practik 3-sedimentacion

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ingeniería agroindustrial

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN MARTINFACULTAD DE INGENIERIA AGROINDUSTRIALINGENIERIA AGROINDUSTRIAL II

INFORME DE PRCTICA N 02SEDIMENTACION

DOCENTE :Ing. Dr. OSCAR W. MENDIETA TABOADA

FECHA DE PRESENTACION:17- 07-2013

tarapoto Per2013

INTRODUCCION:La biomasa generada en el tratamiento secundario constituye una carga orgnica significativa que es necesario remover para que el efluente pueda ajustarse a las normas. En estanques y lagunas la remocin se logra por sedimentacin en el mismo reactor. En los sistemas de lodos activados y de cultivo adherido los slidos se remueven en sedimentadores secundarios. El sedimentador secundario es importante debido a la carga grande de slidos y a la naturaleza esponjosa del floculo biolgico de los lodos activados.La sedimentacin es el proceso por el cual el sedimento en movimiento se deposita. Un tipo comn de sedimentacin ocurre cuando el material slido, transportado por una corriente de agua, se deposita en el fondo de un ro, embalse, canal artificial, o dispositivo construido especialmente para tal fin. Toda corriente de agua, caracterizada por su caudal, tirante de agua, velocidad y forma de la seccin tiene una capacidad de transportar material slido en suspensin y otras molculas en disolucin. El cambio de alguna de estas caractersticas de la corriente puede hacer que el material transportado se deposite o precipite; o el material existente en el fondo o mrgenes del cauce sea erosionado.Puesto que la mayor parte de los procesos de sedimentacin se producen bajo la accin de la gravedad, las reas elevadas de la litosfera terrestre tienden a ser sujetas prevalentemente a fenmenos erosivos, mientras que las zonas deprimidas estn sujetas prevalentemente a la sedimentacin. Las depresiones de la litosfera en la que se acumulan sedimentos, son llamadas cuencas sedimentarias.

OBJETIVO:Familiarizar al estudiante con la operacin de sedimentacin.Obtener experimentalmente el dimetro promedio de un material que se encuentra en estado pulverulento.

REVISION DE LITERATURA:SEDIMENTACIN:La sedimentacin es una operacin unitaria consistente en la separacin por la accin de la gravedad de las fases slida y lquida de una suspensin diluida para obtener una suspensin concentrada y un lquido claro. Se pueden distinguir dos tipos de sedimentacin, atendiendo al movimiento de las partculas que sedimentan: - Sedimentacin libre: se produce en suspensiones de baja concentracin de slidos. La interaccin entre partculas puede considerarse despreciable, por lo que sedimentan a su velocidad de cada libre en el fluido. - Sedimentacin por zonas: se observa en la sedimentacin de suspensiones concentradas. Las interacciones entre las partculas son importantes, alcanzndose velocidades de sedimentacin menores que en la sedimentacin libre. La sedimentacin se encuentra retardada o impedida. Dentro del sedimentador se desarrollan varias zonas, caracterizadas por diferente concentracin de slidos y, por lo tanto, diferente velocidad de sedimentacin. Dependiendo de cmo se realice la operacin, la sedimentacin puede clasificarse en los siguientes tipos: - Sedimentacin intermitente: el flujo volumtrico total de materia fuera del sistema es nulo, transcurre en rgimen no estacionario. Este tipo de sedimentacin es la que tiene lugar en una probeta de laboratorio, donde la suspensin se deja reposar. - Sedimentacin continua: la suspensin diluida se alimenta continuamente y se separa en un lquido claro y una segunda suspensin de mayor concentracin. Transcurre en rgimen estacionario.

2.2. SEDIMENTACIN POR ZONAS En la figura 1 se representa el proceso de sedimentacin por zonas en una probeta. Este proceso consta de las siguientes etapas: en un principio el slido, que se encuentra con una concentracin inicial x0 (figura 1a), comienza a sedimentar (figura 1b), establecindose una interfase 1 entre la superficie de la capa de slidos que sedimentan y el lquido clarificado que queda en la parte superior (zona A). La zona por debajo del lquido clarificado se denomina zona interfacial (zona B). La concentracin de slidos en esta zona es uniforme, sedimentando toda ella como una misma capa de materia a velocidad constante Vs. Esta velocidad de sedimentacin puede calcularse a partir de la pendiente de la representacin de la altura de la interfase 1 frente al tiempo, tal y como se muestra en la figura 2. Simultneamente a la formacin de la interfase 1 y de la zona interfacial, se produce una acumulacin y compactacin de los slidos en suspensin en el fondo de la probeta, dando lugar a la denominada zona de compactacin (zona D). En esta zona la concentracin de slidos en suspensin es tambin uniforme y la interfase que bordea esta zona, interfase 2, avanza en sentido ascendente en el cilindro con una velocidad constante V.

Figura 1. Proceso de sedimentacin por zonas. Entre la zona interfacial y la zona de compactacin se encuentra la zona de transicin (zona C). En esta zona la velocidad de sedimentacin de los slidos disminuye debido al incremento de la viscosidad y de la densidad de la suspensin, cambiando la concentracin de slido gradualmente entre la correspondiente a la zona interfacial y la de la zona de compactacin. Las zonas de compactacin e interfacial pueden llegar a encontrarse, producindose la coalescencia de las dos interfases anteriormente citadas, en el denominado momento crtico tc, desapareciendo la zona de transicin (figura 1c). En este momento el slido sedimentado tiene una concentracin uniforme Xc o concentracin crtica, comenzando la compactacin y alcanzndose, posteriormente, la concentracin final Xu (figura 1d). La velocidad de sedimentacin en el momento tc corresponde a un valor Vc dado por la pendiente de la tangente a la curva de sedimentacin en el punto C, tal y como se indica en la figura 2 donde Vc< Vs.

Figura 2. Representacin grfica de la altura frente al tiempo. 2.3. SEDIMENTADOR CONTINUO El diseo de un sedimentador continuo puede realizarse a partir de los datos obtenidos en experimentos discontinuos. La sedimentacin continua se realiza industrialmente en tanques cilndricos a los que se alimenta constantemente la suspensin inicial con un caudal inicial Q0 y una concentracin inicial C0 (figura 3). Por la parte inferior se extrae un lodo con un caudal Qu y una concentracin Cu, normalmente con ayuda de rastrillos giratorios, y por la parte superior del sedimentador continuo se obtiene un lquido claro que sobrenada las zonas de clarificacin (A), sedimentacin (B-C) y compresin (D) que pueden distinguirse en la figura 3. En un sedimentador continuo, estas tres zonas permanecen estacionarias.

Figura 3. Sedimentador continuo. El procedimiento a seguir para disear sedimentadores que operen en condiciones de sedimentacin por zonas es el siguiente: 1. Calcular el rea de la superficie mnima que se requiere para conseguir la clarificacin del slido. 2. Calcular el rea de la superficie mnima que se requiere para conseguir el espesamiento del slido y alcanzar la concentracin deseada. 3. Seleccionar la mayor de estas dos reas como rea de diseo para el sedimentador.

2.4. DETERMINACIN DEL REA MNIMA REQUERIDA PARA CONSEGUIR LA CLARIFICACIN.

El rea mnima requerida Ac para la clarificacin depende de la velocidad Vs para la que las partculas en suspensin sedimentan antes de alcanzar la concentracin crtica interfacial Xc. En condiciones de caudal constante, la velocidad del clarificado que rebosa por la parte superior del sedimentador, o vertedero, no debe exceder de Vs si se desea evitar el arrastre de las partculas y la clarificacin. Por lo tanto, el rea mnima requerida para la clarificacin Ac puede calcularse a partir de la expresin: Ac = Qe / Vs [1] en la que Qe es el caudal (m3/s), Vs es la velocidad de sedimentacin por zonas (m/s) y Ac el rea mnima requerida para la clarificacin (m2). El valor de la velocidad en la zona de sedimentacin libre, Vs, puede calcularse a partir de la pendiente de la tangente de dicha zona de las curvas de sedimentacin, tal y como se muestra en la figura 2. El valor de t se puede leer directamente de la abcisa en el punto B. Vs en la ecuacin (1) corresponde a la velocidad a la cual las partculas en suspensin sedimentan antes de alcanzar la concentracin crtica Xc y viene dada por la pendiente de la tangente AB de la curva correspondiente a la concentracin inicial X0: Vs = 0A / 0B = H0 / t (m/s) [2] 2.5. DETERMINACIN DEL REA MNIMA REQUERIDA PARA EL ESPESAMIENTO DEL SLIDO. SEDIMENTACIN 7 El hecho de que el rea de la seccin del sedimentador pueda calcularse para asegurar la clarificacin de la suspensin no significa que se alcance la concentracin deseada de slido en la disolucin de salida, Xu. Generalmente el rea de la seccin requerida para el espesamiento suele ser mayor que la requerida para la clarificacin. El procedimiento desarrollado por Yoshioka y Dick para la determinacin de la seccin mnima requerida para el espesamiento se basa en las siguientes consideraciones: En primer lugar ha de considerarse que los ensayos de sedimentacin llevados a cabo en el laboratorio no corresponden a un funcionamiento en continuo (figura 3). La capacidad del sedimentador discontinuo para arrastrar los slidos a su parte inferior, con una concentracin Xi, en funcionamiento discontinuo, viene dada por: GB = Xi Vi [3] en la que: GB = caudal de slido (kg/m2 s) Xi = concentracin de slido en disolucin (kg/m3 ) Vi = velocidad de sedimentacin en la zona para una concentracin Xi (m/s). A partir de la ecuacin [3] puede obtenerse la curva de flujo discontinuo: en la figura 4 se representa una curva tpica G en funcin de X. Esta curva presenta un punto mximo debido a que la velocidad de sedimentacin disminuye segn se incrementa la concentracin de la suspensin.

Figura 4. Procedimiento grfico para determinar GT. A concentraciones muy elevadas, cuando la suspensin se aproxima a una posicin de equilibrio, Vi 0 y, por lo tanto, segn la ecuacin [3], GB 0. Por otro lado, a concentraciones muy bajas, cuando Xi 0, la ecuacin [3] indica que GB tambin se aproxima a 0. Esto sugiere que se debe alcanzar un mximo para GB en alguna concentracin intermedia Xi, lo que explica la forma de la curva de flujo discontinuo. Consideremos ahora la sedimentacin que realmente se produce en un sedimentador continuo. Los slidos se transportan hacia la parte inferior tanto por gravedad como por el movimiento que resulta por la separacin del slido en el fondo del sedimentador. La ecuacin de flujo total ser la siguiente: GT = GB + Gu [4] en la que: GT = flujo total de slidos (kg slidos / m2 s). Gu GB GT xi AB Curva de flujo discontinuo Vi Vu xu P X (kg/m3) G (kg/m2s) SEDIMENTACIN 9 GB = flujo de slidos en funcionamiento discontnuo (kg slidos / m2 s). Gu = flujo de slidos que sale al exterior (kg slidos / m2 s). El trmino Gu puede escribirse tambin: Gu = Xi Vu [5] donde Vu es la velocidad del slido debida a la extraccin que se hace por la parte inferior (m/s). El flujo total GT puede hacerse variar por el diseador controlando Vu ya que est determinado por el caudal de bombeo de extraccin. Sustituyendo en la ecuacin [4] los valores de GB y Gu dados por las ecuaciones [3] y [5] se obtiene: GT = XiVi + XiVu [6] Si pudiera obtenerse un valor GT tal que se obtuviese el valor deseado de Xu, es decir, de la concentracin de slido de la disolucin de salida del sedimentador, la mnima seccin At del sedimentador en continuo requerida para el espesamiento del slido podra obtenerse rpidamente a partir de: 22//msmslidoskgsslidoskgGMATt=== [7] en la que M = Q0 X0, siendo Q0 el caudal del influente y X0 la concentracin de slidos en esta corriente. Para obtener el valor de GT a partir de la curva de flujo discontinuo de la figura 4, se seala en el eje de abcisas el valor Xu o concentracin deseada de slidos en la disolucin a extraer, especificada por el diseador. Desde Xu se traza una tangente a la curva de flujo discontinuo tal y como se indica en la figura. P es el punto de tangencia. La interseccin de esta tangente con el eje de ordenadas nos permite establecer la distancia OB, que corresponde al SEDIMENTACIN 10 caudal de slidos lmite (GT) que puede permitirse para obtener la concentracin de la disolucin de salida Xu. Esto puede concluirse considerando los pasos que se indican a continuacin: Paso 1. Considerar el punto de tangencia T, correspondiente a la abcisa Xi. La ordenada del punto de tangencia (distancia 0A) es igual a GB. Si se traza una lnea recta que una el origen 0 con el punto de tangencia T, la pendiente de esta lnea es igual a Vi puesto que: 0A = 0Xi tg GB = Xi tg [8] Teniendo en cuenta la ecuacin [3]: GB = Xi Vi resulta que Vi = tg . Paso 2. De la figura 4 se puede deducir que: B=Xu tg [9] Considerando ahora la velocidad de salida de slido Vu: Vu = Qu / At [10] Multiplicando simultneamente numerador y denominador de la ecuacin anterior por Xu se transforma en la siguiente: Vu = Qu Xu / At Xu [11] Por otra parte, el balance de materia para slidos en suspensin en el clarificador nos permite obtener la siguiente expresin: Q0 X0 = M = Qu Xu + Qe Xe [12]SEDIMENTACIN 11 Teniendo en cuenta que para un sedimentador bien diseado la prdida de slidos con el lquido que rebosa o lquido clarificado (Qe Xe) debe ser despreciable, una forma aproximada del balance de materia podra ser: Q0 X0 = M Qu Xu [13] Utilizando la ecuacin [13], la ecuacin [11] nos permite escribir: Vu Q0 X0 / At Xu = M / AtXu [14] A partir de la ecuacin [7] se puede obtener: M=At Gt [15] Sustituyendo este valor en el numerador de la ecuacin [14] y simplificando: Vu = GT / Xu [16] de donde: GT = Xu Vu [17] Comparando las ecuaciones [9] y [17] se puede deducir que la pendiente de la lnea uBXde la figura 3 es igual a la velocidad de salida de slido Vu y que la interseccin en el punto B da un valor igual al flujo total lmite GT. Teniendo en cuenta que, a partir de la ecuacin [4] GT = GB + Gu, se deduce que la distancia vertical AB en la figura 3 debe ser igual al valor Gu del caudal o flujo de los slidos extrados. Por lo tanto, el procedimiento grfico para determinar la seccin mnima At que se requiere para el espesamiento, debe ser el siguiente: - Construir la curva de flujo de circulacin de slidos en discontinuo a partir de la ecuacin [3] utilizando el valor de Vi obtenido a partir de los ensayos de laboratorio en discontinuo para diferentes concentraciones de slidos Xi. SEDIMENTACIN 12

- A partir del valor especfico de la concentracin del slido extrado Xu, en la abcisa, trazar una tangente a la curva de circulacin de slidos. La interseccin de esta tangente con el eje de ordenadas nos dar el flujo total de slidos GT. - Calcular tanto el rea mnima requerida para la clarificacin Ac as como el rea mnima requerida para el espesamiento At. Se seleccionar la mayor de las dos como rea en la que se basar el diseo del sedimentado.

III. MATERIALES Y MTODOS3.1.- Materiales:BalanzaCronometroProbetas graduadasVasos de precipitados x 1 litroAgua destiladaSuspensiones de carbonato de calcio(6%)Regla graduada

3.2.- Mtodos:Colocar la suspensin en la probeta y agitar. controlar el tiempo y rastrear la lnea de separacin entre el lquido claro y el lodo.IV.- RESULTADOS Y DISCUSIONES:4.1.- RESULTADOS:

Fraccin sedimentada = z0 zt /z0 z&

T (min)Z (mil)Fraccin sedimentada

11.30221.05

1732.51,0837

2241.51.116

2850.51.1519

3459.51.1946

4068.51.25

4777.51.32

5386.51.43

01.01 horas 95.51.585

01.07104.51.915

01.14113.52.717

01.19122.52.97

VELOCIDAD DE SEDIMENTACIN vs. FRACCIN SEDIMENTADA

4.2.- DISCUSIONES: Se representar la altura del slido frente al tiempo en cada momento. Esta curva deber trazarse con trazo fino y de forma precisa ya que de su correcta construccin dependen en gran medida las desviaciones y falta de exactitud de los clculos posteriores. La obtencin de las pendientes deber hacerse con la mxima precisin posible, nica forma de evitar la dispersin de puntos en las posteriores representaciones grficas.V.CONCLUSIONES Y RECOMENDCIONES:5.1.- CONCLUSIONES: En la prctica realizada concluye que la sedimentacin es la separacin de un suspensin todo esto se da por la accin de gravedad

5.2. RECOMENDACIONESSe recomienda Se debe homogenizar bien la mezcla y se debe dejar sedimentar sin ningn tipo de movimiento

VIII. BIBLIOGRAFIA.Ramalho, R.S. Tratamiento de aguas residuales. Ed. Revert, S.A.EDITORIAL OCANO, Enciclopedia de la ciencia y de la tcnica TOMO VIII, publicaciones reunidas Barcelona, Espaa 1982

IX.-ANEXOS

IX. BIBLIOGRAFIA.Ramalho, R.S. Tratamiento de aguas residuales. Ed. Revert, S.A.EDITORIAL OCANO, Enciclopedia de la ciencia y de la tcnica TOMO VIII, publicaciones reunidas Barcelona, Espaa 1982

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