Una centrífuga de placas cónicas (también conocida como centrífuga de discos o separador de pilas de discos ) es un tipo de centrífuga que tiene una serie de discos cónicos que proporcionan una configuración paralela de espacios de centrifugación. [1]
La centrífuga de placas cónicas se utiliza para eliminar sólidos (normalmente impurezas) de líquidos o para separar dos fases líquidas entre sí mediante una fuerza centrífuga enormemente alta. Los sólidos o líquidos más densos que están sujetos a estas fuerzas se mueven hacia afuera, hacia la pared del recipiente giratorio, mientras que los fluidos menos densos se mueven hacia el centro. Las placas especiales (conocidas como pilas de discos) aumentan el área de sedimentación de la superficie, lo que acelera el proceso de separación. Se utilizan diferentes diseños, disposiciones y formas de pilas para diferentes procesos según el tipo de alimentación presente. A continuación, el sólido o líquido más denso concentrado se elimina de forma continua, manual o intermitente, según el diseño de la centrífuga de placas cónicas. [2] Esta centrífuga es muy adecuada para clarificar líquidos que tienen una pequeña proporción de sólidos en suspensión. [1]
La centrífuga funciona utilizando el principio de sedimentación de placas inclinadas . Se instala un conjunto de placas paralelas con un ángulo de inclinación θ con respecto al plano horizontal para reducir la distancia de sedimentación de las partículas. La razón del ángulo de inclinación es permitir que los sólidos sedimentados en las placas se deslicen hacia abajo por la fuerza de la gravedad para que no se acumulen y obstruyan el canal formado entre las placas adyacentes. [3]
Este tipo de centrífuga elimina la materia sólida del líquido que se alimenta a las placas. Una bomba centrífuga crea una presión para descargar el líquido transparente de la centrífuga . El sólido se extrae a través de boquillas de forma continua, [1] como se muestra en la Figura 2 [ aclaración necesaria ] . La cantidad de concentrado depende de la velocidad de rotación del recipiente, la cantidad de boquillas por centrífuga, el radio de la posición de la boquilla y el diámetro de la boquilla. La calidad depende del volumen de concentrado descargado y de la concentración y el volumen del líquido que se alimenta a la centrífuga. La concentración de la descarga a través de la boquilla se varía ajustando el diámetro de la boquilla y el volumen inicial de alimentación de líquido. [1]
El pretratamiento incluye filtros en las líneas de alimentación para evitar que las impurezas sólidas gruesas obstruyan las boquillas. Por lo general, el diámetro de los orificios del filtro de pretratamiento es aproximadamente un 10 % menor que el diámetro de la boquilla . [1]
Una centrífuga de limpieza manual tiene un "recipiente para sólidos" (también conocido como recipiente de retención de sólidos). Se aplica en procesos de separación industriales en los que el objetivo principal es separar dos fases líquidas con una cantidad mínima o nula de sólidos.
Los líquidos más ligeros y más pesados salen por separado a través de las salidas respectivas en la parte superior de la centrífuga. Los sólidos, si los hay, se retienen en el recipiente de la centrífuga y deben evacuarse manualmente deteniendo la centrífuga y limpiando el espacio de lodo dentro del recipiente. El diseño más simple no tiene el mecanismo hidráulico para la expulsión de lodos, eliminando así la necesidad de agua de operación. [4] [5]
Los líquidos más ligeros y más pesados salen por separado por la parte superior de la centrífuga, mientras que el lodo se descarga de forma intermitente a través de las boquillas. Otro tipo de centrífuga autolimpiable tiene una parte inferior de cámara extraíble. Ambos métodos se pueden controlar de forma independiente o automática, ya sea por tiempo o en función de la calidad de la descarga a través de la boquilla [1].
Dependiendo del diseño, la alimentación ingresa por la entrada superior o inferior. Una vez clarificado en las placas cónicas, el producto se descarga bajo presión por la salida. Los sólidos separados, o lodos, se acumulan en el espacio cónico adyacente a la boquilla. Una vez lleno (sin exceder el área de las placas), se coloca un pistón para abrir hidráulicamente cada puerto de la boquilla, expulsando el lodo. Generalmente, se utiliza agua como fluido de servicio, que actúa como un pistón para controlar la boquilla. Durante el lodo, el agua se inyecta para abrir la boquilla y se drena para cerrarla. [1]
Este tipo de separador es una centrífuga cerrada (hermética); puede ser de cámara o de plato cónico. [1] Esta centrífuga puede alojar un sistema con una presión máxima de 8 bares. La entrada de alimentación y descarga están unidas al recipiente giratorio. El cabezal de la centrífuga contiene bombas de alimentación y descarga giratorias incorporadas. Es extremadamente útil para:
La centrífuga de placas cónicas se puede utilizar para eliminar agua , sales y sólidos para acondicionar combustibles para turbinas de gas . También elimina algunos líquidos de fase pesada y sólidos finos para obtener combustible líquido de alta pureza. Por otro lado, la centrífuga también es útil para tratar el agua, un subproducto del petróleo y el gas, al eliminar los contaminantes del petróleo antes de descargarlo nuevamente al mar, como lo exige la ley. Además, la emulsión de petróleo y agua se puede tratar aún más para producir más petróleo al separar el petróleo, el agua y las impurezas utilizando la centrífuga de placas cónicas. [2]
La centrífuga de discos también es útil para producir biodiésel , como una iniciativa para las fuentes de energía alternativas . La centrífuga separa el combustible del metanol o el agua para convertir los aceites de las materias primas (como la semilla de colza) en combustible diésel . Los aditivos de aceite se utilizan para mejorar el rendimiento del combustible y, para eliminar la mayor cantidad posible de contaminantes, este tipo de centrífuga se utiliza para separar el exceso de sólidos finos, como sales metálicas y cal. [2]
En el recubrimiento de papel, la centrífuga de placas cónicas limpia y clasifica el ' caolín ' (un material que le da al papel su aspecto brillante en ciertos grados de papel) según su tamaño de partícula. El separador para este proceso necesita un diseño que pueda soportar la abrasión causada por el caolín. Además, esta centrífuga también se utiliza para eliminar agua, impurezas y otras partículas metálicas de los aceites y lubricantes utilizados para procesos dinámicos, como motores , compresores e hidráulicos. Este tratamiento es confiable para extender la vida útil del equipo. [2]
Como equipo que se esteriliza fácilmente y es completamente contenedor, la centrífuga de placa cónica es una excelente opción para producir vacunas y anticuerpos en condiciones estériles e higiénicas. [6]
La centrífuga de cultivo celular hermética se utiliza para recolectar cultivos celulares de mamíferos . El alimento ingresa por la parte inferior de la centrífuga llena de líquido (lo que garantiza que no haya aire para la separación de las células) y un husillo hueco evita la aceleración instantánea del alimento, lo que minimiza el daño a la sensible membrana celular. La salida no tiene aire para reducir la formación de espuma. Esta centrífuga también se puede limpiar y desinfectar en el lugar (sistemas SIP y CIP) sin un desmontaje importante para garantizar que las operaciones sigan siendo higiénicas. [6]
En la elaboración de cerveza, se utiliza kieselguhr (un polvo blanquecino conocido como tierra de diatomeas) para filtrar el agua de las bebidas alcohólicas. La adición de una centrífuga de placas cónicas reducirá el uso de kieselguhr, será más económica y eficiente en términos de tiempo, además de minimizar la pérdida de producto. [2]
En la producción de aceite de oliva, se utilizan ampliamente los separadores de alta velocidad, por lo que la centrífuga de placas cónicas es muy recomendable porque garantiza una separación eficiente con un calentamiento y oxidación mínimos del aceite. Para el aceite de limón prensado en frío (aceite etéreo), se necesita un separador diseñado específicamente para manejar la naturaleza delicada y el valor del aceite. Una centrífuga hermética es la mejor para este propósito porque puede evitar la contaminación y las pérdidas del producto. [2]
Tanto la centrífuga de placas cónicas como la centrífuga de cuenco tubular se pueden utilizar para la separación de líquido/líquido y sólido/líquido. Sin embargo, la ventaja de la centrífuga de placas cónicas sobre la centrífuga de cuenco tubular es que la descarga de sólidos es posible en la placa cónica, pero la recuperación de sólidos en el cuenco tubular es difícil y hay una capacidad limitada de sólidos. Como la descarga de líquido en la centrífuga de placas cónicas se realiza a alta presión, esto elimina la formación de espuma, pero la espuma está presente en las centrífugas de cuenco tubular a menos que se utilicen bombas centrípetas o desnatadoras especiales. Las centrífugas de cuenco tubular son más fáciles de limpiar y deshidratan mejor los lodos en comparación con las centrífugas de placas cónicas. [7] [8]
Tanto la centrífuga de placas cónicas como la centrífuga de cuenco de cámara se pueden utilizar para la separación de líquido/líquido y sólido/líquido. Sin embargo, la ventaja de la centrífuga de placas cónicas sobre la centrífuga de cuenco de cámara es que la descarga de sólidos es posible en la placa cónica. El cuenco de cámara tiene una alta capacidad para sólidos, pero no hay descarga de sólidos. El enfriamiento del cuenco es posible tanto para la centrífuga de placas cónicas como para la centrífuga de cuenco de cámara. Sin embargo, la limpieza es más fácil, así como la deshidratación de lodos es mejor en la centrífuga de cuenco de cámara en comparación con la centrífuga de placas cónicas. [7] [8]
Las siguientes características de proceso son necesarias en una centrífuga de discos:
En las centrífugas con entre 50 y 200 discos se utiliza un ángulo típico de 35 a 50° (con respecto al eje vertical), lo que a su vez proporciona una aceleración centrífuga G en el rango de 5000 a 15000 g. [3]
La eficiencia de la separación de sólidos se puede aumentar aplicando una fuerza G relativamente moderada de 3000 Gs en una centrífuga que procesa carbonato de calcio (con tamaños inferiores a 8 y 12 micrones). [9] Esta eficiencia se reduce con una fuerza G más alta de alrededor de 6000 Gs porque las altas velocidades del fluido cerca de la pared pueden expulsar las partículas más gruesas sedimentadas hacia la fase ligera, lo que reduce el tiempo de retención para la separación de partículas. Sin embargo, esto depende del tamaño de los sólidos procesados. [9]
[3] Normalmente, el espaciado entre discos adyacentes varía de 0,32 a 1 mm. Esto depende de la aplicación y del alimento a procesar, así como de la concentración del alimento, como se muestra en los ejemplos siguientes.
Como regla general, la relación entre el diámetro exterior del recipiente y su altura debe ser aproximadamente igual a 1.
Hay dos tipos de sólidos de alimentación para esta centrífuga:
Común para aplicaciones biofarmacéuticas, el alimento tiene entre un 2 y un 4 % v/v (por volumen a granel) para células de mamíferos. Esto puede aumentar a entre un 4 y un 6 % v/v o incluso más en el futuro debido al aumento de la capacidad de sólidos de los procesos anteriores, como los biorreactores. En contraste, el alimento tiene hasta un 30 % v/v de volumen a granel para levaduras. [3]
El alimento puede contener sólidos disueltos que consisten en un producto proteico valioso y otros contaminantes solubles que requieren eliminación en la purificación posterior. [3]
El ángulo de descarga de sólidos es importante, ya que afecta la velocidad de descarga del concentrado. Cuanto más pronunciado sea el ángulo del cono, mayor será la fuerza G que se produce para despejar los sólidos de la pared del cono. [3] Además, un ángulo de cono pronunciado ayuda a compactar el concentrado, lo que evita problemas de descarga y hace que se descargue más concentrado sólido.
[3] En el caso de una centrífuga con modo de descarga intermitente, determinar la frecuencia de descarga es esencial para maximizar la productividad. El tiempo, , necesario para llenar la centrífuga de discos viene dado por la expresión:
[3]
Dónde
Se implementa una estimación inicial de, de lo contrario se calcula y, a partir de la frecuencia calculada, se puede aproximar la descarga. Al monitorear la turbidez del concentrado, se pueden realizar ajustes más precisos.
En un recipiente con disco de boquilla, el concentrado (salida de sólidos) o el líquido efluente se pueden descargar mediante una bomba centrípeta o una bomba de separación. Esto es ventajoso para reducir la energía de la corriente de descarga, permite el contacto con el aire y reduce la formación de espuma, especialmente cuando el líquido tiene proteínas disueltas. [3]
[10] En el diseño de procesos, muchas de las decisiones importantes se toman en base a la experiencia y la heurística. Existen muchos factores que afectan el diseño de procesos. Además, los procesos se modificarían de acuerdo con las demandas de producción, mercado y ambientales. Un método heurístico disponible para ayudar a diseñar procesos de separación (centrífuga de placas cónicas) se denomina metodología de Douglas (1988).
La metodología Douglas utiliza un procedimiento sistemático jerárquico de tres niveles en el que se pueden aplicar heurísticas. Los diseños de procesos de tres niveles son:
El método de Douglas es adecuado para modelar un proceso centrífugo de placa cónica, ya que descompone un problema de diseño complicado en piezas simples.
La modificación de un diseño específico de acuerdo con la heurística (regla general) para un proceso en particular es uno de los métodos eficaces que se pueden aplicar. Las posibles heurísticas que se pueden utilizar al diseñar ciertas partes de la centrífuga de placas cónicas son:
Equipo
Boquillas
Alimentar
Producto
Material de construcción
La centrífuga de placas cónicas produce lodos residuales que deben tratarse antes de su eliminación. El tratamiento de los lodos consiste en espesarlos, deshidratarlos, digerirlos, secarlos y destruirlos, lo que puede actuar como un tratamiento posterior al proceso de centrifugación de placas cónicas. A continuación, se ofrecen más detalles sobre estos tratamientos posteriores:
El espesamiento de lodos por sedimentación gravitacional y dinámica se utiliza para minimizar el volumen de lodos. Un material con un contenido de sólidos del 0,8% se puede espesar hasta un contenido de sólidos del 4%, lo que significa que se obtiene una reducción de cinco veces en el volumen de lodos. Esto, a su vez, ayuda a optimizar los pasos siguientes al reducir el tamaño de la estructura y los costos operativos. [15] [16]
El espesamiento de lodos mediante fuerza centrífuga es uno de los procesos más comunes. Existen dos tipos de centrífugas diseñadas para el espesamiento de lodos y ambos métodos dependen del mismo principio de separación sólido-líquido. El primer método es la " centrífuga de tazón sólido ", un tornillo helicoidal dispuesto horizontalmente que admite lodos, elimina sólidos en contracorriente y permite el paso de líquidos. El eje móvil consta de un conjunto de espirales helicoidales que empujan los desechos sólidos contra el flujo de lodos entrantes. A medida que el contenido sólido comienza a acumularse, se vuelve demasiado pesado y luego cae a un recipiente de recolección. Un video ilustra este proceso.
El diseño de la centrífuga depende principalmente de criterios de rendimiento de sólidos y de flujo de sólidos. [15] [16]
La deshidratación de lodos se puede lograr mediante un proceso de electroósmosis o centrifugación. Antes de la deshidratación, el lodo espesado se acondiciona primero. Esto es para aumentar el tamaño de las partículas y romper la cohesión entre la materia y el agua, para un mejor proceso de deshidratación. [15]
El objetivo de la digestión es reducir la cantidad de lodos, aumentar su sequedad y estabilizarlos. Además, permite obtener valor en energía verde mediante la producción de biogás . Las condiciones para la digestión dependen de la cantidad y la naturaleza de los lodos. [15]
El secado de lodos es necesario para eliminar el agua restante disponible debido a la limitación mecánica durante la deshidratación de lodos. El proceso de secado térmico se ve afectado por el comportamiento específico (dependiendo de la sequedad que se desea alcanzar) de los lodos. [15]
En la destrucción de lodos se destruye toda la materia orgánica presente en ellos y durante la destrucción se genera vapor y electricidad . [15]
La alta eficiencia de separación de una centrífuga es el resultado de la combinación de la fuerza centrífuga y la placa de empaque incorporada, generalmente una placa de disco cónica. Por lo tanto, los nuevos desarrollos generalmente enfatizan estas dos áreas.
Se diseñó una nueva centrífuga semihermética de modo que la presión de alimentación que ingresa al sistema sea lo más baja posible manteniendo las salidas abiertas, lo que reduce la caída de presión en el separador. El disco de separación estacionario instalado en la salida también permite que el proceso funcione a baja presión. Otra ventaja de este diseño es que produce un bajo nivel de ruido debido al conjunto amortiguado con caucho , el marco encamisado y un recipiente exterior. [17]
Otro desarrollo reciente de la centrífuga de placas cónicas es la deshidratación de lodos. Con una amplia gama de variantes de diseño disponibles para cambiar diseños particulares para adaptarse a diferentes aplicaciones, se han instalado deflectores en el extremo de descarga de sólidos del decantador . El recipiente se llena casi por completo de sólidos en lugar de tener una capa poco profunda en la periferia del recipiente y la descarga de sólidos es más seca. [18]
La Sociedad de Ingenieros Petroleros (SPE) ha diseñado un nuevo paquete de placas con placas verticales hechas de 360 placas de acero inoxidable sostenidas por un manguito de soporte de placas. Está dispuesto en paralelo al eje de la centrífuga. Se obtiene un aumento en la eficiencia de la centrífuga en base a un programa de simulación por computadora ejecutado de antemano. Esto se ha demostrado experimentalmente en el que la concentración de aceite en el efluente ha disminuido en aproximadamente un 25%. Una mejora adicional del paquete de placas puede conducir a una disminución de la concentración de aceite en el efluente de más del 40% y parece factible. [19]
