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se describe el comportamiento de la sedimentacion en particulas
Tipo: Guías, Proyectos, Investigaciones
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Durante la práctica de laboratorio se realizaron tres diferentes suspensiones con concentraciones variables de los sólidos, esto con el fin de determinar cómo varía la velocidad de sedimentación en función del tiempo, y así poder calcular el área del espesador. Durante el modelo llevado a cabo se realizaron varias curvas de sedimentación con las cuales se obtuvieron los datos necesarios para calcular la velocidad de sedimentación, concentración y el área. Finalmente, se logró encontrar un área de sedimentador, para la suspensión de 9%, de 84.01m^2 , un diámetro de 10.34 m a una velocidad de 9.5x10-5^ m/s.
2. INTRODUCCIÓN La sedimentación es una operación unitaria dentro de los procesos de tratamiento de aguas que tiene como finalidad el remover los sólidos suspendidos que el agua pueda contener. Los sólidos en suspensión sedimentables son aquellos que por acción de la gravedad se separan del seno del líquido y son arrastrados hacia el fondo del tanque sedimentador, donde pueden ser separados del agua a la cual se desea darle tratamiento para remoción de dichas partículas. (GEANKOPLIS, 1993) Casi siempre, la operación de separación de sólidos por sedimentación es el primer paso o uno de los primeros pasos en el tratamiento y acondicionamiento de las aguas potables. Aunque aparentemente es una operación sencilla, la eficiencia de la separación de los lodos por sedimentación depende de detalles muy finos que se tienen que evaluar a nivel laboratorio, a través de lo que se llama prueba de jarras. Esta eficiencia en la operación se refleja en un agua de mayor calidad para etapas posteriores y en la obtención de lodos más compactos. El equipo que se emplea para sedimentación tiene ciertas variaciones, aunque todos tienen los mismos componentes básicos. Como primera clasificación los sedimentadores pueden ser de forma circular o de forma rectangular, pero también existen sedimentadores discretos, floculantes o por zonas. (GEANKOPLIS, 1993) Sedimentador cuadrado o rectangular: La alimentación es en un extremo y la colección del efluente es en el extremo opuesto. En cualquier situación, al hacer llegar el influente al sedimentador, la tendencia en éste es hacer que el flujo de agua que llega, lo haga de una forma pausada y quieta para que no haya disturbios en el seno del líquido donde se está efectuando la separación. La extracción de lodos se puede hacer por medio de un rastrillo que "barre" los lodos y los conduce hacia una salida común. También, puede efectuarse la extracción succionando dichos lodos con bombas especiales, que los depositan en conducciones provistas para este fin. Sedimentador de plano inclinado: Recientemente se ha desarrollado un sedimentador especial, el cual es sumamente eficiente en la separación del sólido. En este sedimentador se encuentran dispuestos un cierto número de placas inclinadas que hacen más eficiente la separación. Este tipo de separador sólido/líquido es muy empleado en procesos industriales de tratamiento de aguas donde el volumen de agua a tratar no es muy grande, y como además ocupa poco espacio comparado con un sedimentador convencional, también es muy adecuado
La separación del material en suspensión del líquido que lo contiene involucra un proceso netamente físico. En este proceso se manifiestan una serie de fuerzas como son: La fuerza que provoca que el sólido sedimente y que se debe a la acción de la gravedad; La fuerza de oposición o el empuje que se manifiesta por el desplazamiento del líquido por la partícula suspendida que se desplaza verticalmente hacia abajo; y la fuerza de fricción que se debe al desplazamiento de la partícula por el fluido. (Bermudez, Camargo Betancur, Cruz Estrada, & Madrid Delgado, 2015) Si la fuerza gravitatoria es mayor que las fuerzas de oposición, la partícula se precipita al fondo del recipiente (sedimenta), de lo contrario, la partícula no se separa del líquido y será arrastrada por el líquido sobrenadante que sale en la parte superior del sedimentador. El factor principal que conduce a la sedimentación es la densidad de la partícula. A mayor densidad, mayor fuerza gravitacional y más eficiente separación del sólido. También influye en la separación la densidad del líquido.
3. MATERIALES Y MÉTODOS 3.1 Materiales En la práctica se analizó el mecanismo de sedimentación, observando lo que ocurre en una prueba de asentamiento de carbonato de calcio concentrada en una probeta. Se empleó una solución de carbonato de calcio y agua, se llevó a una probeta para realizar los ensayos, en lo que se observó la altura de la suspensión en la probeta. A continuación, se realizará una breve descripción de los elementos más importantes utilizados en la práctica que fueron: Carbonato de calcio, agua y Probeta. Carbonato de calcio: Su fórmula química es CaCO 3 y se encuentra de modo muy frecuente en la naturaleza, en caparazones y conchas de algunos animales marinos o en rocas, resultando su elemento esencial. El carbonato de calcio en forma natural sufre un complejo proceso químico hasta que adquiere la forma en que es comercializado. En la industria de plásticos y hules es apreciado por su elevado rango de blancura, elevada pureza, baja agresividad y ventajas en cuanto a su precio. Los usos del carbonato de calcio en este sector se aplican al PVC rígido y plastificado, polietileno, polipropileno y algunas resinas de poliéster, además de otras clases de plásticos. La inclusión de este compuesto en esta industria obedece, entre otras características, a su poca absorción de plastificante y óptima capacidad para dispersarse(Aldebarán Sistemas, 2016). Agua: El agua es una sustancia de capital importancia para la vida con excepcionales propiedades consecuencia de su composición y estructura. Es una molécula sencilla formada por tres pequeños átomos, uno de oxígeno y dos de hidrógeno, con enlaces polares que permiten establecer puentes de hidrógeno entre moléculas adyacentes (AZCONA & FERNÁNDEZ, 2012).
Probeta: Es un instrumento volumétrico que consiste en un cilindro graduado, es decir, lleva grabada una escala por la parte exterior que permite medir un determinado volumen. Está formado por un tubo generalmente transparente de unos centímetros de diámetro y tiene una graduación desde 5 ml hasta el máximo de la probeta, indicando distintos volúmenes. En la parte inferior está cerrado y posee una base que sirve de apoyo, mientras que la superior está abierta (permite introducir el líquido a medir) y suele tener un pico (permite verter el líquido medido). Generalmente miden volúmenes de 25 o 50 ml, pero existen probetas de distintos tamaños; incluso algunas que pueden medir un volumen hasta de 2000 ml.(S.A.,
3.2 Métodos Modelo de cálculo Se realizan la graficas de altura de interfase Vs tiempo para las diferentes concentraciones (9%, 11% y 40%) con los datos de tiempo y altura de interfase, con las gráficas obtenidas se encuentran los puntos críticos, trazando una línea tangente a la parte lineal de los datos y otra a los datos cuando tienen un comportamiento constante. En el punto donde se intersecan las dos líneas, se hace una bisectriz y ahí es el punto crítico. Los resultados se encuentran en la tabla 5. Después se procede a graficar tramos de la curva de sedimentación para hallar los valores de la altura del intercepto de cada línea tangente de los puntos de la curva como se muestra en la figura 2. Figura 2. Determinación de zi de líneas tangentes para una concentración de 9%
2
4.1 Resultados En la tabla 1 se muestran los parámetros con los cuales se trabajará para el diseño del sedimentador Tabla 1. Parámetros de diseño del sedimentador Fm (kg/s)
Csu (kg/m^3 ) 800 Los datos de concentración y altura iniciales en la probeta cambian respecto a las suspensiones. En las tablas 2, 3 y 4 se muestran los datos de tiempo y altura de interfase, a concentraciones de 9, 11 y 40% respectivamente
- 0 0 34.3 0. t (min) t (s) z (cm) z (m) Figura 3. Punto crítico en una suspensión de 9% en gráfica de altura de interfase vs tiempo Figura 4. Punto crítico en una suspensión de 11% en gráfica de altura de interfase vs tiempo
Tabla 8. zi de las líneas tangentes de la zona de curvatura de la suspensión de 40% Intercepto de las tangentes a 11% zi (m) 0. zi (m) 0. zi (m) 0. zi (m) 0. En la figura 6 se presenta la gráfica de área vs concentración para la suspensión de concentración del 9% 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 f(x) = − 0 x² + 0.35 x + 23. R² = 0. Área vs concentración Concentración (kg/m3) Área (m2) Figura 6. Área de sedimentador vs concentración a una suspensión de 9% En la figura 7, 8 y 9 se presentan los resultados de velocidad de sedimentación vs concentración para las tres suspensiones.
100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 0 0 f(x) = 0 x² − 0 x + 0 R² = 0. Velocidad de sedimentación vs concentración Concentración (kg/m3) Velocidad de sedimentación (m/s) Figura 7. Velocidad de sedimentación vs concentración para la suspensión de concentración de 9% 100 150 200 250 300 350 0 0 0 f(x) = 0 x² − 0 x + 0 R² = 0. Velocidad de sedimentación vs concentración Concentración (kg/m3) Velocidad de sedimentación (m/s) Figura 8. Velocidad de sedimentación vs concentración para la suspensión de concentración de 11%
Para una suspensión de concentración del 9% se obtuvo un área mínima de 84. m^2 y un diámetro de 10.34 m. En general, se obtuvo un comportamiento similar en las velocidades de sedimentación en la zona de curvatura, esto quiere decir que hay un buen comportamiento respecto al teórico. Se puede concluir que, a mayor concentración, menor es la velocidad de sedimentación, por lo que el área será mayor, al ser la velocidad inversamente proporcional al área.
6. REFERENCIAS GEANKOPLIS, 1993: , (GEANKOPLIS, 1993), (GEANKOPLIS, 1993: , (GEANKOPLIS, 1993), McCABE, SMITH, & HARRIOT, 2007: , (McCABE, SMITH, & HARRIOT, 2007), Bermudez, Camargo Betancur, Cruz Estrada, & Madrid Delgado, 2015: , (Bermudez, Camargo Betancur, Cruz Estrada, & Madrid Delgado, 2015),