OPERACIONES UNITARIAS 1

 

A la vista de estas consideraciones se puede entender lo que se ha comentado de un experimento discontinuo de sedimentación. La Figura 3 muestra de forma más detallada la evolución de la altura de las interfases A-B y C-D en un experimento de sedimentación discontinua en una probeta graduada. Puede observarse como, al comienzo del experimento, la disminución de la altura de la interfase A-B es lineal, indicando que la velocidad de sedimentación es constante, lo cual es esperable ya que concentración (o fracción volumétrica) de sólidos es constante en la zona B. La velocidad de concentración en esta fase viene dada por la ecuación:

 

donde us es la velocidad de sedimentación de los sólidos en la suspensión, uso la velocidad de caída de un sólido aislado (que puede obtenerse por la ley de Stokes o Stokes modificada en función del Reynolds), n toma el valor 4.65 según Richarson-Zaki, y eso y Cso son la fracción volumétrica de sólidos y la concentración de sólidos de la suspensión en el instante inicial, respectivamente, y por tanto, conocidos. Llega un momento, en que la variación de la altura de la zona clara con el tiempo se curva. Ello significa que la zona B ha desaparecido y la interfase con la zona A clara es la zona C, cuya concentración de sólidos es variable. Por la propia ecuación puede verse que, si la porosidad varía, variará la velocidad de sedimentación, y por tanto la representación altura-tiempo dejará de ser una recta al variar en cada instante la concentración. Pueden obtenerse las velocidades de sedimentación parciales a cada tiempo, mediante tangentes a la curva experimental. Con el tiempo, la pendiente de la altura de la zona clara va disminuyendo, hasta confluir en el punto crítico, punto de unión entre las interfases A-C y C-D, desapareciendo por tanto la zona C y la sedimentación libre.

 

El planteamiento descrito corresponde a la situación en que la interface suspensión-sedimento es visible. Ello solo ocurre en ciertos casos (suspensiones de carbonato cálcico en un líquido coloreado, algunas suspensiones de hidróxidos metálicos, etc) y a veces en ciertas condiciones (cuando hay un salto de concentración en el sedimento). Se puede recurrir a técnicas especiales (rayos X, sondas de conductividad eléctrica) para determinar concentraciones de sólidos y por tanto saltos o discontinuidades de concentración.

 

Para explicar cómo se desarrolla esta operación se recurrirá a describir un posible experimento de sedimentación discontinua efectuado en un cilindro de vidrio, a fin de poder observar a través de las paredes del recipiente los cambios que tienen lugar en el seno de la suspensión. La suspensión puede ser no floculenta o incompresible, cuando las partículas no forman flóculos (probablemente ocurrirá con tamaños de partícula grandes, superiores a 1 mm) o floculenta o compresible, cuando las partículas forman flóculos, con líquido en su interior.

 

La sig. Figura representa una probeta conteniendo una suspensión de concentración uniforme Co en el momento de iniciarse el experimento (tiempo t=0, Figura 1-(a)).

 

 

 

Al cabo de un cierto tiempo pueden observarse algunos cambios (Figura 1-(b)); en el fondo de la probeta se va formando un lodo concentrado (zona D), con sólidos en contacto continuo. Sobre esta zona puede aparecer una capa (C) de tamaño y concentración variable, donde los sólidos sedimentan sin contacto continuo, y otra (B) donde la concentración de sólidos es aproximadamente igual a la inicial de la suspensión. Finalmente, en la parte superior aparece una zona (A) de líquido claro, libre de sólidos. La separación entre las zonas A y B suele ser bastante nítida si el tamaño de las partículas que forman la suspensión es suficientemente uniforme. La separación entre las zonas C y D es menos definida y en algunos casos resulta difícil o imposible de apreciar, así como la separación B y C, cuya separación es siempre inapreciable. A medida que sigue transcurriendo el tiempo, el espesor de las capas varía como se indica en la Figura 1-(c). Finalmente llega un momento en que la zona B desaparece (Figura 1-(d)). A partir de ese instante, el espesor de la zona C va disminuyendo hasta alcanzar un valor límite (Figura 1-(e)). En las suspensiones no floculentas, la capa D no disminuye de espesor, una vez que ha desaparecido la capa C, y la concentración es la que le corresponde a un lecho fijo de partículas (porosidad en torno a 0.35). En las suspensiones floculentas, la capa D sigue descendiendo, por la compresión del sedimento al salir el líquido que formaba los anteriores flóculos. Si se coloca una tira de papel milimetrado a lo largo del cilindro donde se efectúa el experimento de sedimentación discontinua y, desde el momento inicial se va anotando la variación de la altura de las superficies de separación entre A y B y C y D, respectivamente, en función del tiempo transcurrido, se obtendría una representación parecida a la de la Figura 2.

 

 

 

 

El punto en que se confunden las dos interfases (A-B y C-D) se denomina punto crítico. Como puede observarse en la figura mencionada, a partir del punto crítico, la operación se reduce a una "compresión" lenta de la zona D. En esta zona el líquido pasa a través de los canales del lecho de sólidos hacia la zona de líquido claro. Se recuerda que se pueden diferenciar dos rangos de sedimentación de acuerdo con la concentración de sólidos:

a) A concentraciones bajas, hasta un valor crítico de concentración de sólidos (denominado concentración crítica), las partículas, agregados o flóculos descienden sin estar en contacto continuo. Este rango se denomina "rango de sedimentación impedida" o "de no-compresión". El adjetivo "impedida" se le añade para indicar el hecho de que las partículas o agregados se molestan unas a otras, disminuyendo la velocidad de sedimentación a medida que aumenta la concentración de sólidos (mayor impedimento). En este rango y tal como se presenta en los apartados siguientes, la velocidad de sedimentación de las partículas o agregados depende exclusivamente de la concentración de sólidos.

b) Si aumenta la concentración de sólidos, llega un momento en que las partículas o agregados están en contacto continuo.

1.- Si la suspensión estuviera formada por partículas sólidas macizas (sin huecos en su interior rellenos por fluido), una vez se alcanzase esta concentración crítica (a la cual las partículas están en contacto continuo), no se podría aumentar más la concentración de sólidos (se tratará de suspensiones incompresibles o no floculentas).

2.- Por el contrario, si la suspensión está formada por agregados de partículas o flóculos, (que contienen líquido en su seno), al llegar a estar en contacto continuo se produce el fenómeno de sedimentación por "compresión". Tienen lugar, por tanto, los fenómenos:

·         Por una parte, los agregados o flóculos pierden su identidad y se forma una matriz de sólidos, liberando parte del líquido del interior.

·        La velocidad de compresión de los sólidos, dentro de la matriz, se debe al peso menos el empuje hidrostático que ejercen los sólidos de las capas superiores, restando la fuerza de fricción del fluido que circula hacia arriba. Dentro de la matriz de sólidos, se forman canales por donde se recoge el agua del entorno para circular hacia arriba.

 

Por tanto, hay dos regímenes de sedimentación separados por un límite, denominado concentración crítica (de sólidos), donde todos los sólidos pasan de sedimentar de forma individual a estar en contacto continuo. Esta división queda delimitada claramente en suspensiones donde todos los agregados tienen el mismo tamaño y la misma cantidad de sólidos. Sin embargo, hay que hacer algunas consideraciones en suspensiones donde existe una distribución de tamaños de partícula:

1.- En muchas ocasiones se forman agregados con alto grado de uniformidad entre ellos, con partículas finas y gruesas, en el rango de "sedimentación impedida" y por tanto el análisis anterior es correcto.

2.- No obstante, a concentración muy baja (casi a dilución infinita) no se forman agregados uniformes y es posible que las partículas gruesas sedimenten con mayor velocidad que las más pequeñas.

 

INTRODUCCIÓN

 

Se trata de una operación de separación sólido-fluido en la que las partículas sólidas de una suspensión, más densas que el fluido, se separan de éste por la acción de la gravedad. Es una operación controlada por la transferencia de cantidad de movimiento. 

En algunos casos, como cuando existen fuerzas de interacción entre las partículas y éstas son suficientemente pequeñas (suspensiones de tipo coloidal), la sedimentación natural no es posible, debiendo antes proceder a la floculación o coagulación de las partículas.

Para que la sedimentación sea viable en la práctica, el tamaño de las partículas y su concentración en la suspensión deben tener unos valores mínimos, del orden de 1-10 micras y 0,2% de sólido en la suspensión.

La sedimentación se utiliza para separar las partículas sólidas dispersas en un líquido. La diferencia de densidades entre las partículas sólidas y el líquido hace que, aunque éste último tenga un movimiento ascendente y las partículas sólidas sedimenten, depositándose en el fondo de donde son eliminadas en forma de lodos. La viscosidad del líquido frena las partículas sólidas, que deben vencer el rozamiento con el líquido en el movimiento de caída.

En este proceso las partículas sólidas ceden parte de su cantidad de movimiento a las moléculas del líquido de su alrededor. Cuanto mayor sea la viscosidad del líquido, tanto más se frena el movimiento de las partículas. Las moléculas del líquido, aceleradas por contacto con el sólido transmiten su movimiento a capas de líquido más alejadas debido a las interacciones intermoleculares, de las que la viscosidad es una medida. La operación de sedimentación está, pues, controlada por el transporte de cantidad de movimiento.