Una centrífuga de placa cónica (también conocida como centrífuga de disco o separador de pila 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 platos cónicos se utiliza para separar 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 giratoria del recipiente, mientras que los fluidos menos densos se mueven hacia el centro. Las placas especiales (conocidas como pilas de discos) aumentan la superficie de sedimentación, lo que acelera el proceso de separación. Se utilizan diferentes diseños, disposiciones y formas de pila para diferentes procesos dependiendo del tipo de alimento presente. Luego, el sólido o líquido concentrado más denso 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 pequeña proporción de sólidos en suspensión. [1]
La centrífuga funciona utilizando el principio del sedimentador 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 inclinado es permitir que los sólidos sedimentados en las placas se deslicen hacia abajo por la fuerza gravitacional para que no se acumulen y obstruyan el canal formado entre las placas adyacentes. [3]
Este tipo de centrífuga elimina la materia sólida de la alimentación líquida de las placas. Una bomba centrífuga crea una presión para descargar el líquido claro 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, el número de boquillas por centrífuga, el radio de 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 introducido en 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 líquida. [1]
El pretratamiento incluye filtros en las líneas de alimentación para evitar que impurezas sólidas gruesas obstruyan las boquillas. Generalmente, 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 sólido" (también conocido como recipiente de retención de sólidos). Es aplicable en procesos de separación industrial donde el objetivo principal es separar dos fases líquidas con un mínimo o ningún sólido.
Los líquidos más ligeros y más pesados salen por separado a través de las respectivas salidas en la parte superior de la centrífuga. Los sólidos, si los hay, quedan retenidos 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 operativa. [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 autolimpiante tiene un fondo de cámara extraíble. Ambos métodos pueden controlarse de forma independiente o automática, ya sea por tiempo controlado o dependiendo de la calidad de la descarga a través de la boquilla [1]
Dependiendo del diseño, el alimento ingresa por la entrada superior o inferior. Una vez clarificado sobre las placas cónicas, el producto se descarga bajo presión a través de 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 ajusta un pistón para abrir hidráulicamente los puertos de cada boquilla, expulsando el lodo. Generalmente, se utiliza agua como fluido de servicio, que actúa como un pistón para controlar la boquilla. Durante el lodo, se inyecta agua para abrir la boquilla y se drena para cerrarla. [1]
Este tipo de separador es una centrífuga cerrada (hermética); Puede ser una cámara o un plato cónico. [1] Esta centrífuga puede acomodar un sistema con una presión máxima de 8 bares. Las entradas de alimentación y descarga están unidas al recipiente giratorio. El cabezal de la centrífuga contiene bombas rotativas de alimentación y descarga integradas. Es extremadamente útil para:
La centrífuga de placa cónica se puede utilizar para eliminar agua , sales y sólidos para acondicionar combustibles para turbinas de gas . También elimina parte del líquido en fase pesada y sólidos finos para obtener combustible líquido de alta pureza. Por otro lado, la centrífuga también es útil para tratar agua, un subproducto de petróleo y gas, eliminando los contaminantes del petróleo antes de descargarlo de nuevo al mar, como exige la ley. Además, la emulsión de aceite y agua se puede tratar adicionalmente para producir más aceite separando el aceite, el agua y las impurezas utilizando la centrífuga de placa cónica. [2]
La centrífuga de discos también es útil en la producción de biodiesel , como una iniciativa para 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 da al papel su aspecto brillante en determinadas calidades) según el tamaño de sus partículas. El separador para este proceso necesita un diseño que pueda resistir la abrasión causada por el caolín. Además, esta centrífuga también se utiliza para eliminar agua, impurezas y otras partículas metálicas de aceites y lubricantes utilizados para procesos dinámicos, como motores , compresores e sistemas hidráulicos. Este tratamiento es confiable para extender la vida útil del equipo. [2]
Como equipo que se esteriliza fácilmente y está completamente contenido, la centrífuga de placas cónicas es una excelente opción para producir vacunas y anticuerpos en condiciones estériles e higiénicas. [6]
La centrífuga hermética para cultivos celulares se utiliza para recolectar cultivos celulares de mamíferos . La alimentación ingresa al fondo de la centrífuga llena de líquido (lo que garantiza que no haya aire para la separación celular) y un eje hueco evita la aceleración instantánea de la alimentación, minimizando 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 necesidad de un desmantelamiento 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 placa cónica 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 separadores de alta velocidad, por lo que se recomienda encarecidamente la centrífuga de placas cónicas porque garantiza una separación eficiente con un calentamiento y oxidación mínimos del aceite. Para el aceite de limón prensado en frío (aceite etérico), se necesita un separador diseñado específicamente para manejar la delicada naturaleza y el valor del aceite. Una centrífuga hermética es mejor para este propósito porque puede evitar la contaminación y las pérdidas del producto. [2]
Tanto la centrífuga de placa cónica como la centrífuga de recipiente tubular se pueden utilizar para la separación líquido/líquido y sólido/líquido. Sin embargo, la ventaja de la centrífuga de placa cónica sobre la centrífuga de recipiente tubular es que la descarga de sólidos es posible en la placa cónica, pero la recuperación de sólidos en el recipiente tubular es difícil y hay una capacidad de sólidos limitada. Como la descarga de líquido en la centrífuga de placa cónica está a alta presión, esto elimina la formación de espuma, pero la espuma está presente en las centrífugas de recipiente tubular a menos que se utilicen bombas centrípetas o desnatadoras especiales. Las centrífugas de recipiente tubular son más fáciles de limpiar y tienen una buena deshidratación de lodos en comparación con las centrífugas de placa cónica. [7] [8]
Tanto la centrífuga de placa cónica como la centrífuga de cámara y recipiente se pueden utilizar para la separación líquido/líquido y sólido/líquido. Sin embargo, la ventaja de la centrífuga de placa cónica sobre la centrífuga de cámara es que es posible la descarga de sólidos en la placa cónica. El recipiente de la cámara tiene una alta capacidad para sólidos pero no hay descarga de sólidos. El enfriamiento del recipiente es posible tanto para la centrífuga de placas cónicas como para la centrífuga de cámara. Sin embargo, la limpieza es más fácil y la deshidratación de lodos es mejor en la centrífuga de cámara en comparación con la centrífuga de placa cónica. [7] [8]
Se requieren las siguientes características de proceso en una centrífuga de discos:
En la centrífuga con un número de 50 a 200 discos se utiliza un ángulo típico de 35 a 50° (con respecto al eje vertical) del disco. Esto a su vez proporciona una aceleración centrífuga G en el intervalo entre 5.000 y 15.000 g. [3]
La eficiencia de la separación de sólidos se puede aumentar aplicando una fuerza G relativamente moderada de 3000 G 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 eliminar 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 espacio entre discos adyacentes oscila entre 0,32 y 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 de 2 a 4% v/v (por volumen total) para células de mamíferos. Esto puede aumentar del 4 al 6% v/vo incluso más en el futuro debido al aumento de la capacidad de sólidos de los procesos anteriores, como los biorreactores. Por el contrario, el alimento tiene hasta un 30 % v/v de volumen a granel de levadura. [3]
El alimento puede contener sólidos disueltos que consisten en productos proteicos valiosos y otros contaminantes solubles que requieren eliminación en la purificación posterior. [3]
El ángulo de descarga de sólidos es importante ya que afecta la tasa de concentrado que se descarga. Cuanto más pronunciado sea el ángulo del cono, mayor será la fuerza G producida para eliminar los sólidos de la pared del cono. [3] Además, un ángulo de cono pronunciado ayuda a compactar el concentrado, evitando así problemas de descarga, lo que da como resultado que se descargue más concentrado sólido.
[3] Para una centrífuga con modo de descarga intermitente, determinar la frecuencia de descarga es esencial para maximizar la productividad. El tiempo, , para llenar la centrífuga de discos viene dado por la expresión:
[3]
Dónde
Se implementa una estimación inicial de lo contrario, se calcula y, a partir de la misma , se puede aproximar la descarga de frecuencia. Al monitorear la turbidez del concentrado, se pueden realizar más ajustes.
En un recipiente de disco de boquilla, el concentrado (salida sólida) o el líquido efluente se puede 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 basándose en la experiencia y la heurística. Hay muchos factores que afectan el diseño del proceso. Además, los procesos se modificarían de acuerdo con las demandas de producción, mercado y medio ambiente. Un método heurístico disponible para ayudar a diseñar el proceso de separación (centrífuga de placa cónica) se llama metodología de Douglas (1988).
La metodología de Douglas utiliza un procedimiento sistemático jerárquico de tres niveles donde 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 una pieza simple.
La modificación de un diseño específico de acuerdo con la heurística (regla general) para un proceso particular es uno de los métodos efectivos a aplicar. Las posibles heurísticas que se pueden utilizar al diseñar determinadas partes de la centrífuga de placas cónicas son:
Equipo
Boquillas
Alimentar
Producto
Material de construcción
La centrífuga de placa cónica produce lodos residuales que deben tratarse antes de poder eliminarse. El tratamiento de los lodos es el de espesamiento, deshidratación, digestión, secado y destrucción, el cual puede actuar como postratamiento al proceso de centrifugación de placas cónicas. Más detalles sobre estos postratamientos son:
El espesamiento de lodos mediante sedimentación gravitacional y dinámica se utiliza para minimizar el volumen de lodos. La alimentación 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 disminución de cinco veces en el volumen de lodos. Esto a cambio ayuda a optimizar los siguientes pasos 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 utilizados. Existen dos tipos de centrífugas diseñadas para espesar lodos y ambos métodos dependen del mismo principio de separación sólido-líquido. El primer método es la " centrífuga de recipiente sólido ", un tornillo helicoidal dispuesto horizontalmente que admite lodos, elimina los sólidos en contracorriente y permite el paso de los líquidos. El eje móvil consta de un conjunto de espirales helicoidales que empujan los residuos sólidos contra el flujo de lodos entrantes. A medida que el contenido sólido comienza a acumularse, se volverá demasiado pesado y luego caerá a un contenedor de recolección. Un vídeo ilustra este proceso.
El diseño de la centrífuga depende principalmente de los criterios de rendimiento y flujo de sólidos. [15] [16]
La deshidratación de lodos se puede lograr mediante electroósmosis o proceso de centrifugación. Antes de la deshidratación, primero se acondiciona el lodo espesado. 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, aporta valorización en energía verde mediante la producción de biogás . Las condiciones de digestión dependen de la cantidad y naturaleza del lodo. [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 (depende del grado de sequedad que se desea alcanzar) del lodo. [15]
En la destrucción de lodos se destruye toda la materia orgánica presente en los lodos 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 embalaje incorporada, generalmente una placa de disco cónica. Por lo tanto, los nuevos desarrollos suelen hacer hincapié en estas dos áreas.
Se diseñó una nueva centrífuga semihermética para 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 a través del separador. El disco de pelado estacionario instalado en la salida también permite operar el proceso a baja presión. Otra ventaja de este diseño es que produce un bajo nivel de ruido debido al conjunto con amortiguación de goma , el marco encamisado y el 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 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 del Petróleo (SPE) ha diseñado un nuevo paquete de placas con placas verticales hechas de 360 placas de acero inoxidable sujetas por un manguito de soporte de placa. Está dispuesto en paralelo al eje centrífugo. Se obtiene un aumento de la eficiencia centrífuga basándose en un programa de simulación por ordenador ejecutado previamente. Esto se ha demostrado experimentalmente, en el que la concentración de aceite en el efluente ha disminuido aproximadamente un 25%. Una mejora adicional del paquete de placas puede conducir a una disminución de la concentración de efluentes de petróleo de más del 40% y parece factible. [19]
