documento 13 2013-2

Operaciones con Slidos, d13 2013-2, UdeA

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DOCUMENTO 13: FLOTACIN INTRODUCCIN La flotacin es una operacin fsica unitaria, esto es, un mtodo de tratamiento en el que predominan los fenmenos fsicos, que se emplea para la separacin de partculas de una fase lquida, o de una mezcla slido - slidos. La separacin se consigue introduciendo finas burbujas de gas, normalmente aire, en la fase lquida. Las burbujas se adhieren a las partculas, y la fuerza ascensorial que experimenta el conjunto partcula-burbuja de aire hace que suban hasta la superficie del lquido. De esta forma, es posible hacer ascender a la superficie partculas cuya densidad es mayor que la del lquido, adems de favorecer la ascensin de las partculas cuya densidad es inferior, como el caso del aceite en el agua. Una vez las partculas se hallan en superficie, pueden recogerse mediante un rascado superficial En el tratamiento de aguas residuales, la flotacin se emplea para la eliminacin de la materia suspendida y para la concentracin de los fangos biolgicos. La principal ventaja del proceso de flotacin frente al de sedimentacin consiste en que permite eliminar mejor y en menos tiempo las partculas pequeas o ligeras cuya deposicin es lenta. Su uso est generalizado para las aguas industriales y no tanto para las urbanas. APLICACIONES Tratamiento de aguas residuales para remover material suspendido Concentrar lodos biolgicos Separa grasas, aceites, fibras y otros materiales de baja densidad Espesamiento de lodos qumicos DESCRIPCIN La flotacin como proceso de descontaminacin se realiza con microburbujas, de dimetros del orden de 15-100 micrmetros y con burbujas medianas (100-600 micras). En el primer caso, la capacidad de remocin de carga de estas burbujas es muy pequea, sin embargo, hoy en da existen tcnicas y equipos que generan burbujas de tamao intermedio. Las burbujas se aaden, o se induce su formacin, mediante uno de los siguientes mtodos:

Aireacin a presin atmosfrica (flotacin por aireacin).

Saturacin con aire a la presin atmosfrica, seguido de la aplicacin del vaco al lquido (flotacin por vaco).

Inyeccin de aire en el lquido sometido a presin y posterior liberacin de la presin a que est sometido el lquido (flotacin por aire disuelto FAD).

Flotacin por espuma Normalmente, se suelen aadir determinados compuestos qumicos para facilitar el proceso de flotacin. En su mayor parte, estos reactivos qumicos funcionan de manera que crean una superficie o una estructura que permite absorber o atrapar fcilmente las burbujas de aire. Los reactivos qumicos inorgnicos, tales como las sales de hierro o de aluminio y la slice activada, se emplean para agregar las partculas slidas, de manera que se cree una estructura que facilite la absorcin de las burbujas de aire. Tambin se pueden emplear diversos polmeros orgnicos para


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modificar la naturaleza de las interfases aire-lquido, slido lquido, o de ambas a la vez. Por lo general, estos compuestos actan situndose en la interfase para producir los cambios deseados. FLOTACIN POR AIREACIN En los sistemas de flotacin por aireacin, las burbujas de aire se introducen directamente en la fase lquida por medio de difusores o turbinas sumergidas. La aireacin directa durante cortos periodos de tiempo no es especialmente efectiva a la hora de conseguir que los slidos floten. La instalacin de tanques de aireacin no suele estar recomendada para conseguir la flotacin de las grasas, aceites y slidos presentes en las aguas residuales normales, pero ha resultado exitosa en el caso de algunas aguas residuales con tendencia a generar espumas. FLOTACIN POR VACO La flotacin por vaco consiste en saturar de aire el agua residual directamente en el tanque de aireacin, o permitiendo que el aire penetre en el conducto de aspiracin de una bomba. Al aplicar un vaco parcial, el aire disuelto abandona la solucin en forma de burbujas diminutas. Las burbujas y las partculas slidas a las que se adhieren ascienden entonces a la superficie para formar una capa de espuma que se elimina mediante un mecanismo de rascado superficial. La arena y dems slidos pesados que se depositan en el fondo, se transportan hacia un cuenco central de fangos para su extraccin por bombeo. En el caso de que la instalacin est prevista para la eliminacin de las arenas y si el fango ha de ser digerido, es necesario separar la arena del fango en un clasificador de arena antes del bombeo a los digestores. La instalacin est compuesta por una cuba cilndrica cubierta, en la que se mantiene un vaco parcial, que incluye mecanismos para la extraccin de fangos y espumas. La materia flotante se barre continuamente hacia la periferia de la cuba, donde se descarga automticamente a una arqueta de espumas de donde se extrae de la instalacin por bombeo, asimismo, en condiciones de vaco parcial. El equipo auxiliar incluye un caldern para saturar de aire el agua residual, un tanque que proporciona un tiempo de detencin corto para la eliminacin de las burbujas grandes y las bombas de fangos y de espumas.. FLOTACIN POR AIRE DISUELTO (FAD) En los sistemas FAD (Flotacin por Aire Disuelto), el aire se disuelve en el agua residual a una presin de varias atmsferas, y a continuacin se libera la presin hasta alcanzar la atmosfrica. En las instalaciones de pequeo tamao, se puede presurizar a 275-230 kPa mediante una bomba la totalidad del caudal a tratar, aadindose el aire comprimido en la tubera de aspiracin de la bomba. El caudal se mantiene bajo presin en un caldern durante algunos minutos, para dar tiempo a que el aire se disuelva. A continuacin, el lquido presurizado se alimenta al tanque de flotacin a travs de una vlvula reductora de presin, lo cual provoca que el aire deje de estar en disolucin y que se formen diminutas burbujas distribuidas por todo el volumen de lquido. En las instalaciones de mayor tamao, se recircula parte del efluente del proceso de FAD (entre el 15 y el 20 por ciento), el cual se presuriza, y se semisatura con aire. El caudal recirculado se mezcla con la corriente principal sin presurizar antes de la entrada al tanque de flotacin, lo que provoca que el aire deje de estar en disolucin y entre en contacto con las partculas slidas a la entrada del tanque. Las principales aplicaciones de la flotacin por aire disuelto se centran en el tratamiento de vertidos industriales y en el espesado de fangos.


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ANTECEDENTES HISTRICOS DEL SISTEMA FAD: El proceso de flotacin por aire disuelto surgi en 1924 en los pases escandinavos y fue desarrollado inicialmente para la recuperacin de fibras en la industria del papel. Los principales hitos en el desarrollo de equipos y procesos FAD son descritos en la siguiente tabla (Tabla 1) Tabla 1. Hitos en el desarrollo de los sistemas FAD.

1924

Primera generacin. Celdas Pedersen, rasas con capacidad de proceso de 2-3m/h.

1960

Segunda generacin ("convencionales"). Celdas mas profundas y con mayores flujos superficiales (5-7 m/h).

1970

Unidades FAD con filtros en la parte inferior. En estas condiciones el flujo superficial aumenta y el flujo de lquido es direccionado hacia el sistema de filtracin. La capacidad aument para 10-15 m/h.


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1990

Tercera generacin. Unidades FAD turbulentas con capacidades de procesamiento hasta 40 m/h. En estas celdas, la zona de "captura" de slidos por burbujas es horizontal y profunda. El estanque de separacin es profundo y el filtro se substituye por cilindros perforados que direccionan el flujo del lquido.

Hoy en da se reconoce a la FAD como uno de los ms econmicos y efectivos mtodos de recuperacin-remocin de slidos y iones, el tratamiento de aguas de procesos VENTAJAS E INCONVENIENTES DEL SISTEMA FAD: La creciente utilizacin de la FAD en todos los campos, se debe a las diversas ventajas con relacin al proceso de coagulacin-sedimentacin. Entre otras pueden ser citadas: Alta eficiencia (incluyendo cintica) en la remocin de slidos. Menor rea requerida para instalacin. El equipo de flotacin ocupa apenas una fraccin del rea ocupada por unidades de sedimentacin (para capacidades similares). Mayor eficiencia en la remocin de DBO que otros procesos de separacin. Alta tasa de separacin (o flujo superficial). Existen unidades FAD modernas con capacidad hasta de 40 m/h (m3/m2*h). Esto permite su aplicacin en efluentes voluminosos. Remocin de microorganismos y precipitados difciles de sedimentar y filtrar. Las desventajas observadas son: Comparada con la sedimentacin, la FAD es ms sensible a variaciones de temperatura, concentracin de slidos en suspensin (> 3-4 %), recargas hidrulicas y principalmente a variaciones en las caractersticas qumicas y fsico qumicas de los slidos en suspensin. Costos operacionales elevados, principalmente cuando existe necesidad de un riguroso control automtico, de parmetros y dosis de reactivos.

1995 Cuarta generacin. Unidades FAD en co-corriente. Desaparece la zona de captura y el sistema de difusin (inyeccin) de las microburbujas se sita en el medio del estanque de separacin (Eades y Brignall, 1995).


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DESCRIPCIN DEL PROCESO FAD: El proceso se compone de los siguientes subprocesos: Saturacin de agua con aire a presin > 3 atmsferas. Este proceso tiene como objetivo disolver aire en agua a presin elevada para proveer, una vez reducida la presin, del gradiente de concentracin de aire y energa necesario para la formacin de microburbujas. La disolucin de aire en agua depende de la temperatura y presin. La cintica de disolucin depende de las caractersticas del sistema de saturacin. Esta se lleva a cabo en "saturadores" o estanques hermticos resistentes a la presin, operando en continuo con alimentacin de agua y aire. Una de las formas ms utilizadas para contactar el aire con el agua es un sistema que emplea un empaque (anillos Rashing) por el cual se distribuye el agua bajo presin y se contacta ntimamente con el aire. Este ltimo mtodo es el ms utilizado en el mbito industrial.

Fig 1. Saturador de aire Lecho de percolacin con anillos de Raschig. Generacin de microburbujas, va cavitacin-nucleacin en constrictores de flujo (venturi, vlvulas de aguja, placas de orificio). Estas se producen en los constrictores de flujo, situados entre el saturador y la celda de flotacin. La seleccin de este sistema de constriccin del flujo es importante porque de su eficiencia depende la distribucin de tamao de burbujas y la cantidad de aire "liberado", dos de los factores de mayor importancia en la FAD. Por ejemplo, simples constricciones de placas con orificios de dimetro variable son baratos y eficientes, consiguiendo valores de "liberacin", del orden de 90 % del aire disponible. La energa transferida en el proceso de expansin y generacin de burbujas depende de la tensin superficial lquido/aire y de la diferencia de presin entre el saturador y la constriccin. La energa requerida en la generacin de burbujas, en la constriccin de flujo, ser menor cuanto menor sea la tensin superficial y mayor la diferencia de presiones entre la salida del saturador y el constrictor. Despus de la expansin, las cavidades llevan un tiempo para alcanzar el tamao de las burbujas. La "precipitacin" del aire en la forma de burbujas no es total en esta


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expansin a travs del constrictor y muchas burbujas son "nucleadas" y formadas en superficies slidas.

Fig 2. Constrictor de flujo tipo venturi Flotacin y remocin de slidos flotados (zona de separacin). La flotacin propiamente dicho ocurre en un tanque que recibe la suspensin proveniente de la zona de contacto y tiene por objetivo separar las fases flotada y efluente tratado (agua). Los sistemas de descarga del agua tratada, normalmente por el fondo, emplean mecanismos especiales, como canaletas provistas de ranuras que las atraviesan longitudinalmente por su parte inferior, o dispositivos que minimizan la formacin de corrientes de agua. El parmetro ms importante que debe ser considerado en el diseo de esta etapa, es el "flujo superficial" que es una medida del tiempo de residencia medio del fluido dentro del estanque. En relacin con el producto flotado, su extraccin es normalmente realizada con un raspador (colector) mecnico que atraviesa lentamente la superficie de la unidad de flotacin o situado en el extremo final del estanque separador. La cantidad de aire que puede disolverse en un volumen dado de agua depende de la temperatura y la presin a 1 atmsfera. Tabla 1. Solubilidad del aire en agua, en condiciones de saturacin

T C Solubilidad (s*) (ml aire/litro agua)

Presin de vapor (p) (mmHg)

0 29.2 5

10 22.8 9

20 18.78 18

30 15.7 32

Los valores de saturacin de aire disuelto en agua a presiones diferentes de 760 mmHg, son calculados a partir de los valores de la tabla 1 mediante la ecuacin 1:

p

pP

s

s

760* (ec. 1)

s*: Concentracin de aire en agua a presin atmosfrica (ml aire/litro de agua, Tabla 1) s: Concentracin de aire en agua a presin P (ml aire/litro de agua) P: Presin absoluta (mmHg) p: Presin de vapor saturado de agua a la temperatura del agua (mmHg). El aire liberado por una reduccin de presin en le sistema de flotacin por aire disuelto (Fig. 3) se evala a partir de la diferencia de solubilidades segn la ecuacin 2.


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Fig. 3 Tanque de flotacin con aire disuelto sin recirculacin.

)()(5.0* pPpPpP

sss fpfp

(ec. 2)

sp: Concentracin del aire en agua a la presin del tanque de presurizacin (mi aire/ litro de agua) sf: Concentracin del aire en agua a la presin del tanque de flotacin (mi aire/ litro de agua) Pp: Presin absoluta en el tanque de presurizacin (mmHg) Pf: Presin absoluta en el tanque de flotacin (mmHg) El dimencionamiento de un sistema de un FAD depende principalmente de la relacin entre la masa de aire y la masa de slidos, requerida para alcanzar un determinado grado de clarificacin y de velocidad de remocin de efluente clarificado. La relacin entre la masa de aire y la masa de slidos esta dada por la ecuacin 3.

)()(5.0*)(

)(pPpP

CspP

s

Ms

Mafp

a

(ec. 3)

Ma: Masa de aire liberado (gr) Ms: Masa de slidos flotados (gr) Cs: Concentracin de slidos suspendidos en el afluente (mg/ml)

a: Densidad del aire a las condiciones del tanque de flotacin (g/l) Normalmente la relacin entre la masa de aire y la masa de slidos suspendidos (Ma/Ms) varia entre 0.005 y 0.06 y la velocidad vde ascenso de las burbujas o velocidad de remocin de efluente clarificado vara entre 0.136 y 2.72 litros/(m2 seg). La ecuacin 4 corresponde a un sistema de flotacin con aire disuelto y recirculacin, operando de manera que solo se presuriza el caudal recirculado.


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)()(5.0*)(

)(pPpP

CsQpP

Rs

Ms

Mafp

a

(ec. 4)

Q: Caudal afluente al tanque de flotacin (litros de suspensin/seg) R: Caudal recirculado (litros /seg). La ecuacin 5 corresponde a un sistema de flotacin con aire disuelto y recirculacin, operando de manera que se alimenta al tanque de presurizacin el caudal Q afluente al sistema adems del caudal R recirculado.

)()(5.0*)(

)()(pPpP

CsQpP

RQs

Ms

Mafp

a

(ec. 5)

Fig. 4. Tanque de flotacin con aire disuelto y recirculacin

FLOTACIN POR ESPUMA Es muy usado en el beneficio de minerales, con el propsito de obtener concentrados de minerales valiosos y otros minerales como subproductos. Recupera minerales molidos de tamao menor de 65 mallas minerales livianos como carbn (no metlicos) menores de 28 mallas. Las partculas slidas se mantienen agitadas con agua sobre la que se mantiene una capa de espuma espesa, debido a las propiedades superficiales de los cuerpos, uno de ellos absorbe con ms facilidad el agua y flota, formando una espuma que puede hacerse rebosar continuamente por el borde superior de la cuba de flotacin. APLICACIONES

Beneficio de minerales

Separacin de cscaras de granos

Recuperacin de tintas

Separacin de sales La pulpa (mezcla a separar) se lleva a un depsito tanque de agitacin con la finalidad de recubrir el slido con el adecuado reactivo de flotacin para su posterior separacin, el rebose del depsito de acondicionamiento alimenta a una clula de flotacin, en la que se tiene lugar una primera separacin. El producto flotado se llama


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concentrado cuando contiene el mineral deseado, los productos restantes se hunden en el agua y se llaman colas estriles y se descargan por el fondo. REACTIVOS DE FLOTACIN Colectores y promotores Reciben este nombre aquellos reactivos que siendo absorbidos sobre la superficie de la partcula en forma de pelculas muy finas, determinan un aumento en el ngulo de contacto, proporcionando a la superficie la propiedad de asemejarse a un hidrocarburo; el petrleo es el colector ms tpico, tambin podemos encontrar entre los colectores al aceite de pino, xantanos, ditiofosfatos, aminas, queroseno, cido creslico, alcoholes alifticos, etc. Espumantes Son necesarios para evitar la coalescencia de las burbujas de aire cuando llegan a la superficie, manteniendo una espuma persistente. Tienden a disminuir la tensin superficial del agua, entre estos encontramos alcoholes de alto peso molecular, cido creslico, aceite de pino y aceite de eucalipto. Modificadores activadores Se utilizan para activar la capacidad de absorcin de los reactivos colectores, reaccionan con la superficie del slido. Depresores Disminuyen la flotabilidad de algunos minerales y permiten la flotacin de otros. CELDAS DE FLOTACIN Las celdas de flotacin son dispositivos en los que se efecta la flotacin de minerales separndolos de las colas residuales, est formado por un depsito provisto por un canal alimentador, un rebosadero para la espuma y un depsito de descarga para las colas, as como una conduccin apropiada para la introduccin del aire necesario para la formacin de espumas y para la agitacin. CLASIFICACIN Neumticas Utilizan aire comprimido para la agitacin, lo que proporciona una agitacin suave, en estos sistemas la espuma producida est libre de colas. Mecnicas Utilizan un agitador mecnico que incorpora aire y lo amasa con la pulpa, la agitacin es ms violenta y la flotacin es mejor, pero la espuma tiene algo de colas.

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