Espesamiento: Fundamentos

Espesamiento Universidad de Cartagena

Espesamiento Fundamentos

Universidad de Cartagena Manejo de Sólidos

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CONTENIDO

1. Ficha Técnica 2. Introducción. 3. Objetivos 4. Teoría de la sedimentación. 5. Terminología y conceptos básicos de espesaje. 6. Equipos de sedimentación. 7. Parámetros y variables en espesadores. 8. Algunos problemas en espesadores. 9. Algunas fallas en los espesadores. 10. Aplicaciones 11. Conclusiones

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1. FICHA TÉCNICA Título del Proyecto: Espesamiento Nombre del investigador: Angel Herrera, Benko del Toro, Jhon Durán, Roberto Meers.  Asignatura: Manejo de Sólidos  Docente Encargado: Adalberto Matute Thowinson  Fecha de Inicio: Sábado 09 de Octubre de 2010  Fecha de Culminación: Miércoles 13 de Octubre de 2010  Referencias Bibliográficas:  

 http://www.capac.org/web/Portals/0/biblioteca_virtual/doc003/CAPITUL O20.pdf  http://www.lenntech.es/tratamiento-lodos-espesamiento.htm  http://www.scribd.com/doc/15070064/Curso-espesamiento-sqms  Transferencia de momentum: A duarte. Pag 89

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2. INTRODUCCIÓN En muchas etapas de los procesos de ingeniería intervienen, especialmente, las separaciones mecánicas de fluido-solido, fluido-fluido. En este tipo de situaciones, el fluido puede ser un gas o un líquido y puede estar en movimiento o en reposo. Son ejemplo de esto, la eliminación de polvos y humos del aire o gases de combustión, la eliminación de sólidos contenidos en líquidos residuales para poder verterlos en los desagües, la recuperación de nieblas ácidas a partir de los gases residuales procedentes de las plantas industriales, la producción de materiales sólidos concentrados para un fin comercial, etc. La operación de espesaje se abre paso entre otras formas de sedimentación, cuya proyección a largo plazo se sostiene en el entrecruzamiento del mecanismo básico de sedimentación con desarrollos tecnológicos en otras ramas como los procesos biológicos, químicos y de diseño en ingeniería concurrente. A la operación de separar, mediante el mecanismo de sedimentación se le denomina espesamiento o espesaje. Parte del agua de una suspensión, de modo de obtener por una parte, una pulpa de mayor concentración de sólidos en la descarga (underflow) y por la otra, un flujo de agua clara (overflow).

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3. OBJETIVOS Generales Conocer y comprender los procesos de espesamiento y sedimentación, así como las principales maquinas y equipos con las cuales se llevan a cabo estos procesos y la importancia que tiene el espesamiento a nivel industrial.

Específicos  Afianzar el conocimiento y fundamentación teórica del espesamiento y sedimentación, su terminología y conceptos bases.  Conocer las principales maquinas y equipos con los cuales se lleva a cabo los estos procesos, así como el funcionamiento, variables y parámetros a la hora de operar dichas máquinas.  Identificar las fallas y problemas más comunes en los procesos de espesamiento y sedimentación.  Dar a conocer las principales aplicaciones y la importancia de los procesos de espesamiento.

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4. TEORÍA DE LA SEDIMENTACIÓN Definición La sedimentación es la remoción de partículas sólidas que se encuentran suspendidas en un líquido, mediante decantación gravitacional. Clarificación: Remover partículas sólidas desde flujos relativamente diluidos. Espesaje: Aumentar la concentración de sólidos en la descarga.

Clarificación (Overflow)

Espesaje (Underflow)

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En la siguiente figura se describen las zonas del proceso

1. En el tope, Zona 1, está el agua clara (o solución clara) que representa el rebose del espesador. 2. En la Zona 2, es donde la alimentación entra. Esta capa tiene la misma forma general y consistencia de la alimentación. 3. Zona 3. Contiene pulpa que está comenzando a decantarse. Está en tránsito a la zona del fondo. 4. Zona 4 es la pulpa en compresión. Aquí el peso de los sólidos fuerza el agua o solución a elevarse hacia la zona de rebose.

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CARACTERISTICA DE LA PULPA Pulpa Diluida (Clarificación)

Descripción del fenómeno

Aplicaciones

Partículas sedimentando inicialmente independientes, sin formación de interfase. La velocidad es función principal del tamaño de las partículas, y de la concentración. Zona alta de partículas sedimentando independientemente. Zona baja de sedimentación colectiva. Zona de interfase sin forma clara.

Clarificación de agua o salmuera. Tratamiento de desechos o contaminantes.

Concentrada (espesaje)

Pulpa sedimenta con interfase clara. Idealmente la velocidad de sedimentación es función sólo de la concentración. En la práctica la velocidad aumenta con la formación de flóculos.

Pulpas y procesos químicos y metalúrgicos.

Compresible (espesaje)

Sedimentación manual con interfase, posterior sedimentación obstruida de lodos que depende del tiempo y profundidad de la zona obstruida.

Intermedia (clarificación)

Pulpas de procesos químicos y metalúrgicos.

Sedimentación de partículas El concepto de sedimentación de partículas en suspensión es fundamental en la operación de espesaje, por cuanto es la base de este proceso. Una partícula sólida, aislada, en un fluido de menor densidad, tiende a caer aumentando su velocidad hasta llegar a una velocidad de equilibrio entre las fuerzas de gravedad y las fuerzas de resistencia del fluido. Esta velocidad de equilibrio se denomina velocidad de sedimentación.

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Velocidad de sedimentación

Fuerzas de gravedad Velocidad de equilibrio

Velocidad de equilibrio

La velocidad de sedimentación es función de:

 Diámetro de la partícula que sedimenta (d).  Peso específico relativo entre el sólio y el fluido (s).  Viscosidad del fluido (µ).

Para altas concentraciones de sólidos. Existen dos tipos de interacción entre partículas Sedimentación obstruida: Disminuye la velocidad de sedimentación. Floculación: Aumenta la velocidad de sedimentación.

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5. TERMINOLOGÍA Y CONCEPTOS BÁSICOS DE ESPESAJE Desde sus inicios el arte del espesado y clarificado ha progresado principalmente en:  Investigaciones para incrementar el trabajo de la gravedad.  Innovaciones de los diseños básicos y construcción de los mecanismos.  Desarrollos de diseños especiales y tipos de máquinas que se aplican a ciertos casos bien particulares. Las aplicaciones del espesado y clarificado son bien conocidas, sin embargo debe tenerse en cuenta que no se obtienen separaciones absolutas del sólido – líquido o viceversa. La floculación es prácticamente un paso previo para tener una eficiente clarificación. Determinadas suspensiones muy diluidas no se pueden espesar o clarificar sin la adición de un agente floculante, el cual junta y coagula el material fino. En muchos casos, donde la suspensión muestra una buena cualidad para sedimentar, el uso de un floculante con floculación mecánica puede aumentar la velocidad de sedimentación y mejorar la clarificación en forma notoria. Convencionalmente las rastras sirven como mecanismos floculantes. Su movimiento lento a través de la suspensión induce a los flóculos a formar sólidos coloidales y semicoloidales. La velocidad de rotación de las paletas es insuficiente para deshacer los flóculos, pero si lo suficiente para asegurar la colisión y adhesión de las partículas. Actualmente, el tamaño de los espesadores oscila entre 2,5 (m) hasta 150 (m) de diámetro, existiendo también diseños especiales de hasta 250 (m) de diámetro. La profundidad varía entre 3 (m) en los diámetros pequeños hasta 10 (m) o más para las unidades mayores.

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Sección de un espesador típico.

En la grafica de abajo, el eje vertical representa la dilución (inverso de la concentración). El lado izquierdo del diagrama representa a las partículas que tienen tendencia a la cohesión. El lado derecho representa a las partículas en las que la cohesión entre partículas es mínima comparada con las fuerzas de sedimentación. BAJO % SÓLIDOS

CLARIFICACIÓN

ZONA DE SEDIMENTACIÓN

COMPRESIÓN

ALTO % SÓLIDOS

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PARTICULADA

INTERPARTICULADAS

SIN COHESIÓN

FLOCULADAS


Clarificación: A altas diluciones existe un régimen llamado clarificación. En este régimen las partículas pueden sedimentar ya sea individual o colectivamente en flóculos separados. La característica de este régimen es que no existe una línea de demarcación clara entre la suspensión que está sedimentando y el rebalse. Las partículas de mayor tamaño sedimentan primero que las pequeñas. En los ensayos se puede ver una degradación del tamaño de las partículas y de la densidad de la pulpa.

Transición: Al decrecer la dilución se produce una zona de transición entre el clarificado y el espesado. La transición no es abrupta, pero toma lugar sobre un rango estrecho de diluciones (está representada por la banda rayada en el diagrama de paragénesis). Si la dilución decrece y las partículas están suficientemente cercanas, el comportamiento de la sedimentación cambia marcadamente entrando entonces al espesado en el cual se debe considerar dos zonas:  Un régimen, llamado zona de sedimentación libre en el cual los sólidos sedimentan como una masa más o menos consolidada y a su vez con una marcada línea entre la suspensión sedimentando y el rebalse. Se postula que en este régimen las partículas sólidas están suficientemente juntas como para cohesionarse en una estructura plástica. Las partículas de todos los diferentes tamaños están obligadas a descender a la misma velocidad.

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El método de Talmadge y Fitch Consiste en trazar un gráfico de altura vs tiempo basado en un experimento de sedimentación, en el cual el eje de las abscisas contiene la escala de tiempo reducida con respecto a las ordenadas que contienen la altura, en cinco veces. El gráfico que se obtiene toma una forma muy parecida a una exponencial inversa, o sea, tiene dos zonas que son prácticamente rectas y una tercera zona curva. Se deben extender estas dos rectas hasta que éstas forman un ángulo entre ellas al que se le debe trazar una bisectriz, la bisectriz a su vez corta la curva en un punto, en este punto se debe trazar una tangente que intercepte a una paralela al eje del tiempo, trazada a la altura que se desea esté la capa de sólido. Si la altura está por encima del punto de intersección de la bisectriz con la curva, el cálculo se realizaría encontrando la intersección de la paralela con la curva, de lo contrario se usa la intersección con la paralela.

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6. EQUIPOS DE SEDIMENTACIÓN La alimentación al espesador se realiza por el sector central (feed well), en tanto que el líquido claro rebalsa a una canaleta periférica, los lodos espesados son colectados en la base del espesador y son arrastrados mediante un suave mecanismo hacia el punto de descarga central. Los estanques que son de tipo cilíndricos, son construidos generalmente de concreto (para diámetros mayores que 30 metros) y de acero, en el caso de diámetros menores. La base del estanque es de forma cónica para facilitar la migración de sólidos y está construida del mismo material que las paredes. La pendiente: típica de la base es del orden de 80 a 140 (mm) por un metro, aunque pendientes mayores (aproximadamente de 45º) pueden utilizarse cerca del centro de espesadores de gran tamaño. Los feed wells en espesadores convencionales son alimentadores cilíndricos, como los que se muestran en la siguiente figura, los cuales pueden conducir aproximadamente 1 m3/min por m2 de sección.

1. En el primer tipo, el mecanismo de rastras se soporta mediante una superestructura a lo largo del estanque, lo que permite pasar el tendido de tuberías de alimentación de pulpa y floculante hacia el sector central. Este tipo de estructuras se emplean por lo general a espesadores de no más de 20 (m) de diámetro.

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2. El segundo tipo, usado para espesadores de 20 a 150 (m) de diámetro, es el que tiene una columna central de soporte para el mecanismo de giro de las rastras. 3. El tercer tipo, está formado por espesadores que poseen tracción periférica, en los cuales el movimiento se logra mediante mecanismos ubicados en las paredes del estanque.

El diseño del tipo de brazo para las rastras puede tener una influencia significativa en el costo y operación de un espesador. En general, se pueden encontrar numerosos diseños de brazos para rastras, los de uso más común se aprecian en la siguiente figura.

Canaletas de overflow: para un funcionamiento eficiente de los espesadores se requiere controlar la velocidad del líquido en los vertederos de rebalse. En los clarificadores los flujos de rebalse son del orden de 0,2 m3/min por metro de diámetro. En el caso de los espesadores de procesos metalúrgicos, el rango más usual de operación es del orden de 0,1 m3/min/m. Si los flujos de rebalse

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son mayores a los comunes, se deben diseñar vertederos adicionales en la periferia.

7. PARÁMETROS Y VARIABLES Las variables más relevantes que se deben controlar:  Presión hidráulica de giro de las rastras.  Amperaje del motor de la rastra.  Torque mecánico de la rastra.  Altura de la rastra.  Amperaje de la bomba de traspaso (descarga)  Porcentaje de sólidos en la descarga, flujo de descarga.  Nivel de líquido claro.

Altura de la rastra Está definida por la condición del espesador y su carga, usualmente este parámetro se opera en casos de sobrecarga y/o embancamiento, y es un parámetro muy importante, ya que las rastras no deben subir hasta el límite (o altura máxima), lo cual indicaría que el espesador a alcanzado su capacidad máxima de almacenamiento de carga; por otro lado si no se interrumpe la alimentación, este irremediablemente se embancará.

Porcentaje de sólidos en la descarga El control de la densidad y el porcentaje de sólidos se efectúa tomando muestras de pulpa por intermedio de la balanza MARCY.

Nivel de solución clara La observación del rebose de salmuera o agua y la medición de la altura de la columna de líquido claro permitirá al operador tomar las medidas correspondientes respecto a la adición de floculante. El nivel normal en la cual se opera el nivel de líquido claro es de 50 cm.

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Presión hidráulica Es la presión que ejerce la pulpa a las rastras, la cual no debe exceder de 5 Mpa, de lo contrario las rastras suben en forma automática.

8. ALGUNOS PROBLEMAS DE LOS ESPESADORES Los problemas de operación de espesadores pueden ser de tipo:  Eléctrico  Mecánico.  Operacional.

Observación de líquido claro. El rebose de estos equipos debe encontrarse limpio y libre de sólidos en suspensión, caso contrario implica:

 Guardera de retención de fino roto o suelto en algún sector del equipo.  Material no está decantando (abundante espuma) lo que indica un exceso de reactivos.

Alto nivel del sólido Esto puede ser causado por un alto contenido de sólidos en el espesador (cercano a 85 %), operación normal 45 - 60 %. Esta situación puede causar lo siguiente:  Retención de carga dentro del espesador.  Aumento de la presión hidráulica de las rastras (> 5 MPa).  Que la rastra se detenga al aumentar el torque y estas no suban.

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Embancamiento de la bomba de traspaso ¿Cómo se podría atacar dicha medida?  Levantar rastra.  Adicionar agua en la línea de alimentación a la bomba.  Recircular espesador con flujo máximo..  Realizar cambio de bomba

9. ALGUNAS DE FALLA EN ESPESADORES Lecho de pulpa normal El rebose es relativamente claro, y los sólidos descargando en la salida del cono son de la densidad deseada. No se requieren acciones de operación para este punto.

Lecho de cieno o pulpa superficial La claridad del rebose es buena, pero la descarga de pulpa lo más probable que sea baja. En este caso, la tasa de remoción de la pulpa debe ser bajada hasta alcanzar la densidad requerida por el proceso.

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Lecho de pulpa alto Un lecho de pulpa alto puede producir una claridad pobre en el rebose y una alta densidad de descarga en la salida de pulpa del espesador. En lo particular esto conlleva la posibilidad de un alto torque en la rastra del espesador.

Lecho aislado La lectura del torque es alta porque la altura de la pulpa o material depositado no cubre todo el diámetro del espesador. La lectura de la densidad esta ahora baja porque el lecho esta en corto circuito a la descarga del espesador. El lecho o cama de pulpa puede ser rotado con las rastras. Esta situación es extrema y requiere de inmediata corrección. La alimentación debe ser de inmediato detenida. Las rastras deben ser levantadas muy cuidadosamente y luego deben ser bajadas para disolver la rotación del lecho y estimular a la pulpa a moverse hacia el centro.

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Procedimiento de observación del funcionamiento durante la marcha del espesador.

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Verificar el motor del espesador por ruido no usual, calor, ruido, o vibración. Verificar el torque del motor del espesador. Si el torque se incrementa rápidamente, contáctese con su supervisor. Asegúrese que el nivel del lecho del espesador esté en balance la alimentación con la descarga de flujos de tal manera que no hallan alarmas de torque. Verificar los rebose. Verifique que el líquido o solución este clara. Verificar que la válvula de la descarga de pulpa del espesador y aire no tengan fugas. Verificar el flujo y densidad indicada en el transmisor en la bomba de la línea de descarga. Verificar el flujo desde la descarga de la bomba de pulpa hacia la etapa posterior. Verificar la alimentación de líquido fresca al sistema de alimentación de las líneas de descarga de pulpa en el cono, y verificar que no se está agregando líquido innecesario.

10. APLICACIONES  Agroindustria: Producción azucarera.  Minería: Obtención de Concentrados de Bismuto y otros metales pesados.  Plantas de tratamiento de residuos líquidos industriales: vertidos con metales pesados  Plantas de Tratamiento de aguas: Purificación de efluentes cloacales.  Industria química y petroquímica: Coloides precipitados.  Industria Textil: Tintura Textil

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11. CONCLUSIONES La operación de espesamiento es una de las operaciones de separación mecánica más utilizada en la industria de concentrados por procesos continuos. La aplicación de esta operación supone el pleno conocimiento de conceptos como sedimentación, flujos, balance de materia, entre otros; y la utilización de tabulaciones o datos experimentales, además de las características de los materiales con los cuales se está trabajado: concentraciones iniciales y finales, densidades, viscosidades de fluidos, temperaturas, naturaleza química, y demás. También deben tenerse en cuenta, derivado de dichos factores, las características del equipo a utilizar, como son el tamaño (diámetro), altura, área de rebase, ángulo de descarga, diseño de las rastras, y todas aquellas referencias del diseño que garantizan para determinado proceso una mayor eficiencia del espesador. El pleno conocimiento y manejo de estos conocimientos, sumando a las destrezas, permitirán detectar y evaluar soluciones para los problemas y las fallas de espesadores en proceso que implican la secuencia del mismo (continuos).

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