Tema 4. Centrifugación PDF

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Apuntes de centrifugación...

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TEMA 4. CENTRIFUGACIÓN 1. INTRODUCCIÓN La centrifugación es una operación unitaria de naturaleza física cuyo objetivo es la separación de las partículas sólidas contenidas en una suspensión y además la separación de dos líquidos no miscibles por la acción de una fuerza centrífuga. Las paredes de la centrífuga pueden ser de dos tipos:  

Impermeables, es decir, no dejan pasar ni el sólido ni el líquido. Semipermeables, que son permeables al líquido, reteniendo el sólido.

Así, la separación se lleva a cabo de dos formas diferentes: 

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SEDIMENTACIÓN CENTRÍFUGA (Paredes impermeables). La fase más densa (sólido) se acumula en las zonas más alejadas del eje de rotación, mientras que la fase más ligera (líquido) se acumula en las zonas más próximas al eje de rotación. FILTRACIÓN CENTRÍFUGA (Paredes semipermeables). En este caso, el líquido pasa a través de las paredes de la centrífuga mientras que el sólido quedaría retenido en ellas.

La centrifugación es una variante o bien de la sedimentación o bien de la filtración. Las centrífugas son equipos muy costosos porque tienen que ser equipos muy bien acabados dado que giran a velocidades muy elevadas. Cuando tenemos que llevar a cabo una separación sólido-líquido o de dos líquidos no miscibles, vamos a poder elegir entre tres operaciones unitarias: sedimentación, filtración y centrifugación. Lo que hace que me decida será un balance económico. Para la sedimentación se necesitan aparatos poco costosos pero lentos; filtración son equipos más costosos pero más rápidos; centrifugación, equipos muy costosos y muy rápidos. Sin embargo, hay muchas situaciones en las que casi de una forma directa hay que optar por la centrifugación. Estas situaciones son las siguientes:    

Suspensiones sólido-líquido donde las partículas de sólido son muy pequeñas y la diferencia de densidades de fases es pequeña. Sustancias coloidales con tendencia a formación de geles. Cuando disponemos de poco espacio en una industria es probable que también utilice centrifugación, ya que son equipos más pequeños. Cuando tenemos que trabajar en condiciones estériles (limpieza muy elevada), serán mejor equipos más pequeños, compactos, es decir, centrifugadora.

2. EQUIPOS Las centrífugas se clasifican, de acuerdo con lo visto anteriormente, en dos grandes grupos:  

SEDIMENTADORES CENTRÍFUGOS CENTRÍFUGAS FILTRANTES

Atendiendo a diferentes aspectos, cada una de estas se puede clasificar en: 

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Por la forma de operación: o Continuas o Discontinuas Por la velocidad de giro: o Centrífugas 15000 rpm Según la forma física: o Para sedimentación centrífuga:  De tambor no perforado  De discos  Tubular o Para filtración centrífuga:  De tambor perforado

2.1 Sedimentadores centrífugos El funcionamiento de los sedimentadores centrífugos es discontinuo o intermitente cuando se utilizan para llevar a cabo separaciones sólido-líquido, de tal manera que alimentaríamos la suspensión, saldría una corriente de líquido clarificado, acumulándose el sólido en el interior de la centrífuga hasta alcanzar un determinado volumen, momento en el cual pararíamos, eliminaríamos ese sólido depositado y volveríamos a empezar. Por el contrario, si ese sedimentador centrífugo se utiliza para llevar a cabo una separación de dos líquidos no miscibles, su funcionamiento sería continuo, de tal modo que alimentaríamos esas dos fases no miscibles y tendríamos dos corrientes de salida: una fase densa y otra fase ligera. Tipos de sedimentadores centrífugos: 

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Centrífuga de tambor no perforado. Consiste básicamente en una cesta o tambor cilíndrico que gira alrededor de un eje, y la disposición del eje puede ser horizontal o vertical, siendo lo más habitual que el eje sea vertical. Son equipos muy adecuados para llevar a cabo la clarificación de suspensiones sólido-líquido con pequeñas concentraciones de sólidos. Centrífuga de discos. Son recipientes poco anchos (entre 20 y 50 cm de diámetro) que giran alrededor de un eje vertical. El fondo del recipiente es

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plano y la parte superior cónica, y en el interior girando con esa cámara se encuentran una serie de discos superpuestos unos encima de otros y poco separados unos de los otros. Por acción de la fuerza centrífuga, la fase más densa es desplazada hacia afuera, choca con la cara inferior de los discos y se desplaza hacia abajo. Mientras tanto, las fases más ligeras se desplazan hacia arriba entre el espacio comprendido entre 2 discos. Si la centrífuga de discos tuviese dos orificios, uno para la fase densa y otro para la fase ligera, llevaríamos a cabo de ese modo la separación de dos fases no miscibles. FUNCIONAMIENTO CONTINUO Si la centrífuga se utilizase (no es lo más habitual) para separar sólido-líquido, la fase más densa (el sólido) se iría acumulando en el interior de la centrífuga, ya que no hay salida para el sólido, mientras que el líquido iría saliendo como líquido clarificado. Cuando se ha acumulado una cierta cantidad de sólidos, la centrifugación dejaría de ser estable, por lo tanto tendríamos que parar y quitar el sólido y volver a empezar. Centrífuga tubular. En este caso, el rotor tiene forma cilíndrica y se sitúa en el interior de una cámara troncocilíndrica (troncocónica). El rotor gira a velocidades muy altas. Se utilizan habitualmente para la separación de dos fases no miscibles (aunque también para separar suspensiones sólidolíquido). La alimentación se realiza por la parte inferior, antes de entrar en el rotor de la centrífuga, estas fases se encuentran con un aspa que está girando y que les dota de una determinada velocidad, para aumentar la velocidad de las mismas. Entrarían dentro del rotor de la centrífuga: por acción de la fuerza centrífuga: la fase más densa es lanzada hacia afuera y queda en las paredes de la centrífuga, mientras que la fase más ligera se acumula en las zonas más próximas al eje de rotación. Hay dos salidas: una para la fase más densa y otra para la más ligera. El funcionamiento es continuo. Si utilizo la centrifugadora para la separación de sólido-líquido, solo hay una salida y el funcionamiento es discontinuo.

2.2 Centrífugas filtrantes Son equipos que se utilizan fundamentalmente cuando el contenido en sólidos es alto o cuando interesa un sólido con un bajo contenido en líquido. El ciclo de una etapa de filtración centrífuga sería el siguiente: primero filtramos, una vez que la torta tiene un determinado espesor paramos. Si tenemos que lavar, antes hacemos un proceso de escurrido. Luego vendría el lavado (con agua normalmente). Volveríamos a otra etapa de escurrido (eliminar parte del líquido que queda en los huecos de la torta). Al final descarga de la torta y volver a empezar. Funcionamiento por tanto discontinuo o intermitente. Dentro de las centrífugas filtrantes, la habitual es la centrífuga de tambor de paredes perforadas. El rotor de la centrífuga, tiene forma cilíndrica y gira alrededor de un eje de rotación que puede ser vertical u horizontal. Lo más habitual es disposición vertical.

Como su nombre indica, las paredes del rotor de la centrífuga están perforadas de tal manera que retienen el sólido y dejan pasar el líquido. Cuando el espesor de la torta alcanza un determinado valor (entre 5 y 15 cm), la centrífuga deja de ser estable y en ese momento tendríamos que parar, terminaría el ciclo de filtración. Pasaríamos a la etapa de escurrido, de lavado, de escurrido, eliminaríamos la torta y volveríamos a empezar. Funcionamiento discontinuo. 3. TEORÍA DE LA SEDIMENTACIÓN CENTRÍFUGA 3.1 Separación sólido-líquido Criterio conservador es suponer que todas las partículas están en la superficie del líquido, por lo que tienen que recorrer la máxima distancia hasta depositarse. El tiempo de residencia (tr) es el tiempo necesario para que las partículas sedimenten. Cuando queremos cambiar de escala, se siguen unos criterios. Q1/Q2 = EC1/EC2 3.2 Separación de líquidos inmiscibles Imaginamos un objeto de masa m, que gira alrededor del eje de la centrífuga. Respecto del eje de rotación está separado una distancia r. La fuerza centrífuga a la que se ve sometido ese objeto es igual a la masa por la velocidad al cuadrado partido del radio. El líquido B, cuya densidad es menor, se sitúa en una zona más próxima al eje de rotación, mientras que el líquido A cuya densidad es mayor, sale de la centrífuga. ra: distancia del eje de rotación al vertedero de salida del líquido denso rb: distancia desde el eje de rotación al vertedero de salida del líquido ligero. La superficie interfacial que me separa la fase densa de la ligera se llama zona neutra. ri: distancia que hay desde el eje de rotación a la zona neutra. Para que haya una buena separación entre las dos fases, la zona neutra debe ser una zona que permanezca perfectamente estable. Para esto se debe cumplir que (fórmula que sale en la diapositiva que pone la interfase sería estable y de radio ri). Normalmente la centrífuga funciona manteniendo r B fijo, es decir, el radio de descarga de la fase ligera lo mantengo constante. Si ra disminuye, ri disminuye, por lo que el volumen ocupado por la fase densa aumenta....