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O peraciones básicas en la industria química

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O peracionesbásicasen la industriaquímica

Victor Manuel García Taravilla M. Ester Martí Oliet

© Victor Manuel García Taravilla M. Ester Martí Oliet

© EDITORIAL SÍNTESIS, S. A.Vallehermoso, 34. 28015 Madrid

Teléfono: 91 593 20 98www.sintesis.com

ISBN: 978-84-9077-471-7Depósito Legal: M-7.676-2017

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de Editorial Síntesis, S. A.

Índice

Índice

PRESENTACIÓN .............................................................................................................................................................. 13

Parte I

INTRODUCCIÓN A LOS PROCESOS QUÍMICOS

1. PROCESOS QUÍMICOS ..................................................................................................................................... 17

Objetivos ................................................................................................................................................................... 17Mapa conceptual ................................................................................................................................................. 18Glosario ...................................................................................................................................................................... 18 1.1. Proceso químico .................................................................................................................................. 19 1.2. Operación unitaria ............................................................................................................................. 20 1.3. Procesos orgánicos ............................................................................................................................ 21

1.3.1. Desaladora .............................................................................................................................. 21 1.3.2. Unidad de destilación de crudo atmosférica .......................................................... 22 1.3.3. Unidad de destilación de crudo al vacío .................................................................. 23 1.3.4. Unidad viscorreductora o visbreaking (cracking térmico) ................................... 23 1.3.5. Unidad de concentración de gases ............................................................................. 24 1.3.6. Unidad de redestilación ................................................................................................... 25 1.3.7. Unidad de aminas ................................................................................................................ 25 1.3.8. Unidad de azufre ................................................................................................................. 26 1.3.9. Unidad de Merox ................................................................................................................. 27 1.3.10. Unidad de hidrodesulfuración ....................................................................................... 27 1.3.11. Unidad de reformado catalítico ..................................................................................... 28 1.3.12. Unidad de isobutano ......................................................................................................... 29 1.3.13. Unidad de hidrocraqueo (cracking catalítico) ......................................................... 30

6 OperaciOnes básicas en la industria química

índice

1.3.14. Unidad de producción de ETBE .................................................................................... 30 1.3.15. Planta de olefinas ................................................................................................................. 31

1.4. Procesos inorgánicos ........................................................................................................................ 33 1.4.1. Destilación fraccionada del aire por el método Linde ......................................... 33 1.4.2. Fabricación del ácido sulfúrico por el método de contacto ............................. 35 1.4.3. Producción de carbonato de sodio por el método Solvay ............................... 37

Para investigar ........................................................................................................................................................ 39Resumen .................................................................................................................................................................... 39Ejercicios propuestos ........................................................................................................................................ 39Actividades de autoevaluación .................................................................................................................. 41

2. SIMBOLOGÍA DE EQUIPOS ........................................................................................................................... 43

Objetivos ................................................................................................................................................................... 43Mapa conceptual ................................................................................................................................................. 44Glosario ...................................................................................................................................................................... 44 2.1. Tipos de diagramas ............................................................................................................................ 45

2.1.1. Diagramas de bloques ....................................................................................................... 45 2.1.2. Diagramas de flujo de proceso ...................................................................................... 46 2.1.3. Diagramas gráficos ............................................................................................................... 49 2.1.4. Diagramas de proceso e instrumentación (P&ID) .................................................... 49

2.2. Simbología de tuberías y equipos ............................................................................................ 49Para investigar ........................................................................................................................................................ 54Resumen .................................................................................................................................................................... 55Ejercicios propuestos ........................................................................................................................................ 55Actividades de autoevaluación .................................................................................................................. 57

3. BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA ........................................................................................................ 59

Objetivos ................................................................................................................................................................... 59Mapa conceptual ................................................................................................................................................. 60Glosario ...................................................................................................................................................................... 60 3.1. Cálculos en los procesos químicos .......................................................................................... 61 3.2. Balances de materia ........................................................................................................................... 61

3.2.1. Tipos de balances de materia ......................................................................................... 61 3.2.2. Sistemas sencillos y sistemas con más de una unidad ......................................... 63

3.3. Balances de energía ........................................................................................................................... 69 3.3.1. Conceptos generales .......................................................................................................... 69 3.3.2. Expresiones del balance de energía ............................................................................ 70

Para investigar ........................................................................................................................................................ 73Resumen .................................................................................................................................................................... 73Ejercicios propuestos ........................................................................................................................................ 73Actividades de autoevaluación .................................................................................................................. 75

Parte II

OPERACIONES MECÁNICAS EN LOS PROCESOS QUÍMICOS

4. DISGREGACIÓN Y TAMIZADO .................................................................................................................... 79

Objetivos ................................................................................................................................................................... 79Mapa conceptual ................................................................................................................................................. 80

7OperaciOnes básicas en la industria química

índice

Glosario ...................................................................................................................................................................... 80 4.1. Definición de disgregación ........................................................................................................... 81 4.2. Leyes energéticas de la disgregación ..................................................................................... 82

4.2.1. Ley de Rittinger ...................................................................................................................... 82 4.2.2. Ley de Kick .............................................................................................................................. 83 4.2.3. Ley de Bond ........................................................................................................................... 84

4.3. Equipos de disgregación ................................................................................................................ 85 4.3.1. Quebrantadoras ................................................................................................................... 86 4.3.2. Molinos .................................................................................................................................... 87 4.3.3. Molinos ultrafinos ................................................................................................................. 89 4.3.4. Máquinas de corte .............................................................................................................. 89

4.4. Definición de tamizado ................................................................................................................... 90 4.5. Magnitudes características de un tamiz ................................................................................ 90

4.5.1. Series de tamices ................................................................................................................. 91 4.6. Cálculos granulométricos ............................................................................................................... 93

4.6.1. Análisis granulométrico de una mezcla ...................................................................... 94 4.6.2. Rendimiento y capacidad de un tamiz ....................................................................... 97

4.7. Equipos de tamizado ....................................................................................................................... 99Para investigar ........................................................................................................................................................ 100Resumen .................................................................................................................................................................... 100Ejercicios propuestos ........................................................................................................................................ 101Práctica n.º 1 ........................................................................................................................................................... 102Actividades de autoevaluación .................................................................................................................. 103

5. SEDIMENTACIÓN .................................................................................................................................................. 105

Objetivos ................................................................................................................................................................... 105Mapa conceptual ................................................................................................................................................. 106Glosario ...................................................................................................................................................................... 106 5.1. Sedimentación ...................................................................................................................................... 107 5.2. Fundamento físico de la sedimentación .............................................................................. 107

5.2.1. Sedimentación con movimiento horizontal .............................................................. 109 5.2.2. Sedimentación con movimiento vertical .................................................................... 110

5.3. Fases en un proceso de sedimentación sólido-líquido ............................................. 111 5.4. Coagulación y floculación .............................................................................................................. 111

5.4.1. Coagulación ............................................................................................................................ 112 5.4.2. Floculación ............................................................................................................................. 112

5.5. Flotación ................................................................................................................................................... 113 5.6. Equipos de sedimentación ........................................................................................................... 114

5.6.1. Cálculo del área de un sedimentador ......................................................................... 114 5.6.2. Sedimentador rectangular ................................................................................................ 115 5.6.3. Sedimentador en espiral ................................................................................................... 116 5.6.4. Sedimentador de placas inclinadas ............................................................................. 116 5.6.5. Sedimentador circular (Door) ......................................................................................... 117 5.6.6. Decantador ............................................................................................................................. 117

Para investigar ........................................................................................................................................................ 118Resumen .................................................................................................................................................................... 118Ejercicios propuestos ........................................................................................................................................ 119Práctica n.º 2 ........................................................................................................................................................... 120Actividades de autoevaluación .................................................................................................................. 121


índice

6. FILTRACIÓN Y CENTRIFUGACIÓN .............................................................................................................. 123Objetivos ................................................................................................................................................................... 123Mapa conceptual ................................................................................................................................................. 124Glosario ...................................................................................................................................................................... 124 6.1. Definición de filtración .................................................................................................................... 125 6.2. Tipos de filtraciones .......................................................................................................................... 125

6.2.1. Fuerza impulsora .................................................................................................................. 125 6.2.2. Mecanismo de filtración .................................................................................................... 126

6.3. Operaciones complementarias a la filtración ................................................................... 129 6.3.1. Coadyuvantes de la filtración .......................................................................................... 130

6.4. Medios filtrantes .................................................................................................................................. 130 6.5. Equipos de filtración ......................................................................................................................... 131

6.5.1. Filtros clarificadores ............................................................................................................ 131 6.5.2. Filtros de torta ........................................................................................................................ 131 6.5.3. Electrofiltros ........................................................................................................................... 133

6.6. Definición de centrifugación ........................................................................................................ 134 6.7. Fundamento teórico ......................................................................................................................... 135

6.7.1. Relación entre centrifugación y sedimentación ....................................................... 136 6.8. Métodos de separación centrífuga ......................................................................................... 137 6.9. Equipos de centrifugación ............................................................................................................ 138

6.9.1. Centrífugas de sedimentación ........................................................................................ 138 6.9.2. Centrífugas de filtro ............................................................................................................. 140

6.10. Equipos de separación ciclónica .............................................................................................. 141Para investigar ........................................................................................................................................................ 142Resumen .................................................................................................................................................................... 142Ejercicios propuestos ........................................................................................................................................ 142Práctica n.º 3 ........................................................................................................................................................... 143Actividades de autoevaluación .................................................................................................................. 144

7. FLUIDIZACIÓN ....................................................................................................................................................... 147Objetivos ................................................................................................................................................................... 147Mapa conceptual ................................................................................................................................................. 148Glosario ...................................................................................................................................................................... 148 7.1. Qué es la fluidización ....................................................................................................................... 149 7.2. Evolución de un lecho fluidizado ............................................................................................ 149 7.3. Características de los lechos fluidizados .............................................................................. 151

7.3.1. Fundamento físico de la fluidización ........................................................................... 151 7.4. Equipos de fluidización .................................................................................................................. 154Para investigar ........................................................................................................................................................ 155Resumen .................................................................................................................................................................... 155Ejercicios propuestos ........................................................................................................................................ 156Práctica n.º 4 ........................................................................................................................................................... 156Actividades de autoevaluación .................................................................................................................. 157

Parte III

OPERACIONES TÉRMICAS EN LOS PROCESOS QUÍMICOS

8. DESTILACIÓN ......................................................................................................................................................... 161Objetivos ................................................................................................................................................................... 161Mapa conceptual ................................................................................................................................................. 162


índice

Glosario ...................................................................................................................................................................... 162 8.1. Qué es la destilación ........................................................................................................................ 163 8.2. Fundamento físico .............................................................................................................................. 163

8.2.1. Presión de vapor .................................................................................................................. 163 8.2.2. Presión parcial ....................................................................................................................... 164 8.2.3. Ley de Raoult .......................................................................................................................... 164 8.2.4. Ley de Dalton ......................................................................................................................... 165 8.2.5. Diagrama de equilibrio ...................................................................................................... 166

8.3. Tipos de destilación .......................................................................................................................... 169 8.3.1. Destilación discontinua simple ....................................................................................... 169 8.3.2. Destilación discontinua fraccionada ............................................................................ 170 8.3.3. Destilación continua simple ............................................................................................. 170 8.3.4. Destilación por arrastre de vapor .................................................................................. 171 8.3.5. Rectificación ........................................................................................................................... 172 8.3.6. Destilación al vacío .............................................................................................................. 173 8.3.7. Destilación azeotrópica ..................................................................................................... 174 8.3.8. Destilación extractiva .......................................................................................................... 174

8.4. Equipos de destilación .................................................................................................................... 174 8.4.1. Columnas de platos ............................................................................................................ 174 8.4.2. Columnas de relleno ........................................................................................................... 178 8.4.3. Accesorios de las columnas de destilación ............................................................. 180

8.5. Variables de control .......................................................................................................................... 181 8.5.1. Anomalías ............................................................................................................................... 183

8.6. Puesta en marcha y parada de una columna de destilación .................................. 186Para investigar ........................................................................................................................................................ 187Resumen .................................................................................................................................................................... 187Ejercicios propuestos ........................................................................................................................................ 187Práctica n.º 5 ........................................................................................................................................................... 189Actividades de autoevaluación .................................................................................................................. 191

9. EVAPORACIÓN ...................................................................................................................................................... 193

Objetivos ................................................................................................................................................................... 193Mapa conceptual ................................................................................................................................................. 194Glosario ...................................................................................................................................................................... 194 9.1. Qué es la evaporación .................................................................................................................... 195 9.2. Factores que afectan a la evaporación ................................................................................. 196

9.2.1. Punto de ebullición ............................................................................................................. 196 9.2.2. Concentración de la disolución ..................................................................................... 198 9.2.3. Viscosidad .............................................................................................................................. 198 9.2.4. Espumas .................................................................................................................................. 199 9.2.5. Depósitos ................................................................................................................................ 199

9.3. Tipos de evaporadores ................................................................................................................... 199 9.3.1. Evaporador de camisa ....................................................................................................... 200 9.3.2. Evaporador de tubos ......................................................................................................... 200 9.3.3. Evaporador de película delgada ................................................................................... 201

9.4. Sistemas de evaporación ............................................................................................................... 203 9.4.1. Evaporación con precalentamiento ............................................................................. 203 9.4.2. Evaporación con compresión mecánica .................................................................... 204 9.4.3. Evaporación de efecto múltiple .................................................................................... 204

9.5. Capacidad de un evaporador ..................................................................................................... 205


índice

9.6. Balance de energía y materia en una evaporación ....................................................... 205 9.6.1. Balance de materia en la cámara de ebullición ....................................................... 206 9.6.2. Balance de energía en la cámara de evaporación .................................................. 206


Parte IV

OPERACIONES DIFUSIONALES EN LOS PROCESOS QUÍMICOS

10. ABSORCIÓN ............................................................................................................................................................ 217

Objetivos ................................................................................................................................................................... 217Mapa conceptual ................................................................................................................................................. 218Glosario ...................................................................................................................................................................... 218 10.1. Absorción ................................................................................................................................................ 219 10.2. Parámetros que afectan a la absorción ................................................................................ 220

10.2.1. Solubilidad de los gases en líquidos ........................................................................... 220 10.2.2. Transferencia de calor ........................................................................................................ 224 10.2.3. Pérdidas de presión ............................................................................................................ 224 10.2.4. Punto de inundación .......................................................................................................... 224 10.2.5. Otros factores ........................................................................................................................ 226

10.3. Equipos industriales ........................................................................................................................... 226 10.3.1. Columnas de absorción .................................................................................................... 227 10.3.2. Otros equipos ....................................................................................................................... 228

10.4. Cálculos en la absorción. Balances de materia ................................................................ 230 10.4.1. Recta de operación ............................................................................................................. 233 10.4.2. Valor límite de L’/G’ ............................................................................................................. 233


11. ADSORCIÓN E INTERCAMBIO IÓNICO .................................................................................................. 241

Objetivos ................................................................................................................................................................... 241Mapa conceptual ................................................................................................................................................. 242Glosario ...................................................................................................................................................................... 242 11.1. Adsorción y desadsorción ............................................................................................................ 243 11.2. Parámetros que afectan a la adsorción ................................................................................ 244

11.2.1. Isotermas de adsorción ..................................................................................................... 244 11.3. El proceso de adsorción y desadsorción ............................................................................ 248

11.3.1. Histéresis ................................................................................................................................. 249 11.4. Adsorbentes industriales ............................................................................................................... 250 11.5. Equipos e instalaciones industriales de adsorción ........................................................ 250

11.5.1. Otros equipos y técnicas de adsorción ..................................................................... 252 11.6. Intercambio iónico ............................................................................................................................. 252


índice

11.7. Tipos de resinas de intercambio iónico ................................................................................ 253 11.7.1. Características de las resinas ............................................................................................ 254

11.8. Reacciones químicas de intercambio iónico ..................................................................... 255 11.8.1. Regeneración ......................................................................................................................... 256

11.9. Equipos de intercambio iónico ................................................................................................. 257 11.9.1. Ablandamiento del agua .................................................................................................. 257 11.9.2. Obtención de agua desmineralizada .......................................................................... 258

11.10. Regeneración de las columnas de resinas .......................................................................... 25911.10.1. Regeneración de columnas catiónicas y aniónicas ................................................. 26011.10.2. Regeneración de un lecho mixto ................................................................................... 260


12. EXTRACCIÓN .......................................................................................................................................................... 267

Objetivos ................................................................................................................................................................... 267Mapa conceptual ................................................................................................................................................. 268Glosario ...................................................................................................................................................................... 268 12.1. Definición de extracción ................................................................................................................ 269 12.2. Extracción líquido-líquido ............................................................................................................. 270

12.2.1. Modos de operación ......................................................................................................... 271 12.2.2. Ley del reparto o de distribución ................................................................................. 273 12.2.3. Diagrama de fases ................................................................................................................ 275 12.2.4. Equipos de extracción líquido-líquido ...................................................................... 280

12.3. Extracción sólido-líquido ............................................................................................................... 282 12.3.1. Equipos de extracción sólido-líquido ........................................................................ 282

12.4. Diagrama de distribución ............................................................................................................... 284 12.5. Diagrama de selectividad ............................................................................................................... 284Para investigar ........................................................................................................................................................ 284Resumen .................................................................................................................................................................... 285Ejercicios propuestos ........................................................................................................................................ 285Práctica n.º 9 ........................................................................................................................................................... 287Actividades de autoevaluación .................................................................................................................. 289

13. CRISTALIZACIÓN .................................................................................................................................................. 291

Objetivos ................................................................................................................................................................... 291Mapa conceptual ................................................................................................................................................. 292Glosario ...................................................................................................................................................................... 292 13.1. Cristalización .......................................................................................................................................... 293 13.2. Solubilidad .............................................................................................................................................. 294 13.3. Tipos de cristalización ...................................................................................................................... 294 13.4. Etapas de la cristalización ............................................................................................................. 296 13.5. Tamaño del cristal y pureza .......................................................................................................... 297 13.6. Equipos de cristalización ............................................................................................................... 297

13.6.1. Cristalizador por evaporación ......................................................................................... 298 13.6.2. Cristalizador por enfriamiento ......................................................................................... 300 13.6.3. Cristalizador por vacío ....................................................................................................... 301


índice

Para investigar ........................................................................................................................................................ 302Resumen .................................................................................................................................................................... 302Ejercicios propuestos ........................................................................................................................................ 303Práctica n.º 10 ........................................................................................................................................................ 304Actividades de autoevaluación .................................................................................................................. 305

14. SECADO ..................................................................................................................................................................... 307

Objetivos ................................................................................................................................................................... 307Mapa conceptual ................................................................................................................................................. 308Glosario ...................................................................................................................................................................... 308 14.1. Secado ....................................................................................................................................................... 309 14.2. Fundamento físico .............................................................................................................................. 309

14.2.1. Velocidad de secado ........................................................................................................ 310 14.3. Diagrama psicrométrico .................................................................................................................. 312 14.4. Equipos de secado ............................................................................................................................ 315

14.4.1. Secadores por convección .............................................................................................. 315 14.4.2. Secadores por conducción ............................................................................................. 317 14.4.3. Secadores por radiación ................................................................................................... 318 14.4.4. Liofilización ............................................................................................................................ 318 14.4.5. Secadores de soluciones diluidas y suspensiones ................................................ 319

Para investigar ........................................................................................................................................................ 320Resumen .................................................................................................................................................................... 321Ejercicios propuestos ........................................................................................................................................ 321Práctica n.º 11 ........................................................................................................................................................ 322Actividades de autoevaluación .................................................................................................................. 323

105Sedimentación

capítulo 5

5

Objetivos

3 Conocer los principios básicos de un proceso de sedimentación.3 Identificar las partes de un equipo de sedimentación.3 Saber las técnicas que favorecen los procesos de sedimentación.3 Comprender los principios básicos de los pretratamientos de coagulación,

floculación y flotación.3 Analizar diferentes aplicaciones de la sedimentación en la industria química.

Sedimentación

106 PaRTe II. oPeRacIoneS mecÁnIcaS en LoS PRoceSoS QuÍmIcoS

caPÍTuLo 5

Mapa conceptual

Glosario

Afluentes. Aguas afluentes es como se conoce a las aguas limpias de entrada en una industria. Las aguas sucias o contaminadas reciben el nombre de efluentes.

Coalescencia. Posibilidad de unión para formar un único cuerpo.

Laminar. Movimiento ordenado y estratificado de un fluido.

Residuo seco. Cantidad de sólidos de una mezcla que se lleva a sequedad (normalmente 105 o 180 ºC). Se mide en mg/L o ppm.

Turbulento. Movimiento caótico de un fluido.

Parámetros que afectan a la sedimentación

Parámetros que afectan a la flotación

Técnicas que favorecenla sedimentación

Diseño de sedimentadores

Sedimentaciónhorizontal

Coagulación

Rectangular

Sedimentaciónvertical

Floculación

De placas

Circular

Espiral

SEDIMENTACIÓN

107Sedimentación

capítulo 5

5.1. Sedimentación

Se trata de una operación unitaria basada en la transferencia de cantidad de movimiento entre un sólido o un líquido y un fluido. Es una operación estrictamente mecánica donde las par-tículas se separan por efecto de la gravedad debido a la diferencia de densidad. Por tanto, la sedimentación podrá producirse en los siguientes sistemas:

l Sólido-líquido.l Sólido-gas.l Líquido-líquido.l Líquido-gas.

Desde el punto de vista industrial, la sedimentación sólido-líquido es la que tiene más apli-caciones industriales para reducir la carga de sólidos sedimentables con tamaños de partículas relativamente grandes:

l La concentración de partículas sólidas en el tratamiento de aguas residuales.l La eliminación de sólidos en la potabilización de aguas.

Y en el caso de la sedimentación líquido-líquido:

l La separación de aceites en el tratamiento de aguas residuales.

5.2. Fundamento físico de la sedimentación

Toda partícula en un fluido está sometida a tres fuerzas, la resultante de las cuales determina la dirección y velocidad del movimiento de la partícula:

a) Fuerza de gravedad (F1): está dirigida hacia abajo y su valor es constante para cada par tícula.

F1 = m · g = V · ρs · g

Donde V es el volumen de la partícula, m la masa de la partícula y ρs la densidad de la partícula.

b) Fuerza ascensional o de empuje (F2): está dirigida hacia arriba y es debida al principio de Arquímedes.

F2 = V · ρf · g

Donde ρf es la densidad del fluido y g es la constante de la gravedad, 9,8 m/s2.

3 El principio de Arquímedes afirma que todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical y hacia arriba igual al peso del fluido desalojado.

RecueRda

108 Parte II. OPeracIOnes mecánIcas en lOs PrOcesOs químIcOs

caPítulO 5

c) Fuerza de rozamiento (F3): su dirección es contraria a la dirección del movimiento. Hacia abajo si F1 > F2 y hacia arriba si F1 < F2. Su valor es difícil de determinar, ya que depende de múltiples factores como la forma y tamaño de la partícula, las propiedades del fluido, el régimen del flujo, etc.

Según Stokes, si la partícula es esférica y se desplaza en régimen laminar, la fuerza de roza-miento se puede determinar con la siguiente ex-presión:

F3 = 3π · D · μ · v

Donde D es el diámetro de la partícula esfé-rica, µ la viscosidad del fluido y v la velocidad de la partícula.

Y por tanto la fuerza resultante será:

F = F1 – F2 – F3

F = V · ρs · g – V · ρf · g – 3π · D · μ · v

Como el volumen de una esfera es:

V = 4 / 3πr3 = πD3 / 6

Y la fuerza según la ley de Newton es:

F = m · a = V · ρs · a

Sustituyendo y agrupando, se puede determinar el valor de la aceleración con que una par-tícula sólida cae dentro de un líquido.

V · ρs · a = V · ρs · g – V · ρf · g – 3π · D · μ · v

ρ ρ

ρ ρ=

−−a

µv

D

g( ) 18s f

s s2

Como la partícula cae en un movimiento uniformemente acelerado, su velocidad irá aumen-tando, y por tanto la fuerza de rozamiento también, hasta que llegue un momento en que la suma de las dos fuerzas será cero y la aceleración se anulará. En este momento, la partícula caerá con una velocidad máxima que se llamará velocidad límite (vlim) y que se puede calcular igualando a cero la expresión anterior.

ρ ρ=

⋅ − ⋅

⋅v

D

µ

g ( )

18s f

lim

2

F2: Fuerza ascensorial

Si F1 > F2

Si F1 < F2

F3: Fuerza de rozamiento

F1: Fuerza de la gravedad

Figura 5.1 Balance de fuerzas sobre una partícula que sedimenta en un fluido

109Sedimentación

capítulo 5

A partir del valor de la velocidad límite de caída es posible calcular el diámetro de la partícula:

ρ ρ=

⋅ ⋅

⋅ −D

µ v18

g ( )s l

lim

Estas ecuaciones pueden complicarse bastante si se tiene en cuenta que las partículas no son esféricas y que el régimen puede ser turbulento o hay interacciones entre las partículas.

Toma noTa

Como la velocidad límite de caída vertical de las partículas depende de su diámetro, la sedimentación puede utilizarse para realizar un análisis granulométrico de una muestra de partículas sólidas. El método de la pipeta de Andreasen es un método que permite determinar el tamaño de las partículas de una muestra mediante un proceso de sedimentación.

El flujo de sedimentación se puede calcular con la siguiente ecuación:

F = c · v

Donde F es el flujo de sólidos en el sedimentador; en el sistema internacional se mide en kg/m2 · h; c es la concentración de la suspensión, y en el sistema internacional se mide en kg/m3.

Experimentalmente se puede demostrar fácilmente cómo la velocidad de sedimentación disminuye con la concentración. Un aumento de la concentración provoca un mayor número de choques entre las partículas que sedimentan, reduciendo la velocidad.

Por otra parte, la variación del flujo de sedimentación con la concentración depende de dos variables que evolucionan en sentido contrario. A medida que aumenta la concentración dismi-nuye la velocidad. Esto implica que el flujo de sedimentación aumente hasta un valor máximo a partir del cual disminuirá.

5.2.1. Sedimentación con movimiento horizontal

Cuando una suspensión de un sólido en un líquido entra en un equipo de sedimentación con un movimiento horizontal, las partículas sólidas están afectadas por una componente ver-tical de la velocidad (vv), que se ha explicado en el punto anterior cómo calcular, y por una componente hori-zontal (vh). La resultante de estas dos componentes determina la dirección del desplazamiento de la partícula, velocidad resultante (vR).

a

h

L

Caudal

Vh

VRVV

Figura 5.2 Movimiento de una partícula sólida

en un sedimentador horizontal


caPítulO 5

Si la altura del sedimentador es h y su longitud L, el tiempo de residencia (tv) en el equipo antes de sedimentar será:

tv = h / vv

Y el tiempo máximo de desplazamiento:

th = L / vh

Para que la partícula pueda sedimentar es necesario que:

tv < th

o bien:vv/vh > h / L

El valor de la componente horizontal se puede determinar a partir del valor límite de la velocidad vertical, vlim.

vh = vlim · L / h

En el caso de un sedimentador en forma de prisma con una altura h, una longitud L y una anchura a, el caudal vendrá dado por la ecuación:

Q = V / th = a · h · L / th = a · h · vh

Donde, sustituyendo,

Q = a · h · vlim · L / h = a · vlim · L = A · vlim

Donde A es el área del sedimentador, el producto de la anchura a por la longitud L (A = a · L).A partir de esta última expresión se demuestra que en un sedimentador horizontal el cau-

dal límite depende de la superficie del equipo, y por tanto en la práctica los sedimentadores se diseñan con mucha superficie y poca altura. No obstante, hay que recordar que la altura no puede ser inferior a un valor mínimo que garantice la sedimentación y, por tanto, la correcta separación de las dos fases.

5.2.2. Sedimentación con movimiento vertical

En este caso el fluido tiene un movimiento ascendente mientras la partícula cae, y por tanto la condición de sedimentación es que la velocidad de sedimentación (vv) sea mayor que la veloci-dad del fluido ascendente (vf).

vv > vf

En este tipo de sedimentación es posible conseguir, variando la velocidad del fluido, que solo sedimenten las partículas con una determinada forma y densidad.

111SedImenTacIÓn

caPÍTuLo 5

El caudal límite en este caso también será:

Q = A · vv

Y, por tanto, el caudal también será función del área del equipo.

5.3. Fases en un proceso de sedimentación sólido-líquido

En un proceso de sedimentación sólido-líquido se pueden observar cuatro fases características, siempre que el equipo donde se realiza la sedimentación esté en reposo y no existan infl uencias térmicas que puedan generar corrientes de convección.

En la fi gura 5.3 se observan las variaciones en la altura de las siguientes fases a medida que pasa el tiempo:

l Fase 1: zona clarifi cada.l Fase 2: zona de concentración uniforme.l Fase 3: zona de transición o concentración.l Fase 4: zona de compresión o sedimenta-

ción.l Tiempo 0: únicamente existe una fase 2.l Tiempo 1: predominan las fases 1 y 2, cre-

ciendo la fase 3 y la 4 de forma incipiente.l Tiempo 2: decrecen las fases 1 y 2 a favor

de las fases 3 y 4.l Tiempo 3: vuelve a crecer la fase 1, supe-

rando el nivel del tiempo 1. Desaparece la fase 2 y la fase 3 queda reducida a una mínima franja.

l Tiempo 4: desaparece la fase 3, y la fase 1 alcanza su valor máximo debido a la compactación de la fase 4.

En el momento en que las zonas 2 y 3 desaparecen se inicia el proceso de compresión de la zona 4. Este momento se llama punto crítico, y se produce la disminución del espesor de la zona 4 debido a la compresión.

5.4. Coagulación y fl oculación

La coagulación y la fl oculación son dos técnicas que se utilizan para facilitar el proceso de sedi-mentación sólido-líquido, regulando las dimensiones y estructura de las partículas sólidas que se van a sedimentar. Se trata, por tanto, de provocar una sedimentación inducida.

1 1 1 1

34 4 4 4

Figura 5.3Fases de la sedimentación sólido-líquido

PARA SABER MÁS

3

3

222


caPítulO 5

Las aguas potables y las residuales, en mayor medida, contienen sólidos en suspensión que pueden sedimentar en reposo, y sólidos que no sedimentan con facilidad, como los coloides. En los coloides cada partícula está estabilizada por una serie de cargas de igual signo sobre su superficie. Esto provoca que las partículas se repelan entre sí, impidiendo que formen partículas más grandes, flóculos, y que sedimenten.

Estas dos técnicas, que se utilizan antes de la sedimentación de las impurezas contenidas en el agua, desestabilizan los coloides consiguiendo su sedimentación; por ejemplo, en el trata-miento de las aguas afluentes en la industria química.

5.4.1. Coagulación

La coagulación desestabiliza los coloi-des eliminando las dobles capas eléctri-cas que rodean las partículas, dando lu-gar a la formación de pequeños núcleos.

Esta desestabilización se consi-gue añadiendo un coagulante que neutraliza las cargas eléctricas de la superficie que mantienen separadas a las partículas. Algunos de los coagu-lantes utilizados son el cloruro férrico (FeCl3), el sulfato de aluminio (sul-fato de alúmina) [Al2(SO4)3], sulfato férrico [Fe2(SO4)3] o sulfato ferroso (FeSO4).

5.4.2. Floculación

La floculación consiste en la aglome-ración de las partículas desestabilizadas formando grumos y flóculos cada vez mayores, que al pesar más hacen posi-ble la sedimentación.

Una forma de conseguir la flocula-ción es mediante agitación, lenta y uni-forme, que permite que las partículas se junten de forma mecánica. Sin embar-go, para acelerar este proceso, normal-mente se recurre a floculantes químicos.

Los floculantes según su naturaleza pueden clasificarse en:

l Floculantes inorgánicos: sílice activada.l Floculantes orgánicos: macromoléculas de cadena larga y alto peso molecular de origen na-

tural (almidones y derivados de celulosa) o de origen sintético. Estos últimos suelen tener cargas eléctricas o grupos ionizables, por lo que reciben el nombre de polielectrolitos.

- - - -

- - - -

- - - -

- - - -

- - - -

- - - -

- - - -

- - - -

Coagulante: Al2(SO4)3

Repulsión entre coloides Coagulación

Al3+

Al3+ Al3+

Al3+

Al3+ Al3+

Al3+

Al3+

Al3+Al3+Al3+

Al3+

Al3+

Al3+

Al3+

Figura 5.4 Coagulación

+

+

+

+

+

+ -

-

-

-

-

-

-

+ -

- -

-

- +

+

+

+ +

Floculante

Partículas pequeñas Formación de flóculos

Figura 5.5 Floculación

113Sedimentación

capítulo 5

Desde el punto de vista iónico se clasifican en polielectrolitos no iónicos (poliacrilamidas), aniónicos (grupos carboxílicos) y catiónicos (grupos amino).

La selección del tipo de floculante más adecuado en cada caso se realiza con el ensayo jar test que se detalla en la práctica propuesta al final del capítulo.

Recurso web

Visiona el vídeo de la Universidad Politécnica de Valencia accesible a partir del QR adjunto. En el verás un ensayo de floculación y coagulación jar test con el que se pretende determinar cantidades óptimas de coagulante y floculante que se debe añadir a una muestra de agua residual para conseguir unos resultados óptimos de eliminación de sólidos en suspensión.

5.5. Flotación

Se trata de una técnica de separación de diferentes sólidos que se efectúa mediante burbujas de gas gracias a sus propiedades hidrofílicas e hidrofóbicas.

En este proceso están implicadas tres fases:

1. Fase sólida: partículas a separar.2. Fase líquida: el agua donde se encuentran las partículas sólidas en suspensión.3. Fase gaseosa: el aire.

Y se basa en el diferente comportamiento de los sólidos frente al agua. Determinados sólidos (metales puros, sulfuros de metales, grafito…) son hidrofóbicos, lo que permite la ad-herencia de las burbujas de aire a las partículas sólidas, al no ser afines al agua. Mientras que los hidrofílicos (óxidos, sulfatos, silicatos, carbonatos…) tienen afinidad por la fase acuosa.

Y en la formación de una espuma estable que permite mantener las partículas sólidas en la superficie.

Para conseguir las condiciones óptimas del mecanismo fisicoquímico del proceso es nece-sario añadir una serie de sustancias:

a) Colectores: sustancias orgánicas que se adhieren a la superficie de la partícula sólida au-mentado su carácter hidrofóbico.

b) Modificadores: permiten intensificar o reducir la acción de los colectores sobre la super-ficie de las partículas sólidas dando estabilidad a la espuma formada.

c) Espumantes: ayudan a generar la espuma favoreciendo la formación de burbujas de tamaño y calidad adecuadas, reduciendo la tensión superficial del agua, favoreciendo la coalescencia entre burbujas y mejorando la interacción entre las partículas y las burbujas.

www


caPítulO 5

La flotación tiene dos importantes usos a nivel industrial:

l Extracción de cobre a partir de la calcopirita (CuFeS2), donde el aire se adhiere al mineral rico en cobre desplazándolo hacia la superficie, mientras la ganga se deposita en la parte inferior.

l Purificación de agua como alternativa a la sedimentación, forzando a los flóculos, forma-dos en un proceso de coagulación-floculación, a dirigirse hacia la superficie en vez de permitir que sedimenten en el fondo.

5.6. Equipos de sedimentación

En el diseño de los equipos de sedimentación se deben tener en cuenta dos factores:

l La máxima claridad del líquido rebosado.l La máxima densidad de los sólidos evacuados.

En general, la superficie necesaria para clarificar una suspensión suele ser mayor que la necesaria para su espesamiento. Los diferentes tipos de sedimentadores intentan dar respuesta a estos condicionantes.

5.6.1. Cálculo del área de un sedimentador

En el cálculo del área y la altura de un sedimentador se debe tener en cuenta el caudal de ali-mentación, L0 (m3/s), la concentración inicial de la suspensión a tratar, C0 (kg/m3), y la concen-tración final deseada, CF (kg/m3), de los lodos.

Como se ha demostrado anteriormente, la variable que determina la capacidad de un se-dimentador es su área. Por otra parte, es evidente que, en un sedimentador continuo, a distintas alturas del mismo se encontrarán todas las concentraciones (C ) comprendidas entre C0 y CF.

Determinada la relación entre la velocidad de sedimentación y la concentración, v = f(C ), es po-sible calcular el área del sedimentador para todas las concentraciones, C, comprendidas entre C0 y CF, tomando el valor máximo resultante como el área mínima necesaria para la sedimentación propuesta.

= −AL C

v C C

1 1

F

0 0

El valor de la velocidad de sedimentación se puede determinar experimentalmente representan-do gráficamente la altura de sedimentación frente al

Líquido claro

AlimentaciónC0, L0

Lodos

C0 < C < CF

CF

Figura 5.6 Distribución de la concentración de sólidos en un sedimentador

( )

115Sedimentación

capítulo 5

tiempo para diferentes concentraciones de alimentación. El valor de la velocidad de sedimentación coincide con la pendiente en el origen cuando el valor de C es igual a la concentración inicial, C0.

Ejercicio resuelto 5.1

Determina el valor del área de un sedimentador que se alimenta con un caudal de 100 m3/h de concentración 25 kg/m3 y se desea obtener unos lodos de concentración 150 kg/m3. Experimentalmente se ha determinado el valor de la velocidad de sedimentación para dos concentraciones, 50 g/L y 75 g/L.

Solución:

C (g/L) Velocidad (m/h)

50 0,66

75 0,48

= − =⋅

− =AL C

v C C1 1 100 25

0,661

501

15050,5 m

F

0 0 2

= − =⋅

− =AL C

v C C1 1 100 25

0,48175

1150

34,7 mF

0 0 2

Lo que implica que el área óptima para este sedimentador es de 51 m2.

5.6.2. Sedimentador rectangular

La alimentación entra por un extremo del sedimentador y se dirige hacia el fondo del tanque mediante una pantalla. El sólido sedimentado en el fondo se dirige de forma continua hacia el pozo de extracción mediante un sistema mecánico formado por una cadena sin fin con una serie de rascadores que friegan el fondo del tanque. El líquido clarificado sale por el extremo opuesto del sedimentador.

Figura 5.7 Sedimentador

rectangular

Motor

Alimentación

Lodos

Cadena sin fin

Líquido clarificado

( ) ( )( ) ( )


caPítulO 5

5.6.3. Sedimentador en espiral

Se trata de un clasificador espiral que separa los minerales en función de su tamaño y densidad. Las partículas finas salen con el agua por gravedad, mientras que las partículas gruesas sedimentan y mediante un tornillo sin fin se retiran continuamente por la parte superior del sedimentador.

Líquido clarificado

Alimentación

Tornillo sin finMotor

Lodos

Figura 5.8 Sedimentador espiral

5.6.4. Sedimentador de placas inclinadas

Una forma de maximi-zar el área de decantación reduciendo el tamaño del sedimentador y en consecuencia su coste es utilizando varias placas paralelas. De esta forma se consigue dividir la ali-mentación de entrada en el equipo en varias sec-ciones paralelas donde sedimentan los sólidos. El resultado de esta división en secciones paralelas es que el área de sedimen-tación es igual a la suma del área de las placas. Para conseguir evacuar los só-lidos las placas, se inclinan con un ángulo de unos 55º.

El sedimentador de placas inclinadas está formado por un depósito superior que contiene las placas con una inclinación de 55º y el depósito inferior de sedimentos (cámara de lodos) de forma cilíndrica o cónica.

La alimentación se introduce por la parte superior del equipo, dividiéndose entre las dife-rentes placas que conducen los sólidos sedimentables hacia la cámara de lodos. Un vertedero regulable permite controlar el nivel de líquido en el equipo.

Líquido clarificadoAlimentación

Placas inclinadas

Lodos

Figura 5.9 Sedimentador de placas inclinadas

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