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