Centrifugació: Principis i Aplicacions en Separació de Fluids

Centrifugació

Operacions de sedimentació o filtració que utilitzen una força centrífuga per a incrementar la velocitat de separació. Pot ser econòmicament viable en els següents casos:

• Processos en els quals intervenen partícules molt petites.
• Quan la diferència de densitats entre les dues fases és petita.
• Quan l’espai disponible és escàs.
• Productes d’alt valor afegit.

Cal distingir la sedimentació centrífuga i la filtració centrífuga.

Sedimentació centrífuga

Separacions de dos líquids immiscibles, separacions sòlid-líquid i eliminació de sòlids en corrents gasosos.

Separació de líquids immiscibles

Quan dos líquids immiscibles A (més dens) i B (més lleuger) es situen en una cambra cilíndrica que gira al voltant del seu eix, el líquid A sedimentarà formant un anell junt a la paret de la cambra. El líquid B serà desplaçat cap al centre formant un segon anell intern, concèntric amb l’anterior (la zona neutra és la interfase entre ambdós anells).

Per tal que la zona neutra sigui estable, és a dir, que el radi no canvie, la pressió en la mateixa ha de ser igual en ambdós costats de la interfase. El radi de la zona neutra depèn de les densitats dels fluids i dels radis dels desguassos de descàrrega. Com les densitats no es poden modificar, es poden modificar els radis amb l’ús d’anells.

Els anells gravitatoris permeten variar els volums de les fases dins de la centrífuga i els seus temps de residència. El component majoritari sempre tindrà un major temps de residència.

Separacions sòlid-líquid

Es suposa una partícula sòlida esfèrica que sedimenta en un fluid per acció de la força centrífuga. Sobre la partícula actuen les forces de fregament i de desplaçament d’Arquímedes ja estudiades en la sedimentació gravitatòria. La velocitat terminal depèn del radi, és a dir, la velocitat amb la qual sedimenta la partícula augmenta al distanciar-se de l’eix de gir.

Les partícules sòlides suspeses arriben a la superfície començant a sedimentar amb una velocitat terminal, sent arrossegades pel moviment del líquid cap a la sortida de l’aparell. Les partícules de major diàmetre arribaran a la paret de la centrífuga abans d’arribar a la sortida; d’altra banda, les partícules més petites no tindran temps de sedimentar sobre la paret i sortiran amb el corrent efluent de la centrífuga. Si es desitja separar partícules d’un diàmetre superior a un fixat, el temps de residència de la suspensió a l’interior de la centrífuga ha de ser suficient per a permetre la seva sedimentació abans d’arribar al corrent de sortida. Aquest temps de residència serà el quocient entre el volum útil de la centrífuga i el cabal de la suspensió.

El paràmetre Σ representa la superfície d’un sedimentador gravitatori que tingués la mateixa capacitat de separació de sòlids que la centrífuga. Aquest paràmetre només depèn de les característiques geomètriques de la centrífuga i de la seva velocitat de gir.

Centrifugadora tubular

Consisteix en un rotor cilíndric, de gran diàmetre, que gira a l’interior d’una carcassa troncocònica. Depenent de la seva capacitat, l’altura del cilindre pot variar entre 25 i 75 cm i el seu diàmetre entre 4 i 10 cm. La velocitat de gir del rotor varia entre 50.000 rpm en el cas de les més petites i 15.000 rpm per a les industrials més grans.

Són molt eficaces per a la separació de líquids immiscibles, però no disposen de sistema per a l’extracció contínua de sòlids; per això, aquests s’acumulen a la paret de la cambra giratòria i s’han de retirar manualment. S’utilitzen per a sistemes que no continguin més d’1% de sòlids.

Centrífuga de discs

Estan constituïdes per una cambra cilíndrica, de diàmetre major que altura, que gira amb un motor situat en la part inferior. A l’interior d’aquesta cambra es troben uns troncs de con metàl·lics (discs), amb un diàmetre de 10 a 80 cm. L’alimentació de la suspensió es realitza per la part superior, es diposita en el fons de la cambra i ascendeix per la pila de discs. Per això, els discs disposen de perforacions, que al muntar la pila formen canals verticals que permeten l’ascens de la suspensió. Aquesta s’introdueix en els espais que queden entre els discs, circulant la fase més densa cap a l’exterior i la més lleugera cap al centre.

Els líquids separats s’extreuen per la part superior. Els discs permeten disminuir notablement les distàncies de sedimentació amb velocitats de gir inferiors, compreses entre 3.000 i 10.000 rpm.

Quan el contingut en sòlids de la suspensió sigui superior a un 2%, poden utilitzar-se centrífugues de discs que disposin de sistemes d’extracció de sòlids.

Centrífugues de transportador helicoidal

Consisteixen en un recipient cilíndric giratori que en un dels seus extrems té una secció cònica. A l’interior del cilindre hi ha un cargol helicoïdal que gira en el mateix sentit que la cambra exterior però a una velocitat lleugerament inferior. Degut a aquesta diferència de velocitat, els sòlids són arrossegats cap a l’extrem cònic de l’aparell, mentre que el líquid es desplaça en sentit contrari, sortint a l’exterior a través dels sobreeixidors. Aquest tipus d’aparells s’utilitza per a la separació de suspensions amb elevat contingut en sòlids, que pot arribar fins i tot al 50%.

Filtració centrífuga

Es presenta un tambor cilíndric, que gira a una velocitat angular amb la superfície lateral perforada, al qual s’alimenta contínuament la suspensió. Sobre la superfície interna del cilindre es situa el material filtrant, encarregat d’evitar la sortida de les partícules sòlides a través de les perforacions del tambor.

Degut a la diferència de pressió, el líquid travessa el material filtrant i surt del tambor, mentre que el sòlid queda retingut a l’interior, formant una torta que va augmentant de gruix a mesura que avança la filtració. La gran variació de pressió al llarg del radi pot originar variacions importants en la porositat i, per tant, en la resistència específica amb la profunditat de la torta. Per tant, per a una operació de filtració determinada, és necessari establir mitjançant experimentació la forma d’operar.

Centrífugues de cistella perforada

Consisteixen en un cilindre perforat (cistella) situat a l’interior d’una carcassa, que gira al voltant del seu eix. L’alimentació de la suspensió es realitza a través d’una tub central. El líquid, després de travessar la torta i el medi filtrant, passa a la carcassa.

Quan el gruix de la torta assoleix el valor límit, es deté l’alimentació i s’atura la centrífuga. Per procedir a la descàrrega de la torta, es separa aquesta del tambor raspant amb una ganiveta, al mateix temps que es fa girar la centrífuga a velocitat reduïda (inferior a 25 rpm). Els sòlids s’extreuen de l’aparell a través d’una comporta situada en la base de la cistella. El diàmetre de la cistella pot variar entre 75 i 130 cm, i la seva alçada entre 50 i 75 cm, i la velocitat de gir entre 500 i 2000 rpm.

Centrífuga d’eix horitzontal

Consisteixen en una cistella perforada que gira sobre un eix horitzontal. L’alimentació es realitza de forma contínua mitjançant una conducció que acaba en un embut giratori. D’aquesta forma, la suspensió es diposita en la part esquerra de la paret de la cistella, en la qual es forma la torta, mentre que el líquid travessa la paret del tambor i surt a l’exterior de forma contínua.

Segons es va formant la torta, aquesta es desplaça cap a la dreta fins arribar a la vora de la cistella, d’on es recull mitjançant un col·lector de sòlids. Són molt útils per a separar cristalls de suspensions amb elevat contingut en sòlids, fins i tot per sobre del 35%, i es construeixen amb diàmetre de cistella compresos en l’interval de 30 a 120 cm.

Ciclons

Són els aparells més utilitzats per a la separació de partícules sòlides (pols) o gotes de líquid suspeses en un corrent gasós. Consisteixen bàsicament en una cambra de sedimentació de forma cilíndrica cònica en la qual s’introdueix el gas per la part superior.

El gas entra en un espiral descendent. Els sòlids sedimenten sobre la paret, per acció de la força centrífuga, i cauen cap al fons, on existeix una conducció per a la sortida d’aquests cap a l’exterior. El gas net ascendeix pel centre del cicló en un espiral i surt de l’aparell a través del tub central. Resulten molt econòmics.

La seva principal limitació és l’eficàcia per a la separació de partícules de diàmetre inferior a 5 μm. L’eficàcia de separació d’un cicló augmenta al augmentar el diàmetre de les partícules que es volen separar i disminueix quan s’incrementa la temperatura del gas, degut a que es produeix un augment de viscositat.

Un dels factors més importants en el disseny de ciclons és la pèrdua de pressió del gas, el que limita la velocitat màxima que pot utilitzar-se. Per a unitats que treballen a pressions properes a l’atmosfèrica, un valor acceptable per a la velocitat del gas en la secció d’entrada al cicló és de 15 m/s.