SEPARACIONES MECÁNICAS POR ACCIÓN DE LA FUERZA DE GRAVEDAD

Operaciones de Transferencia

De Cantidad de Movimiento-

TEMA V

SEPARACIONES MECÁNICAS  POR ACCIÓN DE LA FUERZA

DE GRAVEDAD

Prof.: Ing. Jorge R. Huk

AÑO: 2014                               

SEPARACIONES HIDRAULICAS.-

1. Separaciones mecánicas basadas en el movimiento de partículas a través de un fluido.

Introducción:

En general, las separaciones mecánicas se utilizan para separar mezclas heterogéneas del tipo: sólido-líquido, sólido-gas, líquido-gas, líquido-líquido y sólido-sólido.

Aplicaciones:

                     -eliminación de partículas contaminantes de un fluido

                     -recuperación de partículas de un fluido

                     -eliminación de polvos del aire

                     -eliminación de humos del aire

                     -eliminación de gases de combustión del aire

                     -separación de sólidos de líquidos residuales

                     -fraccionamiento de mezclas de partículas en base a sus tamaños o densidad.

Como se ha visto en el tema anterior, el movimiento de una partícula a través de un fluido puede dividirse en dos etapas:

1. período de aceleración inicial, en el cual la velocidad aumenta rápidamente desde cero hasta su velocidad terminal. Esta etapa del movimiento dura muy poco tiempo (unas décimas de segundo o menos).
2. Período de velocidad terminal, en el cual la partícula se mueve a velocidad constante. Se puede mantener indefinidamente. Se aplica en distintos procesos de separación mecánica debido a la posibilidad de mantener las velocidades terminales de las partículas durante todo el tiempo que las mismas están bajo tratamiento en el equipo.

La velocidad con la cual se mueve la partícula depende de su tamaño y de su densidad (entre otros factores, tal como lo  indica la ecuación de Newton). Esto significa que distintas partículas caerán a través del mismo fluido a distinta velocidad: en este principio se basan las separaciones mecánicas de mezclas heterogéneas controladas por la mecánica de fluidos.

En el Tema 5 se estudian algunas separaciones mecánicas en las cuales la fuerza externa que actúa sobre el sistema es la fuerza de gravedad. La característica común a todas ellas es que se basan en el movimiento de partículas en un fluido, que en la mayoría de los casos es agua, por lo cual se las suele denominar como separaciones hidráulicas.

• En algunos casos, las mezclas a separar son suspensiones de partículas en un fluido, como por ejemplo: polvos, nieblas, suspensiones de partículas sólidas o gotas líquidas en un líquido inmiscible, etc.
• En otros casos el material a separar debe suspenderse en un fluido, como es el caso del material sólido granulado proveniente de una operación de molienda o tamizado.

2. Clasificación de las operaciones de separación por acción de la fuerza de gravedad: 

Las separaciones hidráulicas se pueden dividir en dos grandes grupos en función del objetivo de la operación:

1. se llama  clasificación a las operaciones que tienen por objeto  separar un material granulado en dos o más fracciones de diferentes propiedades físicas.
2. Se llama sedimentación a aquellas operaciones que tienen por objeto separar las partículas suspendidas en un fluido.

2.1. Clasificación:

La clasificación se basa en el principio básico que establece que “si dos partículas A y B tienen distintas velocidades terminales, las mismas se pueden separar utilizando una corriente de agua”, esto es, si se descarga una mezcla de partículas A y B en un recipiente a través del cual se hace circular agua hacia arriba, a una velocidad comprendida entre la velocidad terminal de A y B, las partículas con mayor velocidad que el agua sedimentan y las partículas con menor velocidad que el agua, son arrastradas por la misma.

[pic 1]

Si VtA > VtB, haciendo VtA > VH2O > VtB,  determinamos:

                                              ● VnetaA = VtA  +  VH2O  =  (+)  ↓ Sedimentación

                                              ● VnetaB  =  VtB  +  VH2O  = (─) ↑ Arrastre

(Se considera positivo el movimiento en dirección de la fuerza de gravedad)

La diferencia de velocidad terminal de dos partículas en un mismo fluido puede deberse a que las mismas tienen diferentes tamaños o que sean de distintos materiales (distinta densidad). En base a esto, existen distintos tipos de operaciones de clasificación: la clasificación por tamaños y la concentración.

2.1.1. Clasificación por tamaños: se utiliza para separar un material granulado (formado por una única sustancia) en varias fracciones de distintos tamaños de partícula (es análoga a la operación de tamizado).

Para una mezcla de partículas de A, con tamaños entre   DpAn  y   DpA1, la velocidad ascendente del agua determina el diámetro de partícula límite entre las dos fracciones. Por ejemplo, si la fracción fina no debe tener partículas mayores Dpx, la velocidad del agua se debe hacer igual a VtAx.

[pic 2]

2.1.2. Concentración: se utiliza para separar distintos materiales presentes en una mezcla granulada. Una mezcla de partículas de dos materiales distintos A y B (para los cuales se cumple que la densidad de A es mayor que la densidad de B) se puede separar por clasificación, si todas las partículas de A tienen mayor velocidad terminal que todas las partículas de B.

[pic 3]

Si VtA1 ≥ VtBn, haciendo VtA1 ≥ VH2O ≥ VtBn, todas las partículas A sedimentan y todas las partículas B son arrastradas por el agua.-

Si esta condición no se cumple (lo cual es frecuente cuando la gama de tamaños de las partículas es muy amplia), se debe hacer una clasificación diferencial.

Un método de concentración que es independiente del diámetro de las partículas de la mezcla, es el de hundimiento y flotación. Este método se basa en la diferencia de velocidades terminales debida a la diferencia de densidades de los componentes de la mezcla. Consiste en utilizar un fluido con una densidad intermedia a la de los componentes. Esto es, para una mezcla de A y B, si la densidad de A es mayor que la densidad de B, se usa un fluido con una densidad comprendida entre la de los dos materiales: el material con mayor densidad que el fluido sedimenta, y el material con menor densidad que el fluido flota.

[pic 4]

Si  ρA > ρB se utiliza un fluido con ρA > ρH > ρB, en consecuencia: VtA  →  (+)   sedimentación

                                                                                                          VtB → (─)  flotación

Como en general, la densidad de los materiales sólidos es alta, para utilizar el método es necesario disponer de un fluido de alta densidad que cumpla con los siguientes requisitos: ser económico, abundante, no corrosivo, no tóxico y reutilizable. En la práctica, se utilizan pseudolíquidos, que son suspensiones acuosas estables de partículas minerales muy finas. Algunos ejemplos de pseudolíquidos utilizados son: solución de cloruro de calcio, suspensiones acuosas de magnetita, ferro silicio, galena, etc. Las partículas poseen diámetro tan pequeño que sus velocidades de sedimentación son despreciables, por lo cual las suspensiones son suficientemente estables durante el proceso.

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