Operaciones Unitarias
9Operaciones Unitarias2015
Sedimentacin y flotacinEs una operacin de separacin de fases
fluido-slido en la que las partculas slidas se separan del fluido
debido a que por su mayor densidad, tienden a sedimentar debido a
la gravedad. El fluido puede ser un lquido o gas.
Cuando el slido queda suspendido por el movimiento del fluido se
da el fenmeno de fluidizacin.
Usos
Clarificacin: Obtener una fase lquida clara, sin slidos en
suspensin (por ejemplo: tratamiento de aguas). Espesamiento:
Obtener una pulpa de densidad adecuada para alguna operacin
subsiguiente (por ejemplo: pulpa para filtrado).
Variables
Tamao de partcula Densidad de las partculas Forma de las
partculas Propiedades superficiales
Otros fenmenos
Sedimentacin impedida Coagulacin Floculacin DispersinVelocidad
de sedimentacin La velocidad de separacin o velocidad de
sedimentacin est determinada por las propiedades del slido, del
lquido o de la mezcla.
Propiedades del slido Densidad Forma Rugosidad superficial
Condicin elctrica de su superficie Distribucin
granulomtricaPropiedades de la fase lquida Densidad Viscosidad
Naturaleza molecular Substancias disueltas
Propiedades de la mezcla Concentracin de slidos Viscosidad de la
mezcla
Las zonas de sedimentacin y la del lquido claro crecen a
expensas de las zona de concentracin uniforme hasta que desaparece
(punto crtico).Hasta este punto, las partculas sedimentan
libremente, chocando eventualmente debido a la concentracin. Despus
del punto crtico, las partculas descansan una sobre otra
producindose una compresin final. Esto ocurre debido al peso de la
columna hidrosttica.
La nica interfase ntida es la existente entre el agua clara y la
pulpa. La variacin de esta altura respecto del tiempo se utiliza
para caracterizar la sedimentacin batch. La velocidad de
desplazamiento se calcula mediante la pendiente de la curva.
La curva presenta tres zonas tpicas: Recta al principio, en que
la velocidad de la interfase es constante. Tramo curvo, cuando
desaparece la zona de concentracin constante. Asinttica, despus del
punto crtico.
Tipos de sedimentacin Sedimentacin discreta:Ocurre en
suspensiones diluidas, las partculas tienen muy poca interaccin con
otras mientras sedimentan. Las partculas sedimentan de acuerdo a la
Ley de Stocks.El parmetro de diseo es:Tasa de flujo superficial
overflow (Q/As).
Sedimentacin floculante:Las partculas floculan conforme
sedimentan. La velocidad de los flculos se incrementa con el
tiempo.
Parmetros de diseo:* Tasa de flujo superficial.* Profundidad del
tanque.* Tiempo de retencin hidrulico
La teora bsica del flujo de slidos a travs de fluidos se basa en
el concepto de cuerpos con movimiento libre
Donde:
F es la fuerza resultante que acta sobre cualquier cuerpo
es la aceleracin del cuerpo, y
m es la masa del mismo.
Las fuerzas que actan sobre cualquier cuerpo que est cayendo
son:
Flotacin
La flotacin es en realidad una forma de decantacin. Se utiliza
para separar un slido con menos densidad que el lquido en que est
suspendido. Por ejemplo, en una mezcla de arena y aserrn
agregamosagua.La flotacin permite una separacin ms o menos manual
de la mezcla.
Cmo se realiza la flotacin? La pulpa proveniente de la molienda,
que tiene ya incorporados los reactivos necesarios para la
flotacin, se introduce en unos receptculos como piscinas, llamados
celdas de flotacin. Desde el fondo de las celdas, se hace burbujear
aire y se mantiene la mezcla en constante agitacin para que el
proceso sea intensivo. Los reactivos que se incorporan en la
molienda tienen diferentes naturalezas y cumplen diferentes
funciones:
Reactivos espumantes: Tienen como objetivo el producir burbujas
resistentes. Reactivos colectores: Tienen la misin de impregnar las
partculas de sulfuros de cobre y de molibdeno para que se separen
del agua (efecto hidrfobo)) y se peguen en las burbujas. Reactivos
depresantes: Destinados a provocar el efecto inverso al de los
reactivos colectores para evitar la recoleccin de otros minerales
como la pirita, que es un sulfuro que no tiene cobre. Otros
aditivos: Como la cal sirven para estabilizar la acidez de la
mezcla en un valor de pH determinado, proporcionando el ambiente
adecuado para que ocurra todo el proceso de flotacin. Las burbujas
arrastran consigo los minerales sulfurados hacia la superficie,
donde rebasan por el borde de la celda hacia canaletas que las
conducen hacia estanques especiales, desde donde esta pulpa es
enviada a la siguiente etapa.
Cul es el producto del proceso de flotacin? Luego de varios
ciclos en que las burbujas rebasan el borde de las celdas, se
obtiene el concentrado, en el cual el contenido de cobre ha sido
aumentado desde valores del orden del 1% (originales en la roca) a
un valor de hasta 31% de cobre total. El concentrado final es
secado mediante filtros y llevado al proceso de fundicin.
Equipos de sedimentacin y flotacin
Tanque simple de precipitacin por gravedad Precipitacin para la
dispersin lquido-lquido Cmara de precipitacin de polvos
Clasificador simple de precipitacin por gravedad
Clasificador Spitzkasten
Espesador de sedimentacin
Ley de Stokes
La Ley de Stokes se refiere a la fuerza de friccin experimentada
por objetos esfricos movindose en el seno de un fluido viscoso en
un rgimen laminar de bajos nmeros de Reynolds. Fue derivada en 1851
por George Gabriel Stokes. En general la ley de Stokes es vlida en
el movimiento de partculas esfricas pequeas movindose a velocidades
bajas. Para los objetos muy pequeos domina la fuerza de rozamiento.
La ley de Stokes nos da dicha fuerza para una esfera:
Fr = 6vr En donde r es el radio de la esfera. Cuando una
disolucin precipita, la velocidad de sedimentacin est determinada
por la ley de Stokes y vale:
v = 2r 2 (0 ) g / 9
Se puede verificar que la velocidad aumenta no uniformemente con
el tiempo pero alcanza un valor lmite, que ocurre cuando la fuerza
resultante fuese nula. Las tres fuerzas que actan sobre la esfera
estn representadas en la figura
Son adems la fuerza viscosa, el peso de la esfera, P y el
empuje, E. Igualando la resultante de esas tres fuerzas a cero
obtenemos la velocidad lmite VL.Donde y son las densidades de la
esfera y del medio respectivamente y g es la aceleracin de la
gravedad (9,81 cm s-2).
AplicacionesConociendo las densidades de la esfera, el lquido y
la velocidad de cada se puede calcular la viscosidad a partir de la
frmula de la ley de Stokes. Para mejorar la precisin del
experimento se utilizan varias bolas. La tcnica es usada en la
industria para verificar la viscosidad de los productos, en caso
como la glicerina La ley de Stokes tambin es importante para la
compresin del movimiento de microorganismos en un fluido, as como
los procesos de sedimentacin debido a la gravedad de pequeas
partculas y organismos en medios acuticos.Otras aplicaciones
Diseo de sedimentadores Diseo de desaladoras de petrleo crudo
(para quitarle el agua con sal que tiene emulsionada) En estudio de
aerosoles. En muchos tipos de caracterizacin de materiales como
catalizadores slidos, polmeros, etc.FiltracinLa filtracin es una de
las tcnicas de separacin ms antiguas. Es un mtodo fsico-mecnico
para la separacin de mezclas de sustancias compuestas de diferentes
fases (fase = componente homogneo en un determinado estado de
agregacin). Un medio filtrante poroso es atravesado por un lquido o
gas (fase 1) y las partculas slidas o gotculas de un lquido (fase
2) quedan retenidas en la superficie o en el interior del medio
filtrante. En funcin de las fases se distinguen diferentes campos
de aplicacin: Filtracin de: Partculas slidas de lquidos
(suspensiones) Partculas slidas de gases Gotculas lquidas de gases
(aerosoles) Gotculas de un lquido no miscible de otro lquido
(emulsiones).Con ayuda de la filtracin se pueden separar
componentes slidos de suspensiones o gases, as como componentes
lquidos de aerosoles o emulsiones. Mediante un filtro hidrfobo se
puede filtrar p.ej. agua de combustibles. Aire u otros gases se
pueden limpiar de aerosoles de agua, aceite o alquitrn. En funcin
del problema o bien de la finalidad de la filtracin, se distingue
entre filtracin de separacin o filtracin clarificante. En el caso
de la filtracin de separacin, se trata de recuperar un determinado
slido de un lquido (torta de filtrado) para seguir trabajando con
el slido. Aqu no es imprescindible que todas las partculas sean
eliminadas del lquido. Contrariamente, en la filtracin
clarificante, el lquido se debe limpiar en lo posible completamente
de componentes indeseados o precipitados, para poder seguir
trabajando con el lquido purificado. La filtracin tiene una amplia
gama de aplicaciones: desde el procedimiento analtico en el
laboratorio hasta aplicaciones tcnicas en grandes lneas de
produccin. En practicamente todas las ramas industriales se filtra
ya sea p.ej. en el anlisis de alimentos, el ensayo de morteros, el
anlisis de humos o en el control microbiolgico.
Tipos de filtros La eleccin del tipo de filtro ms adecuado
depende de muchos factores diferentes: de la especie, cantidad y
tamao de partculas a separar, de la especie, volumen y temperatura
del medio a filtrar, as como del mtodo de filtracin y de la
precisin requerida. Las exigencias para el filtro son tan
diferentes como lo son cada uno de los campos de aplicacin. Se
tienen que tener en cuenta las caractersticas qumicas y fsicas de
la muestra a filtrar, as como el consiguiente anlisis o manipulacin
del precipitado o del filtrado.Campo de aplicacin de los diferentes
tipos de filtros En funcin del tamao de las partculas a separar se
pueden emplear diferentes tipos de filtros.Equipos de filtracin La
filtracin a escala industrial va desde el simple colado hasta
separaciones muy complejas. El fluido puede ser lquido o gas, las
partculas slidas pueden ser gruesas o finas, rgidas o plsticas,
redondas o alargadas, individualidades separadas o agrupaciones,
etc. La suspensin de la alimentacin puede ser de alta o baja
concentracin de slidos, puede estar fra o caliente, y someterse a
vaco o a alta presin. Todava se complica ms si se tiene en cuenta
que unas veces es el fluido la fase valiosa, a veces lo es el
slido, y ambos a la vez. En algunos casos la separacin ha de ser
total y completa y en otros solo parcial.Por tanto, se han
desarrollado numerosos tipos de filtros para resolver cada caso
determinado.Una primera clasificacin de los mismos pudiera ser en:
a)Coladores, (rejilla metlica en un canal de flujo);
b)clarificadores, (tambin para pequeas cantidades de slidos que
generalmente se desechan); c)filtros de torta, (para gran cantidad
de slidos, provistos a veces con dispositivos para lavarlos);
d)espesadores de filtro, (su misin es separar algo del lquido claro
y producir una suspensin ms concentrada).Otra clasificacin pudiera
hacerse en aquellos que funcionan a presin, (por gravedad, debido a
una altura de lquido, por una bomba o por fuerza centrfuga) o a
vaco.Tambin podemos clasificar entre filtros continuos, (descarga
de slidos y lquido ininterrumpida) y discontinuos, (la operacin se
interrumpe peridicamente para separar los slidos depositados).Los
factores ms importantes para la seleccin de un filtro son:a)
resistencia especfica de la torta filtrante; b) la cantidad de
suspensin a filtrar; c) la concentracin de slidos en la suspensin;
y d) la facilidad de descarga de la torta formada.Una clasificacin
ms importante de los filtros es la siguiente: A) Filtros
discontinuos: 1) Filtros abiertosa presin, (de gravedad, filtro
prensa); 2) Filtrosde hojas. B) Filtros continuos: 1) Rotatorios,
(de tambor o discos); 2) otros, tales como Prayon, de cinta
horizontal, cartuchos filtrantes, etc.; C) Filtracin en centrfugas,
de modo que la fuerza impulsora la proporciona el movimiento
centrfugo.Filtros de lecho, (o de arena): Son ejemplos de la
filtracin en profundidad, en el que las partculas penetran en los
intersticios del lecho filtrante, quedando atrapadas. Se usan para
depuracin de aguas urbanas y tratamiento de aguas residuales con
muy bajos contenidos en slidos. El lavado de estos lechos ha
presentado problemas, hacindose un retrolavado, con flujo en
sentido inverso de aire seguido de agua.
Filtros prensa:Se utilizan cuando se desean filtraciones ms
rpidas. Se construyen en dos formas: prensa de placas y marcos, y
prensa de placas rebordeadas o cmaras.
1)Filtros prensa de placas y marcos: En ellos no se alcanza la
cada de presin constante desde el principio de la filtracin, sino
que hay un periodo de filtracin a caudal constante al comienzo de
la misma. Son una serie de placas y marcos alternos soportados por
un par de rales; las placas tienen una superficie acanalada o
estriada. El marco hueco est separado de la placa por una tela
filtrante y la prensa se cierra por medio de un tornillo manual o
hidrulico. Entre cada par de placas se forma por tanto una cmara.
La suspensin se introduce por un orificio del marco y el filtrado
pasa a travs de la tela de cada lado, de modo que se forman dos
tortas en cada cmara. El filtrado circula hacia abajo por la
superficie de las placas y se descarga a travs de un grifo. Puede
inspeccionarse el filtrado de cada placa, pudindose aislar una de
ellas, si se estropea o aquel no resulta claro. En algunos se prev
la calefaccin por vapor.2) Filtro prensa de cmaras: Similar al
anterior pero se prescinde de los marcos, y las cmaras individuales
estn formadas entre placas sucesivas. Por tanto, el espesor de la
torta no puede variarse. El canal de alimentacin generalmente
difiere del anterior, siendo por el centro.En estos dos casos se
han obtenido mejoras muy importantes: grandes unidades, materiales
nuevos y ms ligeros, mayores presiones y grado de automatizacin,
escurrido ms completo que facilita el posterior lavado, etc.Estos
filtros presentan: a) gran versatilidad; b) bajo coste de
mantenimiento, c) rea filtrante grande en un espacio reducido, d)
fcil deteccin de fugas, e) y sirven tanto si es el slido o el
lquido el producto valioso. Pero tambin presentan una serie de
inconvenientes: a) funcionamiento discontinuo que puede provocar el
desgaste de las telas, y b) no son adecuados para grandes
volmenes.
Filtros de hojas:En ellos, la cada de presin constante se
alcanza desde los primeros instantes de la filtracin. Son
apropiados para tratar grandes volmenes de suspensin, de modo que,
para la misma capacidad que un filtro prensa, ocupan menos espacio.
Los hay de diferentes tipos: filtro Moore, Kelly, Sweetland,
Vallez, Nigara, (verticales u horizontales), etc. Dependiendo del
tipo de hojas, la mayor o menor uniformidad y facilidad de
separacin de la torta, la facilidad de lavado y la instalacin de la
tela.En ellos, cada hoja est rodeada de la tela filtrante de modo
que la torta queda depositada en el exterior y el lquido claro pasa
al interior, bien por vaco o por presin.
Filtros rotatorios continuos:Los hay de tambor rotatorio y de
discos. Son filtros de succin, en los que la filtracin, lavado,
secado y descarga de la torta se realizan automticamente,
precisando, por tanto, de poca mano de obra.1)Filtro de tambor:Es
un cilindro horizontal que gira parcialmente sumergido en un
depsito con la suspensin agitada. La superficie cilndrica est
agujereada y se cubre con la tela. Se succiona haciendo vaco, y el
lquido claro atraviesa la tela, mientras la torta se va formando en
la superficie. La capacidad de filtracin depende de la velocidad de
rotacin. Si la torta se resquebraja, se comprime con una correa.
Presenta una serie de ventajas: a) Tiene un funcionamiento
automtico y continuo, por lo que precisa poca mano de obra; b) Se
pueden obtener tortas de cualquier espesor, sin ms que modificar la
velocidad de giro; c) Tienen una capacidad muy grande.2) Filtro de
discos: Similares a los anteriores, slo que tienen un cierto nmero
de hojas filtrantes dispuestas sobre un eje. Proporcionan peor
lavado que el anterior y la descarga de la torta es ms difcil, pero
ofrecen un rea mucho mayor.
Cynthia Kareli Gonzlez Gonzlez