Un clarificador de láminas o sedimentador de placas inclinadas (IPS) es un tipo de clarificador diseñado para eliminar partículas de los líquidos.
Los clarificadores de láminas se pueden utilizar en una variedad de industrias, incluidas la minería y el acabado de metales, así como para tratar aguas subterráneas , aguas de procesos industriales y retrolavado de filtros de arena . [1] Los clarificadores de láminas son ideales para aplicaciones donde la carga de sólidos es variable y el tamaño de los sólidos es fino. [2] Son más comunes que los clarificadores convencionales en muchos sitios industriales, debido a su menor tamaño. [3]
Una aplicación específica es el pretratamiento de los efluentes que entran en los filtros de membrana . Los clarificadores de láminas se consideran una de las mejores opciones para el pretratamiento antes de la ultrafiltración . [4] Su diseño totalmente de acero minimiza las posibilidades de que parte de la placa inclinada se desprenda y se arrastre hacia la membrana, especialmente en comparación con los sedimentadores tubulares, que están hechos de plástico. Además, los clarificadores de láminas pueden mantener la calidad de agua requerida en la membrana con o sin el uso de productos químicos. Esta es una medida de ahorro de costos, tanto en la compra de productos químicos como en la limitación de los daños a la membrana, ya que las membranas no funcionan bien con las partículas grandes contenidas en los floculantes y coagulantes .
Los clarificadores de láminas también se utilizan en los procesos de tratamiento de aguas residuales municipales . [5] La aplicación más común de los clarificadores de láminas en aguas residuales es como parte de la etapa de tratamiento terciario. Los clarificadores de láminas se pueden integrar en el proceso de tratamiento o se pueden utilizar unidades independientes para aumentar el flujo a través de las plantas de tratamiento de agua existentes. [6] Una opción para integrar los clarificadores de láminas en las plantas existentes es actualizar los clarificadores convencionales o de manta de lodos colocando un conjunto de placas o tubos inclinados antes del desbordamiento en la denominada "zona de agua clara". Esto puede aumentar el área de sedimentación al doble, lo que da como resultado una disminución en la carga de sólidos en el desbordamiento. [7]
La principal ventaja de los clarificadores de láminas sobre otros sistemas de clarificación es la gran área de sedimentación efectiva causada por el uso de placas inclinadas, lo que mejora las condiciones de funcionamiento de los clarificadores de varias maneras. La unidad es más compacta y generalmente requiere solo el 65-80 % del área de los clarificadores que funcionan sin placas inclinadas. [3] Por lo tanto, cuando las limitaciones de espacio del sitio son un problema, se prefiere un sistema de clarificador de láminas. El área requerida reducida permite la posibilidad de que los clarificadores se ubiquen y operen en el interior, lo que reduce algunos de los problemas comunes de crecimiento de algas , obstrucciones debido a la acumulación de desechos que se arrastran y control de olores, que ocurren cuando la maquinaria está al aire libre. El funcionamiento dentro de un espacio cerrado también permite un mejor control de las condiciones de temperatura y presión de funcionamiento. [8] Las placas inclinadas significan que el clarificador puede funcionar con tasas de desbordamiento de 2 a 4 veces las de los clarificadores tradicionales, lo que permite un mayor caudal de afluente y, por lo tanto, un proceso de clarificación más eficiente en términos de tiempo. [3] Los clarificadores de láminas también ofrecen un diseño simple que no requiere el uso de productos químicos. Por lo tanto, pueden actuar como pretratamiento para procesos de membrana delicados. Cuando sea necesario, se pueden agregar floculantes para promover la eficiencia.
El rendimiento del clarificador de láminas se puede mejorar mediante la adición de floculantes y coagulantes. [9] Estos productos químicos optimizan el proceso de sedimentación y provocan una mayor pureza del agua de desbordamiento al garantizar que todos los sólidos más pequeños se sedimenten en el desbordamiento de lodos. [10]
Otra ventaja del clarificador de láminas es la clara ausencia de piezas mecánicas móviles. Por lo tanto, el sistema no requiere ningún aporte de energía, excepto para la bomba de entrada, y tiene una propensión mucho menor a fallas mecánicas que otros clarificadores. Esta ventaja se extiende a las consideraciones de seguridad durante el funcionamiento de la planta. La ausencia de piezas mecánicas da como resultado un entorno de trabajo más seguro, con menos posibilidades de lesiones. [10]
Si bien el clarificador de láminas ha superado muchas de las dificultades que presenta el uso de clarificadores más tradicionales, aún existen algunas desventajas relacionadas con la configuración y el funcionamiento del equipo. Los clarificadores de láminas no pueden tratar la mayoría de las mezclas de alimentación cruda, que requieren un tratamiento previo para eliminar materiales que podrían reducir la eficiencia de separación. La alimentación requiere un procesamiento inicial en un tamizado fino avanzado y la eliminación de arena y grasa para garantizar que la mezcla de entrada tenga una composición adecuada. [8]
La disposición del clarificador genera una turbulencia adicional a medida que el agua gira en una esquina desde la alimentación hacia las placas inclinadas. Esta área de mayor turbulencia coincide con el punto de recolección de lodos y el agua que fluye puede provocar cierta resuspensión de sólidos, al mismo tiempo que diluye los lodos. [11] Esto da como resultado la necesidad de un tratamiento adicional para eliminar el exceso de humedad de los lodos. Las entradas y la descarga del clarificador deben estar diseñadas para distribuir el flujo de manera uniforme. [3]
Se requiere un mantenimiento regular, ya que el lodo fluye por las placas inclinadas y las deja sucias. La limpieza regular ayuda a evitar una distribución desigual del flujo. [3] Además, las placas mal mantenidas pueden provocar una distribución desigual del flujo y sacrificar la eficiencia del proceso. [12] Las placas muy juntas dificultan la limpieza. Sin embargo, se pueden instalar placas lamelares extraíbles y con soporte independiente. [8]
Los clarificadores de láminas disponibles comercialmente requieren una geometría de cuenca de hormigón y un soporte estructural diferentes a los del sistema de clarificación convencional ampliamente utilizado en la industria, [13] lo que aumenta el costo de instalación de un nuevo sistema de clarificación (lamelar).
El diseño típico de un clarificador de láminas consiste en una serie de placas inclinadas dentro de un recipiente, consulte la primera figura. La corriente de agua de alimentación sin tratar ingresa desde la parte superior del recipiente y fluye por un canal de alimentación debajo de las placas inclinadas. Luego, el agua fluye hacia arriba dentro del clarificador entre las placas inclinadas. Durante este tiempo, los sólidos se depositan en las placas y finalmente caen al fondo del recipiente. [3] La ruta que toma una partícula dependerá del caudal de la suspensión y la velocidad de sedimentación de la partícula y se puede ver en la segunda figura. En el fondo del recipiente, una tolva o embudo recoge estas partículas como lodo. El lodo puede descargarse de manera continua o intermitente. Por encima de las placas inclinadas, todas las partículas se han sedimentado y se produce agua clarificada que se extrae hacia un canal de salida. El agua clarificada sale del sistema en una corriente de salida.
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Existen varios diseños patentados de clarificadores de láminas. Las placas inclinadas pueden estar basadas en tubos circulares, hexagonales o rectangulares. Algunas características de diseño posibles incluyen:
Los clarificadores de láminas pueden manejar una concentración máxima de agua de alimentación de 10 000 mg/L de grasa y 3000 mg/L de sólidos. Las eficiencias de separación esperadas para una unidad típica son:
La inversión inicial requerida para un clarificador de láminas típico varía entre US$750 y US$2500 por metro cúbico de agua a tratar, dependiendo del diseño del clarificador. [10]
La tasa de carga superficial (también conocida como tasa de desbordamiento superficial o tasa de sedimentación superficial) para un clarificador de láminas se encuentra entre 10 y 25 m/h. Para estas tasas de sedimentación, el tiempo de retención en el clarificador es bajo, de alrededor de 20 minutos o menos, [7] con capacidades operativas que tienden a oscilar entre 1 y 3 m 3 /hora/m 2 (de área proyectada). [15]
La separación de sólidos se describe mediante la eficacia de sedimentación , η, que depende de la concentración, el caudal, la distribución del tamaño de las partículas, los patrones de flujo y el empaquetamiento de las placas, y se define mediante la siguiente ecuación. [16]
η = (c 1 -c 2 )/c 2
donde c 1 es la concentración de entrada y c 2 la concentración de salida.
El ángulo inclinado de las placas permite aumentar la velocidad de carga y el rendimiento y reducir el tiempo de retención en comparación con los clarificadores convencionales. Aumento de la velocidad de carga de 2 a 3 veces en comparación con los clarificadores convencionales (del mismo tamaño). [14]
La superficie total necesaria para la sedimentación se puede calcular para una placa de láminas con N placas, cada placa de ancho W, con paso de placas θ y espaciado entre tubos p.
Dónde,
A = W∙(Np+cos θ)
En la Tabla 1 se presentan las características y rangos de operación de diferentes unidades de clarificación. [14]
La tasa de desbordamiento es una medida de la capacidad de carga de fluido del clarificador y se define como la tasa de flujo del afluente dividida por el área horizontal del clarificador. El tiempo de retención es el tiempo promedio que una partícula permanece en el clarificador. La turbidez es una medida de turbidez. Los valores más altos de eficiencia de eliminación de turbidez corresponden a menos partículas que permanecen en la corriente clarificada. La velocidad de sedimentación de una partícula también se puede determinar utilizando la ley de Stokes . [17]
Tanto la corriente de desbordamiento como la corriente de desbordamiento inferior de un clarificador de láminas a menudo requerirán un postratamiento. La corriente de desbordamiento inferior a menudo se somete a un proceso de deshidratación , como un espesador o un filtro de prensa de banda para aumentar la densidad de la pulpa . Este es un postratamiento importante, ya que la pulpa de desbordamiento inferior a menudo no se puede reciclar nuevamente en el proceso. En tal caso, a menudo debe transportarse a una planta de eliminación, y el costo de este transporte depende del volumen y el peso de la pulpa. [3] Por lo tanto, un proceso de deshidratación eficiente puede resultar en un ahorro de costos sustancial. Cuando la pulpa se puede reciclar a través del proceso, a menudo necesita secarse, y la deshidratación nuevamente es un paso importante en este proceso.
El postratamiento necesario para la corriente de desbordamiento depende tanto de la naturaleza de la corriente de entrada como del uso que se le dará a la corriente de desbordamiento. Por ejemplo, si el fluido que pasa por el clarificador de láminas proviene de una planta industrial pesada, puede requerir un postratamiento para eliminar el aceite y la grasa, especialmente si el efluente se va a descargar al medio ambiente. A menudo se utiliza una unidad de proceso de separación, como un coalescedor, para activar físicamente una separación del agua y los aceites. [19]
Para el tratamiento del agua potable, el rebose del clarificador de láminas requerirá un tratamiento adicional para eliminar las moléculas orgánicas , así como una desinfección para eliminar las bacterias. También pasará por una serie de unidades de pulido para eliminar el olor y mejorar el color del agua. [3]
Existe una tendencia en los clarificadores de láminas a que crezcan algas en las placas inclinadas, lo que puede ser un problema, especialmente si el rebose se descarga al medio ambiente o si el clarificador de láminas se utiliza como pretratamiento para una unidad de filtración por membrana. En cualquiera de estos casos, el rebose requiere un postratamiento, como un filtro de arena antracita , para evitar que las algas se propaguen aguas abajo del clarificador de láminas. Como las placas inclinadas del clarificador de láminas están hechas de acero, no se recomienda utilizar cloro para controlar el crecimiento biológico, ya que podría acelerar la corrosión de las placas. [7]
Una variación del diseño estándar de un clarificador de láminas que se está desarrollando es la forma en que se recoge el efluente en la parte superior de las placas inclinadas. En lugar de que el efluente fluya por la parte superior de las placas inclinadas hacia el canal de salida, fluye a través de orificios en la parte superior de las placas. Este diseño permite una contrapresión más constante en los canales entre las placas y, por lo tanto, se desarrolla un perfil de flujo más constante. Obviamente, este diseño solo funciona para corrientes de efluentes relativamente limpias, ya que los orificios se bloquearían rápidamente con depósitos, lo que reduciría gravemente la eficiencia de la unidad. [6] Otro diseño nuevo incluye una parte superior ajustable del recipiente para poder cambiar la altura del recipiente. Este ajuste de altura es relativo a un deflector, que dirige la corriente de entrada. Este diseño está destinado a ser utilizado para decantar aguas pluviales. [20]
Otra variación de diseño que mejora la eficiencia de la unidad de separación es la forma en que el efluente ingresa al clarificador de láminas. El diseño estándar del clarificador hace que el efluente ingrese por la parte inferior de las placas inclinadas, chocando con el lodo que se desliza por las placas. Esta región de mezcla hace que el 20 % inferior de las placas inclinadas no se pueda utilizar para la sedimentación. Al diseñar el clarificador de láminas de modo que el efluente ingrese a las placas inclinadas sin interferir con el flujo descendente de lodo, la capacidad del clarificador de láminas se puede mejorar en un 25 %. [1]
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