INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECÁNICA Y ELECTRICA
Departamento de Ingeniería en Control y Automatización
E xp o si c ió n : S ed i me n ta c ió n y P re c ip i ta c ió n
Materia:: Materia
Operaciones de Separación Profesor:: Profesor
Ing. Julio Lara García Ing. Marisol Pérez Vázquez Grupo:
6am2 Integrantes:
Herrera Ramos Isaac Villanueva Chávez Omar Domínguez Castelazo Benjamín
Exposición: Sedimentación y Precipitación INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
Objetivo Comprender en que se basa la técnica de sedimentación y precipitación dentro de los procesos físico-mecánicos que sirven para separar mezclas y suspensiones de distintas fases en la industria.
Bosquejo de exposición
Objetivo
Alcance
Alcance
Se abordarán diferentes ejemplos específicos de esta operación unitaria, así como los equipos industriales utilizados para este fin, tales como espesadores, clarificadores, desaguadores espirales, de placas inclinadas, equipo de coagulación, etc. Adentraremos el tema con ejemplos prácticos y el análisis matemático de la dinámica de las partículas dentro de éste proceso de separación.
Relación de Temas
Relación de Temas Todos los procesos de separación de las exposiciones previas hasta ahora, se fundamentan en diferencias fisicoquímicas de las propias moléculas y en sus transferencias de masa. Las moléculas individuales se separan en dos fases a causa de las diferencias moleculares. En esta exposición se considerará un grupo de procesos de separación que no se lleva a cabo a escala molecular ni se debe a diferencias entre las diversas moléculas presentes. La separación se logra usando fuerzas físico-mecánicas y no fuerzas moleculares o químicas ni difusión. Estas fuerzas físico-mecánicas actúan sobre partículas, líquidos o mezclas de partículas y líquidos, y no necesariamente sobre moléculas individuales. Las fuerzas físico-mecánicas incluyen la gravitación y la centrifugación y las fuerzas cinéticas causadas por flujos. Las corrientes de partículas o fluidos se separan debido a los diferentes efectos que sobre ellas producen estas fuerzas.
Procesos de separación físico-mecánica DEFINICIÓN EJEMPLOS Movimiento de partículas en un fluido PRECIPITACIÓN SEDIMENTACIÓN Y ESPESAMIENTO EQUIPOS de Sedimentación
Procesos de separación físico-mecánica Son un grupo de procesos de separación que no se lleva a cabo a escala molecular ni se debe a diferencias entre las diversas moléculas presentes. La separación se logra usando fuerzas físico-mecánicas y no fuerzas moleculares o químicas. Estas fuerzas físico-mecánicas actúan sobre partículas, líquidos o mezclas de partículas y líquidos, y no necesariamente sobre moléculas individuales. Las fuerzas físico-mecánicas incluyen la gravitación y la centrifugación, las fuerzas mecánicas propiamente dichas y las fuerzas cinéticas causadas por flujos. Las corrientes de partículas o fluidos se separan debido a los diferentes efectos que sobre ellas producen estas fuerzas.
vez, se acumulan sobre la tela como torta porosa.
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Estos procesos de separación físico-mecánicos se considerarán en el presente capítulo de acuerdo con la clasificación siguiente:
Filtración . El problema general de la separación de partículas sólidas de líquidos se puede resolver usando gran diversidad de métodos, dependientes del tipo de sólido, de la proporción de sólido a líquido en la mezcla, de la viscosidad de la solución y de otros factores. En la filtración se establece una diferencia de presión que hace que el fluido fluya a través de poros pequeños que impiden el paso, de las partículas sólidas las que a su
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Precipitación y sedimentación . En la precipitación y la sedimentación las partículas se separan del fluido debido a las fuerzas gravitacionales que actúan sobre las partículas de tamaños y densidades diferentes. Precipitación y sedimentación por centrifugación. En las separaciones por centrifugación, las partículas se separan del fluido a causa de las fuerzas centrífugas que actúan sobre las partículas de tamaños y densidades diferentes. Se usan dos tipos generales de procesos de separación. En el primer tipo de proceso se lleva a cabo una precipitación o sedimentación por centrifugación. Filtración centrífuga. Se asemeja a la filtración ordinaria en la que un lecho o torta de sólidos se acumula en una pantalla, pero se utiliza la fuerza centrífuga para provocar el flujo en lugar de una diferencia de presión. Reducción mecánica de tamaño separación. Las partículas sólidas fragmentan por medios mecánicos tamaños más pequeños y se separan acuerdo con sus dimensiones.
y se en de
DEFINICIÓ N
EJEMPLÓS
Un precipitado es el sólido que se produce en
Eliminación de sólidos de aguas negras
una disolución por efecto de difusión o de una
La sedimentación de cristales del licor madre
reacción química. A este proceso se le llama precipitación. Dicha reacción puede ocurrir
La separación de mezclas líquido-líquido
cuando una sustancia insoluble se forma en la
(de etapa de extracción con disolvente de
disolución debido a una reacción química o a
un sedimentador)
que la disolución ha sido sobresaturada por
algún compuesto, y al no poder ser disuelto, dicho soluto forma el precipitado.
La sedimentación de partículas alimenticias sólidas de un líquido preparado
La sedimentación de una suspensión en el proceso de lixiviación de la soya.
Aislar la fase dispersa en una extracción líquido-líquido
La sedimentación es una operación de separación sólido- fluido en la que las partículas sólidas de una suspensión, se separan debido a la densidad del disolvente y el soluto, la concentración y el tamaño de las partículas en suspensión, la presencia o no de coagulantes en la mezcla y el estado de agitación del conjunto. El producto de mayor interés suele ser generalmente el fluido libre de partículas, pero en otros casos es el propio producto sólido; aunque rara vez se consigue la separación total de las dos fases de forma absoluta y nítida.
Teoría de movimiento de las partículas en un fluido Cuando una partícula se mueve a través de un fluido, varias fuerzas actúan sobre ella. Primero, se requiere una diferencia de densidades entre la partícula y el fluido. Debe haber una fuerza gravitatoria externa que imparta un movimiento a la partícula. Si las densidades del fluido y de la partícula son iguales, la fuerza de flotación sobre la partícula contrarrestara a la fuerza externa y la partícula no se moverá con respecto al fluido. Para el movimiento de una partícula rígida en un fluido existen tres fuerzas que actúan sobre los cuerpos: la gravedad que actúa hacia abajo, la fuerza de flotación que actúa hacia arriba y la resistencia o fuerza de retardo que actúa en dirección opuesta al movimiento de la partícula. Consideraremos una partícula de masa m (kg) cayendo a una velocidad de v (m/s) con relación al fluido. La densidad de la partícula sólida es
⁄ ⁄
de sólido y la del líquido es
La fuerza de flotación Fb (N) sobre la partícula es
Donde , es el volumen de la partícula, y g es la aceleración de la gravedad. La fuerza de gravitación o externa F g en N que actúa sobre la partícula es Fg = mg
La fuerza de arrastre sobre un cuerpo, en N, se puede deducir del hecho de que, como en el caso de flujo de fluidos, la resistencia al flujo o arrastre
⁄
es proporcional a la carga de velocidad del fluido desplazado por el cuerpo en movimiento. Esto se debe multiplicar por la densidad del fluido y por un área significativa A, tal como el área proyectada de la partícula.
Donde el coeficiente de arrastre es la constante de proporcionalidad, esto es, un numero adimensional. Entonces, la fuerza resultante sobre el cuerpo es Fg -
-
.
Esta fuerza resultante debe ser igual a la debida a la aceleración:
Sustituyendo las ecuaciones anteriormente descritas.
Si empezamos desde el momento en que el cuerpo deja de estar en reposo, su caída pasa por dos periodos: el de caída acelerada y el de caída a velocidad constante. El periodo inicial de aceleración suele ser bastante corto, del orden de una décima de segundo más o menos. Por consiguiente, el periodo de caída a velocidad constante es el más importante. A esta velocidad se le llama velocidad de precipitación libre o velocidad terminal. Para despejar el valor de la velocidad terminal en la ecuación y la expresión toma la forma.
√ Para partículas esféricas se toman los datos de área y masa estándar para sustituirlas y finalmente concretar la formula para calcular la velocidad para partículas esféricas.
√
PRECIPITACIÓ N Precipitacion Y Sedimentacion En La Separacion De Particula Fluido En la precipitación y la sedimentación, las partículas se separan del fluido por la acción de las fuerzas gravitatorias. Las partículas pueden ser de tipo sólido o gotas de líquido, el fluido puede ser un líquido o un gas y estar en reposo o en movimiento. En algunos procesos de precipitación y sedimentación, el
objetivo es eliminar las partículas de la corriente del fluido para que éste quede libre de contaminantes. En otros casos, se desea recuperar las partículas como productos, por ejemplo al aislar la fase dispersa en una extracción líquido-líquido. En algunos casos, las partículas se suspenden en fluidos para separarlas, de acuerdo con su tamaño o densidad.
TIPÓS DE SEDIMENTACIÓ N La separación de una suspensión diluida por la acción de la gravedad con la obtención de un fluido transparente y otra suspensión con mayor proporción de sólidos, se llama sedimentación. •
Cuando una partícula esta a suficiente distancia de las paredes del recipiente y de otras partículas, de manera que no afecten su caída, el proceso se llama sedimentación libre.
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Cuando las partículas están muy juntas, se sedimentan a velocidad menor y el proceso se llama
Resultado de la precipitación por lotes: a) Suspensión original uniforme b) Zonas de precipitación después de un tiempo determinado c) Comprensión de la zona D después de que desaparecen las zonas B y C
APLICACIONES Entre las aplicaciones de la precipitación y la sedimentación se incluye: •
La eliminación de sólidos de aguas negras
sedimentación frenada. •
SEDIMENTACIÓN Y ESPESAMIENTO •
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Mecanismos de Sedimentación: Cuando una suspensión diluida precipita por gravedad en un fluido claro y en una suspensión de mayor concentración de sólidos, el procesos se le llama sedimentación.
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Determinación de velocidad de precipitación: •
La sedimentación de cristales del licor madre La separación de mezclas líquidolíquido provenientes de la etapa de extracción con disolvente de un sedimentador. La sedimentación de partículas alimenticias sólidas de un líquido preparado La sedimentación de una suspensión en el proceso de lixiviación de la soya.
Equipo para sedimentacio n y precipitacio n. Tanque simple de precipitado por gravedad Estos equipos generalmente pueden mostrarnos la separación entre 2 fases líquidas, la velocidad del flujo de la mezcla debe ser lenta para permitir que las gotas del líquido asciendan o desciendan y puedan generar la interfaz. Otro ejemplo es insertando una mezcla de aire con polvo, permitiendo que el polvo se sedimente y el aire fluya, dichas partículas de polvo se precipita con su respectiva velocidad, donde influye el tiempo de residencia, suficiente como para permitir que el polvo sedimente dentro de la cámara.
Equipo de clasificación Se encuentra como un componente en el cual se subdivide internamente en varias secciones, con el propósito de separar una suspensión con distintas partículas sólidas de diversos tamaños, actúa de la siguiente manera: los solidos de mayor tamaño sedimentan rápido por lo que se hallaran sedimentados en la primera sección, prosiguiendo el orden las de menor tamaño tardaran mas en descender y por tanto se encontraran en las últimas secciones divididas del equipo.
Clasificador Spitzkasten Esta es otra cámara pero con recipientes cónicos que aumentan su diámetro en dirección del fluido, maneja el mismo principio de separación que el equipo clasificador y en este caso se maneja una corriente de agua que regula cada recipiente para obtener el intervalo de tamaño deseado, obteniendo residuos granulares, intermedios y finos.
Espesador de Sedimentación Para este caso se trata de obtener un líquido concentrado en sólidos y un liquido transparente, provenientes de una suspensión diluida. Trabajando en régimen continuo, este espesador posee un raspador de rotación lenta llevando todo sólido o lodo espeso al fondo del equipo. La alimentación se realiza por el centro del equipo y el raspador lleva la solución de lodos al fondo, esta agitación provoca la separación del líquido con el material espeso, mientras que en la parte superior se lleva acabo un derrame de líquido transparente que rodea al tanque. La precipitación inicia en la parte superior y conforme más al fondo existe una zona de transición donde se congregan más sólidos y al fondo una zona de compresión, la velocidad de la zona diluida debe ser menor a la de precipitación para obtener un líquido transparente en su totalidad, mientras que en la zona más profunda de espesamiento la velocidad es mínima debido a la gran cantidad de materia junta existente.
Conclusiones: Al igual que las demás operaciones de separación es muy importante conocer esta otra, la precipitación y la sedimentación, esto con el objetivo de poder conocer la implementación e importancia en la industria y así poder pensar en nuestra participación como ingenieros en control y automatización en algún proceso que involucre estas operaciones de separación.
