La sedimentación es el proceso por el cual las partículas se desplazan hacia el fondo de un líquido y forman un sedimento . Las partículas que experimentan una fuerza, ya sea por gravedad o por movimiento centrífugo , tenderán a moverse de manera uniforme en la dirección ejercida por esa fuerza. En el caso de la sedimentación por gravedad, esto significa que las partículas tenderán a caer al fondo del recipiente, formando lodo o pulpa en la base del recipiente. La sedimentación es una operación importante en muchas aplicaciones, como la minería , el tratamiento de aguas residuales y de agua potable , la ciencia biológica, la reignición de propulsantes espaciales [1] y la extracción de material.
En el caso de partículas sedimentadas que se consideran individualmente, es decir, soluciones de partículas diluidas, hay dos fuerzas principales que actúan sobre cualquier partícula. La fuerza primaria es una fuerza aplicada, como la gravedad, y una fuerza de arrastre que se debe al movimiento de la partícula a través del fluido . La fuerza aplicada generalmente no se ve afectada por la velocidad de la partícula, mientras que la fuerza de arrastre es una función de la velocidad de la partícula.
En el caso de una partícula en reposo, no se exhibirá ninguna fuerza de arrastre, lo que hace que la partícula se acelere debido a la fuerza aplicada. Cuando la partícula se acelera, la fuerza de arrastre actúa en la dirección opuesta al movimiento de la partícula, retardando la aceleración adicional; en ausencia de otras fuerzas, el arrastre se opone directamente a la fuerza aplicada. A medida que la partícula aumenta su velocidad, eventualmente la fuerza de arrastre y la fuerza aplicada se igualarán aproximadamente , lo que no provocará ningún cambio adicional en la velocidad de la partícula. Esta velocidad se conoce como velocidad terminal , velocidad de asentamiento o velocidad de caída de la partícula. Esto se puede medir fácilmente examinando la velocidad de caída de partículas individuales.
La velocidad terminal de la partícula se ve afectada por muchos parámetros, es decir, cualquier cosa que altere la resistencia de la partícula. Por lo tanto, la velocidad terminal depende principalmente del tamaño del grano , la forma (redondez y esfericidad) y la densidad de los granos, así como de la viscosidad y la densidad del fluido.
En el caso de suspensiones diluidas, la ley de Stokes predice la velocidad de sedimentación de pequeñas esferas en un fluido , ya sea aire o agua. Esto se origina debido a la intensidad de las fuerzas viscosas en la superficie de la partícula, que proporcionan la mayor parte de la fuerza de retardo. La ley de Stokes tiene muchas aplicaciones en las ciencias naturales y se expresa de la siguiente manera:
donde w es la velocidad de sedimentación, ρ es la densidad (los subíndices p y f indican partícula y fluido respectivamente), g es la aceleración debida a la gravedad, r es el radio de la partícula y μ es la viscosidad dinámica del fluido.
La ley de Stokes se aplica cuando el número de Reynolds , Re, de la partícula es menor que 0,1. Experimentalmente, se ha descubierto que la ley de Stokes se cumple con un margen de error del 1 % para , del 3 % para y del 9 % para . [2] Con el aumento de los números de Reynolds, la ley de Stokes comienza a fallar debido a la creciente importancia de la inercia del fluido, lo que requiere el uso de soluciones empíricas para calcular las fuerzas de arrastre.
Al definir un coeficiente de arrastre , como la relación entre la fuerza experimentada por la partícula dividida por la presión de impacto del fluido, se establece un coeficiente que puede considerarse como la transferencia de la fuerza disponible del fluido en arrastre. En esta región, la inercia del fluido que impacta es responsable de la mayor parte de la transferencia de fuerza a la partícula.
Para una partícula esférica en el régimen de Stokes, este valor no es constante; sin embargo, en el régimen de arrastre newtoniano, el arrastre sobre una esfera se puede aproximar mediante una constante de 0,44. Este valor constante implica que la eficiencia de transferencia de energía del fluido a la partícula no es una función de la velocidad del fluido.
Como tal, la velocidad terminal de una partícula en un régimen newtoniano se puede obtener nuevamente igualando la fuerza de arrastre con la fuerza aplicada, lo que da como resultado la siguiente expresión
En la región intermedia entre la resistencia de Stokes y la resistencia newtoniana existe un régimen de transición, en el que la solución analítica del problema de la caída de una esfera se vuelve problemática. Para resolverlo, se utilizan expresiones empíricas para calcular la resistencia en esta región. Una de estas ecuaciones empíricas es la de Schiller y Naumann, y puede ser válida para : [3]
La sedimentación de Stokes, transicional y newtoniana describe el comportamiento de una única partícula esférica en un fluido infinito, conocido como sedimentación libre. Sin embargo, este modelo tiene limitaciones en la aplicación práctica. Consideraciones alternativas, como la interacción de partículas en el fluido o la interacción de partículas con las paredes del recipiente, pueden modificar el comportamiento de sedimentación. La sedimentación en la que estas fuerzas actúan en una magnitud apreciable se conoce como sedimentación obstaculizada. Posteriormente, se pueden utilizar soluciones semianalíticas o empíricas para realizar cálculos significativos de sedimentación obstaculizada.
Los sistemas de flujo sólido-gas están presentes en muchas aplicaciones industriales, como reactores secos, catalíticos, tanques de sedimentación, transporte neumático de sólidos, entre otros. Obviamente, en operaciones industriales la regla de arrastre no es tan simple como una esfera única que se asienta en un fluido estacionario. Sin embargo, este conocimiento indica cómo se comporta el arrastre en sistemas más complejos, los cuales son diseñados y estudiados por ingenieros aplicando herramientas empíricas y más sofisticadas.
Por ejemplo, los " tanques de sedimentación " se utilizan para separar sólidos y/o aceite de otro líquido. En el procesamiento de alimentos , la verdura se tritura y se coloca dentro de un tanque de sedimentación con agua. El aceite flota en la superficie del agua y luego se recoge. En el tratamiento de agua potable y aguas residuales, a menudo se agrega un floculante o coagulante antes de la sedimentación para formar partículas más grandes que se sedimentan rápidamente en un tanque de sedimentación o clarificador ( de láminas ) , dejando el agua con una turbidez menor .
En la vinificación , el término francés para este proceso es débourbage . Este paso suele ocurrir en la producción de vino blanco antes del inicio de la fermentación . [4]
Los sólidos sedimentables son las partículas que se sedimentan de un fluido quieto. Los sólidos sedimentables se pueden cuantificar para una suspensión utilizando un cono Imhoff. El cono Imhoff estándar de vidrio transparente o plástico contiene un litro de líquido y tiene marcas calibradas para medir el volumen de sólidos acumulados en el fondo del recipiente cónico después de sedimentarse durante una hora. Un procedimiento de cono Imhoff estandarizado se utiliza comúnmente para medir sólidos suspendidos en aguas residuales o escorrentías de aguas pluviales . La simplicidad del método lo hace popular para estimar la calidad del agua . Para medir numéricamente la estabilidad de los sólidos suspendidos y predecir eventos de aglomeración y sedimentación, comúnmente se analiza el potencial zeta . Este parámetro indica la repulsión electrostática entre partículas sólidas y se puede utilizar para predecir si se producirá agregación y sedimentación con el tiempo.
La muestra de agua que se va a medir debe ser representativa de la corriente total. Las muestras se obtienen mejor de la descarga que cae de una tubería o sobre un vertedero, porque las muestras extraídas de la parte superior de un canal que fluye pueden no capturar sólidos más grandes y de alta densidad que se mueven a lo largo del fondo del canal. El balde de muestreo se agita vigorosamente para volver a suspender de manera uniforme todos los sólidos recolectados inmediatamente antes de verter el volumen necesario para llenar el cono. El cono lleno se coloca inmediatamente en un estante de retención estacionario para permitir la sedimentación en reposo. El estante debe ubicarse lejos de fuentes de calor, incluida la luz solar directa, que puede causar corrientes dentro del cono debido a los cambios de densidad térmica del contenido líquido. Después de 45 minutos de sedimentación, el cono se gira parcialmente sobre su eje de simetría lo suficiente para desalojar cualquier material sedimentado que se adhiera al costado del cono. El sedimento acumulado se observa y se mide quince minutos más tarde, después de una hora de tiempo total de sedimentación. [5]
Consume hidrógeno y oxígeno de desecho para producir energía y generar empuje para el control de actitud y asentamiento.
