CENTRIFUGAS DE SEDIMENTACION1. IntroduccinUna partcula determinada sedimenta por accin de la gravedad en un fluido dado con una determinada velocidad mxima. En las separaciones de fluidos-solidos (normalmente lquidos) se utiliza la fuerza centrfuga tanto en operaciones de sedimentacin como de filtracin. En ambos casos se reemplaza la fuerza de gravedad, que es ms dbil, con el resultado que se obtiene una separacin ms rpida (menor tiempo de residencia) y tortas de solido que contienen menos lquido, as como su tamao mucho menor para una determinada capacidad, aunque mayores costes energticos.La centrifugacin est basada en la distinta velocidad de desplazamiento de las partculas en un medio lquido al ser sometidas a un campo centrfugo y es aplicable a separaciones slido-lquido y a la separacin de dos lquidos inmiscibles con o sin la presencia de slidos. Tanto una como otra se basan en la diferencia de densidades entre ambas fases. Las centrifugas de sedimentacin separan o concentran partculas de slidos en un lquido, haciendo que migren a travs del fluido en direccin radial hacia el eje de rotacin o alejndose de l, segn la diferencia de densidades entre las partculas y el lquido. Si no hay diferencia de densidad de las fases, la centrifuga no logra efectuar la separacin.2. Tipos de centrifugas de sedimentacinExisten varios tipos de centrifugas de sedimentacin: Centrifuga de laboratorio por lotes Centrifuga de tazn tubular Centrifuga de cmaras mltiples Centrifuga de disco Centrifuga de disco con descarga perifrica Centrifuga de cmara solido Centrifuga de cmara cilndrica (multi-cmara) Centrifuga decantadora continua (con transportador helicoidal) Centrifugas de descarga de cuchilla Centrifuga Ter-Meer sin tamiz Centrifuga de cmara y transportador Ciclones3. DiseoCualquier mquina que aplique una fuerza centrfuga con un fin practico recibe el nombre de centrifuga. En general una centrifuga consta de las siguientes partes:1. Un rotor o recipiente en el cual se aplica la fuerza centrfuga al contenido.1. Un eje propulsor1. Cojines del eje propulsor1. Sellos (cuando se desea que el contenido del sistema est a presin)1. Un mecanismo impulsor (por lo comn, una turbina o un motor elctrico) para hacer girar el eje y el rotor1. Un marco para alinear y sostener estos elementos1. Una caja o cubierta para segregar los productos separadosEn las centrifugas industriales, la aceleracin centrifuga es un mltiplo elevado de la aceleracin gravitacional. La fuerza centrfuga se obtiene por medio de:

Donde, Fc es la fuerza centrfuga, expresada en mltiplos de la gravedad, n la velocidad de rotacin, en rpm y Db, el dimetro del tazn expresado en pulgadas (in).La rotacin en un tazn centrifugo con material crea un esfuerzo sobre el equipo. El esfuerzo total ejercido en la pared del tazn, St lbf/in^2 es

Donde m es la densidad del material de construccin de la pared del tazn, lbm/ft^3, es la densidad promedio del material en el recipiente, lb/ft^3 y Di es el dimetro de la superficie interna del material en el tazn, en pulgadas (in), y es el espesor de la pared, en in.La mayora de las centrifugas comerciales estn diseadas para que entre el 45 y 65% del esfuerzo total sea debido a la auto-fatiga por la rotacin equivalente al tazn vaco.Las ecuaciones (1) y (2) demuestran que la fuerza centrfuga aumenta con el dimetro Db y que la auto-fatiga varia con Db^2. Puesto que el auto-esfuerzo limita la velocidad segura de funcionamiento de una centrifuga, esto quiere decir que con un material dado de construccin, se obtiene una fuerza centrfuga elevada con un dimetro pequeo; pero que en un recipiente grande, la fuerza centrfuga mxima es relativamente pequea.Los tazones de centrifugas se construyen con casi todas las aleaciones laborables a mquina que tengan una resistencia razonablemente elevada. Se da preferencia a aleaciones que tienen por lo menos 1% de elongacin para minimizar los riesgos de resquebrajamiento en los puntos de concentracin de esfuerzo.En el diseo de cualquier maquinaria que gira con velocidad elevada, se debe prestar atencin al fenmeno de la velocidad crtica. Se trata de la frecuencia de rotacin que coincide con la frecuencia natural de la pieza rotatoria. A esta velocidad, cualquier vibracin inducida por un desequilibrio ligero del rotor se ve firmemente reforzada, lo que da como resultado desviaciones grandes, esfuerzos elevados e incluso la falla del equipo. Casi todas las centrifugas funcionan con velocidades muy superiores a la primaria crtica y, por ello, deben pasar por esa velocidad durante la aceleracin y desaceleracin. Para permitir que lo hagan con seguridad, es preciso proporcionar cierto amortiguamiento en su montaje.Teora de la sedimentacin centrifugaUna partcula slida que se sedimenta a travs de un lquido en un campo de fuerza centrfuga se encuentra sometida a una fuerza constantemente creciente al alejarse del eje de rotacin. Por consiguiente, nunca alcanza una velocidad terminal verdadera; sin embargo a cualquier distancia radial dada, r, la velocidad de asentamiento ut de una partcula lo suficientemente pequea se puede obtener en forma muy aproximada, mediante la relacin de la ley de Stokes

Donde es la velocidad de rotacin, radianes/s; p y , las densidades del slido y el lquido, respectivamente, lb/ft^3; Dp, el dimetro equivalente de una partcula solida esfrica, pies, y la viscosidad del lquido, lb/pie-s.Puesto que ,

Integrando la ecuacin (30.62) entre los lmites para y para , se obtiene

Si se produce una sedimentacin de Stokes de una suspensin diluida de partculas uniformes en un tazn tubular de radio r, en pies, que contenga una capa delgada de lquido de espesor s, en pies, la velocidad de flujo a la cual se separara la mitad de las partculas slidas del lquido se obtiene por medio de

Donde Qc es el ndice de flujo volumtrico en pies^3/s, y V el volumen, en pies^3, del lquido retenido en el tazn. Con una velocidad de flujo dado Q, el dimetro critico o punto de corte Dpc, se obtiene mediante

La mayora de las partculas con dimetros superiores a Dpc se eliminaran en la centrifuga. La mayora de las partculas con dimetros menores aparecern en el efluente, y las que tienen Dpc se dividirn por igual entre la corriente del efluente y fase de solidos asentados.Cuando el espacio para la sedimentacin no sea cilndrico o la capa de lquido sea gruesa, la ecuacin (6) se puede escribir como sigue:

Donde re y se son valores promedio apropiados del radio y el espesor de la capa, en pies, para las condiciones dadas. La ecuacin (9) se puede escribir de la siguiente manera:

Donde ug es la velocidad terminal de asentamiento, en pies/s, de las partculas slidas en un campo gravitacional y es una caracterstica de la centrifuga. Fsicamente, es el rea, en pies^2, de un tanque de asentamiento por gravedad con caractersticas equivalentes de sedimentacin a las de la centrifuga. Para una centrifuga tubular, esto lo da en forma aproximada la ecuacin:

Donde r2 es el radio de la pared interna del tazn, r1, el radio de la superficie del lquido y b la longitud del recipiente. Para una centrifuga de discos, la ecuacin es

Donde N es el nmero de discos que hay en la pila, ra y rb el radio interior y el exterior de la pila de discos, respectivamente, y el semi-ngulo cnico. Al aumentar la escala basndose en el anlisis de laboratorio, el rendimiento de sedimentacin ser el mismo, si el valor de Q/ es igual para las dos mquinas.Tabla 1. Especificaciones y caractersticas de desempeo de centrifugas tpicas de sedimentacinTipoDimetrodel tazn, pulgadasvelocidad, rpmfuerza centrfuga mxima x gravedadRendimientotamao tpico del motor, hp

lquido, gal/minslidos, ton/h

Tubular1 3/450000*624000.05-0.25----------*

4 1/815000132000.1-10---------2

515000159000.2-20---------3

De discos712000143000.1-10---------1/3

137500104005.-50---------6

244000550020-200---------7 1/2

Descarga por toberas10100001420010-400.1-120

166250890025 -1500.4-440

274200675040-4001-11125

303300460040-4001-11125

De transportador helicoidal680005500hasta 200.03-0.255

1440003180hasta 750.5-1.520

1835003130hasta 500.5-1.515

2530003190hasta 2502.5-12150

3218001470hasta 2503-1060

4016001450hasta 37510-18100

541000770hasta 75020-60150

De descarga de cuchilla201800920***1.0**20

361200740***4.1**30

68900780***20.5**40

*propulsin de turbina, 100 lb/h de vapor a 40lbf/in^2 o equivalente de aire comprimido**volumen mximo en el tazn para slidos, pies^3*** sumamente variable4. Aplicaciones industrialesLa separacin centrfuga ha sido una prctica estndar dentro de la industria de procesos por ms de cien aos. Su simplicidad, adems de la excelente performance de la tcnica, continua ganando nuevos usuarios Su aplicacin original, fue en el procesamiento de alimentos, especialmente en la separacin de crema de leche. Hoy es muy utilizada para la obtencin de productos farmacuticos, biomasa y los obtenidos por biotecnologa.Al mismo tiempo ha encontrado aplicaciones en procesos qumicos convencionales o corrientes, como cuando en un reactor son separadas fases por centrifugacin para recuperar productos cristalinos o catalizadores o para remover cuerpos coloreados e impurezas. En la industria del papel se usan para clasificar partculas slidas como arcillas, caoln, etc. En la industria de pinturas se separan pigmentos y en suspensin de polmeros.Ha sido usada en una variedad de procesos de extraccin por solventes, en la cual el licor madre, solvente y extracto, pueden ser separados uno de otro. Tambin se purifican aceites, lubricantes, lodos, etc. Finalmente, es tambin usada en algunos lavados comunes, dewaterings (desaguados) y aplicaciones de concentracin.En los procesos de tratamiento de plsticos (desechos, fibras plsticas y envases ligeros) reviste esencial importancia la eficacia en la separacin de materiales. Muchos plsticos se distinguen por su densidad. Por lo cual las centrifugas son una la mejor opcin para su clasificacin ya que su separacin deja solidos ms secos que la decantacin en recipientes.

5. ConclusinLos nuevos requerimientos medioambientales refuerzan la posicin de la separacin centrfuga, especialmente cuando es comparada con tcnicas de separacin alternativas tales como la filtracin mecnica. En estos casos las centrfugas tienen una ventaja porque pueden ser hermticas y pueden operar efectivamente sin contaminar las corrientes de producto ni los efluentes.Sabemos que la filtracin mecnica frecuentemente requiere la adicin de ayuda, filtros y los slidos recuperados pueden ir variando mientras el medio filtrante se colmata con la torta Algunos mtodos de filtracin requieren grandes cantidades de agua, por lo que se convierte en un problema sudeposicin o tratamiento.La tendencia en separacin slido-lquido es hacia altos niveles de slidos en los barros de alimentacin esto se traduce en la necesidad de grandes productividades con bajo costo de capital por kg de producto. Esto, ms la necesidad de tener slidos secos y puros, favorecer sin dudas a la separacin centrfuga sobre la filtracin mecnica en la mayora de las aplicaciones.