PRACTICA 3 SEDIMENTACION.docx

UNIVERSIDAD JUÁREZ AUTÓNOMA DE TABASCO

DIVISIÓN ACADÉMICA DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA

LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS

CATEDRÁTICO:DR. JOSE DE LOS SANTOS LÓPEZ LÁZARO

PRACTICA 3:SEDIMENTACIÓN LIBRE

INTEGRANTES:ALARCON PASTRANA MAGDA STEFHANIABAUTISTA CUSTODIO JOSE GUADALUPEPASCUAL HERNANDEZ YARITZA MIRALDELLY

LUGAR Y FECHA DE REALIZACIÓN 06/MARZO/2015 LABORATORIO DE ANÁLISIS INSTRUMENTAL

FECHA DE ENTREGA 13/MARZO/2015

SEDIMENTACIÓN LIBRE

OBJETIVOS GENERALES

Determinación de los parámetros de diseño de un sedimentador continúo a partir de los datos experimentales obtenidos en el laboratorio en un sedimentador discontinuo.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

Emplear la técnica de sedimentación utilizando como compuesto el CaCO3

Determinación de la velocidad de sedimentación. Conocer los principios básicos de la operación de sedimentación.

INTRODUCCIÓN

Las operaciones unitarias son los pasos, estudios o unidades que son independientes del material que se procesa, o bien, otras características del sistema en particular. Se ha restringido a aquellos estudios donde los cambios son esencialmente físicos y afectan a la materia sin afectar sus propiedades químicas. Uno de los claros ejemplos de operaciones unitarias incluye la sedimentación como parte de proceso de clarificación de jugos de manzana y uva, clasificando las frutas por tamaño y por grado de deterioro [4].

Para poder separar las partículas solidas de un líquido en el que estén dispersas puede emplearse un sedimentador; este dispositivo consiste en un recipiente de anchura considerable que se alimenta por su fondo. La diferencia de densidades entre las partículas solidas y el líquido hace que, aunque este último tenga un movimiento ascendente, las partículas solidas sedimenten, depositándose en el fondo de donde son eliminadas en continuo en forma de lodos [2].

La velocidad de sedimentación depende a su vez del tamaño, forma y densidad de las partículas, de la viscosidad y densidad del líquido y de que la sedimentación sea libre o impedida. Las partículas mayores tienden a sedimentar, a pesar del movimiento del líquido, pero si la velocidad de sedimentación libre es inferior a 3m/min es posible obtener una suspensión bastante uniforme en un tanque agitado. Cuando la velocidad de sedimentación libre es superior a 3m/min, un agitador es incapaz ordinariamente de producir una suspensión uniforme [7]. La velocidad de sedimentación de una partícula en una suspensión concentrada puede ser considerable inferior a su velocidad límite de caída en condiciones de

sedimentación libre, cuando los efectos de las interacciones mutuas son despreciables. Es importante observar que la suspensión de partículas gruesas, pudiendo tener lugar en aquellas un alto grado de floculación como resultado de su elevada superficie especifica, las suspensiones de partículas finas y gruesas se consideran por separado [3].

Existen diferentes tipos de sedimentación como son los siguientes:

Pueden considerarse tres tipos de mecanismos o procesos de sedimentación, dependiendo de la naturaleza de los sólidos presentes en suspensión.

1. Sedimentación discreta. Las partículas que se depositan mantienen su individualidad, o sea, no se somete a un proceso de coalescencia con otras partículas. En este caso, las propiedades físicas de las partículas (tamaño, forma, peso específico) no cambian durante el proceso. La deposición de partículas de arena en los desarenadores es un ejemplo de sedimentación discreta.

2. Sedimentación con floculación. La aglomeración de las partículas va acompañada de cambios en la densidad y en la velocidad de sedimentación o precipitación. La sedimentación que se lleva a cabo en los clarificadores o sedimentadores primarios es un ejemplo de este proceso.

3. Sedimentación por zonas. Las partículas forman una especie de manta que sedimenta como una masa total presentando una interface distinta con la fase liquida. Ejemplos de este proceso incluyen sedimentación de lodos activos en los calificadores secundarios y la de los floculos de alúmina en los procesos de tratamientos de agua [5].

FUNDAMENTOS TEÓRICOS

Se entiende por sedimentación la remoción por efecto gravitacional de las partículas en suspensión presentes en el agua. Estas prácticas deberán tener un peso específico mayor que el fluido.

La remoción de partículas en suspensión en el agua puede conseguirse por sedimentación o filtración. De allí que ambos procesos se consideren como complementarios. La sedimentación remueve las partículas más densas, mientras que la filtración remueve aquellas partículas que tienen una densidad muy cercana a la del agua o que han sido resuspendidas y, por lo tanto, no pudieron ser removidas en el proceso anterior.

La sedimentación es, en esencia, un fenómeno netamente físico y constituye uno de los procesos utilizados en el tratamiento del agua para conseguir su

clarificación. Está relacionada exclusivamente con las propiedades de la caída de las partículas en el agua. Cuando se produce sedimentación de una suspensión de partículas, el resultado final será siempre un fluido clarificado y una suspensión más concentrada. A menudo se utilizan para designar la sedimentación los términos clarificación y espesamiento. Se habla de clarificación cuando hay un especial interés en el fluido clarificado, y de espesamiento cuando el interés está puesto en la suspensión concentrada.

Las partículas en suspensión sedimentan en diferente forma, dependiendo de las características de las partículas, así como de su concentración. Es así que podemos referirnos a la sedimentación de partículas discretas, sedimentación de partículas flocúlenlas y sedimentación de partículas por caída libre e interferida.

Se pueden distinguir 2 tipos de sedimentación, atendiendo al movimiento de las partículas que sedimentan:

Sedimentación libre: Se producen 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.

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. En el instante inicial t0, de la decantación, toda la suspensión es teóricamente homogénea y tiene una concentración uniforme C0 y la altura de la interface es H0.

Existe una interzona de separación entre el liquido clarificado, zona L, y una zona de suspensión uniforme (concentración uniforme), zona U, con velocidad de sedimentación función de la concentración. Formándose nuevas zonas [1]:

Una zona de transición, zona T, situada inmediatamente debajo de la zona de suspensión uniforme, en las que las velocidades de sedimentación experimentan una reducción a consecuencia de la creciente concentración de la suspensión.

Una zona de comprensión, zona D, situada debajo de la zona de transición, en que las partículas entran en contacto físico con las situadas debajo de ellas.

Figura 1. Representación de las distintas zonas formadas durante el fenómeno de sedimentación.

Dependiendo de cómo se realice la operación, la sedimentación puede clasificarse en los siguientes tipos:

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.

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

El procedimiento a seguir para diseñar sedimentadores que operen en condiciones de sedimentación por zonas en el siguiente:

1. Calcular el área de la superficie mínima que se requiere para conseguir la clarificación del sólido.

2. Calcular el área de la superficie mínima que se requiere para conseguir el espesamiento del sólido y alcanzar la concentración deseada.

3. Seleccionar la mayor de estas dos áreas como área de diseño para el sedimentador.

Determinación del área mínima requerida para conseguir la clarificación

El área mínima requerida Ac para la clarificación depende de la velocidad Vs para que las partículas en suspensión sedimenten antes de alcanzar la concentración crítica interfacial Xc.

En condiciones de caudal constante, la velocidad del clarificado que rebosa por la parte superior del sedimentador, o vertedero, no debe exceder de Vs si se desea evitar el arrastre de las partículas y la clarificación.

Por lo tanto, el área mínima requerida para la clarificación Ac puede calcularse a partir de la expresión

Ac = Qe/Vs

En la que Qe es el caudal (m3/s), Vs es la velocidad de sedimentación por zonas (m/s) y Ac el área mínima requerida para la clarificación (m2)

El valor de la velocidad en la zona de sedimentación libre, Vs, puede calcularse a partir de la pendiente de la tangente de dicha zona de las curvas de sedimentación. Vs corresponde a la velocidad a la cual las partículas en suspensión sedimentan antes de alcanzar la concentración critica Xc.

Determinación del área mínima requerida para el espesamiento del solido

El hecho de que el área de la sección del sedimentador pueda calcularse para asegurar la

clarificación de la suspensión no significa que se alcance la concentración deseada de solido en la disolución de salida, Xu. Generalmente el área de la sección requerida para el espesamiento suele ser mayor que la requerida para la clarificación.

El procedimiento desarrollado por Yoshioka y Dick para la determinación de la sección mínima requerida para el espesamiento de basa en las siguientes consideraciones:

En el primer lugar ha de considerarse que los ensayos de sedimentación llevado s acabo en el laboratorio no corresponden a un funcionamiento en continuo. La capacidad del sedimentador discontinuo para arrastrar los sólidos a su parte inferior, con una concentración Xi, en funcionamiento discontinuo, viene dada por:

GB= Xi*V

En la que:

GB = caudal de solido (kg/m2*s)

Xi = Concentración de solido en la disolución

Vi = Velocidad de sedimentación en la zona para una concentración Xi (m/s)

A partir de la ecuación anterior puede obtenerse la curva de flujo discontinuo y esta representa un punto máximo debido a que la velocidad de sedimentación disminuye según se incrementa la concentración de la suspensión.

MATERIALES Y REACTIVOS

3 Probetas graduadas de 500ml 1 Varilla de agitación 1 Vidrio de reloj 1 Espátula Cronometro Regla o flexómetro Balanza analítica Suspensión de CaCO3 de 50, 100 y 125 g/lt Colorante soluble

METODOLOGÍA EXPERIMENTAL

1. Preparar soluciones diferentes concentraciones iníciales de 25, 50, 62.5 g/lt de CaCO3 en agua.

2. Añadir un colorante soluble con el fin de apreciar mejor la separación entre la zona clara y la zona que ocupa la suspensión.

3. Se mide la altura inicial de la suspensión ho, usando la regla acoplada a cada probeta.

4. Agitar la probeta hasta homogeneizar toda la suspensión.5. Se deja la probeta en reposo y se va determinando la altura que ocupa la

suspensión en función del tiempo, tomando para ellos medidas de la altura de la suspensión (h) cada minuto.

Las medidas se tomaran para un tiempo de 7 a 10 minutos, una vez realizada la representación grafica de la variación de la altura frente al tiempo, se calcula la velocidad de sedimentación en función de la concentración utilizando el método de Coe y CLavenger, el cual consiste en estimar, a partir de los datos experimentales obtenidos a las distintas concentraciones iníciales, los valores de las pendientes

en el origen, −(dhdt

), que coinciden con las velocidades de sedimentación (Vs).

RESULTADOS

Las imágenes mostradas a continuación representan los pasos llevados a cabo para cada una de las concentraciones.

Figura 2.Materiales a utilizar

Figura 3. Pesado de la muestra

Figura 4. Muestra añadida a la probeta

Figura 5. Solución en agua

Figura 6. Soluciones a diferente concentración en agua

Figura 7. Soluciones añadiendo un colorante Figura 8. Medición de las alturas

A continuación se presentan las tablas y graficas, donde los datos obtenidos son de la suspensión que presentaba el CaCO3 en diferentes tiempos, colocándolos en un aproximado de 0 a 7 min, tomando las alturas iníciales de cada uno de ellos. En la grafica se muestra la pendiente, donde esta será la concentración de cada una de ellas. Las muestras se hicieron para tres diferentes concentraciones, las cuales son de 25g/lt, 59g/lt y 62.5g/lt, de cada una de ellas se hicieron tres repeticiones por lo cual serán tres concentración iníciales para cada una de las concentraciones anteriores.

Tabla 1. Datos obtenidos para la concentración de 25 g/lt, tres repeticiones

Tiempo (min) Altura suspensión 1

Altura suspensión 2

Altura suspensión 3

0 1.8 1.9 1.71 5.4 5.4 6.12 5 3.8 3.83 4.8 3.0 3.14 4.5 2.8 2.65 4 2.8 2.46 3.6 2.5 2.47 2.4 2.4 2.1

0 1 2 3 4 5 6 7 80

1

2

3

4

5

6

7

f(x) = − 0.242857142857143 x + 3.875f(x) = − 0.169047619047619 x + 3.66666666666667f(x) = − 0.0964285714285714 x + 4.275

Altura supension 1Linear (Altura supension 1)Altura supension 2Linear (Altura supension 2)Altura supension 3Linear (Altura supension 3)

Grafica 1. Concentraciones iníciales para la concentración de 25g/lt

Tabla 2. Datos obtenidos para la concentración de 50 g/lt tres repeticiones

Tiempo (min) Altura suspensión 1

Altura suspensión 2

Altura suspensión 3

0 2.5 2.6 2.31 8.5 7.6 6.92 8.3 7 5.93 8 6.4 5.14 7.3 6.1 4.75 6.5 5.8 4.26 6.1 5.4 47 5.3 5.1 3.8

0 1 2 3 4 5 6 7 80

1

2

3

4

5

6

7

8

9

f(x) = − 0.113095238095238 x + 5.00833333333333f(x) = 0.030952380952381 x + 5.64166666666667f(x) = 0.0178571428571428 x + 6.5

Altura supension 1Linear (Altura supension 1)Altura supension 2Linear (Altura supension 2)Altura supension 3Linear (Altura supension 3)

Grafica 2. Concentraciones iníciales para la concentración de 5º g/lt

Tabla 3. Datos obtenidos para la concentración de 62.5 g/lt, tres repeticiones

Tiempo (min) Altura suspensión 1

Altura suspensión 2

Altura suspensión 3

0 3.5 3.7 3.61 11.1 13 8.52 9 10.9 7.53 8.4 9.8 6.94 8.1 9 6.45 7.3 8.4 5.96 7 7.5 5.67 6.4 7.2 5.2

0 1 2 3 4 5 6 7 80

2

4

6

8

10

12

14

f(x) = − 0.102380952380952 x + 6.55833333333333

f(x) = − 0.13452380952381 x + 9.15833333333333f(x) = − 0.0666666666666667 x + 7.83333333333333

Altura supension 1Linear (Altura su-pension 1)Altura supension 2Linear (Altura su-pension 2)Altura supension 3Linear (Altura su-pension 3)

Grafica 3. Concentraciones iníciales para la concentración de 62.5g/lt

DISCUSIÓN

La realización de la práctica fue llevada a cabo de manera exitosa, cumpliendo con los requerimientos para sedimentar la muestra a diferentes concentraciones.

CONCLUSIÓN

Se llevaron a cabo pruebas para diferentes concentraciones, donde cada una de ellas fueron medidas para después conocer mediante esto su concentración inicial. Fue llevado a cabo de manera satisfactoria, conociendo cual es la manera

en la que se lleva a cabo la sedimentación para una muestra y obtener de ellas graficas y tablas variando el tiempo del sedimentado.

BIBLIOGRAFÍA

[1]. BIBLIOGRAPHYAguilar, M. (2002). Tratamiento físico-químico de aguas residuales: coagulación-floculación. España: Universidad de Murcia.

[2]. J. Costa López, S. Cervera March, F. Cunill García, S. Esplugas Vidal, C. Mans Teixidó, J. Mata Álvarez. (1991). Curso de ingeniería química: introducción a los proceso, las operaciones unitarias y los fenomenos de transporte. Barcelona: Editorial Reverté.

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[4]. Orozco, M. (1998). Operaciones Unitarias. México: Editorial Limusa.

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[7]. Warren L. McCabe, Julian C. Smith. (1973). Operaciones Basicas de Ingenieria Quimica, volumen 1. Barcelona: Editorial Reverté.