UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA

1. UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA FACULTAD DE INGENIERIA EAP INGENIERIA AGROINDUSTRIAL Curso : Operaciones Unitarias Agroindustriales II PROCESOS DE SEPARACION FISICO-MECANICOS (CENTRIFUGACION) Expositor : Ing. César Moreno Rojo cemoro67@yahoo.es

2. INTRODUCCION El uso de centrifugas aumenta en alto grado las fuerzas que actúan sobre las partículas. Por tanto las partículas que no se precipitan o lo hacen con mucha lentitud en precipitadores por gravedad, casi siempre se pueden separar de los fluidos por medio de fuerzas centrifugas. Estas fuerzas de precipitación de gran magnitud permiten obtener velocidades practicas con partículas mucho mas pequeñas que en los precipitadores por gravedad. Las elevadas fuerzas centrifugas no modifican las velocidades relativas de precipitación de las partículas pequeñas, pero si contrarrestan los efectos perturbadores del movimiento browniano y de las corrientes de conveccion libre.

3. DEFINICION La centrifugación es operación unitaria de separación de partículas que se basa en la distinta velocidad de desplazamiento de las partículas en un medio líquido al ser sometidas a un campo centrífugo. Cuando se centrifuga una solución, se rompe la homogeneidad y se produce la separación del soluto y del disolvente. Las primeras partículas en sedimentar son las de mayor masa. Si las partículas son muy pequeñas, entonces existe el movimiento Browniano, y por tanto la sedimentación se vuelve lenta; para ello es necesario el uso de otra fuerza denominada fuerza centrifuga para partículas menores de 0.1 um.

4. APLICACIONES INDUSTRIALES • Biotecnología • - Separación de microbios • - Separación de productos de reacciones y segregaciones • Industria alimentaria • - Aceites vegetales • - Industria del azúcar (secar cristales) • - Industria pesquera (concentración de proteínas de pescado) • - Tecnología de saborizantes • - Industria cervecera • - Procesamiento de jugos de fruta para eliminar materiales celulares

6. TUBERIA DE ALIMENTACION TAZON O CARCASA EJE DE IMPULSO CUBIERTA PARA SEGREGAR LOS PRODUCTOS SEPARADOS MECANISMO IMPULSOR (MOTOR ELECTRICO) PARTES BASICAS

7. Fuerzas que se desarrollan en la Separación por centrifugacion Los separadores centrífugos se basan en el principio común de que la rotación de un objeto en torno a un eje o punto central, a una distancia radial constante desde dicho punto, produce una fuerza que actúa sobre dicho objeto. El objeto que gira en torno al eje cambia de dirección constantemente, con lo cual se produce una aceleración aun cuando la velocidad rotacional sea constante. Esta fuerza centrípeta esta dirigida hacia el centro de la rotación. Si el objeto que se hace girar es un recipiente cilíndrico, el contenido de fluidos y sólidos desarrolla una fuerza igual y opuesta, llamada fuerza centrifuga, hacia las paredes del recipiente. Esta causa la sedimentación o precipitación de las partículas a través de una capa de liquido, o la filtración de un liquido a través de un lecho o torta de filtrado en el interior de una cámara de rotación perforada

10. (1) (2) (3) (4) (3) y (4) en (5), tenemos: (5) (6) (7) (8)

12. La aceleración de la fuerza centrifuga en un movimiento circular es (1) (2) Donde: ae = aceleración causada por la fuerza centrifuga, m/s2 (pie/s2) r = distancia radial al centro de rotación, m (pie) w = velocidad angular, rad/s. La fuerza de gravedad sobre una partícula es (3) Donde: g = aceleración de la gravedad, 9.80665 m/s2

13. Al combinar Fc y Fg, se obtiene la expresión denominada factor de separación: (4) Por consiguiente, la fuerza que se desarrolla en una centrifuga es rw2/g ó v2/rg veces mayor que la fuerza de gravedad. Con frecuencia, esto se expresa como un múltiplo de la fuerza g. Ejemplos: Fc/Fg = 1 Nos indica la separación de sólidos muy pesados (agua de cola con 10% de sólidos) Fc/Fg = 2 Nos indica la separación de sólidos muy livianos (agua de cola con 3% de sólidos)

14. Calculo del tiempo de residencia de la mezcla en una centrifuga vf: velocidad de precipitación terminal. b : longitud del tazón, m tr: tiempo de residencia es el tiempo suficiente por la cual una partícula de cierto tamaño puede separarse del liquido en el tazón y llegar hasta la pared, donde se mantiene.

15. Al final del tiempo de residencia de la partícula en el fluido, dicha partícula esta A una distancia rB m del eje de rotación. Si rB <r2, entonces la partícula abandona el tazón con el fluido Si rB = r2, la partícula se deposita en la pared y se separa de manera efectiva del fluido. Para una precipitación en el intervalo de la Ley de Stokes, la velocidad terminal de precipitación en el radio r se obtiene sustituyendo la expresión de la aceleración g de la ecuación en la ecuación para darnos: (5) Donde: vt = velocidad de precipitación en sentido radial, m/s Dp = diámetro de la partícula, m = densidad de la partícula, kg/m3 = densidad del liquido, kg/m3 = viscosidad del liquido, Pa.s

16. Puesto que , la ecuación (5) se transforma en 2 volumen del liquido en el recipiente (V) = Flujo volumétrico de la alimentación (q) (6) (7) (8)

17. r Sustituyendo en la ecuación (7) y despejando q, tenemos: (9) Las partículas de tamaño mas pequeño que el calculado en la ecuación (9) no llegaran a la pared del tazón y saldrán con el liquido. Las partículas de mayor tamaño si llegan a la pared y se separan del liquido. Un punto de corte de diámetro critico Dpc se puede definir como el diámetro de una partícula que llega a la mitad de la distancia entre r1 y r2. Esta partícula se mueve a la mitad de la capa liquida o (r2 + r1)/2 durante el tiempo que esta en la centrifuga. La integración se efectúa entonces entre r = (r2 – r1)/2en t=0 y r = r2 en t = tT y se obtiene: (10) A esta velocidad de flujo qc, las partículas que tienen un diámetro mayor de Dpc precipitaran predominantemente en la pared, y la mayoría de las partículas menores permanecerán en el liquido.

18. SEPARACION DE LIQUIDOS Es muy frecuente en la industria de la leche, en la que la emulsión, que es la leche, se separa por centrifugación en crema y leche desnatada. Debido a ello parece conveniente examinar la posición de las dos fases en la centrifuga a medida que trabaja. Se añade continuamente la leche en la maquina, que en realidad es un recipiente cilíndrico girando alrededor de un eje vertical, saliendo por los puntos de descarga respectivos crema y leche desnatada. En algún punto del recipiente debe haber una superficie de separación entre la crema y la leche desnatada. La distancia entre esta superficie y el eje central viene dada por la siguiente expresión (Heldman y Singh, 1981): Donde: rn = radio de la zona neutra pA = densidad del liquido mas pesado pB = densidad del liquido menos denso r1 = radio en el punto de descarga del liquido denso. r2 = radio en el punto de descarga del liquido ligero. Esta ecuación se aplica en el caso de la separación de la crema de la leche en la que se desea la mayor cantidad posible de crema, para lo que el radio neutro ha de mantenerse pequeño.

19. Magnitud de la Fuerza centrifuga Se toma el FCR (fuerza centrifuga relativa) para diferenciarla de la fuerza de aceleración de la gravedad. = velocidad de rotación del recipiente (RPM) Di = diámetro interno del recipiente (pulg.) En centrifugas industriales el FCR esta entre 200 y 125 000(200 en unidades grandes de canasta y 125 000 para unidades especiales en ultracentrifugas analíticas el FCR esta en 250 000.

20. Consideraciones para el diseño de centrifugas Es importante conocer: 1º La velocidad angular 2º El volumen de rotación Calculo del volumen de rotación y (1) F Condición de separación centrifuga x w

21. De (2) en (1) pero (3) (2) En función de (x,y) (4) Igualando (3) y (4), resulta (5)

22. dy x v2 h y v1 yo b Centrifuga parada Centrifuga en funcionamiento Considerando: Entonces, volumen de rotación = v1 + v2 (6) Donde (8) (7)

23. De (5) : (9) De donde : (9) en (8) e integrando : (10) (7) y (10) en (6) : (11)

24. Equipos de centrifugación para sedimentación • Centrifuga tubular. El tazón es alto y de diámetro estrecho, 100 – 150 mm. Estas centrifugas conocidas como supercentrifugas, desarrollan una fuerza equivalente a unas 13 000 veces la de la gravedad. Las centrifugas muy estrechas, con diámetros de 75 mm y velocidades muy altas, de 60000 rev/min, se llaman ultracentrifugas. Las supercentrifugas tienen grandes aplicaciones en la separación de emulsiones liquido-liquido. Figura 1. Centrifuga de tazón tubular para la separación de dos fases liquidas

25. La alimentación entra desde una boquilla estacionaria insertada a través de una abertura situada en el fondo del recipiente. y se separa en dos capas concéntricas de líquido en el interior del recipiente. La capa interior, que es la más ligera, rebosa sobre un vertedero situado en la parte superior del recipiente. El líquido más pesado fluye sobre otro vertedero, situado dentro de una tapadera separada y descarga por una tubería. El vertedero por el que descarga el líquido pesado puede separarse y reemplazarlo por otro con diferente tamaño de abertura. Figura 2. Centrifuga tubular

26. 2. Centrifuga de tazón con discos. Se usa con frecuencia en las separaciones liquido-liquido. La alimentación penetra al compartimiento por el fondo y se desplaza hacia arriba a través de orificios de alimentación espaciados verticalmente, llenando los espacios entre los discos. Los orificios dividen al conjunto vertical en una sección interior, en la que esta presente la mayor parte del liquido ligero, y una sección externa donde predomina el liquido pesado. Se usan en las separaciones de almidón-gluten, en la concentración de látex de caucho, en la separación de cremas, trazas de sólidos de aceites lubricantes y bebidas que deben ser perfectamente claras. Figura 3: Diagrama esquemático de una centrifuga de tazón con discos

27. Figura 4: Centrifuga de disco

28. 3. Centrifuga de boquillas de descarga. Se usa cuando el líquido de alimentación contiene mayor porcentaje de sólidos, siendo preciso que exista un dispositivo para la descarga automática de los sólidos. Los sólidos son desplazados hacia la periferia del recipiente y salen de forma continua a través de las boquillas junto con una considerable cantidad de líquido. En algunos diseños, parte de la suspensión descarga desde las boquillas y es reciclada a través del recipiente para aumentar la concentración de sólidos, y también se puede introducir líquido de lavado en el recipiente para efectuar un lavado por desplazamiento. Figura 5: Centrifuga de boquillas de descarga

29. Figura 6. Centrífuga cilíndrico-cónica de transportador helicoidal. (Bird Machine Co.) 4. Separadores de lodos. En una centrífuga con boquillas de descarga los sólidos abandonan el recipiente por debajo de la superficie del líquido y, por tanto, llevan consigo cantidades considerables de líquido. Para separar una suspensión de alimento en una fracción de líquido claro y un lodo pesado «seco», hay que desplazar mecánicamente del líquido los sólidos sedimentados y escurrirlos mientras se encuentran todavía bajo la acción de la fuerza centrífuga. Esto se realiza en separadores continuos de lodos, un ejemplo típico de los cuales se muestra en la Figura 6. Por ejemplo, una máquina de 18 pulg puede tratar de 1 a 2 toneladas por hora.