Centrifugación y centrifugadores

la centrifugación es un proceso de separación que utiliza la acción de la fuerza centrífuga para promover la aceleración de partículas en una mezcla de sólido-líquido. Dos fases claramente distintas se forman en el recipiente durante la centrifugación:

El sedimento

Generalmente no tiene una estructura uniforme.

Debajo encuentra un ejemplo de un depósito de sedimento:

El centrifugado o el concentrado que es el líquido flotante.

A menudo claro, algunas veces nublado, debido a la presencia de las partículas coloidales muy finas que no se depositan fácilmente. Sin embargo puede también contener varias fases si el líquido intersticial de las mezclas contiene el elemento con diversas densidades, tales como aceites por ejemplo.

APLICACIONES EN EL TRATAMIENTO DEL AGUA

Fuerza centrifuga

En un recipiente cilíndrico que rota a una velocidad angular w(rad/s) o N (rpm) y contiene un anillo de liquido de un radio significativo R (m), la aceleración centrifuga Fc (m/s) a la que están sometidas las partículas son:

Fc = w2R = 0.011 N2R

La fuerza aplicable a cada partícula por unidad de peso viene expresada como:

Fc = 0.011 N2R (rs – rL) x 1/g = G (rs – rl),

con G = w2R / g = 0.11 N2R / 9.81 = 11.2 x 10-4 N2R
Donde rs : densidad de la partícula
rl : densidad del liquido intersticial

Centrifugadores

Los centrifugadores se encargan de la separación de las partículas mediante fuerza de aceleración gravitacional que se logra gracias a una rotación rápida. Este proceso puede provocar la sedimentación o suspensión de las partículas o puede conseguir la fuerza necesaria para la filtración a través de algún tipo de filtro.
La aplicación mas común es la separación de sustancias sólidas a partir de suspensiones altamente concentrados. Si se usa de esta manera para el tratamiento de las aguas residuales se consigue la deshidratación y creación de sedimento mas o menos consistente dependiendo de la naturaleza del lodo tratado, y la aceleración en concentrar o aumentar el grosor de lodo poco concentrado.

Principio
El método de separación es similar a la separación por gravedad. La fuerza motriz es mayor al ser resultado de la rotación del liquido: en el caso de la sedimentación, donde la fuerza motriz es el resultado entre las diferencias en densidad de las partículas sólidas y liquidas, la separación se logra con una fuerza del orden de 1000 a 20000 veces mayor que la gravedad.

Tipos
La mayoría de los centrifugadores rotan gracias a algún tipo de fuerza motriz. El tipo de centrifugadores para la sedimentación incluyen:

Los centrifugadores de sedimentos fueron inventados para la separación entre líquidos y sólidas y para los solidos no manejables. Pronto se llego a la conclusión de que este tipo de sistemas tiene una gran cantidad de aplicaciones adicionales desde la separación de sólidos e impurezas, hasta la separación de sólidos en líquidos.

Hidrociclones

La manera mas simple de utilizar la fuerza centrifuga para la separación son los hidrociclones. En realidad no es un centrifugador: ya que la separación centrifuga se producida por el movimiento del lodo, inducido por la inyección del material de alimentación de manera tangencial. El principio de operación se basa en el concepto de velocidad terminal de sedimentación de una partícula sólida en un campo centrifugo. El siguiente esquema describe las condiciones de operación de los hidrociclones.

El flujo de entrada entra tangencialmente (inlet) en la sección cilíndrica del hidrociclon que seguirá un camino circular con un flujo revertido de fluido desde afuera al eje del vortice (vortex finder).El campo centrifugo generado por las velocidades tan altas de circulación crearía un cono de aire en el eje que normalmente se extiende hasta la apertura guía (spigot or apex) en la base de la sección cónica (air core) a través del vortice (vortex finder) y hasta la sección de reborde o rebosamiento en la parte superior (overflow).Para que esto ocurra la fuerza centrifuga debe ser mucho mayor que la gravitacional. Las partículas que caen dentro del campo centrifugo tenderán a moverse hacia afuera en función de la mayor densidad. Las mayores, y mas pesadas migran rápidamente a las paredes de fuera de la sección cilíndrica y posteriormente forzadas a caer al interior de la pared cónica. Las partículas pequeñas, serán sin embargo atraídas hacia dentro por el fluido a medida que se mueven hacia el vortice (vortex finder). La separación sólida ocurrirá durante la suspensión a lo largo del recipiente del hidrociclon, de manera que genera lodo denso en la pared mas externa, que permite el flujo continuo del hidrociclon en la boquilla de retraso.

Campana tubular centrifuga

La campana tubular centrifuga ha sido usado durante mucho tiempo antes que otros sistemas de centrifugación. Se basa en simple geometría: su diseño consiste en un tubo, cuyo largo es de varias veces su diámetro que rotan entre apoyos a cada lado. El flujo del proceso entra en el fondo del centrifugador (feed suspension) y altas fuerzas centrifugas separan los sólidos que se adhieren a las pareces de la campana, mientras la fase liquida sale en la parte superior del centrifugador.

Debido a que este sistema carece de rechazo de sólidos, los sólidos solo se pueden eliminar parando el funcionamiento del aparato, desmontándolo y arrastrando o lavando los sólidos manualmente.

Estos centrifugadores campana tubular tienen capacidad de deshidratación, pero capacidad limitada de separación de sólidos. La espuma generada puede suponer un problema a no ser que se utilicen skimmer especiales o bomba centrípeta.

Cámaras-campana de centrifugación

Las cámaras- campana de centrifugación consiste en un numero de campanas tubulares organizadas de manera co-axial. Consiste en una campana principal que tienen divisiones cilíndricas insertadas que separan el volumen de la campana en una serie de cámaras anulares que operan en serie. El flujo de alimentación entra en el centro de la campana y la suspensión pasa a través de las distintas cámaras, que van aumentado la distancia del eje. Los sólidos sedimentan en las partes externas en las paredes de las cámaras y el liquido limpio se extrae mediante rebosamiento en la cámara de mayor diámetro. El sistema también supone una clasificación de sólidos en suspensión: las partículas principales se depositen en la cámara interior y las partículas finas en las cámaras subsecuentes. La eliminación de los sólidos sedimentadles necesita la parada de la rotación para su limpieza manual.

Separador de discos

El diseño mas limpio se basa en una cámara cerrada que contiene una pila de discos, donde cualquier sólido recogido en la parte externa de la cámara, desde donde se retiraran manualmente al parar la rotación. Los sólidos son extraídos de la cámara mediante una serie de métodos incluidos las boquillas, que se abren continuamente, y que permiten la retirada de lodo denso. En otros diseños mas complicados boquillas con válvulas se abren automáticamente cuando la profundidad del sólido en la amara alcanza cierto valor, y luego se cierra cuando los solidos han sido extraídos. El diseño mas complicado, consiste en una cámara abierta: donde las carcasas de la cámara se separan de manera circunferencial durante un corto periodo de tiempo, en donde esta apertura también viene condicionada por la profundidad de los sólidos en la cámara.

Centrifugador de cesta imperforada

Se usa cuando el contenido de sólidos en suspensión es muy alto. Consiste simplemente en una cesta o campana tambor, que normalmente rota en torno a un eje vertical. Los sólidos se acumulan y comprimen debido a la fuerza centrifuga pero no son deshidratados. El liquido residual drena al parar la rotación. la capa de sólidos se remueve manualmente mediante cepillado o retirada con pala. La descarga se puede conseguir mediante un skimmer y tubería para remover el liquido residual y después mediante la aplicación de una pala-cuchillo para cortar el sólido formado. Esto evita la parada del sistema para su limpieza.

Decantador

El decantador centrifugo es el unico decantador que ha sido preparado para el manejo de concentracion de solidos significativa en la suspension de alimentacion. Al mismo tiempo alcanza altos niveles de clarificacion del concentrado liquido. Aunque es una maquina de diseño complicado esta basado en un principio basico. Consiste en una camara cilindrica horizontal (1) que rota a alta velocidad, con un tornillo helicoidal de extraccion (2) situado co-axialmente. El tornillo se ajusta perfectamente al contorno de la camara, de manera que solo permite agua clara entre la camara y el rotador. La velocidad diferencial entre el tornillo y el rotador es lo que provoca un movimiento de arrastre para la recogida de los solidos, que se acumulan en las paredes de la camara.

1. Cono cilindro cónico
2. Tornillo Extracción helicoidal (rotador)
3. Alimentación
4. Distribuidor
5. Espacio entre anillos
6. Producto de sedimentación
7. Nivel liquido
8. Zona de secado
9. Liquido clarificado
10. Limite ajustamiento

El producto a ser tratado (3) se introduce axialmente en la unidad mediante un distribuidor apropiado (4). Es propulsado en el espacio anillo (5) que se forma en la superficie interna de la camara y el cuerpo del rotador. El proceso de rotacion tiene lugar dentro de la seccion cilindrica de la camara. La velocidad relativa del rotador empuja los productos sedimentados (6) a lo largo de la camara. El arrastre de los solidos en la longitud del cono permite los sedimentos pasar fuera de la fase liquida clarificada. Mientras la entrada de agua sea continua se establece un nivel liquido (7) en la unidad siguiendo la superficie cilindrica que constituye la superficie externa del anillo liquido. Una vez han pasado los solidos fuera del anillo liquido la seccion restante del cono produce el drenaje final hasta el eyecor o expulsor: esta seccion se conoce como zona de secado (8). El liquido clarificado (9) se colecta al otro extremo de la camara mediante un flujo dentro de un limite ajustable (10), que limite el anillo de liquido de la unidad. Una tapa permite la coleccion del liquido clarificado y los sedimentos y protege el rotor.

El decantador opera principalmente mediante la sedimentacion causada por la separacion de solidos en suspensión en función de la densidad del liquido donde se encuentran suspendidos. Si la diferencia de desidad es mayor que la gravedad esto provoca una fueraz motriz suficiente para la separacion en un tiempo razonable. Si la desidad es pequeña, o el tamaño de las particulas es pequeño, entonces la separacion por gravedad se produce durante mucho tiempo y la fuerza de separacion debe aumentarse mediante fuerzas centrifugas mayores que la gravedad.

Ventajas

La principal ventaja del decantador es la posibilidad de remover sólidos separados en zonas de separación especificas de manera continuada. En comparación con:

  • Sedimentación por gravedad: el decantador puede alcanzar separaciones que serian muy difícil en un clarificador o separador en laminas, y además produce sólidos mas secos.

  • Hidrocliclones: el decantador tiene una mayor capacidad de liquido, puede manejara mayores concentraciones de lodo y producir sólidos mas secos.

  • Campana tubular centrifuga: el decantador ofrecer mayores capacidades, puede manejar mayores concentraciones de lodo y producir sólidos mas secos.

  • Centrifugador de cesta imperforada: el decantador opera de manera continuada, puede puede manejar mayores concentraciones de lodo y producir sólidos mas secos.

  • Separador de discos: el decantador tiene una operación continuada, puede puede manejar mayores concentraciones de lodo y producir sólidos mas secos.

Las ventajas del decantador son que se puede utilizar para un mayor rango de usos potenciales, además de su continua operación, la posibilidad de aceptar grandes rangos de concentraciones de alimentación al sistema, y la disponibilidad para una gran variedad de capacidades del flujo de alimentación al sistema.

Aplicaciones

El decantador centrífugo puede separar la mayoría de tipos de liquido/ sólido. Se puede utilizar para la clasificación de sólidos en líquidos en suspensión o para la clarificación de líquidos. Además también se puede utilizar en la recuperación de sólidos de valor desde el liquido en suspensión lavando el solido recuperado. El decantador también puede desagüar los lodos consiguiendo un nivel muy alto de secado y finalmente puede ser operado para actuar como un espesante, produciendo liquido claro y lodo mas concentrado.

Referencias

Tratamiento de los lodos
Estabilizacion
Espesamiento
Deshidratación
Secado de los lodos

Filtro de prensa para el tratamiento de lodos
Centrifugación y centrifugadores

General

Tipo de lodos
Compuestos de los lodos
Parámetros de los lodos
crecimiento copioso de organismos filamentosos

Source: Water treatment handbook, Degremont 1991







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