UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES ZARAGOZA
“Análisis de un sistema de sedimentación” CARRERA: INGENIERÍA QUÍMICA PROFESOR: MINOR PÉREZ ESTEBAN GRUPO: 4661 SEMESTRE: 2014-2 INTEGRANTES:
- BENITEZ ARAIZA LUIS FERNANDO -BONILLA ROMERO CESAR AUGUSTO - CASTRO ESPINOZA INGRID TAMARA - GABRIEL RAMÍREZ ÁNGEL - ORTÍZ VÁZQUEZ LEOPOLDO - PORTILLO MEJÍA SAÚL EDUARDO - RODRÍGUEZ HERNÁNDEZ PLÁCIDO JAHIR - VIDAL ORTEGA RAUL
SEDIMENTACIÓN: -OBJETIVO GENERAL Analizar las variables implicadas dentro del proceso de sedimentación, concentración con respecto a tiempo de sedimentación en existencia de un floculante. -OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Obtener el tiempo de sedimentación de una suspensión de agua con carbonato de calcio a distintas concentraciones usando como revelador y floculante a la pintura, se realizara a partir de un ensayo de sedimentación intermitente de laboratorio utilizando el método de la probeta. Identificar las zonas de sedimentación.
HIPÓTESIS En base a la teoría, suponemos que el tiempo de sedimentación varía con respecto a la concentración en ausencia o existencia del floculante. INTRODUCCIÓN La sedimentación es esencia de un fenómeno físico, que en ingeniería química se conoce como una operación unitaria, consistente en la separación de partículas sólidas suspendidas en un líquido por acción de la gravedad, las cuales deben ser más densas que el fluido, permitiendo que éstas lleguen al fondo del recipiente que las contiene. 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 de 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 El uso principal de los sedimentadores se puede observar en sistemas de tratamiento de aguas residuales, ya que las partículas que se encuentran en el agua pueden ser perjudiciales en los procesos biológicos, debido que los inhiben y se depositan en el medio filtrante causando elevadas pérdidas de carga y deterioro de la calidad del agua efluente de los filtros. Además de que se tienen aplicaciones en la industria alimenticia como: clarificación de jugos en azucareras, separación de levaduras durante la fermentación de la cerveza, desfangado y clarificación de vinos. MARCO TEÓRICO La sedimentación es una operación unitaria 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.
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 floculentas y sedimentación de partículas por caída libre e interferida. Generalmente se pueden distinguir dos tipos de sedimentación, atendiendo al movimiento de las partículas que sedimentan: -
-
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. 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: -
-
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 suspensión de mayor concentración. Transcurre en régimen estacionario.
SEDIMENTACIÓN POR ZONAS En la figura 1 se representa el proceso de sedimentación por zonas en una probeta. Este proceso consta de las siguientes etapas: en un principio el sólido, que se encuentra con una concentración inicial x (figura 1a), comienza a sedimentar (figura 1b), 0 estableciéndose una interfase 1 entre la superficie de la capa de sólidos que sedimentan y el líquido clarificado que queda en la parte superior (zona A). La zona por debajo del líquido clarificado se denomina zona interfacial (zona B). La concentración de sólidos en esta zona es uniforme, sedimentando toda ella como una misma capa de materia a velocidad constante V . Esta velocidad de sedimentación puede calcularse a partir de la s pendiente de la representación de la altura de la interfase 1 frente al tiempo, tal y como se muestra en la figura 2. Simultáneamente a la formación de la interfase 1 y de la zona interfacial, se produce una acumulación y compactación de los sólidos en suspensión en el fondo de la probeta, dando lugar a la denominada zona de compactación (zona D). En esta zona la concentración de sólidos en suspensión es también uniforme y la interfase que bordea
esta zona, interfase 2, avanza en sentido ascendente en el cilindro con una velocidad constante V. Figura 1. Proceso de sedimentación por zonas. Entre la zona interfacial y la zona de compactación se encuentra la zona de transición (zona C). En esta zona la velocidad de sedimentación de los sólidos disminuye debido al incremento de la viscosidad y de la densidad de la suspensión, cambiando la concentración de sólido gradualmente entre la correspondiente a la zona interfacial y la de la zona de compactación. Las zonas de compactación e interfacial pueden llegar a encontrarse, produciéndose la coalescencia de las dos interfases anteriormente citadas, en el denominado momento crítico t , desapareciendo la zona de transición (figura 1c). En este momento el sólido c sedimentado tiene una concentración uniforme X o concentración crítica, comenzando la c compactación y alcanzándose, posteriormente, la concentración final X . u SEDIMENTACIÓN CONTINUA En la 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. El diseño de un sedimentador continuo puede realizarse a partir de los datos obtenidos en experimentos discontinuos. La sedimentación continua se realiza industrialmente en tanques cilíndricos a los que se alimenta constantemente la suspensión inicial con un caudal inicial Q y una 0 concentración inicial C (figura 3). Por la parte inferior se extrae un lodo con un caudal Q 0 u y una concentración C , normalmente con ayuda de rastrillos giratorios, y por la parte u superior del sedimentador continuo se obtiene un líquido claro que sobrenada las zonas de clarificación (A), sedimentación (B-C) y compresión (D) que pueden distinguirse en la En un sedimentador continuo, estas tres zonas permanecen estacionarias.
Procesos de separación por centrifugación: En una sedimentación centrífuga, una partícula de un tamaño determinado se separa del líquido si dispone de tiempo suficiente para que la partícula alcance la pared del recipiente separador. Si se supone que en todo momento la partícula se está moviendo con su velocidad terminal es posible calcular el diámetro de la partícula más pequeña que se puede separar. El punto de alimentación está en la parte inferior y el punto de descarga e la superior. Todo el líquido se mueve hacia arriba a través del recipiente con una velocidad constante y arrastrando partículas sólidas, las cuales comienzan a sedimentar en el fondo del recipiente a una cierta posición en el líquido. Su tiempo de sedimentación está limitado por el tiempo de residencia del líquido en el recipiente. Cuando una partícula de sólido se mueve a través de un medio continuo, su velocidad se ve afectada por 2 fuerzas:
Por un lado la partícula se acelera por la fuerza resultante de la diferencia que existe entre su densidad y la del medio en el cual está sumergida. Por otro lado, existe una fuerza de reacción a la acción anterior que tiende a detener el movimiento de la partícula.
Por su parte, la fuerza que se opone al movimiento de la partícula viene definida por la ley de Stokes: FD = 3π d μ v Donde: μ: es la viscosidad del medio v: es la velocidad de la partícula Cuando la partícula comienza a moverse en la solución, lo hace a baja velocidad y la FD es pequeña. Luego la partícula se acelera hasta que las fuerzas se igualen: FB = FD La efectividad del proceso depende de la velocidad que alcanza la partícula dentro de la centrífuga, en comparación con lo que ocurriría bajo influencia de la gravedad. La relación de velocidades de la partícula en la centrífuga respecto de aquella observada con gravedad se conoce como efecto centrífugo o número g: Z = w2 r / g La fuerza desarrollada en una centrífuga es Z veces la de la fuerza de gravedad.
El uso de centrifugas aumenta el alto grado de fuerzas que actúan sobre las partículas. Las partículas que no se sedimentan, o que hacen con mucha lentitud en los sedimentadores por gravedad. Estas fuerzas de sedimentación de gran magnitud permiten tener velocidades practicas con partículas mucho más pequeñas que en los sedimentadores por gravedad. Las fuerzas centrifugas no varían, las velocidades relativas de sedimentación de las partículas pequeñas, se contrarrestan los efectos perturbantes del movimiento browniano y de las corrientes de convección libre. La separación por gravedad es demasiado lenta algunas veces debido a la similitud de densidades de la partícula y el fluido, a causa de fuerzas de asociación que mantienen unidos a los componentes, como en las emulsiones. Fuerzas que se desarrollan en la separación por centrifugación Los separadores centrífugos se basan en el principio común de que la rotación de un objeto alrededor de un eje o punto central, a una distancia radial constante desde dicho punto, produce una fuerza que actúa sobre dicho objeto. El objeto que gira alrededor de un eje está cambiando de dirección constantemente. Con lo cual se produce una aceleración aun cuando la velocidad rotacional es constante. Esta fuerza centrípeta actúa en la dirección hacia el centro de rotación. Si el objeto que se hace girar es un recipiente cilíndrico, el contenido de fluido y sólidos desarrolla una fuerza igual y opuesta, llamada fuerza centrifuga, hacia las paredes del recipiente. Esta es la fuerza que causa la sedimentación o asentamiento de las partículas a través de una capa de liquido, o la filtración de un liquido a través de un lecho o torta de filtrado, en el interior de una cámara de rotación perforada.
Equipos de centrifugación Centrífuga tubular: La alimentación ingresa a través de la boquilla inferior. Al girar la cesta, las partículas que ascienden colisionan contra las paredes Para separarse del líquido los sólidos deben moverse a una velocidad suficiente como para alcanzar la pared de la cesta durante el tiempo de residencia del líquido en la máquina. El líquido de alimentación se recoge en la parte superior de la cesta mientras que los sólidos colisionados en la pared se recogen por separado. El uso de estas centrífugas suele estar destinado principalmente a procesos que requieren elevadas fuerzas centrífugas (entre 13000 y 16000 veces la fuerza de la gravedad). El análisis de esta centrífuga dependerá fundamentalmente de encontrar la posición de la partícula como función del tiempo.
Se asume que la partícula está a una distancia z del fondo de la centrífuga, y a una distancia r del eje de r del eje de rotación.
Centrífuga de Discos: Su uso es muy común en la centrifugación de bioprocesados. Poseen láminas cónicas de metal (discos) apiladas una encima de la otra con separaciones entre ellas de aproximadamente 0.3 mm. Los discos giran con la cesta y su función consiste en dividir el líquido en finas capas. Los sólidos van golpeando con la parte inferior de los discos y resbalan hacia el fondo de la cesta. Al mismo tiempo, el líquido más ligero fluye hacia adentro por la parte superior de los discos y se descarga en la parte superior de la cesta. Generalmente desarrollan fuerzas de entre 5000 y 15000 veces la fuerza de gravedad. Suele utilizarse para:
Separar células del caldo de fermentación Eliminar desechos celulares Recoger precipitados Preparar medios de filtración
En general, requiere un equipamiento más costoso que para filtración, pero es un procedimiento más efectivo en aquellos casos en los cuales se tienen partículas más pequeñas. MATERIALES E INSUMOS: Materiales y equipo
Cant.
Reactivos
Probetas 1L
5
Agua de la llave
Agitador
5
Pintura vinci base agua
Cronómetro
----
Carbonato de calcio
Cant.
2 fcos
METODOLOGÍA: Dispositivo experimental El ensayo de sedimentación intermitente se realizará en una probeta de vidrio de 1 L de capacidad, que dispone de una escala graduada de alturas, utilizando pintura vinci como floculante se hara una serie de corridas experimentales con distintas concentraciones 75g/l 100g/l 125 g/l 150g/l y 200g/l . El tiempo se medirá con un cronómetro para poder ver el avance de la interfase, Realización práctica con probeta. Se introduce la unas gotas de pintura en la probeta llena de agua hasta una altura determinada (ho), se agita vigorosamente y se deposita la probeta sobre una superficie plana, momento en que se pone en marcha el cronómetro. Durante los primeros quince minutos de la hora de sedimentación se tomarán medidas de altura de la interfase descendente a intervalos de 1 min.; durante el periodo de quince a veinticinco minutos , a intervalos de 2 min., y durante el resto de la hora se llevaran a cabo las mediaciones a intervalos de 5 min. . Análisis de Resultados. Se realizó una tabla con los tiempos y las alturas de sedimentación por cada concentración a analizar se reportan a continuación
datos experimentales 1 tiempo altura 1 833.52 2 680.31 3 550.21 4 440.65 5 349.25 6 273.81 7 212.31 8 162.88 9 123.83 10 93.6 11 70.78 12 54.11 13 42.45 14 34.77 15 30.18 17 27.15 19 28.2 21 29.49 23 28.37 25 28 30 28 35 28 40 28 45 28 50 28 55 28 60 28
datos experimentales tiempo altura 1 906.52 2 786.81 3 679.59 4 584.02 5 499.28 6 424.59 7 359.18 8 302.34 9 253.36 10 211.56 11 176.31 12 146.99 13 123.02 14 103.84 15 88.92 17 69.91 19 69.7 21 68.5 23 68.3 25 67.2 30 67 35 66.8 40 66.6 45 66.4 50 66.1 55 66 60 66
datos experimentales concentracion 2 1200 1000 800 600 400 200 0 0
10
20
30
40
50
60
datos experimentales 3 tiempo altura 1 908.84 datos experimentales 4 altura 2 813.32 tiempo 1 928.84 3 726.27 2 872.03 4 647.17 3 818.17 5 575.5 4 767.17 6 510.74 5 718.94 7 452.44 6 673.4 8 400.12 7 630.47 9 353.34 8 590.07 10 311.68 9 552.1 11 274.74 10 516.49 12 242.13 11 483.15 13 213.49 12 452 14 188.48 13 422.95 15 166.76 14 395.92 17 131.99 15 370.82 19 106.98 17 326.1 21 89.8 19 288.11 23 78.83 21 256.18 25 72.78 23 229.64 30 73.32 25 207.82 35 73.1 30 169.49 40 73 35 145.94 45 72.9 40 126.67 50 72.9 45 101.18 55 72.7 50 97.5 60 72.5 55 97.5 60 97.5
70
datos experimentales concentracion 5 1200 1000 800 600 400 200 0 0
10
20
datos experimentales 5 tiempo altura 1 964.9 2 925.4 3 886.9 4 849.5 5 813.1 6 777.7 7 743.3 8 710 9 677.7 10 646.4 11 616.1 12 586.9 13 558.7 14 531.5 15 505.4 17 456.2 19 411.1 21 370.1 23 333.2 25 300.5 30 236.5 35 198.2 40 185.6 45 185.4 50 185.3 55 185.3
30
40
50
60
70
60
185.2
.
Conclusiones. Analizando las gráficas de las corridas experimentales se logró analizar la naturaleza del fenómeno de sedimentación con la variable de concentración y se pudo determinar que a menor concentración de la substancia en suspensión el tiempo de sedimentación es más rápida que su contra parte (en altas concentraciones) por lo cual si existen concentraciones menores el diseño del equipo de sedimentación tiene que ser relativamente pequeño en contraste de concentraciones mayores.
Bibliografía: Christine J. Geankoplis (1995) Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias 2° edición , Ed compañía Editorial Continental, México
