La sedimentación es el proceso por el cual las partículas se mueven 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. Para la sedimentación por gravedad, esto significa que las partículas tenderán a caer al fondo del recipiente, formando lodo o lechada en la base del recipiente. La sedimentación es una operación importante en muchas aplicaciones, como la minería , el tratamiento de aguas residuales y potable , las ciencias biológicas, el reencendido de propulsores espaciales [1] y la extracción.
Para la sedimentación de partículas que se consideran individualmente, es decir, soluciones de partículas diluidas, existen 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 función de la velocidad de la partícula.
Para una partícula en reposo no se mostrará ninguna fuerza de arrastre, lo que hace que la partícula se acelere debido a la fuerza aplicada. Cuando la partícula acelera, la fuerza de arrastre actúa en la dirección opuesta al movimiento de la partícula, retardando una mayor aceleración; 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 , sin causar más cambios 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 densidad del fluido.
Para 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 fuerza de las fuerzas viscosas en la superficie de la partícula que proporcionan la mayor parte de la fuerza retardante. La ley de Stokes encuentra muchas aplicaciones en las ciencias naturales y viene dada por:
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 encuentra que la ley de Stokes se cumple dentro del 1% para , dentro del 3% para y dentro del 9% . [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 resistencia , 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 resistencia. 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 a una constante, 0,44. Este valor constante implica que la eficiencia de transferencia de energía del fluido a la partícula no es función de la velocidad del fluido.
Como tal, la velocidad terminal de una partícula en un régimen newtoniano se puede obtener nuevamente equiparando 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, donde la solución analítica al problema de la caída de una esfera se vuelve problemática. Para resolver esto, se utilizan expresiones empíricas para calcular la resistencia en esta región. Una de esas ecuaciones empíricas es la de Schiller y Naumann, y puede ser válida para : [3]
Stokes, la sedimentación transicional y newtoniana describen el comportamiento de una sola 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 las partículas en el fluido o la interacción de las partículas con las paredes del recipiente, pueden modificar el comportamiento de sedimentación. La sedimentación que tiene estas fuerzas en 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 catalíticos secos, tanques decantadores, transporte neumático de sólidos, entre otros. Obviamente, en operaciones industriales la regla de arrastre no es tan simple como una sola esfera que se asienta en un fluido estacionario. Sin embargo, este conocimiento indica cómo se comporta la resistencia en sistemas más complejos, que son diseñados y estudiados por ingenieros que aplican 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 hasta 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 sedimentar para formar partículas más grandes que se sedimentan rápidamente en un tanque de sedimentación o clarificador ( de láminas ) , dejando el agua con una turbiedad más baja .
En 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 en un fluido en reposo. Los sólidos sedimentables de una suspensión se pueden cuantificar utilizando un cono de 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 reposar durante una hora. Comúnmente se utiliza un procedimiento de cono de Imhoff estandarizado para medir los sólidos suspendidos en aguas residuales o escurrimientos 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 puede usarse para predecir si se producirá agregación y sedimentación con el tiempo.
La muestra de agua a medir debe ser representativa del caudal total. Es mejor recolectar muestras de la descarga que cae de una tubería o sobre un vertedero, porque las muestras extraídas de la parte superior de un canal de flujo 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 resuspender uniformemente todos los sólidos recolectados inmediatamente antes de verter el volumen requerido para llenar el cono. El cono lleno se coloca inmediatamente en una rejilla de soporte estacionaria para permitir un asentamiento inactivo. El bastidor debe ubicarse alejado de fuentes de calor, incluida la luz solar directa, que podría provocar corrientes dentro del cono debido a cambios de densidad térmica del contenido líquido. Después de 45 minutos de asentamiento, el cono se gira parcialmente alrededor de su eje de simetría lo suficiente para desalojar cualquier material sedimentado adherido al costado del cono. El sedimento acumulado se observa y mide quince minutos después, después de una hora de tiempo total de sedimentación. [5]
Consume residuos de hidrógeno y oxígeno para producir energía, generar asentamiento y empuje de control de actitud.
