Sedimentación y espesamiento de minerales

Sedimentación

1. OBJETIVO

El objeto de esta práctica es la determinación de los parámetros de diseño de un sedimentador continuo a partir de los datos experimentales obtenidos en el laboratorio en un sedimentador discontinuo. Concretamente, se pretende calcular el área y la altura de un sedimentador continuo, conociendo las características de la suspensión alimento (caudal y concentración de sólidos), sus propiedades físicas (densidades del sólido y del líquido, viscosidad del líquido, etc.) y las especificaciones de la suspensión que se desea obtener a la salida (concentración de sólidos).

2. FUNDAMENTO TEÓRICO

2.1. 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.

2.2. 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 interfase 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 interfase 1 frente al tiempo, tal y como se muestra en la figura 2.

Simultáneamente a la formación de la interfase 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 interfase que bordea esta zona, interfase 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 interfases 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.

2.3. SEDIMENTADOR CONTINUO

El diseño de un sedimentador continuo puede realizarse a partir de los datos obtenidos en experimentos discontinuos.