fundamento teÓrico

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FUNDAMENTO TEÓRICO 1) SEDIMENTACIÓN Concepto: La sedimentación es una operación unitaria que 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. 2) DESPLAZAMIENTO DE SÓLIDOS EN EL SENO DE UN FLUIDO La dirección del movimiento de las partículas de un sólido en el seno de un fluido se efectuará de arriba abajo, o viceversa, según sea la densidad relativa del sólido con respecto al fluido. Aquellas partículas cuya densidad sea inferior a la del fluido, se elevarán y flotaran, mientras que las más densas se sumergirán y descenderán en el seno del mismo. 3) CLASIFICACION DE LA SEDIMENTACION SEGÚN EL MOVIMIENTO DE SUS PARTICULAS 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.

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Page 1: FUNDAMENTO TEÓRICO

FUNDAMENTO TEÓRICO

1) SEDIMENTACIÓN

Concepto:

La sedimentación es una operación unitaria que 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.

2) DESPLAZAMIENTO DE SÓLIDOS EN EL SENO DE UN FLUIDO

La dirección del movimiento de las partículas de un sólido en el seno de un fluido se efectuará

de arriba abajo, o viceversa, según sea la densidad relativa del sólido con respecto al fluido.

Aquellas partículas cuya densidad sea inferior a la del fluido, se elevarán y flotaran, mientras

que las más densas se sumergirán y descenderán en el seno del mismo.

3) CLASIFICACION DE LA SEDIMENTACION SEGÚN EL MOVIMIENTO DE SUS PARTICULAS

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.

Page 2: FUNDAMENTO TEÓRICO

4) CLASIFICACION DE LA SEDIMENTACION SEGÚN EL TIPO DE OPERACIÓN QUE SE

REALIZE

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 continúa:

La suspensión diluida se alimenta continuamente y se separa en un líquido claro y una segunda

suspensión de mayor concentración. Transcurre en régimen estacionario.

5) 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 X0 (figura 1a), comienza a sedimentar (figura 1b), estableciéndose una

interface “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 “Vs”. Esta

velocidad de sedimentación puede calcularse a partir de la pendiente de la representación de

la altura de la interface 1 frente al tiempo, tal y como se muestra en la figura (2).

Simultáneamente a la formación de la interface 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 interface que bordea esta zona, interface 2,

avanza en sentido ascendente en el cilindro con una velocidad constante “V”.

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

Page 3: FUNDAMENTO TEÓRICO

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 interfaces anteriormente citadas, en el denominado momento crítico

“tc”, desapareciendo la zona de transición (figura 1c). En este momento el sólido sedimentado

tiene una concentración uniforme Xc o concentración crítica, comenzando la compactación y

alcanzándose, posteriormente, la concentración final Xu (figura 1d).

La velocidad de sedimentación en el momento “tc” corresponde a un valor Vc dado por la

pendiente de la tangente a la curva de sedimentación en el punto C, tal y como se indica en la

figura (2) donde Vc < Vs.

FIGURA N°1: Proceso de Sedimentación por zonas

FIGURA N°2: Representación Gráfica de la altura frente al tiempo.

.

Page 4: FUNDAMENTO TEÓRICO

6.-SEDIMENTACIÓN EN SEDIMENTADORES VERTICALES

Determinación de la velocidad de precipitación

Las pendientes de la curva (altura z de la interfaz de líquido claro en función del tiempo) en

cualquier momento representan las velocidades de sedimentación de suspensión en cualquier

instante y son características de una concentración específica de sólidos.

La primera porción de la curva tiende a ser lineal, correspondiendo a una velocidad contante

de la sedimentación de los lodos a la concentración inicial. En el espesamiento esta región

inicial representa una parte significativa del tiempo total de espesamiento. A medida que

transcurre el tiempo la velocidad de sedimentación disminuye. Coe Clevenger en 1916 y Kynch

en 1952 propusieron un modelo para explicar esto suponiendo que la velocidad de

sedimentación es proporcional a la concentración de sólidos suspendidos.

Una vez que se pasa la región de velocidad constante de sedimentación cada punto de la

curva corresponde a una concentración diferente de sólido.

FIGURA N°3: Resultados de una Sedimentación Intermitente.

Teoría de Kynch

Este método está basado en el análisis matemático de la sedimentación intermitente;

encontrando que la velocidad de sedimentación y la concentración en la zona que limita la

capacidad puede determinarse con una simple prueba de sedimentación intermitente; como

se muestra en la Fig. 4

Page 5: FUNDAMENTO TEÓRICO

FIGURA N°4: Prueba de Sedimentación Intermitente.

La prueba de sedimentación comienza con una concentración inicial uniforme de sólidos. En la

zona “C” la concentración del sólido debe estar comprendida entre la composición inicial del

lodo en la zona “B” y la del lodo final en la zona “D”.

Si la capacidad de manejo de sólidos por unidad de área es más baja cerca de alguna

concentración intermedia, una zona de esta concentración deberá comenzar a crecer, puesto

que la velocidad a la que los sólidos entran en esta zona es menor a la velocidad de salida de

la misma.

El comportamiento de las suspensiones concentradas durante la sedimentación ha sido

analizado por Kynch, utilizando sobre todo consideraciones de continuidad. Las suposiciones

básicas realizadas son las siguientes:

1. La concentración de partículas es uniforme a través de cualquier capa horizontal.

2. Los efectos de pared pueden despreciarse.

La velocidad de caída de las partículas depende únicamente de la concentración local

de partículas.

3. La concentración inicial o es uniforme o aumenta hacia el extremo inferior de la

suspensión.

4. La velocidad de sedimentación tiende a cero al aproximarse la concentración a un

valor límite correspondiente al de la capa de sedimento depositado en el fondo del

recipiente.

Page 6: FUNDAMENTO TEÓRICO

Velocidad Crítica de Sedimentación

Se obtiene de una prueba intermitente con una probeta. Al principio de la prueba, los sólidos

se encuentran dispersos de manera uniforme a través del cilindro con una concentración co .

La masa total de sólidos en la probeta es “coAzo “, donde A es el Área de sección transversal de

la probeta y zo es la altura inicial de la interfase que, en el caso, es la profundidad del líquido.

Sea c el tiempo necesario para lograr la concentración crítica CC. Físicamente, esta

concentración se alcanza en el momento en que la velocidad de sedimentación disminuye con

rapidez.

Se grafican los datos altura de interface z vs Tiempo . Esto da una curva que se utiliza para

determinar C y CC de la siguiente manera.

La primera parte de la curva representa a la “sedimentación libre” a una velocidad casi

constante. Se traza una tangente a esta parte de la curva.

Al final de la prueba, cuando las concentraciones son altas y las velocidades son bajas,

la curva también muestra una velocidad casi constante, se prolongan dos tangentes

hasta que se interceptan.

En la intersección se traza el ángulo de bisección. La intersección de la línea de este

ángulo de bisección con la curva de sedimentación produce la estimación del tiempo c

para que los sólidos entren a la zona de compresión y la concentración en c es cc. fig

(5)

FIGURA Nº5 Determinación de la concentración critica

Page 7: FUNDAMENTO TEÓRICO

Durante la prueba, la masa de sólidos en la probeta es constante. Un balance de materiales para los sólidos da lugar a:

C0AZ0 =CCAZC=CUAZU

óC0Z0 =CCZC=CU ZU

Donde “u” denota a los valores del flujo inferior.

Así se obtiene la velocidad de sedimentación en c con la pendiente de la curva en c

V C=Z1−ZCθC

En general podemos decir según el teorema de Kynch

CL=Z0×C0Z i

V L=Zi−Z LθL

En donde podemos realizar la grafica Nº6 y con esto hallar la relación entre la velocidad y la concentración de los sólidos en un tiempo determinado

FIGURA Nº6 Velocidad de sedimentación vs Concentración

Page 8: FUNDAMENTO TEÓRICO

7.- SEDIMENTACIÓN EN DUCTOS INCLINADOS

Método de Nakamura y Kuroda.

Suponen que el incremento aparente de la velocidad de sedimentación se debe al descenso

de las partículas sólidas a lo largo de la cara fig. 6; produciendo una gradiente de densidad a

través de la distancia que separa las caras convección que transporta más rápidamente a las

partículas al fondo del sedimentador.

FIGURA N° 6: Diagrama del modelo teórico de NAKAMURA y KURODA.Sedimentación en Sedimentadores inclinados

La porción del líquido clarificada se suma a la que se produce por razón de la sedimentación de

las partículas sólidas debajo de la interface horizontal entre el líquido y el aire. Nakamura y

Kuroda proponen una ecuación que permite calcular la altura de la interfase en

sedimentadores inclinados de sección transversal rectangulares tal como sigue:

H = [H 0+B×C×sec β ]× [1+e−VB×sin β ] …. (1)

Donde:

Ho: la altura de la interface al tiempo t.

B: la distancia perpendicular entre las caras inclinadas. Θ es el ángulo que forma el sedimentador con la vertical.

Page 9: FUNDAMENTO TEÓRICO

Diferenciando la ecuación (1) y con t = 0 se obtiene una expresión para la velocidad aparente

de descenso de la interface en un sedimentado de sección transversal rectangular, obteniendo

finalmente:

−dHdt

=V si=V sV × [1+(H 0

B )×sin B] … (2)

Esta última ecuación puede escribirse en función del ángulo con la horizontal de la siguiente

manera:

V si=V sV × [1+(H 0

B )×cos β] … (3)

Método de Graham – Lama.

Posteriormente proponen una relación semi-empírica basada en la ecuación de Nakamura –

Kuroda, ya que observaron que la velocidades de sedimentación aparentes obtenidas a partir

de los datos experimentales eran menores que los calculados mediante las ecuaciones de

estos últimos. Graham y Lama suponen que existe una diferencia de concentración de sólidos

entre las caras superior e inferior del sedimentador, esta variación afectaría la velocidad de

descenso de los sólidos, proponiendo la siguiente ecuación:

V si=F0×V sV × [1+( H 0

B )×cos β] … (4)

Donde el factor Fo es un factor dependiente de la concentración de sólidos en la suspensión e

independiente con el ángulo de inclinación entre un rango de 30° y 70°. Este factor será

evaluado de la pendiente de la porción recta del gráfico Ln(B + Ho x cos) / (B + H x cos) vs.

el tiempo de sedimentación. Según Graham y Lama la diferencia entre los valores de las

velocidades aparentes, obtenidos de datos experimentales y calculados por la ecuación de

Nakamura – Kuroda, se debe a las perturbaciones que se originan cuando el líquido clarificado

se desplaza a lo largo de la cara inclinada del sedimentador.

Page 10: FUNDAMENTO TEÓRICO

Método De Lama – Condorhuamán

Estudio realizado para suspensiones acuosas de Carbonato de Calcio, Sulfato de Bario y Oxido

de Plomo en sedimentadores de sección circular y rectangular. El ángulo de inclinación con

respecto la horizontal fluctúa entre 35° y 75° para suspensiones que varían entre 39.4 y 1070

g/L.

V si=V sV × [1+K×( H 0

B )×cos β] … (5)

Donde el parámetro K es una constante adimensional obtenida experimentalmente para cada

una de las suspensiones.

Constante Carbonato de Calcio Sulfato de Bario Oxido de Plomo

0.53 0.40 0.56

0.01 0.01 0.04

Donde es el intervalo de confianza del 95% de nivel de significancia.

En la práctica se trabaja con un valor promedio hallado mediante una regresión; el valor del K utilizado es de 0.532.