas altura tiempo y densidad de flujo frente a concentración a partir de experimentos en discontinuo. o Caracterización de los flóculos.

2. MÉTODO EXPERIMENTAL

o Obtener gráficas mostrando la variación de las discontinuidades presentes en la probeta graduada. o Realizar concentraciones de entre 10% y 25% de CaCO3 o Tomar una medida transcurridas 24h.

Obtener las disoluciones de carbonato

Disolver el CaCO3 e introducir en la probeta graduada

Añadir un poco de KMnO4, mover la probeta y tomar medidas

3. FUNDAMENTO TEÓRICO La sedimentación es una operación unitaria de separación en la cual se aprovecha la acción de la gravedad para separar un sólido finamente dividido de un líquido en el que se encuentra suspendido, obteniéndose como productos un líquido clarificado y un lodo más o menos espeso, con un elevado porcentaje de sólidos.

Realizaremos una sedimentación discontinua, de forma que añadiendo en una probeta graduada una suspensión homogénea de carbonato cálcico y agua, mediremos las dos interfaces visibles, la del sedimento y el sobrenadante obteniendo las curvas que caracterizan a este tipo de sedimentación.

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OBSERVACIONES EN EL PROCESO EXPERIMENTAL

Figura 1. Interfases de sedimentación discontinua

En la figura se muestra una evolución de las capas de distinta concentración cuando partimos de un suspensión uniforme. Observamos los cambios producidos cuando transcurre el tiempo, en el fondo de la probeta se forma el sedimento concentrado (D) sobre esta capa, aparece otras dos de composición variable ( C) y (B) donde la concentración es igual a la inicial de la suspensión . La zona (A) superior es el líquido clarificado. En nuestro caso solo hemos observado las interfaces entre A-B y la formación del sedimento. El punto donde se confunden las dos interfases, es el punto crítico, a partir del cual solo se produce una compresión lenta de la zona D.

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3. RESOLUCIÓN Para comenzar la práctica debemos calcular el volumen de agua que hay que añadir y la cantidad de CaCO3. Tras realizar estos cálculos pasaremos a mostrar las medidas tomadas. Para calcular la concentración de carbonato cálcico en kg/m3, necesitamos conocer el volumen total de la disolución, conociendo las densidades: 2711 kg/m3 la del carbonato y 1000 kg/m3 la del agua.

Tabla 1. Cálculos iniciales

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DATOS EXPERIMENTALES Tabla 2. Datos experimentales

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A continuación mostraremos las gráficas obtenidas para cada experimento, representando la altura de las interfaces frente al tiempo para cada una de las disoluciones de carbonato cálcico, mostrando la curva obtenida tras 24h de la realización del experimento, como las distintas zonas que aparecen en el proceso de sedimentación con las líneas características.

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Figura 2. Representación datos experimentales para 10%

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Figura 3. Representación datos experimentales para 15%

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Figura 4. Representación datos experimentales para 20%

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Figura 5. Representación datos experimentales para 25%

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Una vez hemos obtenido todos estos datos, podremos pasar al cálculo de la concentración crítica y el valor del AVI.

Para poder calcular la concentración crítica mediante: 𝐶𝐶 = 𝐶0𝐶 0 / 𝐶∗

Como vemos en la ecuación aparece una H*, esta H* es la altura de intersección de la característica tangente al sedimento. Esta H no tiene fórmula para poder ser calculada, por lo que hay que coger las diferentes gráficas para los experimentos y realizar ahí ese cálculo. El cálculo va a ser añadiendo una línea desde la curva del sedimento hasta la curva del líquido en diagonal hasta que corte esta curva. Para ello debemos ajustar el eje de la gráfica para obtener una mejor visualización.

Figura 6. Representación para el cálculo de H* mediante la tangente

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Figura 7. Representación para el cálculo de H* mediante la tangente

Figura 8. Representación para el cálculo de H* mediante la tangente

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Figura 9. Representación para el cálculo de H* mediante la tangente

Realizadas estas representaciones obtenemos el valor de H*, con el cual ya podemos calcular la concentración crítica, sabiendo que la concentración inicial de CaCO3 es el cociente entre el peso de CaCO3 en kg y el volumen en m3.

Calculadas estas dos cosas, será posible calcular el valor del AVI = (0,65· ρCaCO3)/Cc Tabla 3. Cálculo de la Cc y AVI

Ahora vamos a continuar los cálculos obteniendo valores de AVI a través de la ecuación de Michaels-Bolger. Para realizar los cálculos de esta parte y finalmente poder comparar los valores de AVI del primer método con este segundo, debemos ver la siguiente gráfica:

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Figura 10. Experimento de sedimentación con formación de sedimento incompresible

Como vemos en la siguiente gráfica tenemos diversos factores como Ha, ta, Hi, los cuales son necesarios para realizar los cálculos. A continuación nosotros vamos a representar todas esas curvas en nuestras gráficas para cada disolución y de esa manera obtener los valores de Ha, ta, Hi y realizar los cálculos correspondientes.

Necesitamos esos valores porque vamos a calcular la velocidad de ascenso, la velocidad de descenso de sólidos, la fracción volumétrica de sólidos que se propaga a través de la suspensión y sus fórmulas correspondientes son:

Los cuales estos valores son necesarios para poder llegar a nuestra finalidad, la cual es calcular AVI.

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Figura 11. Representación cálculo de Ha, Hi, ta para 10%

Tabla 4. Cálculos para obtener AVI con la ecuación Michaels-Bolger para el 10%

Figura 12. Representación cálculo de Ha, Hi, ta para 15%

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Tabla 5. Cálculos para obtener AVI con la ecuación Michaels-Bolger para el 15%

Figura 13. Representación cálculo de Ha, Hi, ta para 20%

Tabla 6. Cálculos para obtener AVI con la ecuación Michaels-Bolger para el 20%

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Figura 14. Representación cálculo de Ha, Hi, ta para 25%

Tabla 7. Cálculos para obtener AVI con la ecuación Michaels-Bolger para el 25%

Ahora vamos a representar el valor de –Usa1/n frente a C/ρs para de esta manera obtener una ecuación de la recta para cada disolución y de esta manera poder calcular AVI(J) mediante la siguiente ecuación:

Con esta ecuación y la representación gráfica nombrada anteriormente sabremos que la ordenada en el origen de la ecuación de la recta hará referencia a (-Uso) 1/n y que la pendiente de esa misma ecuación de la recta hará referencia a (-j · -Uso) 1/n. Sabiendo esto, AVI(J)=pendiente/ordenada 16

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Figura 15. Representación lineal de Usa^(1/n) frente C/ρs para 10%

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Figura 16. Representación lineal de Usa^(1/n) frente C/ρs para 15%

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Figura 16. Representación lineal de Usa^(1/n) frente C/ρs para 20%

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Figura 16. Representación lineal de Usa^(1/n) frente C/ρs para 25%

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Obtenemos el valor de la velocidad de sedimentación (-Uso) con las representaciones graficas realizadas anteriormente, ya que la ordenada en el origen que obtenemos con la linealización conocemos (–Uso^ 1/n), elevando la ordenada a n obtenemos su valor. Para obtener el diámetro del flóculo, que es el grumo formado por la agregación de sólidos en suspensión, debemos obtener previamente, la densidad del agregado a través de la siguiente ecuación:

Donde ρ es la densidad del aguay ρs la del carbonato cálcico.

Para conocer el valor del diámetro supondremos que se trata de suspensiones muy diluidas, donde no hay interacción entre flóculos, y que las velocidades de sedimentación son pequeñas, de forma que el Re es menor que 0,2 cosa que comprobaremos después.

De esta forma podremos hacer uso de la ecuación de -Uso en la que despejamos da, obteniendo directamente el valor del diámetro:

Tabla 8.Datos

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Tabla 9.Cálculo de los diámetros del flóculo y Re

Realizamos el cálculo del número de Re como:

Y observamos que nuestras suposiciones son ciertas y se puede aplicar la ecuacion (23), ya que nos salen valores de Re menores que 0.2.

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