apunte sedimentacion 2010

Click here to load reader

Post on 26-Jun-2015

3.551 views

Category:

Documents

7 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

UNIVERSIDAD ARTURO PRAT DEPARTAMENTO DE INGENERIA APUNTE OPERACIONES DE SEPARACION Y CONCENTRACION CARRERA:Ingeniera Civil Metalrgica PROFESOR:Aldo Quiero Gelmi 2010 INDICE Pagina ESPESAMIENTO. Capitulo 1: INTRODUCCIN, DEFINICIN, EQUIPOS Y OPERACIN1 1.1Descripcin de una suspensin en sedimentacin.5 1.2Parmetros de Sedimentacin.8 Capitulo 2: BALANCE DE MASA EN UN ESPESADOR CONTINUO EN ESTADO ESTACIONARIO: MTODOS CLSICOS DE DISEO DEESPESADORES11 2.1Ecuacin de Mishler11 2.2Mtodo de Coe y Clevenger12 Capitulo 3: MTODOS DE DISEO BASADOS EN MODELOS CINEMTICAS16 3.1Teora de sedimentacin de Kynch16 3.2Anlisis de la curva de sedimentacin19 3.3Diseo de espesadores continuos basado en la teora de sedimentacin discontinua de Kynch21 3.4Mtodo de diseo de espesadores basado en el proceso de sedimentacin continua de Kynch23 Capitulo 4: TEORA FENOMENLOGICA DE LA SEDIMENTACIN DESUSPENSIONES FLOCULADAS26 4.1Introduccin26 4.2Mtodo de Diseo de Espesadores de Adorjan26 BIBLIOGRAFA33 1 Operaciones de Separacin y ConcentracinIN-796. Profesor: Aldo Ivn Quiero Gelmi. Departamento de Ingeniera. Universidad Arturo Prat Capitulo 1: INTRODUCCIN, DEFINICIN, EQUIPOS Y OPERACIN(1). Espesamiento es laoperacin de separacinde parte del lquidode unasuspensin paraobtener unproductomsdensoyunflujodelquidopuro.Elobjetivodelprocesopuedeenfocarseen obtener una pulpa de descarga ms densa o en recuperar el lquido de la suspensin. En el primer caso se habla de espesamiento y en el segundo se usa el trmino clarificacin. Elmecanismoclsicodelespesamientoeslasedimentacinbajolafuerzadegravedad.La operacin serealiza industrialmente enespesadores,estoes, en estanquescilndricos dondeala suspensin se le permite sedimentar. Se alimenta la suspensin en la parte superior y en el centro delestanqueysepermitesusalidapordosaberturas,unaenelcentroyfondoyotroenla periferia y parte superior del estanque. La abertura del fondo descarga la pulpa y el vertedero de la periferia elimina el lquido limpio que rebalsa. Una rastra, accionada desde un eje en el centro del estanque, lleva el material sedimentado hacia la abertura de descarga.Espesadores pequeos tienen fondo plano, pero generalmente el fondo tiene una pequea inclinacin hacia el centro, lo que ayuda a descargar el producto. Fig. 1.1.1: Feedwell de dos entradas y rastra de traccin central (Dorr-Oliver). Fig. 1.1.2: Rastra de traccin perifrica (Eimco Process Equipment) 2 Operaciones de Separacin y ConcentracinIN-796. Profesor: Aldo Ivn Quiero Gelmi. Departamento de Ingeniera. Universidad Arturo Prat DeacuerdoaCoeyClevenger(2)(1916),sedistinguencuatrozonasenunespesador convencionalcontinuo.Enlapartesuperiorestlazonadelquidoclaro,quedenotaremospor zona I. Este lquido, que ha sido separado de la suspensin, es recuperado en el rebalse. Cuando elmaterialdealimentacincontienemuchaspartculasfinas,lazonaIpuedeponerseturbia,a menosqueseleagregueunreactivoqumicoparaflocularlosfinos.Enesteltimocaso,se forma una interface ntida en la parte inferior de la zona I. El espesor de la zona I depende de la cantidaddefloculanteagregado.Esprecisamentedeestamaneraquelaprofundidaddelquido claro es controlada en un espesador industrial y se le mantiene a un mnimo de 0.5 a 1 metro para una operacin segura. Cuando la zona I es invadida por partculas slidas se dice que el espesador se rebalsa. BajoellquidoclaroestlazonaII,denominadazonadesedimentacinobstaculizada.Ella consiste en pulpa de concentracin uniforme que sedimenta a velocidad constante. De acuerdo a Coe y Clevenger(2) (1916), la concentracin de esta zona es la misma que la de la alimentacin, pero Coming et al(3) (1954) reconocieron que esto no siempre es as y que, en la mayora de los casos,laalimentacinsediluyealentraralespesador.Coming(3)informademuchos experimentos que prueban que en una operacin normal, la concentracin de la zona II depende del flujo de slidos en la alimentacin ms que su concentracin. La concentracin enesta zona espequeasielflujodeslidosdealimentacinespequeoyaumentacuandosteaumenta, llegando a un mximo cuando el slido sedimenta a la mxima velocidad posible en esta zona. Si sealimentaslidoenexcesosobreesteflujomximo,laconcentracindelazonaIIcontinuar siendo la misma que corresponde al flujo mximo y el exceso de slido no sedimentar a travs de la zona II sino que pasar a la zona I y ser eliminado junto al lquido de rebalse. Comings(3) tambinreportaquesilaconcentracindelaalimentacinsuperalaconcentracinmxima mencionadaparalazonaII,laconcentracinenestazonaserladelaalimentacinyla capacidad de sedimentacin de la zona II aumentar. DebajodelazonaIIhayunareginquecontieneungradientedeconcentracinyque designaremoscomozonaIIIyllamaremoszonadetransicinporquellevalaconcentracin desde el valor constante de la zona II al valor que tiene en el sedimento. No est claro si esta zona realmente existe en todos los casos. Algunos investigadores como Comings et al(3) (1954), Fitch y Stevenson(4) (1977) y Eklundy Jernqvist(5) (1975) simplemente ignoran esta zona mostrando unabruptocambiodeconcentracinentrelazonaIIyelsedimento.Finalmente,enlaparte inferior del espesador est la zona IV de sedimento, tambin conocida como zona de compresin. Ellaconsisteenpulpaespesaenquelosflculos,quedescansanunossobrelosotrosformando unared,ejercenpresinsobrelosinferioresdebidoasupeso,dandoorigenaungradientede presin.Estegradientedepresinorigina,asuvez,ungradientedeconcentracin.Cominget al(3)(1954)dividelazonaIVenunazonasuperiordecompresinconlascaractersticas mencionadasyunazonadeaccindelasrastras,enqueelmovimientodestaspermiteun incremento de la concentracin logrndose un segundo gradiente de concentracin. La concentracin de la descarga es la concentracin de la parte inferior de la zona de compresin. Elladependedelaalturadeestazonaporqueunamayoralturaimplicamayorpesodeslidos soportados por la red de flculos, o esqueleto slido, produciendo un mayor gradiente de presin 3 Operaciones de Separacin y ConcentracinIN-796. Profesor: Aldo Ivn Quiero Gelmi. Departamento de Ingeniera. Universidad Arturo Prat y,porlotanto,unmayorgradientedeconcentracin.Eltiempoderetencindelapulpaenel espesador tambin ha sido mencionado como causa de diferentes concentraciones de la descarga, para una misma altura de sedimento (Coming et al 1954(3)). Fig.1.1.3:Esquemadelaszonasdesedimentacinpresentesenunespesador industrial, segn Coe y Clevenger (1916). Fig. 1.1.4: Resultados obtenidos en Espesador Piloto. Quiero A. (1994) Elespesordecadazonaenunespesadordependedelascaractersticasdesedimentacindela pulpa.CoeyClevenger(2)(1916)definenlacapacidaddetratamientodecadazonacomola cantidaddeslidosquepasandeesazonaalasiguienteporunidaddereaydetiempo.Ellos razonabanquelavelocidaddesedimentacinesunafuncindelaconcentracindelapulpay, por lo tanto, tambin lo ser la capacidad de tratamiento. Si no pasa slido al rebalse, en el estado estacionario,elmismoflujodeslidosdebepasarportodaslaszonasdelespesador.Esto 4 Operaciones de Separacin y ConcentracinIN-796. Profesor: Aldo Ivn Quiero Gelmi. Departamento de Ingeniera. Universidad Arturo Prat significaqueaquellaszonasconmenorcapacidaddetratamientocrecernaexpensasdelas zonas con mayor capacidad de tratamiento. DiremosqueunespesadorserebalsasipartculasslidaspasandelazonaIIalazonaI.De acuerdoaDixon(7)(1979),haytresmanerasenqueunespesadorsepuederebalsar.Yahemos discutidodosdeellas,estoes,aquellaenquelaspartculasfinaspasanalrebalseporfaltade floculante y cuando se alimenta un espesador ms all de su capacidad. La tercera corresponde a una operacin normal del espesador y ocurre cuando la alimentacin del espesador es mayor quela descarga. En este caso el slido en exceso se acumula en el equipo y eventualmente comienza a emerger en el rebalse. Cuando, debido a cambios en la concentracin de slidos de la alimentacin, la concentracin de ladescargadisminuye,esposiblellevarlaasuvalororiginalcontrolandoelflujodedescarga. Este,asuvez,secontrolamanipulandolabombadevelocidadvariabledeladescarga,cuando staexiste,ocambiandoanillosenlaaberturadedescargacuandostaesporgravedad.El resultado es que, al disminuir el flujode descarga, laalturadelsedimento crece en el espesador por acumulacin de slidos, aumenta el gradiente de presiny, como consecuencia, elgradiente de concentracin. Lo opuesto sucede cuando el flujo de descarga es aumentado. Estos efectos son utilizados para el control de espesadores. La Figura 1.1.5 resume las variables que describen el comportamiento y permiten el control de un espesador.FyFsonelflujomsicoylaconcentracindeslidosenlaalimentacinal espesador, QD y D son el flujo volumtrico y la concentracin de slidos en la descarga, QR es elflujovolumtricodelquidoenelrebalse,Qfleselflujovolumtricodefloculante,FFesla distribucindetamaoenlaspartculasdelaalimentacinyhayhssonlasalturas,o profundidades, de lquido claro y sedimento respectivamente. Figura 1.1.5: Variables en un espesador continuo. 5 Operaciones de Separacin y ConcentracinIN-796. Profesor: Aldo Ivn Quiero Gelmi. Departamento de Ingeniera. Universidad Arturo Prat 1.1Descripcin de una suspensin en sedimentacin. Cuandounasuspensindepartculasigualessedimentaenunacolumnaconfondocerrado,se puede distinguir las siguientes etapas en el proceso: 1.Antesdecomenzarlasedimentacinlaconcentracindelasuspensinesconstanteen todo el volumen de la columna. 2.Debido a la sedimentacin de las partculas, se forma una interface agua-suspensin en la parte superior de la columna.La velocidad con que desciendeesta interface al comienzo del proceso es lo que se denomina velocidad inicial de sedimentacin. 3.Laspartculasquesedimentanseacumulanenelfondodelacolumnaytendrnuna concentracinmayorqueladelasuspensinoriginal.Seformaasunainterface suspensin-sedimento que sube por la columna a medida que se acumula mayor cantidad de material. 4.Dentrodelmaterialensedimentacincualquierniveldecoordenadafijaaumentarsu concentracin con el tiempo, lo que significa que un lugar de concentracin determinada quealcomienzoseencontrabacercadelfondodelacolumnase