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• Andy Camargo Sanchez

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i)

RESUMEN

La sedimentación se trata de una operación de separación sólido-fluido en la que las partículas sólidas de una suspensión, más densas que el fluido, se separan de éste por la acción de la gravedad. Es una operación controlada por la transferencia de cantidad de movimiento. En algunos casos, como cuando existen fuerzas de interacción entre las partículas y éstas son suficientemente pequeñas (suspensiones de tipo coloidal), la sedimentación natural no es posible, debiendo antes proceder a la floculación o coagulación de las partículas. La sedimentación se utiliza para separar las partículas sólidas dispersas en un líquido. La diferencia de densidades entre las partículas sólidas y el líquido hace que, aunque éste último tenga un movimiento ascendente y las partículas sólidas sedimenten, depositándose en el fondo de donde son eliminadas en forma de lodos. La viscosidad del líquido frena las partículas sólidas, que deben vencer el rozamiento con el líquido en el movimiento de caída. En este proceso las partículas sólidas ceden parte de su cantidad de movimiento a las moléculas del líquido de su alrededor. Cuanto mayor sea la viscosidad del líquido, tanto más se frena el movimiento de las partículas. Las moléculas del líquido, aceleradas por contacto con el sólido transmiten su movimiento a capas de líquido más alejadas debido a las interacciones intermoleculares, de las que la viscosidad es una medida. La operación de sedimentación está, pues, controlada por el transporte de cantidad de movimiento. ii)

INTRODUCCION

Definimos como "sedimentación" al proceso natural por el cual las partículas más pesadas que el agua, que se encuentran en su seno en suspensión, son removidas por la acción de la gravedad. Las impurezas naturales pueden encontrarse en las aguas según tres estados de suspensión en función del diámetro. Estos son: a) Suspensiones hasta diámetros de 10-4 cm. b) Coloides entre 10-4 y 10-6 cm. c) Soluciones para diámetros aún menores de 10-6 cm. Estos tres estados de dispersión dan igual lugar a tres procedimientos distintos para eliminar las impurezas. Cuando el sólido queda suspendido por el movimiento del fluido se da el fenómeno de fluidización. • Usos

– Clarificación: Obtener una fase líquida clara, sin sólidos en suspensión (por ejemplo: tratamiento de aguas) – Espesamiento: Obtener una pulpa de densidad adecuada para alguna operación subsiguiente (por ejemplo: pulpa para filtrado) 2.1.

Velocidad de sedimentacion

La velocidad de separación o velocidad de sedimentación está determinada por las propiedades del sólido, del líquido o de la mezcla. 2.1.1. Propiedades del sólido – Densidad – Forma – Rugosidad superficial – Condición eléctrica de su superficie – Distribución granulométrica 2.1.2. Propiedades de la fase líquida – Densidad – Viscosidad – Naturaleza molecular – Substancias disueltas 2.1.3. Propiedades de la mezcla – Concentración de sólidos – Viscosidad de la mezcla Las zonas de sedimentación y la del líquido claro crecen a expensas de las zona de concentración uniforme hasta que desaparece (punto crítico). • Hasta este punto, las partículas sedimentan libremente, chocando eventualmente debido a la concentración • Después del punto crítico, las partículas descansan una sobre otra produciéndose una compresión final. • Esto ocurre debido al peso de la columna hidrostática. La única interfase nítida es la existente entre el agua clara y la pulpa.

• La variación de esta altura respecto del tiempo se utiliza para caracterizar la sedimentación batch. • La velocidad de desplazamiento se calcula mediante la pendiente de la curva. • La curva presenta tres zonas típicas: – Recta al principio, en que la velocidad de la interfase es constante – Tramo curvo, cuando desaparece la zona de concentración constante – Asintótica, después del punto crítico 2.2.

ANTECEDENTES

Alguien, en alguna parte, ha dejado escrito que la sedimentación es la cenicienta de las operaciones básicas. Hay razones que hacen de esta aseveración algo más que una frase tópica y algo pretenciosa. La Cenicienta es el arquetipo de una funcionalidad discreta, eficiente, y noble, postergada a trajines humildes, pero siempre disponible para la oportunidad de demostrar sus posibilidades ante más dignos requerimientos. La sedimentación es una operación basada en unos principios aparentemente sencillos y supuestamente bien conocidos, ubicada en regiones del proceso donde suele llevar a cabo tareas escasamente sofisticadas, casi siempre viéndoselas con gangas, subproductos y residuos. 2.3.

OBJETIVOS

El presente trabajo tiene como objetivo primordial de dar a conocer sobre el tema de la sedimentación, presentaremos, definiciones, aplicaciones,etc. Entender como ocurre la sedimentación conocer de los posibles efectos sobre la calidad y cantidad de agua 2.4.

HIPOTESIS

la sedimentación de flysch ha sido objeto de numerosas investigaciones que causaron bastante polémica. Ha habido dos hipótesis de trabajo sobre su formación: hasta los años 50 del siglo XX se defendía la hipótesis de las playas fósiles, pero después se impuso la hipótesis de las corrientes de turbidez en las zonas profundas del océano. 

Playas «fósiles». Esta hipótesis defiende que la formación de los flysch se ha realizado a partir de la sedimentación costera, en un fenómeno parecido a la formación de las playas. Se basaba en el aspecto de la superficie de las capas areniscas en las que aparecen rizaduras, señales que recuerdan a las figuras dejadas por el oleaje en las arenas de las playas. De esta observación se pasó a la conjetura de que debían de ser sedimentos playeros litificados.



Mediante turbiditas. La hipótesis más aceptada es la de la formación de sedimentos en la zonas profundas de los océanos. Estos sedimentos serían los procedentes de las corrientes oceánicas de gran turbidez que discurren por la

pendiente del fondo dejando sedimentos llamados turbiditas. Las rizaduras observadas se interpretan ahora como de corriente, no de oleaje. En la teoría de la evolución formulada por Darwin se sostiene que el registro fósil muestra que los organismos se han transformado en diferentes especies a lo largo de períodos prolongados que se expresan en una escala geológica de tiempos. Sin embargo, la mencionada escala se basa en una interpretación de la formación de los estratos de rocas sedimentarias formulada por el naturalista Nicolás Stenon y publicada en 1667. En ella escribió “los estratos superpuestas son capas antiguas de sedimentos”, por lo que definió el principio de superposición. Sólo en tiempos relativamente recientes pudo observarse el proceso de sedimentación y, entonces, intentar comprobar las interpretaciones de Stenon iii)

FUNDAMENTO TEORICO 3.1.

ELIMINACIÓN DE PARTÍCULAS POR SEDIMENTACIÓN.

La sedimentación es una operación unitaria consistente en la separación por la acción de la gravedad de las fases sólida y líquida de una suspensión diluida para obtener una suspensión concentrada y un líquido claro. Se pueden distinguir dos tipos de sedimentación, atendiendo al movimiento de las partículas que sedimentan: - Sedimentación libre: se produce en suspensiones de baja concentración de sólidos. La interacción entre partículas puede considerarse despreciable, por lo que sedimentan a su velocidad de caída libre en el fluido. - Sedimentación por zonas: se observa en la sedimentación de suspensiones concentradas. Las interacciones entre las partículas son importantes, alcanzándose velocidades de sedimentación menores que en la sedimentación libre. La sedimentación se encuentra retardada o impedida. Dentro del sedimentador se desarrollan varias zonas, caracterizadas por diferente concentración de sólidos y, por lo tanto, diferente velocidad de sedimentación. Dependiendo de cómo se realice la operación, la sedimentación puede clasificarse en los siguientes tipos: - Sedimentación intermitente: el flujo volumétrico total de materia fuera del sistema es nulo, transcurre en régimen no estacionario. Este tipo de sedimentación es la que tiene lugar en una probeta de laboratorio, donde la suspensión se deja reposar. - Sedimentación continua: la suspensión diluida se alimenta continuamente y se separa en un líquido claro y una segunda suspensión de mayor concentración. Transcurre en régimen estacionario. 3.2.

SEDIMENTACIÓN POR ZONAS

En la figura 1 se representa el proceso de sedimentación por zonas en una probeta. Este proceso consta de las siguientes etapas: en un principio el sólido, que se encuentra con una concentración inicial x0 (figura 1a), comienza a sedimentar (figura 1b), estableciéndose una interface 1 entre la superficie de la capa de sólidos que sedimentan y el líquido clarificado que queda en la parte superior (zona A). La zona por debajo del líquido clarificado se denomina zona interfacial (zona B). La concentración

de sólidos en esta zona es uniforme, sedimentando toda ella como una misma capa de materia a velocidad constante Vs. Esta velocidad de sedimentación puede calcularse a partir de la pendiente de la representación de la altura de la interface 1 frente al tiempo, tal y como se muestra en la figura 2. Simultáneamente a la formación de la interface 1 y de la zona interfacial, se produce una acumulación y compactación de los sólidos en suspensión en el fondo de la probeta, dando lugar a la denominada zona de compactación (zona D). En esta zona la concentración de sólidos en suspensión es también uniforme y la interface que bordea esta zona, interface 2, avanza en sentido ascendente en el cilindro con una velocidad constante V.

Figura 1. Proceso de sedimentación por zonas. Entre la zona interfacial y la zona de compactación se encuentra la zona de transición (zona C). En esta zona la velocidad de sedimentación de los sólidos disminuye debido al incremento de la viscosidad y de la densidad de la suspensión, cambiando la concentración de sólido gradualmente entre la correspondiente a la zona interfacial y la de la zona de compactación. Las zonas de compactación e interfacial pueden llegar a encontrarse, produciéndose la coalescencia de las dos interfaces anteriormente citadas, en el denominado momento crítico tc, desapareciendo la zona de transición (figura 1c). En este momento el sólido sedimentado tiene una concentración uniforme Xc o concentración crítica, comenzando la compactación y alcanzándose, posteriormente, la concentración final Xu (figura 1d). La velocidad de sedimentación en el momento tc corresponde a un valor Vc dado por la pendiente de la tangente a la curva de sedimentación en el punto C, tal y como se indica en la figura 2 donde Vc< Vs.

Figura 2. Representación gráfica de la altura frente al tiempo. 3.3.

SEDIMENTADOR CONTINUO

El diseño de un sedimentador continuo puede realizarse a partir de los datos obtenidos en experimentos discontinuos. La sedimentación continua se realiza industrialmente en tanques cilíndricos a los que se alimenta constantemente la suspensión inicial con un caudal inicial Q0 y una concentración inicial C0 (figura 3). Por la parte inferior se extrae un lodo con un caudal Qu y una concentración Cu, normalmente con ayuda de rastrillos giratorios, y por la parte superior del sedimentador continuo se obtiene un líquido claro que sobrenada las zonas de clarificación (A), sedimentación (B-C) y compresión (D) que pueden distinguirse en la figura 3. En un sedimentador continuo, estas tres zonas permanecen estacionarias.

El procedimiento a seguir para diseñar sedimentadores que operen en condiciones de sedimentación por zonas es el siguiente: 1. Calcular el área de la superficie mínima que se requiere para conseguir la clarificación del sólido. 2. Calcular el área de la superficie mínima que se requiere para conseguir el espesamiento del sólido y alcanzar la concentración deseada. 3. Seleccionar la mayor de estas dos áreas como área de diseño para el sedimentador. 3.4.

DETERMINACIÓN DEL ÁREA CONSEGUIR LA CLARIFICACIÓN.

MÍNIMA

REQUERIDA

PARA

El área mínima requerida Ac para la clarificación depende de la velocidad Vs para la que las partículas en suspensión sedimentan antes de alcanzar la concentración crítica interfacial Xc. En condiciones de caudal constante, la velocidad del clarificado que rebosa por la parte superior del sedimentador, o vertedero, no debe exceder de Vs si se desea evitar el arrastre de las partículas y la clarificación. Por lo tanto, el área mínima requerida para la clarificación Ac puede calcularse a partir de la expresión: Ac=Qe /Vs … … … … [1] En la que Qe es el caudal (m3/s), Vs es la velocidad de sedimentación por zonas (m/s) y Ac el área mínima requerida para la clarificación (m2). El valor de la velocidad en la zona de sedimentación libre, Vs, puede calcularse a partir de la pendiente de la tangente de dicha zona de las curvas de sedimentación, tal y como se muestra en la figura 2. El valor de t se puede leer directamente de la abscisa en el punto B. Vs en la ecuación (1) corresponde a la velocidad a la cual las partículas en suspensión sedimentan antes de alcanzar la concentración crítica Xc y viene dada por la pendiente de la tangente AB de la curva correspondiente a la concentración inicial X0: Vs=0 A /0 B=H 0/t( m/s)… … … .[2]

3.5.

DETERMINACIÓN DEL ÁREA MÍNIMA REQUERIDA PARA EL ESPESAMIENTO DEL SÓLIDO

El hecho de que el área de la sección del sedimentador pueda calcularse para asegurar la clarificación de la suspensión no significa que se alcance la concentración deseada de sólido en la disolución de salida, Xu. Generalmente el área de la sección requerida para el espesamiento suele ser mayor que la requerida para la clarificación. El procedimiento desarrollado por Yoshioka y Dick para la determinación de la sección mínima requerida para el espesamiento se basa en las siguientes consideraciones: En primer lugar ha de considerarse que los ensayos de sedimentación llevados a cabo en el laboratorio no corresponden a un funcionamiento en continuo (figura 3). La capacidad del sedimentador discontinuo para arrastrar los sólidos a su parte inferior, con una concentración Xi, en funcionamiento discontinuo, viene dada por:

GB=Xi Vi … … …. [3] En la que: GB = caudal de sólido (kg/m2 s) Xi = concentración de sólido en disolución (kg/m3) Vi = velocidad de sedimentación en la zona para una concentración Xi (m/s). A partir de la ecuación [3] puede obtenerse la curva de flujo discontinuo: en la figura 4 se representa una curva típica G en función de X. Esta curva presenta un punto máximo debido a que la velocidad de sedimentación disminuye según se incrementa la concentración de la suspensión. 3.6.

CLASIFICACIÓN DE LOS MEDIOS SEDIMENTARIOS

Para la clasificación de los medios sedimentarios se utilizan distintos parámetros que los caracterizan:  Físicos: Precipitación,

temperatura,

medio

de

transporte

predominante,

velocidad del medio, corrientes y su dirección porque no es lo mismo un río que va al 

mar que un estuario que el mar entra en el río. Químicos: La composición química de la roca, según sean silicatadas o carbonatadas el efecto es diferente, la composición química del agua, es decir, la



cantidad de iones disueltos que alteran el pH. Biológicos: La flora y la fauna, y sobre todo la interacción flora y faunasedimentos.

Se clasifican según si son terrestres o continentales, marinos o son de transición (línea de costa). Terrestres: Subaéreo:



Deltaico



Glaciar



Playeros



Desértico



Estuarino



Lagoon

Subacuático: 

Fluvial



Lacustre



Palustre De transición:

(Mar

Menor,

Murcia, España) Marinos: 

Plataforma



Talud



Borde precontinental



Llanura abisal 

3.7. 

3.8.

POTABILIZACIÓN DEL AGUA En la potabilización del agua, el proceso de sedimentación está gobernado por la ley de Stokes, que indica que las partículas sedimentan más fácilmente cuanto mayor es su diámetro, su peso específico comparado con el del líquido, y cuanto 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. LEY DE STOKES



se refiere a la fuerza de fricción experimentada por objetos esféricos moviéndose en el seno de un fluido viscoso en un régimen laminar de bajos números de Reynolds. Fue derivada en 1851 por George Gabriel Stokes tras resolver un caso particular de las ecuaciones de NavierStokes. En general la ley de Stokes es válida en el movimiento de partículas esféricas pequeñas moviéndose a velocidades bajas.



La ley de Stokes puede escribirse como: 

    

V =

d 2∗g(δ P −δ L ) 18 μ

donde:



Vs es la velocidad de caída de las partículas (velocidad límite) g es la aceleración de la gravedad, ρp es la densidad de las partículas y ρf es la densidad del fluido. μ es la viscosidad del fluido.



d es el radio equivalente de la partícula.

3.9.

COAGULACION Coagulación es un proceso por el cual partículas finamente divididas que son capaces de producir turbidez, color (sabor, olor) en el agua y que son capaces de permanecer en el agua indefinidamente, se combinan químicamente y/o físicamente, desestabilizándose y uniéndose formando partículas mayores, produciéndose un rápido efecto de sedimentación





3.9.1. Factores que influyen en la coagulación

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-dosis de coagulante.



-pH



- agitación.



- alcalinidad.



- temperatura.



- sales disueltas. Conductividad

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3.10. FLOCULACION  La floculación trata la unión entre los flóculos ya formados con el fin aumentar su volumen y peso de forma que pueden decantar Consiste en la captación mecánica de las partículas neutralizadas dando lugar a un entramado de sólidos de mayor volumen. De esta forma, se consigue un aumento considerable del tamaño y la densidad de las partículas coaguladas, aumentando por tanto la velocidad de sedimentación de los flóculos. 

Básicamente, existen dos mecanismos por los que las partículas entran en contacto:



• Por el propio movimiento de las partículas (difusión browniana). En este caso se habla de Floculación pericinética o por convección natural. Es muy lenta.



• Por el movimiento del fluido que contiene a las partículas, que induce a un movimiento de éstas. Esto se consigue mediante agitación de la mezcla. A este mecanismo se le denomina Floculación ortocinética o por convección forzada. Existen además ciertos productos químicos llamados floculantes que ayudan en el proceso de floculación. Un floculante actúa reuniendo las partículas individuales en aglomerados, aumentando la calidad del flóculo (flóculo más pesado y voluminoso).

3.11. TIPOS DE SEDIMENTACION 

3.11.1. Sedimentación Simple



Tiene por objeto reducir la carga de sólidos sedimentables cuyos tamaños de partícula son relativamente grandes. Mediante esta operación se eliminan partículas simples, no aglomerables, por disminución de la velocidad y turbulencia del fluido, es decir, la eliminación se da simplemente, cuando la fuerza de gravedad que obra sobre las partículas prevalece sobre la fuerza de arrastre del fluido. Esta operación se realiza en unidades conocidas como "desarenadores" o "clarificadores". 3.11.2. Sedimentación Inducida



se refiere a la sedimentación de partículas coloidales, cuya coagulación o aglomeración, ha sido inducida previamente por agentes químicos, tales como alumbre o hidróxido férrico, entre otros. Esta operación se realiza en unidades llamadas decantadores. La decantación es inherente a la coagulación y a la floculación.

3.12. CLASIFICACIÓN DE LOS MEDIOS SEDIMENTARIOS 

Para la clasificación de los medios sedimentarios se utilizan distintos parámetros que los caracterizan:



Físicos: Precipitación, temperatura, medio de transporte predominante, velocidad del medio, corrientes y su dirección porque no es lo mismo un río que va al mar que un estuario que el mar entra en el río.



Químicos: La composición química de la roca, según sean silicatadas o carbonatadas el efecto es diferente, la composición química del agua, es decir, la cantidad de iones disueltos que alteran el pH.



Biológicos: La flora y la fauna, y sobre todo la interacción flora y fauna sedimentos. 3.13. APLICACIONES  

3.13.1. 

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 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



La ley de Stokes es el principio usado en los viscosímetros de bola en caída libre, en los cuales el fluido está estacionario en un tubo vertical de vidrio y una esfera, de tamaño y densidad conocidas, desciende a través del liquido. Si la bola ha sido seleccionada correctamente alcanzará la velocidad terminal, la cual puede ser medida por el tiempo que pasa entre dos marcas de un tubo. A veces se usan sensores electrónicos para fluidos opacos. Conociendo las densidades de la esfera, el líquido y la velocidad de caída se puede calcular la viscosidad a partir de la fórmula de la ley de Stokes. Para mejorar la precisión del experimento se utilizan varias bolas. La técnica es usada en la industria para verificar la viscosidad de los productos, en caso como la glicerina o el sirope.



La ley de Stokes también es importante para la compresión del movimiento de microorganismos en un fluido, así como los procesos de sedimentación debido a la gravedad de pequeñas partículas y organismos en medios acuáticos.2 También es usado para determinar el porcentaje de granulometría muy fina de un suelo mediante el ensayo de sedimentación.



iv)

RESULTADOS



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Los resultados obtenidos del presente informe fueron sacados de libros y de internet, basándose todo en sedimentación, tratándose los siguientes puntos: Eliminación de partículas por sedimentación (sedimentación libre y sedimentación por zonas, sedimentación intermitente y sedimentación contínua). Sedimentación por zonas sedimentación continua determinación del área mínima requerida para conseguir la clarificación (Determinación del área mínima requerida para el espesamiento del sólido)  

v)

CONCLUSION.



En conclusión afirmamos que el estudio de la sedimentación es muy importante en el tratamiento del agua como en la potabilización y la depuración de aguas residuales.

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Hay dos tipos de sedimentación que nos indica como ocurre esta operación unitaria una es la sedimentación simple y la otra es la sedimentación inducida, su aplicación es amplia La ley de Stokes es importante para la compresión del movimiento de microorganismos en un fluido, así como los procesos de sedimentación debido a la gravedad de pequeñas partículas y organismos en medios acuáticos. También es usado para determinar el porcentaje de granulometría muy fina de un suelo mediante el ensayo de sedimentación.

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Bibliografía

Ramalho, R.S. Tratamiento de aguas residuales. Ed. Reverté, S.A. http://cienciaybiologia.com/sedimentacion-y-estratificacion http://www.bdigital.unal.edu.co/70/5/45      