Una centrífuga es un dispositivo que emplea una alta velocidad de rotación para separar componentes de diferentes densidades . Esto se vuelve relevante en la mayoría de los trabajos industriales donde los sólidos, líquidos y gases se fusionan en una sola mezcla y es necesaria la separación de estas diferentes fases. Una centrífuga decantadora (también conocida como centrífuga de tazón sólido ) separa continuamente los materiales sólidos de los líquidos en la pulpa y, por lo tanto, juega un papel importante en las industrias de tratamiento de aguas residuales , químicas, petroleras y de procesamiento de alimentos. Hay varios factores que afectan el rendimiento de una centrífuga decantadora, y se deben seguir algunas heurísticas de diseño que dependen de las aplicaciones determinadas.
El principio de funcionamiento de una centrífuga decantadora se basa en la separación por flotabilidad . Naturalmente, un componente con una densidad más alta caería al fondo de una mezcla, mientras que el componente menos denso quedaría suspendido sobre él. Una centrífuga decantadora aumenta la velocidad de sedimentación mediante el uso de la rotación continua, produciendo una fuerza G equivalente a entre 1000 y 4000 G. Esto reduce el tiempo de sedimentación de los componentes en gran magnitud, por lo que las mezclas que antes tenían que tardar horas en sedimentar pueden sedimentarse en cuestión de segundos utilizando una centrífuga decantadora. Esta forma de separación permite resultados más rápidos y controlables.
El producto de alimentación se bombea a la centrífuga decantadora a través de la entrada. El alimento entra en un recipiente horizontal, que gira. El recipiente se compone de una parte cilíndrica y una parte cónica. La separación tiene lugar en la parte cilíndrica del recipiente. La rápida rotación genera fuerzas centrífugas de hasta 4000 x g. Bajo estas fuerzas, las partículas sólidas con mayor densidad se recogen y se compactan en la pared del recipiente. Un espiral (también transportador de tornillo o sinfín) gira dentro del recipiente a una velocidad ligeramente diferente. Esta diferencia de velocidad se llama velocidad diferencial. De esta manera, el espiral transporta las partículas sedimentadas a lo largo de la parte cilíndrica del recipiente y hasta la parte cónica final del recipiente. En el extremo más pequeño de la parte cónica del recipiente, los sólidos deshidratados salen del recipiente a través de la abertura de descarga. El líquido clarificado sale a través de un disco de separación (bomba centrípeta interna). [1]
Con una centrífuga decantadora de 3 fases es posible separar 3 fases entre sí en un solo paso del proceso. Por ejemplo, dos líquidos que no se pueden mezclar debido a que tienen densidades diferentes (por ejemplo, aceite y agua) se separan de una fase sólida. El líquido pesado (agua) se acumula en el medio entre el aceite y la capa de sólidos. De esta manera, los dos líquidos separados entre sí se pueden extraer del decantador. Los sólidos se transportan a través del espiral hacia las aberturas de descarga, como ocurre también en la separación de 2 fases. [2]
Las aplicaciones típicas de la separación trifásica son la producción de aceites comestibles como el aceite de oliva , el procesamiento de lodos de aceite , la producción de biodiésel , etc.
A través de la alimentación, el medio de separación a procesar puede introducirse en el centro de la cámara de alimentación del espiral, donde se acelera. El rendimiento influirá en el tiempo de residencia . [3]
El medio de separación alcanza su velocidad máxima en el recipiente del decantador, lo que hace que los sólidos se depositen en el diámetro interior del recipiente. Una característica característica del recipiente es su forma cilíndrica/cónica.
En las centrífugas decantadoras industriales existe una velocidad diferencial entre el recipiente decantador y el sinfín, que se genera mediante un engranaje. La velocidad diferencial determina el contenido de sólidos en la salida.
Profundidad del estanque / discos de vertedero
El líquido clarificado fluye hacia el extremo cilíndrico del recipiente de la centrífuga decantadora, desde donde sale a través de aberturas en la tapa del recipiente. Estas aberturas contienen discos de retención/placas de retención regulables con precisión, mediante los cuales se puede ajustar la profundidad del estanque en el recipiente. Los discos de retención determinan el volumen de llenado del recipiente.
La principal aplicación de las centrífugas decantadoras es la separación continua de grandes cantidades de sólidos de líquidos. También se utilizan para lavar y secar diversos sólidos en la industria, como perlas de poliestireno, clarificar líquidos y concentrar sólidos.
Generalmente la centrífuga decantadora tiene más ventajas que desventajas; sin embargo, existen algunas limitaciones en comparación con otros procesos.
Ventajas:
Limitaciones:
Los principales tipos de centrífugas decantadoras son las de orientación vertical, orientación horizontal y transportador/scroll.
En las centrífugas decantadoras verticales, el conjunto giratorio está montado verticalmente con su peso soportado por un solo cojinete en la parte inferior o suspendido desde la parte superior. [5] La caja de engranajes y el recipiente están suspendidos del cabezal de accionamiento, que está conectado al marco. [5] El decantador vertical permite el funcionamiento a alta temperatura y/o alta presión debido a la orientación y los sellos rotacionales provistos en un extremo. Sin embargo, esto hace que el dispositivo sea más caro que la centrífuga decantadora horizontal, que no está presurizada y es abierta. [6] La ventaja de la máquina vertical sobre la máquina horizontal es que el ruido emitido durante la producción es mucho menor debido a una menor vibración. [6]
En las centrífugas decantadoras horizontales, como se muestra en la figura 1, el conjunto giratorio está montado horizontalmente con cojinetes en cada extremo a un marco rígido, que proporciona una buena superficie de sellado para aplicaciones de alta presión. [5] La alimentación ingresa a través de un extremo de los cojinetes, mientras que la caja de engranajes está unida al otro extremo y se opera por debajo de la velocidad crítica. [5] Las capacidades varían hasta 40,000 libras (18,000 kg) de sólidos por hora con velocidades de alimentación de líquido de hasta 300 galones estadounidenses (1,1 m 3 ) por minuto. [7] La máquina horizontal está dispuesta de manera que la suspensión se pueda introducir en el centro de un recipiente cilíndrico horizontal giratorio. [7] El tornillo de descarga de espiral fuerza los sólidos a un extremo del recipiente a medida que se recolectan en las paredes. Esta orientación es el diseño más común implementado en la industria.
En las centrífugas decantadoras con transportador, el transportador o espiral se coloca dentro de un recipiente giratorio y transporta los sólidos sedimentados contra la pared, empujándolos a través de una playa hacia el rebosadero donde se descargan los sólidos. El transportador permite aumentar la eficiencia de separación y la capacidad de alimentación.
El proceso de separación en una centrífuga decantadora depende de algunas características del proceso, como la fuerza centrífuga o fuerza G, la velocidad de sedimentación y el factor de separación, la velocidad diferencial entre el transportador y el recipiente, y la claridad de la descarga del líquido.
Las centrífugas decantadoras requieren una fuerza centrífuga para separar los sólidos del líquido. Esta característica depende del radio de la centrífuga y de su velocidad de rotación angular. Una centrífuga decantadora aplica una fuerza equivalente a varios miles de G, lo que reduce el tiempo de sedimentación de las partículas. También es preferible mantener una fuerza G alta, lo que dará como resultado una mejor separación. [8]
La velocidad a la que se produce la sedimentación es una característica importante del proceso de separación por centrífuga decantadora . La velocidad de sedimentación está influenciada por el tamaño de las partículas, las formas de las partículas, su diferencial de densidad entre sólido y líquido y la viscosidad del líquido. Esta característica del proceso se puede mejorar utilizando agentes floculantes. La velocidad de sedimentación también depende del factor de separación de la centrífuga decantadora, que está relacionado con la fuerza centrífuga. [5]
El recipiente exterior y el transportador de espiral giran a diferentes velocidades altas. Esta velocidad diferencial entre los dos es responsable de la sedimentación a lo largo del cilindro de la centrífuga decantadora. Una velocidad diferencial alta da como resultado un menor tiempo de residencia de la sedimentación de la torta, por lo que es necesario mantener el espesor de la torta al mínimo para evitar perjudicar la calidad de descarga. Mantener el espesor de la torta al mínimo también ayuda a mejorar el proceso de deshidratación de la torta . Por esta razón, es necesario obtener una velocidad diferencial óptima para equilibrar el espesor y la calidad de la torta. [9]
La característica sobre todo afecta la claridad del líquido de salida que depende del caudal volumétrico, [5] donde un caudal más alto dará como resultado una mala claridad del líquido. Otra característica que influye en la claridad del líquido de salida es la velocidad diferencial. Una velocidad diferencial baja da como resultado una mejor claridad, por lo tanto, ayuda en el proceso de separación. La fuerza G también juega un papel en la claridad de la descarga del líquido. Una fuerza G más alta da como resultado un aumento en la separación de las partículas sólidas del líquido y produce una mejor claridad. [10]
Las heurísticas de diseño son métodos basados en la experiencia que sirven para reducir la necesidad de realizar cálculos respecto al dimensionamiento del equipo, los parámetros operativos o el rendimiento.
Una de las heurísticas de diseño importantes que se deben tener en cuenta al emplear centrífugas decantadoras es la escala del proceso. Las centrífugas decantadoras deberían utilizarse idealmente en procesos de gran escala. Esto es para optimizar el valor económico, ya que los procesos de menor escala no requieren necesariamente equipos tan costosos para obtener el producto deseado. [11]
Otra heurística de diseño que debe considerarse es la relación entre la longitud y el diámetro de la centrífuga decantadora. Se utilizan comúnmente relaciones entre la longitud y el diámetro de 2, 3 y 4. Las centrífugas decantadoras con el mismo diámetro pero con una longitud mayor tendrían una mayor capacidad para transportar sólidos y alcanzarían un mayor volumen de suspensión, lo que mejoraría la sedimentación de sólidos finos. [10]
El ángulo de cono en la sección cónica de una centrífuga decantadora es una heurística de diseño que también debe tenerse en cuenta. La fuerza de deslizamiento que actúa sobre los sólidos en la dirección del charco de líquido aumenta en gran medida cuando los sólidos salen del charco hacia la playa. Una centrífuga decantadora que posee un ángulo de cono pequeño puede producir una fuerza de deslizamiento menor en comparación con un ángulo de cono grande. Un ángulo de cono bajo es beneficioso cuando los sólidos no se compactan correctamente y poseen una textura blanda. Además, los ángulos de cono bajos dan como resultado una menor tasa de desgaste en el espiral y son beneficiosos cuando se utilizan con sólidos muy compactos que requieren una gran magnitud de torque para moverse. [10]
También debe tenerse en cuenta la magnitud de la fuerza centrífuga que se utiliza. La fuerza centrífuga ayuda a la deshidratación, pero dificulta el transporte de la torta en la playa seca. Por lo tanto, existe un equilibrio entre el transporte de la torta y la deshidratación de la torta. Es necesario un equilibrio entre los dos para ajustar la piscina y la fuerza G para una aplicación particular. [5] Además, una centrífuga más grande producirá una mejor separación que una centrífuga más pequeña con la misma velocidad del recipiente, ya que se produciría una mayor fuerza G. [10]
En la sección cilíndrica de la centrífuga decantadora, lo ideal es que la piscina sea poco profunda para maximizar la fuerza G para la separación. Alternativamente, una piscina más profunda es ventajosa cuando la capa de torta es demasiado gruesa y las partículas más finas se arrastran hacia la corriente de líquido rápido, ya que hay una capa de líquido amortiguador más gruesa para ayudar a sedimentar los sólidos suspendidos. Se debe considerar el compromiso entre la sequedad de la torta y la claridad del concentrado. La razón detrás de esta compensación es que al perder sólidos finos para el concentrado, la torta con partículas más grandes puede deshidratarse de manera más efectiva, lo que da como resultado una torta más seca. La piscina óptima para una aplicación particular debe identificarse mediante la realización de pruebas. [5]
Otra heurística importante es la velocidad diferencial, que controla el transporte de la torta. Una velocidad diferencial alta daría lugar a un alto rendimiento de sólidos. Una velocidad diferencial alta también reduce el tiempo de residencia de la torta. [5]
La producción de un flujo de residuos es pequeña en comparación con el resultado total del proceso; sin embargo, puede plantear una serie de problemas importantes. En primer lugar, el volumen de residuos en el proceso reduce el volumen disponible para ser utilizado en el proceso. La eliminación directa en el medio ambiente de residuos especialmente de petróleo puede ser perjudicial para el entorno si no se aplica un tratamiento. El sistema de postratamiento aplicado al producto de desecho debe depender del producto tratado específico requerido. [12] Los objetivos del postratamiento pueden variar desde lograr un producto que se pueda eliminar de forma segura, reciclar en el proceso de refinación o requerir una fase acuosa adecuada para ser reutilizado en el proceso.
Los objetivos del postratamiento varían entre las distintas industrias, donde para realizar un proceso eficiente y económico, la centrífuga decantadora debe estar adaptada a la tarea en cuestión. En la industria de fabricación de alimentos, las centrífugas decantadoras se utilizan en máquinas de extracción de aceite. Una máquina de extracción de aceite puede procesar hasta quince toneladas métricas por hora de desechos orgánicos y se encuentran dentro de la planta de procesamiento o al aire libre si están diseñadas para el clima. [13] El material de desecho ingresa al conducto de entrada y se ablanda hasta convertirse en un lodo que luego se calienta con vapor. Luego, esta mezcla ingresa a una centrífuga decantadora de tres fases, también conocida como centrífuga tricanter.
Una centrífuga tricanter funciona según un principio similar al de las centrífugas decantadoras, pero en su lugar separa tres fases, que consisten en una fase de sólidos suspendidos y dos líquidos inmiscibles. [5] La sedimentación de los sólidos suspendidos se produce de forma normal, donde se acumulan en la pared del recipiente y se transportan fuera de la centrífuga. Las dos fases líquidas se separan mediante un sistema de descarga doble, donde la fase líquida más ligera, como el aceite, se separa sobre una presa anular por gravedad, y el agua, que suele ser la fase líquida más pesada, se descarga mediante un impulsor estacionario bajo presión. Cada uno de los tres componentes, sólido, aceite y agua, se distribuyen a diferentes tanques de almacenamiento.
Existen numerosos fabricantes especializados en tecnología de separación mecánica que han adoptado estos nuevos diseños en equipos estándar de la industria. Esta tecnología avanzada ha permitido que las centrífugas decantadoras funcionen hasta 250 metros cúbicos por hora [14] y ha desarrollado numerosos diseños como el decantador Z8E, conocido como el decantador centrífugo más grande del mundo con un impulsor ajustable, que proporciona un par de 24.000 newton metros. Otros diseños pueden reducir el consumo de energía hasta en un treinta por ciento debido a una gran descarga de lodo, y se utilizan mejor en la industria del tratamiento de agua.
El rápido desarrollo de la centrífuga decantadora durante el siglo XX vio su expansión a una amplia gama de más de 100 aplicaciones industriales. El desarrollo posterior ha visto el refinamiento del diseño de la máquina y los métodos de control, mejorando su rendimiento general, lo que permite que el sistema responda rápidamente a las condiciones de alimentación variables. El desarrollo más reciente en la tecnología de la centrífuga decantadora tiene como objetivo lograr un mejor control del proceso de separación que ocurre dentro del decantador. La forma en que los fabricantes intentan abordar esto es utilizando dispositivos mecánicos variables en la parte giratoria de la centrífuga decantadora. Para controlar el proceso de separación, los parámetros operativos deben transferirse de la parte giratoria a la parte estacionaria del decantador mientras que también se controla y mantiene constantemente el dispositivo mecánico dentro de la región de proceso. Esto se puede lograr utilizando sistemas de transferencia hidráulicos y electrónicos. Un motor de accionamiento hidráulico puede acceder fácilmente al área giratoria de la centrífuga decantadora.
Otro ámbito de desarrollo en los últimos años es la implementación de medidas de seguridad funcional, cuyo objetivo es proporcionar un entorno de trabajo mejor y más seguro. Las medidas de seguridad funcional, como el control de vibraciones con certificación SIL-2, protegen tanto al personal como a la maquinaria al facilitar un apagado de seguridad antes de que, por ejemplo, las vibraciones alcancen un nivel peligroso [15] y otras medidas de seguridad.