info de sedimentaciooon

1. VITAE, REVISTA DE LA FACULTAD DE QUIMICA FARMACÉUTICA VITAE ISSN 0121-4004 / ISSNe 2145-2660. Año 2014 Universidad de Antioquia, Medellín, Colombia.

ANÁLISIS DE LA OPERACIÓN DE SEDIMENTACION DE LA HARINA DE TRIGO

ANALYSIS OF THE OPERATION OF SEDIMENTATION OF WHEAT FLOUR

Miguel ARROYO1, Julio ALMARIO2, María ALVAREZ3, Johanis CANCHILA4, Yessica CARRASCAL5

, Karina DE HOYOS6

, Jhon TORRES7

RESUMEN

Antecedentes: Muchos métodos de separación mecánica se basan en la sedimentación de las partículas sólidas o gotas de líquido a través de un fluido, impulsadas por la fuerza de gravedad o por la fuerza centrífuga. Aquí solo se manejara lo relacionado con la sedimentación por la gravedad. El fluido puede ser un gas o un líquido; puede estar en movimiento o en reposo. Objetivos: En esta investigación se determinó de forma experimental la variación de la velocidad de sedimentación con la concentración de sólidos, en este caso se contó con suspensiones de harina de trigo en agua a unas concentraciones determinadas. Método: Se preparó una mezcla de harina de trigo a una concentración de 21%, se depositó la concentración en una probeta y se completó con agua hasta una medida de 1000 ml, la probeta se colocó en un plano horizontal, sin vibraciones y se midió las diferentes alturas de la interface a diferentes tiempos de sedimentación. Así mismo diferentes grupos de estudiantes realizaron el mismo experimento pero a diferentes concentraciones de 15, 17,19 y 23%. Resultados: Estos nos muestran que a mayor concentración de harina de trigo en la suspensión mayor será el tiempo en sedimentar el material solido en el fondo del recipiente que lo contenga, además la velocidad máxima disminuirá a medida que aumenta la concentración, esto se debe entonces a que entre mayor número de partículas interaccionen entre sí, menor será la velocidad de sedimentación de estas puesto a que impiden su caída libre. Conclusiones: La velocidad depende de las concentraciones de solidos que se encuentren inmersos en el fluido, diferenciándose dos velocidades características, velocidades máximas y velocidades criticas dándose en un tiempo máximo y mínimo de sedimentación respectivamente.

Palabras claves: Sedimentación, fuerzas de gravedad, variación de la velocidad de sedimentación

1 Estudiantes del programa de ingeniería agroindustrial. Departamento de Ingeniería Agroindustrial. Facultad de ingeniería. Universidad de Sucre. Sincelejo, Sucre, Colombia.

*Autor a quien se debe dirigir la correspondencia: [email protected]

2 VITAE

ABSTRACT

Background: Many methods of mechanical separation is based on the sedimentation of the solid particles or liquid droplets through a fluid, driven by gravity or by centrifugal force. Here only handle matters related to sedimentation by gravity. The fluid may be a gas or a liquid; can be in motion or at rest. Objectives: This research experimentally determined variation of sedimentation rate with solids concentration; in this case it had wheat flour suspensions in water at a given concentration. Method: A mixture of wheat flour was prepared at a concentration of 21% concentration was placed in a test tube and made up with water to an extent of 1000 ml , the specimen was placed on a horizontal plane, vibration was measured different heights of the interface at different settling times. Results: These show that the higher the concentration of wheat flour in most suspension will be the time to settle the solid material at the bottom of the vessel containing it, plus the maximum speed will decrease as the concentration increases, this should then to the greater number of particles interact with each lower sedimentation rate of these made that prevent free fall. Conclusions: The rate depends on the concentrations of solids that are immersed in the fluid, differentiating features two speeds, top speeds and critical speeds occurring at a maximum and minimum settling time respectively.

Keywords: Sedimentation, gravity forces, variation in sedimentation rate.

INTRODUCCION

A nivel industrial existen operaciones, que de una u otra forma ayudan a separar ya sea por acción mecánica o por acción de la gravedad unos compuestos de otros para ser utilizados posteriormente, entre estas operaciones unitarias encontramos la sedimentación, la cual consiste en separar, por efecto gravitacional, un sólido finamente dividido del líquido en el que está suspendido. Como resultado de este proceso se obtiene un líquido claro (excepto o con muy bajo contenido en sólidos) y una pasta más o menos espesa con un elevado contenido en sólidos. A menudo se utiliza para designar a la sedimentación los términos de: clarificación, cuando hay un especial interés en el fluido clarificado y

espesamiento, cuando el interés está en la suspensión concentrada. Entre las aplicaciones de la sedimentación se incluye la eliminación de sólidos de aguas negras, la sedimentación de cristales del licor madre, la separación de mezclas líquido-líquido provenientes de la etapa de extracción con disolvente de un sedimentador, la sedimentación de partículas alimenticias sólidas de un líquido preparado y la sedimentación de una suspensión en el proceso de lixiviación de la soya. 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 (1).

MARCO TEORICO

3 ANÁLISIS DE LA OPERACIÓN DE SEDIMENTACION DE LA HARINA DE TRIGO

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.

La sedimentación es, en esencia, un fenómeno netamente físico y constituye uno de los procesos utilizados en el tratamiento del agua para conseguir su clarificación. Está relacionada exclusivamente con las propiedades de caída de las partículas en el agua. Cuando se produce sedimentación de una suspensión de partículas, el resultado final será siempre un fluido clarificado y una suspensión más concentrada.

El tiempo de sedimentación natural de una partícula contenida en una suspensión depende de su densidad y de su tamaño, siendo, por tanto la variable en función de estas características. Según se indica, se obtiene al final una fase líquida clarificada sobrenadante y un lodo que concentra los sólidos en suspensión en el fondo del recipiente.

Las partículas presentes la suspensión están sometidas a la fuerza de la gravedad que hace que tiendan a bajar, y las fuerzas de rozamiento debido a la trayectoria de la partícula a través del fluido, que se oponen al desplazamiento provocado por la gravedad.

Las partículas al sedimentar influyen sobre las que están próximas y a partir de

cierta concentración pueden sedimentar en masa (la velocidad de caída es función

de la concentración).En la parte superior de un decantador o sedimentador, todas las partículas sedimentan a la misma velocidad. Al acercarse al fondo aumenta la concentración, y su velocidad de sedimentación disminuye.

Se pueden distinguir dos tipos de sedimentación, atendiendo al movimiento de las partículas que sedimentan:

Sedimentación libre: se produce cuando la suspensión es muy diluida y la relación entre el diámetro de la partícula y el diámetro del recipiente es muy pequeña. Consecuentemente las partículas sedimentan libremente sin que existan choques entre ellas.

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. Fig. 1

4 VITAE

Dependiendo además de cómo se realice la operación, la sedimentación puede clasificarse en los siguientes tipos:

Sedimentación intermitente: Este tipo de sedimentación es la que tiene lugar en una probeta de laboratorio, donde la suspensión se deja reposar. Donde, el flujo volumétrico total de materia fuera del sistema es nulo, transcurre en régimen no estacionario. Fig. 2

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. (2) Fig. 3

METODOLOGIA

MATERIALES:

Harina de trigo de marca comercial

Agua Probeta Cinta métrica de 100 cm Regla Cronometro

En la siguiente investigación se realizó el proceso de sedimentación a una suspensión de harina de trigo en agua a una concentración del 21%, se depositó la concentración en una probeta y se completó con agua hasta una medida de 1000 ml.

Luego se agito la probeta hasta conseguir homogenizar la suspensión, después se empezó a medir la altura de la inter fase 1 a diferentes tiempos de sedimentación. Fig. 4


Se siguió tomando medidas para un tiempo de 60 minutos; Los primeros 15 minutos se tomó la altura de la inter fase cada minuto, luego se hizo cada 2 minutos, cada 5 minutos y finalmente cada 30 minutos.

Las siguientes imágenes ilustraran el proceso de sedimentación que se estaba dando:

Fig. 5

Fig.6

Se estudiaron diferentes aspectos relacionados a la temática con el fin de observar la relación de la altura de interfaz de las fases al transcurrir el tiempo.

6 VITAE

Fig.7

Teniendo información suficiente, se puede decir que este estudio se llevó a cabo para la realización de un análisis en cuanto a la operación en sedimentación de acuerdo a la concentración de la mezcla utilizando harina de trigo; también se buscó la determinación de las variables que influyen sobre la operación de sedimentación

Además se midió la velocidad de sedimentación de una suspensión a una determinada concentración de sólidos.

Se Observó como es el comportamiento de la velocidad de sedimentación en relación con la concentración de una suspensión. Y por último se construyó la curva de sedimentación intermitente para una suspensión de partículas sólidas.

RESULTADOS

A la concentración de 21% de harina de trigo:

una sola repetición no alcanzo la harina

concentración del 21% = 210 g Volumen de agua = 1000 ml (H) altura = 32 cm cada 1 minuto

Cada 2 minutos

Cada 5 minutos

Cada 30 minutos

Tabla 1.

TIEMPO (MIN) ALTURA (CM)0 321 31,62 31,53 31,44 31,45 31,36 31,27 318 309 30,8

10 30,611 30,512 30,413 30,414 30,215 29,917 29,819 29,8


21 29,623 29,5525 29,430 2935 28,240 27,745 2750 26,555 25,9

60 25,465 24,870 24,5

250 17,5280 16,6310 16,3340 16400 15,7430 15,1

Luego de obtener dichos datos se procede a graficar altura de la interfase vs tiempo.

Grafica 1. Altura de la interfase vs Tiempo de sedimentacion.

8 VITAE

Grafica 2. Sedimentación de los primeros 15 minutos

0 2 4 6 8 10 12 14 1628.5

29

29.5

30

30.5

31

31.5

32

32.5

f(x) = − 0.120441176470588 x + 31.8470588235294R² = 0.978705926125877

Tiempo vs Altura

Series2Linear (Series2)

Tiempo (min)

Alt

ura

(C

m)

sedimentacion

Teniendo en cuenta la gráfica anterior y la ecuación obtenida de la pendiente: Y=mx+b

Y= -0,1204x + 31,847, tengo que,

Realizando las respectivas conversiones al sistema internacional:

m=VS = 0.1204

cmmin

∗1m

100 cm∗1min

60 seg=0.00002007

mseg

VS = 0.00002007m

seg(velocidad de sedimentación)

A una concentración inicial Xi =21% (% de concentración de harina de trigo utilizado), se utilizaron 210gr de harina de trigo para la investigación, entonces:

Xi = 210 gr

1000 ml*

1 kg−sol1000 gr

*1∗106 cm3

1m3 ∗1ml

1 cm3

= 210 kgsol

m3

Xi = 210 kgsol

m3

Ahora para hallar GU (flujo de solidos que sale al exterior) tengo que:

GU= Xi* VS


GU= 210kgsol

m3∗0.00002007

mseg

GU= 4.2147*10−3 kgsol

m2 s

Para la determinación del M (flujo másico) tengo:

M = Q0∗X i

M= 0.00833m3

seg∗¿ 210

kgsol

m3

M = 1.7493 kgsolseg

De igual manera se plasmaron las demás concentraciones a 15, 17,19 y 23% de harina de trigo realizadas por los compañeros de clase:


Grafica 3. Altura de la interfase vs Tiempo de sedimentacion

10 VITAE

A partir de la ecuación de la pendiente para la pendiente de la velocidad de clarificación:

Y :−0,3261 X+33,139

Donde la pendiente: velocidad de sedimentación: 0,3261 Cm/min

Por otra parte determinamos la velocidad teniendo en cuenta que:

V S=∆ H∆ t

=33 cm−18,7 cm44 min

V S=∆ H∆ t

=0,325 cm /min

Pasamos la velocidad a unidades del sistema internacional.

V S=∆ H∆ t

=0,325

cmmin

∗1m

100cm∗1min

60 seg=5,417∗10−5

X i=

150 gr1000 ml

∗1 Kg

1000 gr∗1ml

1cm3 ∗1∗106 cm3

1 m3 =150Kgm3

Hallamos G


Gu=X iV u

Gu=150Kg desólido

m3∗5,417∗10−5 m

seg

Gu=8,125∗10−3 Kg desólido

m2 seg



0 50 100 150 200 250 300 350 4000

5

10

15

20

25

30

35

altura promedio (cm)

TIEMPO (MIN)

AL

TU

RA

(C

M)

La grafica nos arrojo la ecuacion lineal, de donde obtenemos a m (pendiente) asi:

y=mX+b

y = -0,2881x + 32,604

m=0,2881 que corresponde a la velocidad de sedimentación (Vc)

luego Gu=X iV u

de donde

X i=

170 gr1000 ml

∗1 Kg

1000 gr∗1ml

1cm3 ∗1∗106 cm3

1 m3 =170Kgm3

12 VITAE

V S=0,2881

cmmin

∗1 m

100 cm∗1min

60 seg=4,8016∗10−5 m

seg

Finalmente

Gu=X iV u

Gu=170Kg

m3∗4,8016∗10−5 m

seg = 8,1628¿10−3kg/m2 *s



0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 5000

5

10

15

20

25

30

35

ALTURA REAL

TIEMPO (MIN)

La velocidad es de 0,1587 cm/min

V=0,1587

cmminu

∗1 m

100cm∗1minu

60 seg

V=0,00002645mseg


Donde la pendiente: velocidad de sedimentación: 0,1587 Cm/min


V S=∆ H∆ t

=33 cm−22,1 cm70 min

V S=∆ H∆ t

=0,1557 cm /min


V S=∆ H∆ t

=0,1587

cmmin

∗1m

100 cm∗1 min

60 seg=2,645∗10−5 m

seg

X i=

190 gr1000 ml

∗1 Kg

1000 gr∗1ml

1cm3 ∗1∗106 cm3

1 m3 =190Kgm3

Hallamos G

Gu=X iV u

Gu=190Kg desólido

m3∗2,645∗10−5 m

seg

Gu=5,0255∗10−3 Kg desólido

m2 seg

14 VITAE



0 50 100 150 200 250 300 350 400 4500

5

10

15

20

25

30

35

T vs h

Tíempo (min)

Altu

ra (c

m)

La concentración es 23%

Ecuación de la pendiente para la pendiente de la velocidad de clarificación:

Y :−0,1184 x+32,726

Donde la pendiente: velocidad de sedimentación: 0,1184Cm/min


V S=∆ H∆ t

=33 cm−22 cm96,3 min

V S=∆ H∆ t

=0,114227 cm /min



V S=∆ H∆ t

=0,114227

cmmin

∗1m

100 cm∗1 min

60 se g=1,9038∗10−5

X i=

230 gr1000 ml

∗1 Kg

1000 gr∗1ml

1cm3 ∗1∗106 cm3

1 m3 =230Kgm3

Hallamos G

Gu=X iV u

Gu=230Kg de sólido

m3∗1,9038∗10−5 m

seg

Gu=4,37874∗10−3 Kg de sólido

m2 seg

Los datos obtenidos de este experimento y por parte de los compañeros en cuanto a la velocidad de sedimentación VS y Gu se resumen y se muestran en la siguiente tabla de datos:

Tabla 2.

Concentraciones (%) VS (m/s) GU (kg sol/m2s)15 5,417∗10−5 8,125∗10−3

17 4,8016∗10−5 8,1628¿10−3

19 2,68¿10−5 5,092¿10−3

21 2,007¿10−5 4.2147*10−3

23 1,9038∗10−5 4,37874∗10−3

Teniendo en cuenta los anteriores datos se procedió a realizar el procedimiento grafico para determinar Gt:

Grafica 7. Determinación de Gt

16 VITAE

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.90

0.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.009

concentraciones

Gu


ANALISIS DE RESULTADOS

Una vez aplicado el debido desarrollo de la experiencia descrita anteriormente, se puede observar que los resultados obtenidos fueron los esperados, puesto que se determinó que a mayor concentración de sólidos (harina de trigo), mayor fue el tiempo en que se demoró la parte solida de la suspensión en depositarse en el fondo. Es decir que la variación de la velocidad de sedimentación VS depende mucho de la concentración con que se esté trabajando, pues a concentraciones mayores esta velocidad es muy baja. Así mismo se observaron las diferentes zonas del proceso de sedimentación como son: líquido clarificado, zona interfacial, zona de transición y zona de compactación.

Por otra parte, estos fenómenos en particular se dan a que, este tipo de sedimentación se clasifica en sedimentación intermitente, este tipo de sedimentación es la que tiene lugar en una probeta de laboratorio, donde la suspensión se dejó reposar, siendo el factor más importante el movimiento de las partículas que sedimentan pudiendo distinguirse dos tipos de sedimentación que en esta experiencia se notaron muy bien; una sedimentación libre en la concentración del 15% de harina de trigo, que precipitó a mayor velocidad, por lo que sedimentan a velocidad de caída libre por la baja interacción entre las partículas y porque unas no impiden la caída de otras.

También se explica que en la sedimentación de suspensiones concentradas, las interacciones entre las partículas son importantes, alcanzándose velocidades de sedimentación menores que en la sedimentación libre como fue el caso de la concentración al 23 % de harina de trigo. Lo que explica que la sedimentación se encuentre retardada o impedida y caracterizada por diferente concentración de sólidos y, por lo tanto, diferente velocidad de sedimentación.

CONCLUSIÓN

Para finalizar se puede decir que 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.

La sedimentación es, en esencia, un fenómeno netamente físico y constituye uno de los procesos utilizados en el tratamiento del agua para conseguir su clarificación. Está relacionada exclusivamente con las propiedades de caída de las partículas en el agua.

El tiempo de sedimentación natural de una partícula contenida en una suspensión dependerá de su densidad y de su tamaño, siendo, por tanto la variable en función de estas características. Según se indicó, se obtendrá al final una fase líquida clarificada sobrenadante y un lodo que

18 VITAE

concentra los sólidos en suspensión en el fondo del recipiente.

De análisis respectivos se deduce que la velocidad depende de la concentración de sólidos y el tiempo. Estableciendo así que a mayor concentración de sólidos, mayor será el tiempo en que se sedimenten los sólidos debido a que existe mayor interacción entre las partículas del solido influyendo en la variación de la velocidad.

REFERENCIAS Christie. J, Geankoplis. Procesos de

transporte y operaciones unitarias. Cuarta edición. Compañía editorial continental, S.A. de C.V. México. 1998.

Warren, McCabe, Julian, Harriot. Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. Cuarta Edición. Editorial Mc Graw Hill. 1991.

scribd.com/doc/53305839/Informe-de-Sedimentacion-1

Warren L. Mc Cabe. Operaciones unitarias en ingeniería química. Sexta edición. Mc GRAW-HILL/ INTERAMERICANA EDITORES, S.A de C.V. 2002.

Ramalho, R.S. Tratamiento de aguas residuales. Ed. Reverté, S.A.

info de sedimentaciooon

Documents