Sedimentación

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Sedimentación

  1. 1. LABORATORIO Nº 04: “SEDIMENTACIÓN” I. INTRODUCCIÓN La sedimentación es la operación unitaria que consiste en separar por acción de la gravedad, un sólido finamente dividido del líquido en el que esta suspendido. Como resultado de este proceso se obtiene un líquido claro (exento o con muy bajo contenido de sólidos) y una pasta más o menos espesa con un elevado contenido en sólidos. La sedimentación es, en esencia, un fenómeno netamente físico y constituye uno de los procesos utilizados en el tratamiento del agua para conseguir su clarificación. Está relacionada exclusivamente con las propiedades de caída de las partículas en el agua. Cuando se produce sedimentación de una suspensión de partículas, el resultado final será siempre un fluido clarificado y una suspensión más concentrada. A menudo se utilizan para designar la sedimentación los términos de clarificación y espesamiento. Se habla de clarificación cuando hay un especial interés en el fluido clarificado, y de espesamiento cuando el interés está puesto en la suspensión concentrada. II. OBJETIVOS  Determinar experimentalmente la velocidad de sedimentación de jugo de manzana a diferentes concentraciones. III. FUNDAMENTO TEÓRICO SEDIMENTACIÓN. La sedimentación es una operación unitaria consistente en la separación por la acción de la gravedad de las fases sólida y líquida de una suspensión diluida para obtener una suspensión concentrada y un líquido claro. La sedimentación remueve las partículas más densas, mientras que la filtración remueve aquellas partículas que tienen una densidad muy cercana a la del agua o que han sido suspendidas y, por lo tanto, no pudieron ser removidas en el proceso anterior. Existen tres tipos de sedimentación: discreta, con floculación y por zonas. Esta operación unitaria puede llevarse a cabo de forma continua o intermitente. Los sedimentadores industriales, operan normalmente en régimen continuo. A. TIPOS DE SEDIMENTACIÓN. Se pueden distinguir dos tipos de sedimentación, atendiendo al movimiento de las partículas que sedimentan:   Sedimentación libre: se produce en suspensiones de baja concentración de sólidos. La interacción entre partículas puede considerarse despreciable, por lo que sedimentan a su velocidad de caída libre en el fluido. Sedimentación por zonas: se observa en la sedimentación de suspensiones concentradas. Las interacciones entre las partículas son importantes, alcanzándose velocidades de
  2. 2. sedimentación menores que en la sedimentación libre. La sedimentación se encuentra retardada o impedida. Dentro del sedimentador se desarrollan varias zonas, caracterizadas por diferente concentración de sólidos y, por lo tanto, diferente velocidad de sedimentación. En la Figura 1 se representa el proceso de sedimentación por zonas en una probeta. Este proceso consta de las siguientes etapas: en un principio el sólido, que se encuentra con una concentración inicial x0 (figura 1a), comienza a sedimentar (figura 1b), estableciéndose una interfase 1 entre la superficie de la capa de sólidos que sedimentan y el líquido clarificado que queda en la parte superior (zona A). La zona por debajo del líquido clarificado se denomina zona interfacial (zona B). La concentración de sólidos en esta zona es uniforme, sedimentando toda ella como una misma capa de materia a velocidad constante Vs. Esta velocidad de sedimentación puede calcularse a partir de la pendiente de la representación de la altura de la interfase 1 frente al tiempo, tal y como se muestra en la figura 2. Simultáneamente a la formación de la interfase 1 y de la zona interfacial, se produce una acumulación y compactación de los sólidos en suspensión en el fondo de la probeta, dando lugar a la denominada zona de compactación (zona D). En esta zona la concentración de sólidos en suspensión es también uniforme y la interfase que bordea esta zona, interfase 2, avanza en sentido ascendente en el cilindro con una velocidad constante V. Entre la zona interfacial y la zona de compactación se encuentra la zona de transición (zona C). En esta zona la velocidad de sedimentación de los sólidos disminuye debido al incremento de la viscosidad y de la densidad de la suspensión, cambiando la concentración de sólido gradualmente entre la correspondiente a la zona interfacial y la de la zona de compactación. Las zonas de compactación e interfacial pueden llegar a encontrarse, produciéndose la coalescencia de las dos interfases anteriormente citadas, en el denominado momento crítico tc, desapareciendo la zona de transición (figura 1c). En este momento el sólido sedimentado tiene una concentración uniforme Xc o concentración crítica, comenzando la compactación y alcanzándose, posteriormente, la concentración final Xu (figura 1d). Figura 1. Proceso de Sedimentación por zonas.
  3. 3. La velocidad de sedimentación en el momento tc corresponde a un valor Vc dado por la pendiente de la tangente a la curva de sedimentación en el punto C, tal y como se indica en la figura 2 donde Vc< Vs. Figura 2. Representación grafica de la altura frente al tiempo. Dependiendo de cómo se realice la operación, la sedimentación puede clasificarse en los siguientes tipos:  Sedimentación intermitente: el flujo volumétrico total de materia fuera del sistema es nulo, transcurre en régimen no estacionario. Este tipo de sedimentación es la que tiene lugar en una probeta de laboratorio, donde la suspensión se deja reposar.  Sedimentación continua: la suspensión diluida se alimenta continuamente y se separa en un líquido claro y una segunda suspensión de mayor concentración. Transcurre en régimen estacionario. B. APLICACIONES.     Se incluye la eliminación de sólidos de aguas negras. La sedimentación de cristales del licor madre. La separación de mezclas líquido-líquido provenientes de la etapa de extracción con disolvente de un sedimentador. La sedimentación de partículas alimenticias sólidas de un líquido preparado.
  4. 4.  La sedimentación de una suspensión en el proceso de lixiviación de la soya. Las partículas pueden ser de tipo sólido o gotas de líquido, el fluido puede ser un líquido o un gas y estar en reposo o en movimiento. IV. MATERIALES Y MÉTODOS MATERIALES Material biológico   Manzanas Agua Equipos    Probeta (provista de una escala graduada en mm a fin de poder medir directamente la altura que se encuentra la superficie de separación de las zonas, a intervalos regulares de tiempo) Cronómetro Balanza analítica METODOLOGÍA        Se lavan las manzanas a utilizar en la prueba de sedimentación. Se cortan y se utilizan para luego licuarlas y sacar jugo de ellas. El jugo de las manzanas se separan en diferentes muestras y se mezclan con agua en diferentes concentraciones (1/4 y 1/10). Se hecha la nueva mezcla en la probeta mas grande (1L). Se deja la probeta sobre la mesa de laboratorio y se empieza a medir el tiempo. Se toma mediante la ayuda de un cronómetro el tiempo que tardará en sedimentar el jugo de manzana. Se tomará apunte de los tiempos y de las alturas marcadas en la probeta.
  5. 5. V. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Tabla1. Datos de manzana en la concentración de 500/2000. t (min) 3 5 6.5 8 h (cm) 3.1 6.3 7 7.9 9 8 7 h (cm) 6 TANGENTE 5 4 3 2 1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 t (min) Figura 3. Datos de la manzana en concentración de 500/2000. t (min) vs. h (cm) La velocidad = Tangente =7.9 cm / 7.8min= 1.6880 x 10-4 m/s Según Philippe, (1995); para el gráfico de Altura de Sedimentación vs Tiempo, existe una primera fase en la que esta altura disminuye de manera constante con el transcurso del tiempo hasta llegar a un punto crítico, a partir de la cual se observan dos zonas: de clarificación y de compresión. En la tabla 1 y Figura 1, presentadas se comprueba que no coincide con las afirmaciones anteriormente mencionadas, este puedo deberse que no se usó ningún otro compuesto para que la solución de manzana sedimente y su altura descienda.
  6. 6. Tabla2. Datos de manzana en la concentración de 100/1000. t (min) 2 4 6 8 11 h (cm) 1.3 4.7 8.8 10.4 11.5 14 12 h (cm) 10 TANGENTE 8 6 4 2 0 0 2 4 6 8 10 12 t (min) Figura 4. Datos de manzana en concentración de 100/1000 en donde t (min) vs. h (cm). La velocidad = Tangente=10.8cm / 10.3 min = 1.7476 x 10-4 m/s. Según Philippe, (1995); cada Figura en la sedimentación del almidón de maíz ,nos debe mostrar el comportamiento de la curva de sedimentación del almidón de maíz en una probeta de una altura (H) en un tiempo (t) a cada concentración, mostrando pendientes diferentes en función de la concentración de CaCO3, éstas pendientes suelen ser más altas cuando la concentración es menor indicando que las velocidades de sedimentación son más altas en éstas etapas debido a que a menor cantidad de partículas existe menos interferencia en la caída Comparando lo dicho por Philippe (1995), en las figuras 3 y 4 nos muestra un comportamiento que a una menor concentración del jugo de manzana en la probeta nos da una mayor velocidad de sedimentación 1.7476 x 10-4 m/s. debido a que en la Tabla 2 la concentración fue de 100/1000; y en tabla 1 a una mayor concentración de jugo de manzana de 500/2000 nos da una menor velocidad de 1.6880 x 10-4 m/s. Entonces si contrasta con lo expuesto por el autor. Según Cheng, et al (1955), la velocidad de sedimentación de las partículas presentes en una suspensión sufre una caída monótona de su valor, a medida que su concentración volumétrica aumenta. El origen de este fenómeno se encuentra en la variación que sufre el comportamiento de las fuerzas hidrodinámicas, osmóticas y electroquímicas entre las partículas a medida que su
  7. 7. concentración aumenta. Este fenómeno depende, además, del tamaño de las partículas presentes en la suspensión, ya que para suspensiones conformadas por partículas cuyo diámetro medio sea mayor a 100 μm, las fuerzas osmóticas y electroquímicas se pueden despreciar. Comparando lo expuesto por Cheng , et al (1955); vemos que las velocidades del jugo de manzana en sus diferentes concentraciones fueron aumentando a medida que había una baja concentración en su composición es así que a una concentración de 100/1000 tenemos una velocidad de 1.7476 x 10-6 m/s y a una concentración de 500/2000 tenemos una velocidad de 1.6880 x 10-4 m/s; entonces podemos afirmar que el origen de este fenómeno se encuentra en la variación que sufre el comportamiento de las fuerzas hidrodinámicas, osmóticas y electroquímicas entre las partículas a medida que su concentración aumenta y a la vez dependerá de tamaño de las partículas. Según Rivera et al, (2005); la relación de la altura de interfase de sedimentación en función del tiempo, muestran pendientes diferentes en función de la concentración de almidón, éstas pendientes son más altas cuando la concentración es menor indicando que las velocidades de sedimentación son más altas en éstas etapas debido a que a menor cantidad de partículas existe menos interferencia en la caída, tal y como se mostrará mas adelante. Comparando lo expuesto por el autor con las tablas 1 y 2 y figuras 3 y 4; vemos que a una mayor pendiente la concentración es menor y eso es cierto debido que a una concentración de 100/1000 la velocidad será 1.7476 x 10-4 m/s. y que a una concentración de 500/2000 la velocidad será de 1.6880 x 10-4 m/s. es decir las velocidades son mas altas a una menor concentración de partículas. VI. CONCLUSIONES  se determinó experimentalmente la velocidad de sedimentación del jugo de manzana en las concentraciones de 100/1000 y 500/2000 obteniendo para el primer caso una velocidad de 1.7476 x 10-4 m/s y para el segundo caso 1.6880 x 10-4 m/s, concluyendo que a una menor concentración de partículas habrá una mayor velocidad de sedimentación y que a una mayor concentración de partículas habrá una menor velocidad de sedimentación. VII. RECOMENDACIONES   La preparación de la suspensión debe ser estable, lo que significa que el líquido adquiera las características de un electrolito que impida la formación de aglomerados (grupos de partículas, las que dependiendo del potencial Z que posean se agrupen formando un aglomerado, el que obviamente presenta una mayor velocidad de sedimentación y genera así la aparición de una aparente segunda forma modal, entendiendo como modo al conjunto de partículas de un similar tamaño y/o diámetro). Una correcta dispersión de la suspensión, permitirá la formación de aglomerados y de flóculos que interfieren en la medición.
  8. 8. VIII. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS CHENG, P. SCHACHMAN, H. (1955). “Studies on the validity of the Einstein viscosity law and Stokes law of sedimentation”. Journal Polymer Sci. 16, pp. 19-30. PHILIPPE, D. (1995). Seminario textura y reología de alimentos. Memorias, Dpto. Eng. Alimentos, Universidad del Valle, Cali-Colombia. RIVERA, F., GUTIÉRREZ, A., VAL, R., APARICIO, J. Y DIAZ, L. (2005). La medición de sedimentos en México IMTA, México. IX. ANEXOS Vertido de la suspensión en la probeta Inicio de la sedimentación

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