SEDIMENTACIÓN

La sedimentación es una operación de separación sólido- fluido en la que las partículas sólidas de una suspensión, se separan debido a la densidad del disolvente y el soluto, la concentración y el tamaño de las partículas en suspensión, la presencia o no de coagulantes en la mezcla y el estado de agitación del conjunto.

El producto de mayor interés suele ser generalmente el fluido libre de partículas, pero en otros casos es el propio producto sólido; aunque rara vez se consigue la separación total de las dos fases de forma absoluta y nítida.

El criterio para la separación de las fases debe ser el siguiente:

-Debe existir una diferencia de tamaño de las partículas.

-Debe existir una diferencia de densidades.

La sedimentación suele llevarse a cabo en combinación con otras operaciones unitarias para conseguirse el máximo rendimiento en la separación de las fases. Para que la sedimentación sea viable en la práctica, el tamaño de las partículas debe oscilar entre 1 y 10 micras y la concentración de dichas partículas debe tener unos valores mínimos de 0,2% de sólido en suspensión.

 

Tipos de sedimentación:

-Sedimentación libre: se produce cuando la suspensión es muy diluida y la relación entre el diámetro de la partícula y el diámetro del recipiente es muy pequeña (1/200 aproximadamente). Consecuentemente las partículas sedimentan libremente sin que existan choques entre ellas.

Una partícula que desciende en el interior de un fluido está sometida a un conjunto de fuerzas que actúan a favor o en contra de dicho movimiento. A favor del movimiento actúa su peso, mientras que en contra actúan las fuerzas de flotación (empuje de Arquímedes) y de rozamiento.

Fig 1.- Fuerzas que actúan sobre      una partícula en sedimentación libre

Si se considera una partícula de masa m, densidad Pp y volumen Vp, que desciende a una velocidad relativa v respecto a un fluido de densidad, p, las expresiones de las fuerzas que actúan serán:

• -Peso:  

 

• -Fuerza de flotación:

 

• -Fuerza de rozamiento:

 

Donde Ap es el área proyectada de la partícula sobre un plano perpendicular a su velocidad y  fD es el coeficiente de rozamiento adimensional. La variación de la cantidad de movimiento que experimenta la partícula debe ser igual a la fuerza resultante. De este modo:

 

  Si sustituimos en esta ecuación las expresiones anteriores obtenemos:

 

Esta expresión representa la ecuación de movimiento de la partícula libre respecto al fluido en función de sus características (densidad Pp y volumen Vp) y las del fluido.

Existen dos periodos desde que se inicia el movimiento descendente de la partícula (t=0; v=0) hasta que la partícula alcanza su régimen estacionario.

Durante el primero, la fuerza resultante es positiva en el sentido de avance y como consecuencia se produce un movimiento acelerado que incrementa paulatinamente la velocidad de la partícula. Este hecho lleva consigo un aumento de la fuerza de rozamiento hasta un punto en que la aceleración se anula y la fuerza resultante se hace cero, alcanzándose en ese momento la velocidad máxima.

 A partir de este momento se desarrolla el segundo periodo que se caracteriza por que la velocidad se mantiene constante en su valor máximo. Dicha velocidad recibe también el nombre de velocidad terminal o velocidad de sedimentación libre. 

 

Fig 2.- Velocidad de sedimentación libre.

-Sedimentación impedida: se produce cuando la concentración inicial de sólidos es mayor o el recipiente tiene un diámetro relativamente pequeño. Consecuentemente las partículas chocan continuamente entre sí durante la sedimentación, retrasándose el proceso al reducirse la velocidad de descenso de las partículas.

-Sedimentación industrial: es la que se realiza en los sedimentadores industriales, también llamados espesadores industriales, que consisten en un depósito cilíndrico que suele tener fondo cónico de poca inclinación.

 La suspensión se alimenta por el centro del sedimentador, a una cierta profundidad por debajo del nivel del líquido y el líquido claro se retira por la parte superior a través de un rebosadero.

Para facilitar la separación, los equipos están dotados de unos rastrillos que giran lentamente, desplazando los sólidos hacia la parte central del fondo, desde donde se retiran mediante una bomba de lodos. Las dimensiones de estos equipos superan frecuentemente los diez metros de diámetro y los dos de altura.La capacidad de operación de un sedimentador (volumen de líquido claro por unidad de tiempo) depende de su sección transversal.

Un tipo concreto de sedimentación industrial es un sedimentador continuo. Este tipo de equipo consta además de zonas de clarificación(A), zonas de sedimentación (B-C), y zonas de compresión (D).

        La zona de clarificación está casi exenta de sólidos y la velocidad ascendente del líquido debe ser inferior a la velocidad terminal de todas las partículas sólidas que deseen separarse para asegurar así el objetivo de la sedimentación: obtener un  líquido claro. En caso contrario (sobrecarga del sedimentador), las partículas sólidas serán arrastradas con el líquido que abandona el equipo por la parte superior.

 

        Cuando el objetivo de la sedimentación es obtener una suspensión con una concentración elevada en sólidos, el diámetro del equipo viene determinado por la velocidad másica de los sólidos en las zonas de sedimentación y de compresión, y por tanto, por la sección transversal de éstas. El diseño del sedimentador consiste en el cálculo de la sección transversal del mismo a partir de los datos experimentales de laboratorio de las velocidades de sedimentación en una probeta obtenidos con la misma suspensión.

 

Fig 3.- Sedimentador continuo.

EJEMPLOS DE PROCESOS QUÍMICOS:

-Potabilización del agua:

El proceso de sedimentación está gobernado por la ley de Stokes, que indica que las partículas sedimentan más fácilmente cuando mayor es su diámetro, su peso específico comparado con el del líquido, y cuando menor es la viscosidad del mismo. Por ello, cuando se quiere favorecer la sedimentación se trata de aumentar el diámetro de las partículas, haciendo que se agreguen unas a otras, proceso denominado coagulación y floculación.

La turbiedad y el color del agua son principalmente causados por partículas muy pequeñas, llamadas partículas coloidales. Estas partículas permanecen en suspensión en el agua por tiempo prolongado y pueden atravesar un medio filtrante muy fino. Por otro lado aunque su concentración es muy estable, no presentan la tendencia de aproximarse unas a otras.

Para eliminar estas partículas se recurre a los procesos de coagulación y floculación. La coagulación tiene por objeto desestabilizar las partículas en suspensión es decir facilitar su aglomeración. En la práctica este procedimiento es caracterizado por la inyección y dispersión rápida de productos químicos. La floculación tiene por objetivo favorecer con la ayuda de la mezcla lenta el contacto entre las partículas desestabilizadas. Estas partículas se aglutinan para formar un flóculo que pueda ser fácilmente eliminado por los procedimientos de decantación y filtración.

Es muy importante que los procedimientos de coagulación y floculación sean utilizados correctamente, ya que la producción de un flóculo muy pequeño o muy ligero produce una decantación insuficiente; de modo que el agua que llega a los filtros contienen una gran cantidad de partículas floculantes muy pequeñas que rápidamente ensucian los filtros y se necesitan así lavados frecuentes. Por otro lado cuando el flóculo formado es frágil, éste se rompe en pequeñas partículas que pueden atravesar el filtro y alterar la calidad del agua producida.

 

Los coagulantes son productos químicos que al adicionar al agua son capaces de producir una reacción química con los componentes químicos del agua, especialmente con la alcalinidad del agua para formar un precipitado voluminoso, muy absorbente, constituido generalmente por el hidróxido metálico del coagulante que se está utilizando.

Los principales coagulantes utilizados para desestabilizar las partículas y producir flóculos son:

a) Sulfato de Aluminio.

b) Aluminato de Sodio.

c) Cloruro de Aluminio.

d) Cloruro Férrico.

e) Sulfato Férrico.

f) Sulfato Ferroso.

g) Polielectrolitos (Como ayudantes de floculación).

 

De todos ellos los más utilizados son las sales de Aluminio y de Hierro. Cuando se adicionan estas sales al agua se producen una serie de reacciones muy complejas donde los productos de hidrólisis son más eficaces que los iones mismos. Éstas sales reaccionan con la alcalinidad del agua y producen los hidróxidos de aluminio o hierro que son insolubles y forman los precipitados.

 

-Tratamiento de las aguas residuales

En el tratamiento de depuración de aguas residuales intervienen varios tipos de operaciones unitarias. La primera operación a la que se somete a estas aguas es la devastación y filtración. Posteriormente es sometida a otras operaciones como la sedimentación por precipitación o la separación de materia grasa sobrenadante.

La sedimentación es un proceso que se realiza para retirar la materia sólida fina, orgánica o no, de las aguas residuales, aquí el agua pasa por un dispositivo de sedimentación donde se depositan los materiales para su posterior eliminación. El proceso de sedimentación puede reducir de un 20 a un 40% la materia orgánica (prueba de DBO5) y de un 40 a un 60% los sólidos en suspensión.
Basados en la separación por diferencia de densidades entre líquidos existen también los separadores de grasas y aceites empleados en la depuración de aguas residuales. Se aprovecha el mismo efecto en la separación de las fases líquidas, extracto y refinado, en la operación de extracción líquido-líquido.

Fig 4.- Separador de grasas y aceites.

 

 

Floculacion

La floculacion consiste en la agitación de la masa coagulada que sirve para permitir el crecimiento y aglomeración de los flóculos recién formados con la finalidad de aumentar el tamaño y peso necesarios para sedimentar con facilidad.Estos flóculos inicialmente pequeños, crean al juntarse aglomerados mayores que son capaces de sedimentar.La floculación no solo incrementa el tamaño de las partículas del flóculo, sino que también aumenta su peso.

1.Tipos de Floculacion:

*Floculación Pericinética:

Esta producido por el movimiento natural de las moléculas del agua y esta inducida por la energía térmica, este movimiento es conocido como el movimiento browniano.

*Floculación Ortocinética:

Se basa en las colisiones de las partículas debido al movimiento del agua, el que es inducido por una energía exterior a la masa de agua y que puede ser de origen mecánico o hidráulico. Después que el agua es coagulada es necesario que se produzca la aglomeración de los microflóculos; para que esto suceda se produce primero la floculación pericinética luego se produce la floculación ortocinética

2.Tipos de floculantes: Los floculantes son polímeros o polielectrolitos con pesos moleculares muy elevados moléculas orgánicas solubles en agua formadas por bloques denominados monómeros, repetidos en cadenas larga. Estos floculantes pueden ser de naturaleza : mineral, orgánico natural y orgánico de síntesis

3.Estados de Presentación Productos Químicos:

a.1.puestos en solución y pueden ser aplicados de las siguiente manera:

Productos Químicos Sólidos.- Deben ser utilizados después de haber sido del tipo volumétrico, la disolución se debe realizar dentro de un tanquede nivel constante provisto de un agitador.° Por lotes o Batch: el operador prepara puntualmente una solución o una suspensión de cierta cantidad de producto y luego realiza la dosificación .

a.2. Productos Líquidos : son utilizados puros o diluidos por medio de equipos de bombeo o por sistemas de gravedad (aplicación de Sulfato de Aluminio Solución y Cloruro Férrico, en la Planta de La Atarjea).

En Continuo: la dosis es calibrado por medio de un dosificador en seco

Coagulacion

Coagulacion:

Es un proceso de desestabilización química de las partículas coloidales que se producen al neutralizar las fuerzas que los mantienen separados, por medio de la adición de los coagulantes químicos y la aplicación de la energía de mezclado 

El objetivo principal de la coagulación es desestabilizar las partículas coloidales que se encuentran en suspensión, para favorecer su aglomeración; en consecuencia se eliminan las materias en suspensión estables; la coagulación elimina la concentración de las materias orgánicas y los microorganismos.1.El coagulante: Los componentes son productos químicos que al adicionar al agua son capaces de producir una reacción química con los componentes químicos del agua, especialmente con la alcalinidad del agua para formar un precipitado voluminoso, muy absorbente, constituido generalmente por el hidróxido metálico del coagulante que se está utilizando.

2.Factores que intervienen en la coagulacion:Es necesario tener en cuenta los siguientes factores con la finalidad de optimizar elproceso de coagulación:pH/Turbidez/Temperatura del agua/Tipo de coagulante utilizado./Condiciones de Mezcla./Sistemas de aplicación de los coagulantes./Tipos de mezcla y el color

pH:

El pH es la variable mas importante a tener en cuenta al momento de la coagulación, para cada agua existe un rango de pH óptimo para la cual la coagulación tiene lugar rápidamente, ello depende de la naturaleza de los iones

Temperatura:

Afecta a la energía cinética de las partículas en suspensión, por lo que la coagulación se hace mas lenta; temperaturas muy elevadas desfavorecen igualmentea la coagulación.

Turbidez:

Es una forma indirecta de medir la concentración de las partículas suspendidas en un líquido; mide el efecto de la dispersión que estas partículas presentan al paso de la luz; y es en función del número, tamaño y forma de partículas.

3.Tipos de coagulacion:

*Coagulación Por Adsorción:Se presenta cuando el agua presenta una alta concentración de partículas al estado coloidal; cuando el coagulante es adicionado al agua turbia los productos solubles de los coagulantes son absorbidas por los coloides y forman los flóculos en forma casi instantánea 

*Coagulación por BarridoEste tipo de coagulación se presenta cuando el agua es clara (presenta baja turbiedad) y la cantidad de partículas coloides es pequeña; en este caso las partículas son entrampadas al producirse una sobresaturación de precipitado de sulfato de aluminio o cloruro férrico

 

 

 

 

 

Ultimos detalles de intercambio iónico

Un ión es un átomo con carga neta que puede ser positiva ( catión) o negativa ( anión ). Los iones se forman cuando un electrolito (un tipo de compuesto iónico) se disuelve en el agua . Los iones en disolución pueden comportarse como impurezas y perjudicar el desarrollo del proceso químico, es por ello que deben ser retirados de la disolución por ejemplo mediante intercambio iónico.

Tipos de resina atendiendo a su origen.

Naturales. Son las llamadas zeolitas, son un tipo de silicatos presentes en ciertas arcillas y cuya fórmula química incluye aluminio, silicio, oxígeno, hidrógeno y un número variable de moléculas de agua según la especie. Su uso como intercambiadores iónicos se conoce desde la antigüedad y aun en nuestros dias se continuan usando, si bien es cierto que debido a sus limitaciones técnicas han sido practicamente sustituidas por las resinas sintéticas. No obstante su uso esta muy extendido dentro de otras operaciones unitarias como el Cracking.

Sintéticas. Son un tipo de resinas fabricadas a partir de polímeros orgánicos y que imitan las propiedades de las zeolitas. Surgen a partir de la condensación de fenol con formaldehido. Sustituyendo el grupo fenol por derivados de este se logran resinas catiónicas o aniónicas. Las resinas sintéticas son actualmente las mas utilizadas en el intercambio iónico pues tienen una mayor capacidad de intercambio y son mas fáciles de regenerar que las resinas naturales.

Ventajas e inconvenientes.

Ventajas.

El intercambio ionico es muy util en disoluciones con bajas concentraciones de impurezas iónicas.

Las resinas sintéticas presentan una gran capacidad de intercambio lo que permite utillizar equipos de dimensiones menores.

las resinas son estables químicamente ,de larga duración y facil regeneración.

Inconvenientes.

El uso de resinas esta contraindicado en disoluciones con altas concentraciones de impurezas ionicas ya que en seguida quenan ionizadas y es preciso regenerarlas utilizando grandes cantidades de agua destilada que tras la regeneracion queda inservible y hay que eliminar suponiendo grades perdidas económicas.

Otra gran desventaja es que no es posible trabajar en continuo con esta operacion ya que como hemos mencionado las resinas tienen una capacidad de intercambio limitada por lo que hay que detener el proceso cada vez que haya que regenerar las resinas lo que supone grandes perdidas de tiempo y por tanto de beneficios

Conceptos Fundamentales

Conceptos:

1º.Gradiente:El gradiente normalmente denota una dirección en el espacio según la cual se aprecia una variación de una determinada propiedad o magnitud física..

En el caso del secado el gradiente hace referencia a la magnitud de humedad y de temperatura.El gradiente en este caso nos dara cada punto del proceso de secado en el cual es mas optimo con respecto a las variables.

2º.Tension superficial:En física se denomina tensión superficial de un líquido a la cantidad de energía necesaria para disminuir su superficie por unidad de área. A nivel microscópico, la molécula está sometida a fuerzas de atracción que en promedio se anulan.

La tensión superficial  junto a las fuerzas que se dan entre los líquidos y las superficies sólidas que entran en contacto con ellos, da lugar a la capilaridad

Estas fuerzas de atraccion son las que ya nombramos con anterioridad;químico, físico-químico y físico- mecánico.Es muy importante la tension supeficial ya que a la hora de ejecutar el proceso hay que tener en cuenta la superficie del producto;No es lo mismo secar una piedra como tal, que si la piedra la hemos roto en 1000 pedazos(por ejemplo)

3º.Capilaridad:La capilaridad es una propiedad de los líquidos que depende de su tensión superficial (la cual a su vez, depende de la cohesión o fuerza intermolecular del líquido), que le confiere la capacidad de subir o bajar por un tubo capilar.

Cuando un líquido sube por un tubo capilar, es debido a que la fuerza intermolecular(o cohesión intermolecular) entre sus moléculas es menor a la adhesión del líquido con el material del tubo (es decir, es un líquido que moja). El líquido sigue subiendo hasta que la tensión superficial es equilibrada por el peso del líquido que llena el tubo.

4º.Presion de vapor:La presión de vapor o más comúnmente presión de saturación es la presión, para una temperatura dada, en la que la fase líquida y el vapor se encuentran en equilibrio dinámico (se alcanzará más rápidamente cuanto mayor sea la superficie de contacto entre el líquido y el vapor); su valor es independiente de las cantidades de líquido y vapor presentes mientras existan ambas. Este fenómeno también lo presentan los sólidos; cuando un sólido pasa al estado gaseoso sin pasar por el estado liquido también hablamos de presión de vapor. En la situación de equilibrio, las fases reciben la denominación de líquido saturado y vapor saturado. Esta propiedad posee una relación inversamente proporcional con las fuerzas de atracción intermoleculares, debido a que cuanto mayor sea el módulo de las mismas, mayor deberá ser la cantidad de energía entregada para vencerlas y producir el cambio de estado.

5ºPresion parcial:La presión parcial de un gas, en atmósferas, en una mezcla o solución sería aproximadamente la presión de dicho gas si se eliminaran repentinamente y sin que hubiese variación de temperatura todos los demás componentes de la mezcla o solución. La presión parcial de un gas en una mezcla es la medida de la actividad termodinámica de las moléculas de dicho gas y, por lo tanto, es proporcional a la temperatura y concentración del mismo.

6º.Mecanismos y cinética de secado. Transferencia de masa y calor.

Un elemento fundamental en el proceso de secado es el estudio de la intensidad de la trasferencia de masa en el mismo. Para esto es necesario conocer los elementos más útiles de la transferencia de calor y masa que funcionen en los secaderos de contacto directo.

Depende de una serie de factores :

Las condiciones externas están definidas por la resistencia a la transferencia de calor y de masa de la capa límite del gas, y en el caso que predominen, el secado no dependerá de las características del sólido sino de las condiciones del gas, y estará controlado por la transferencia de masa y calor entre el gas y la superficie del sólido, empleándose en la evaporación todo el calor que se recibe del gas, la cual se comporta como una superficie libre de agua.

Las condiciones internas están definidas, por la transferencia de calor y de masa a través del sólido. En el caso que predominen, es decir, que la resistencia a la transferencia de masa a través del material sea muy superior a la de la capa límite del gas, la difusión interna controlará el proceso y lo más importante será las propiedades del sólido.

Cuando se seca un sólido se producen dos procesos fundamentales y simultáneos:

- Transmisión del calor para evaporar el líquido.

- Transferencia de masa en humedad interna y líquido evaporado.

Independientemente del mecanismo de transmisión de calor el cual puede ser por conducción, convección, radiación o una combinación de cualquiera de estos, el calor tiene que pasar primero a la superficie exterior y desde esta al interior del sólido. Excepto el secado por electricidad de alta frecuencia, que genera el calor intercambiante, esto conduce a la circulación de calor desde el interior hasta la superficie exterior.

Secado directo

Secado directo

Uno de los métodos de procesamiento térmico es el secado directo.  Los secadores directos transfieren el calor por contacto del producto con un gas calentado, normalmente aire caliente. El procesamiento térmico que utiliza este método es una elección ideal para eliminar la humedad, y también es eficiente para productos sensibles al calor porque la temperatura del producto se reduce por enfriamiento evaporativo. La disminución de la temperatura del producto puede eliminar la necesidad de operar bajo vacío.

Es a menudo ventajoso combinar la molienda con el secado directo en una sola unidad. Esto hace ahorrar espacio y reduce el tamaño de las partículas de la carga de entrada antes del secado, con lo que se optimizan la transferencia de calor y la evaporación.

Secado indirecto:

Los secadores indirectos transfieren calor al producto mediante el contacto con una superficie encamisada que normalmente es calentada por vapor o un líquido térmico, o enfriada por un líquido. Los sistemas de secado indirecto son ideales para la desolventización. Dado que los solventes son generalmente inflamables y/o requieren recuperación, en el sistema se necesita casi siempre un gas inerte, que normalmente es nitrógeno. La recuperación de solventes se maximiza por medio de la reducción de los gases no condensables del sistema, con lo que se reducen los costos de capital y operativos. Los procesadores térmicos indirectos requieren un sistema mecánico para agitar el lecho del material y transportarlo a través del secador. Muchos materiales se benefician con esta agitación.

Humedad

Antes hemos hecho referencia a que el secado era la extraccion de un liquido volatil (generalmente agua) de un solido con el fin de reducir la cantidad residual de este.
Cuando un solido esta inpregnado de un liquido se dice que tiene humedad,pero esta humedad puede ser de diferentes tipos.La temperatura necesaria para extraer este liquido del solido va a depender de la forma en la que el liquido este “agarrado” solido, por lo tanto la humedad es un parametro muy importante a la hora de diseñar un proceso de secado.

La operación de secado es una operación de transferencia de masa de contacto gas- sólido, donde la humedad contenida en el sólido se transfiere por evaporación hacia la fase gaseosa, en base a la diferencia entre la presión de vapor ejercida por el sólido húmedo y la presión parcial de vapor de la corriente gaseosa. Cuando estas dos presiones se igualan, se dice que el sólido y el gas están en equilibrio y el proceso de secado termina.

1.Formas de enlaces de la humedad con el material

Cuanto mas fuerte es el enlace , mas dificil va a ser la operacion de secado,mas temperatura va a ser necesaria para poder eliminar la humedad del solido.
Hay tres formas de enlace: quimicamente, fisico-quimico y fisico-mecanico
1.1 Humedad enlazada quimicamente: es la que esta unida con mayor fuerza al material y solo puede eliminarse calentando el material a muy altas temperaturas o como resultado de una reaccion quimica.

Durante el secado se elimina la humedad enlazada con el material en forma fisico-quimica y mecanica.Y las mas facil de eliminar es la mecanica, que se divide en dos: Macrocapilares: Se llama a la humedad durante el contacto directo de este con el material. Microcapilares: La humedad penetra tanto por contacto directo ,tanto como por adsorcion de la misma en el medio ambiente.
1.2Humedad enlazada disico-quimico: Son diferentes debido a la fuerza del enlace:
-Osmoticamente o humedad de hinchamiento es cuando la humedad se encuentra dentro de la celula del material y se retien por las fuerzas osmoticas.
-Adsorcion: Se retiene en la superficie del material, en los poros del material.Requiere un gas con una energia considerablemente mayor que la utilizada para la utilizada en la humedad de hinchamiento.

2.Definiciones fundamentales:

2.1 Tipos de humedad:

-Humedad de equilibrio:Humedad del sólido cuando su presión de vapor se iguala a la presión de vapor del gas. Es decir, humedad del sólido cuando está en equilibrio con el gas.
-Humedad libre: Es la humedad del sólido; que es la humedad que está en exceso con relación a la humedad de equilibrio. Esta la humedad se puede evaporar y depende de la concentración de vapor en la corriente gaseosa.
-Humedad límite:es la humedad que ejerce la presion del solido menos la humedad que ejerce la presion del liquido puro.
-Humedad no limite: Es la humedad que ejerce una presion de vapor igual a la del liquido puro.

2.2 Clasificación de la operación de secado.
De modo general se pueden clasificar las operaciones de secado en continuas y discontinuas.En las operaciones continuas pasan continuamente a través del equipo tanto la sustancia a secar como el gas. La operación discontinua en la práctica se refiere generalmente a un proceso semicontinuo, en el que se expone una cierta cantidad de sustancia a secar a una corriente de gas que fluye continuamente en la que se evapora la humedad.
[[GRAFICA 1]]
3.Movimiento de la humedad dentro del solido:

Cuando se produce una evaporacion superficial, debe de haber un movimiento de humedad desde las profundidades deñ solido hacia la superficie.
3.1 Difusion liquido: Se puede producir la difusion de la humedad debido a los gradientes de concentracion entre las profundidades del solido, donde la concentracion es alta y la superficie donde se encuentra es baja.
3.2 Movimiento capilar: La humedad no límite en sólidos granulares y porosos tales como arcillas, pigmentos de pinturas y otros semejantes, se traslada a través de capilares e intersticios de los sólidos mediante un mecanismo que implica tensión superficial. Los capilares se extienden desde pequeños receptáculos de humedad dentro del sólido hasta la superficie de secado. A medida que se lleva a cabo el secado, al principio la humedad se traslada por capilaridad hacia la superficie con suficiente rapidez, siendo constante el régimen de secado
3.3 Difusion de vapor: Especialmente si se suministra calor a una superficie de un sólido mientras en otra el secado continua, se puede evaporar la humedad debajo de la superficie, difundiéndola hacia afuera como vapor. También se puede evaporar debajo de la superficie, las partículas de humedad existentes en sólidos granulares en forma aislada de la porción mayor de humedad que fluye a través de los capilares.
3.4 Presion:Durante el secado debido a la concentración de las capas externas de un sólido, se puede forzar a que la humedad se dirija hacia la superficie. Usualmente solo podemos conjeturar sobre cual de los mecanismos es el apropiado para cada sólido en particular, debiendo apoyarnos en el trabajo más o menos empírico de los regímenes experimentales de secado

Intercambio iónico

1.-Definición de intercambio iónico y conceptos generales.

El intercambio iónico es una operación de separación basada en la transferencia de materia fluido-sólido. Implica la transferencia de uno o más iones de la fase fluida al sólido por intercambio o desplazamiento de iones de la misma carga, que se encuentran unidos por fuerzas electrostáticas a grupos funcionales superficiales. La eficacia del proceso depende del equilibrio sólido-fluido y de la velocidad de transferencia de materia. Los sólidos suelen ser de tipo polimérico, siendo los más habituales los basados en resinas sintéticas.

Las operaciones de intercambio iónico son básicamente reacciones químicas de sustitución entre un electrolito en solución y un electrolito insoluble con el cual se pone en contacto la disolución.

Una resina de intercambio iónico puede considerarse como una estructura de cadenas hidrocarbonadas a las que se encuentran unidos de forma rígida grupos iónicos libres. Estas cadenas se encuentran unidas transversalmente formando una matriz tridimensional que proporciona rigidez a la resina y donde el grado de reticulación o entrecruzamiento determina la estructura porosa interna de la misma. Como los iones deben difundirse en el interior de la resina para que ocurra el intercambio, la selección del grado de reticulación puede limitar la movilidad de los iones participantes.

Las cargas de los grupos iónicos inmóviles se equilibran con las de otros iones, de signo opuesto, denominados contraiones, que están libres y que son los que se intercambian realmente con los del electrolito disuelto. Cuando dichos iones son cationes, los cambiadores iónicos se denominan catiónicos y cuando son aniones se denominan aniónicos.

El intercambio iónico puede explicarse como una reacción reversible implicando cantidades químicamente equivalentes. Un ejemplo común del intercambio catiónico es la reacción para el ablandamiento del agua:

Ca++ + 2NaR ↔ CaR + 2Na+

donde R representa la matriz formada por grupos iónicos negativos fijados a la resina.

2.-Tipos de resinas de intercambio.

• Catiónicas: intercambia iones positivos (cationes).Forma estructuras con grupos funcionales ácidos (resina ácido fuerte/ ácido débil).
• Aniónicas: intercambia iones negativos (aniones).Forma estructuras con grupos funcionales básicos (resina base fuerte/ base débil).

2.1.-Principales características de las resinas iónicas.

1.Resinas ácidas.

• Resina ácida fuerte

1)      Presenta un esqueleto sólido: poliestireno entrecruzado con divinilbenceno (DVB).

2)      La matriz polimérica retiene los grupos funcionales negativos (carga fija) e intercambia cationes.

3)      El grupo funcional más característico es el grupo benceno-sulfúrico.

4)      Operan a cualquier pH.

5)      Son utilizados para la suavización y es la primera unidad en un des mineralizador de dos lechos.

• Resina ácida débil

1)      Esqueleto sólido: Copolímeros de DVB y Ac. Acrílico o metacrilato.

2)      Tienen grupos carboxílicos como los sitios de intercambio.

3)      Son altamente eficientes en su regeneración. Son sometidas a una capacidad reducida de un incremento en el flujo volumétrico, bajas   temperaturas y una relación de dureza a alcalinidad por debajo de uno.

4)      Se encuentran parcialmente ionizadas (menor capacidad de cambio).

5)      No se pueden utilizar a pH bajos.

2.Resinas básicas.

• Resina básica fuerte.

1)      Presenta un esqueleto sólido: poliestireno entrecruzado con divinilbenceno.

2)      El grupo funcional amonio cuaternario constituye las cargas fijas positivas.

3)      Los dos principales grupos son Tipo I (tiene tres grupos metilo) y Tipo II (un grupo etanol reemplaza a uno de los grupos metilo).

• Resina básica débil.

1)      Existe una amplia variedad.

2)      No se utilizan a alto pH.

3)      Pueden sufrir problemas de oxidación y ensuciamiento.

3.-Intercambio iónico en lecho fijo.

La operación de intercambio iónico se realiza habitualmente en semicontinuo, en un lecho fijo de resina a través del cual fluye una disolución. El régimen de funcionamiento no es estacionario por variar continuamente la concentración de los iones en cada punto del sistema. Las instalaciones constan generalmente de dos lechos idénticos, de forma que si por uno de ellos circula la disolución que contiene los iones que se desea intercambiar, el otro se está regenerando.

Al inicio de la operación de un lecho, la mayor parte de la transferencia de materia tiene lugar cerca de la entrada del lecho donde el fluido se pone en contacto con intercambiador fresco. A medida que transcurre el tiempo, el sólido próximo a la entrada se encuentra prácticamente saturado y la mayor parte de la transferencia de materia tiene lugar lejos de la entrada. Debido a la resistencia que opone el sistema a la transferencia de iones desde el seno del líquido a los centros de intercambio, se establece un gradiente de concentración en el lecho. La región donde ocurre la mayor parte del cambio de concentración es la llamada zona de transferencia de materia, esta zona separa la zona virgen de la resina y la de saturación. A medida que progresa el intercambio iónico la zona de transferencia de materia se traslada en el lecho hasta alcanzar su extremo inferior, instante a partir del cual la disolución de salida contendrá cantidades crecientes de los iones que se desea intercambiar.

Fig 1.- Evolución de la concentración en un lecho de intercambio iónico.

El tiempo transcurrido desde el comienzo de la operación en el lecho hasta que los iones de la disolución aparecen en la corriente de salida o más concretamente, cuando se alcanza la máxima concentración en el efluente, se denomina Tiempo de ruptura (tR).

En este momento, la corriente se desviaría a un segundo lecho, iniciando el proceso de regeneración del primero.

La curva que representa la evolución de la concentración del efluente que abandona el lecho recibe el nombre de Curva de ruptura y su conocimiento es fundamental para el diseño de un lecho fijo de intercambio iónico, y en general debe determinarse experimentalmente.

Fig 2.- Diagrama concentración efluente-tiempo.

4.-Determinación de la capacidad de la resina.

Se define como Capacidad de la resina el valor de la concentración de iones que pueden ser retenidos por una unidad de peso de resina.

La determinación de la capacidad máxima de una resina catiónica se realiza intercambiando ésta con una disolución básica: se produce una reacción irreversible entre el catión saliente de la resina con los iones OH- de la disolución de tal forma que si existe suficiente concentración de soluto llega a agotarse la capacidad total de la resina.

Para el cálculo de la capacidad de la resina en lecho fijo en unas condiciones determinadas es necesario conocer cuál es la cantidad total de soluto retenido por la misma. Este valor se puede determinar a partir de la curva de ruptura del sistema en función del volumen eluído, calculando el área de la zona comprendida entre la curva de ruptura y la línea recta horizontal correspondiente a la concentración de la disolución de entrada. Dividiendo este valor entre el peso total de resina contenido en la columna, se determinará la capacidad de la resina utilizada en ciertas condiciones.

q₀₌ (Área sobre curva rotura (l) x C₀ (meq/l)) / peso resina (g)

Fig 3.- Cálculo de la capacidad de una resina.

5.-Aplicaciones del intercambio iónico.

• Tratamiento de aguas.

1)      Ablandamiento de agua. (eliminación de Ca+ y Mg2+). Para llevar a cabo este proceso es necesario la utilización de resinas ácidas o resinas de intercambio catiónico y resinas básicas o resinas de intercambio aniónico. Las primeras permiten retener los iones alcalinotérreos y liberar los iones H+ contenidos en su matriz (resina SO3-H+), mientras que las segundas liberan iones OH- (resina NR3+OH-).

2)      Desmineralización parcial (ablandamiento y eliminación de carbonatos).

3)      Desmineralización completa (sin o con eliminación de silicatos).

• Tratamiento efluentes industriales.

1)      Compuestos orgánicos (hidrocarburos, halogenados, compuestos fenólicos, detergentes).

2)      Efluentes radiactivos.

3)      Efluentes de industrias de plateado (Ni, Cr, Zn).

4)      Efluentes de industrias textiles.



4. Conceptos basicos y Principales formulas

El mecanismo del proceso de secado depende considerablemente de la forma de enlace de la humedad con el material: cuanto más sólido es dicho enlace, tanto más difícil transcurre el secado. Durante el secado se elimina, como regla, sólo la humedad enlazada con el material en forma físico-química y mecánica

Definiciones fundamentales.
Humedad de equilibrio: x*, Humedad del sólido cuando su presión de vapor se iguala a la presión de vapor del gas. Es decir, humedad del sólido cuando está en equilibrio con el gas.
Humedad libre: x- x*, Es la humedad del sólido; que es la humedad que está en exceso con relación a la humedad de equilibrio. Es ésta la humedad que se puede evaporar y depende de la concentración de vapor en la corriente gaseosa.

Novoa (1995) estima el coeficiente de transferencia de masa mediante
la expresión:
Kg = ms·k·( xi – xeq)/A
donde:
k = coeficiente de velocidad de secado (min-1)
Kg = coeficiente de transferencia de masa (kg/m2 · min)
ms = peso del material seco( kg)
xi = humedad del material en un instante de tiempo ( kg/kg)
xeq = humedad de equilibrio ( kg/kg)
x1eq = contenido de humedad del material durante el período inicial de secado o
humedad crítica( kg/kg)
x0 = humedad inicial del material ( kg/kg)

Sedimentación libre

             En la sedimentación libre, una partícula que desciende en el interior de un fluido está sometida a un conjunto de fuerzas que actúan a favor o en contra de dicho movimiento. A favor del movimiento actúa su peso, mientras que en contra actúan las fuerzas de flotación (empuje de Arquímedes) y de rozamiento.

Fig 1.- Fuerzas que actuán sobre una particula en sedimentación libre

             Si se considera una partícula de masa m, densidad Pp y volumen Vp,que desciende a una velocidad relativa v respecto a un fluido de densidad, p, las expresiones de las fuerzas que actúan serán:

-Peso:  

-Fuerza de flotación:

-Fuerza de rozamiento:

donde Ap es el área proyectada de la partícula sobre un plano perpendicular a su velocidad y  fD es el coeficiente de rozamiento adimensional. La variación de la cantidad de movimiento que experimenta la partícula debe ser igual a la fuerza resultante.De este modo:

Si sustituimos en esta ecuaciónlas expresiones anteriores obtenemos:

             Esta expresión representa la ecuación de movimiento de la partícula libre respecto al fluido en función de sus características(densidad Pp y volumen Vp) y las del fluido.

             Existen dos periodos desde que se inicia el movimiento descentente de la partícula(t=0; v=0)hasta que la pertícula alcanza su régimen estacionario. Durante el primero, la fuerza resultante es positiva en el sentido de avance y como consecuencia se produce un movimiento acelerado que incrementa paulativamentela velocidad de la partícula.Este hecho lleva consigo un aumento de la fuerza de rozamiento hasta un punto en que la aceleración se anula y la fuerza resultente se hace cero, alcanzándoseen ese momento la velocidad máxima. A partir de este momento se desarrolla el segundo periodo que se caracteriza por que la velocidad se mantiene constante en su valor máximo.Dicha velocidad recibe también el nombre de velocidad terminal o velocidad de sedimentación libre.