Una centrífuga de placa cónica (también conocida como centrífuga de tazón de disco o separador de pila de disco ) es un tipo de centrífuga que tiene una serie de discos cónicos que proporciona una configuración paralela de espacios de centrifugación. [1]
La centrífuga de placa cónica se utiliza para eliminar sólidos (generalmente 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 del recipiente giratorio mientras que los fluidos menos densos se mueven hacia el centro. Las placas especiales (conocidas como pilas de discos) aumentan el área de asentamiento de la superficie, lo que acelera el proceso de separación. Se utilizan diferentes diseños, disposiciones y formas de pilas para diferentes procesos según el tipo de alimento presente. A continuación, el sólido o líquido concentrado más denso se elimina de forma continua, manual o intermitente, según el diseño de la centrífuga de placa cónica. [2]Esta centrífuga es muy adecuada para clarificar líquidos que tienen una pequeña proporción de sólidos en suspensión. [1]
Fundamentos básicos
La centrífuga funciona utilizando el principio de sedimentador de placa inclinada . 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 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]
Diseños disponibles
Centrífuga de boquilla
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 transparente de la centrífuga . El sólido se extrae a través de boquillas continuamente, [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 alimentado a 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 las impurezas sólidas gruesas obstruyan las boquillas. Generalmente, el diámetro de los orificios del filtro de pretratamiento es aproximadamente un 10% más pequeño que el diámetro de la boquilla . [1]
Centrífuga de limpieza manual
Una centrífuga de limpieza manual tiene un "recipiente sólido" (también conocido como recipiente de retención de sólidos). Es aplicable en procesos de separación industrial en los que el objetivo principal es separar dos fases líquidas con un mínimo o sin sólidos.
Los líquidos más livianos y pesados salen por separado a través de las respectivas salidas en la parte superior de la centrífuga. Los sólidos, si los hay, se retienen 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, lo que elimina la necesidad de agua de operación. [4] [5]
Centrífuga autolimpiante
El líquido más ligero y más pesado sale 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 se pueden controlar de forma independiente o automática, ya sea por tiempo o dependiendo de la calidad de la descarga a través de la boquilla [1]
Dependiendo del diseño, la alimentación entra por la entrada superior o inferior. Una vez clarificado sobre las placas cónicas, el producto se descarga a presión por 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 configura un pistón para abrir hidráulicamente cada puerto de boquilla, expulsando el lodo. Generalmente, el agua se utiliza como fluido de servicio, actuando como un pistón para controlar la boquilla. Durante el lodo, se inyecta agua para abrir la boquilla y se drena para cerrarla. [1]
Centrífuga hermética
Este tipo de separador es una centrífuga cerrada (hermética); puede ser una cámara o un cuenco de placa cónica. [1] Esta centrífuga puede alojar un sistema con una presión máxima de 8 bares. La entrada 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:
- Alimento líquido que no puede tener una presión decreciente
- Pienso líquido que no puede soportar el impacto en la entrada, donde las partículas sólidas requieren un "toque delicado" (por ejemplo, proteínas).
- Pienso líquido que se oxida fácilmente
- Pienso líquido que emite gas o se evapora (por ejemplo, cervezas y mosto frío)
Rango de aplicación
Industria de petróleo y gas
La centrífuga de placa cónica se puede utilizar para eliminar agua , sales y sólidos para acondicionar combustibles para turbinas de gas . También elimina algunos líquidos en fase pesada y sólidos finos para obtener combustible líquido de alta pureza. Por otro lado, la centrífuga también es útil para tratar el agua, un subproducto del petróleo y el gas, al eliminar los contaminantes del petróleo antes de descargarlo de nuevo al mar, como lo 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 pila de discos también es útil en la producción de biodiésel , como una iniciativa para las fuentes de energía alternativas . La centrífuga separa el combustible del metanol o el agua para convertir los aceites de las materias primas (como la colza) en combustible diesel . Los aditivos de aceite se utilizan para mejorar el rendimiento del combustible y, para eliminar la mayor cantidad de contaminantes posible, este tipo de centrífuga se utiliza para separar el exceso de sólidos finos como las sales metálicas y la cal. [2]
Proceso industrial
En el recubrimiento de papel, la centrífuga de placa cónica limpia y clasifica el ' caolín ' (un material que le da al papel su aspecto brillante en ciertos grados de papel) de acuerdo con su tamaño de partícula. El separador para este proceso necesita un diseño que pueda soportar 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 hidráulicos. Este tratamiento es confiable para extender la vida útil del equipo. [2]
Ciencia biológica
Como equipo que se esteriliza fácilmente y se contiene completamente, la centrífuga de placa cónica es una excelente opción para producir vacunas y anticuerpos en condiciones estériles e higiénicas. [6]
La centrífuga de cultivo celular hermético se utiliza para recolectar cultivos celulares de mamíferos . El alimento ingresa al fondo de la centrífuga llena de líquido (asegurando que no haya aire para la separación de las células) y un eje hueco evita la aceleración instantánea del alimento, minimizando el daño a la sensible membrana celular. La salida está libre de aire para reducir la formación de espuma. Esta centrífuga también se puede limpiar y desinfectar en el lugar (sistemas SIP y CIP) sin un desmantelamiento importante para garantizar que las operaciones sigan siendo higiénicas. [6]
Procesamiento de alimentos
En la elaboración de cerveza, la tierra de diatomeas (un polvo blanquecino conocido como tierra de diatomeas) se utiliza para filtrar el agua de las bebidas alcohólicas. La adición de una centrífuga de placa cónica reducirá el uso de tierra de diatomeas, será más económica y eficiente en el tiempo, además de minimizar la pérdida de producto. [2]
En la producción de aceite de oliva, los separadores de alta velocidad se utilizan ampliamente, por lo que se recomienda encarecidamente la centrífuga de placa cónica porque garantiza una separación eficiente con un mínimo de calentamiento y oxidación 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 la mejor para este propósito porque puede prevenir la contaminación y las pérdidas del producto. [2]
Ventajas y limitaciones frente a los procesos competitivos
Centrífuga de cubeta tubular
Tanto la centrífuga de placa cónica como la centrífuga de tazón 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 taza tubular es que la descarga de sólidos es posible en la placa cónica, pero la recuperación de sólidos en la taza tubular es difícil y hay una capacidad de sólidos limitada. Como la descarga de líquido en la centrífuga de placa cónica se realiza a alta presión, esto elimina la formación de espuma, pero la formación de espuma está presente en las centrifugadoras de tazón tubular, a menos que se utilicen bombas centrípetas o desnatadoras especiales. Las centrífugas de cubeta tubular son más fáciles de limpiar y tienen una buena deshidratación de lodos en comparación con la centrífuga de placa cónica. [7] [8]
Centrífuga de cuenco de cámara o de cuenco sólido
Tanto la centrífuga de placa cónica como la centrífuga de cámara 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 la descarga de sólidos es posible en la placa cónica. El recipiente de la cámara tiene una gran capacidad para sólidos pero no hay descarga de sólidos. El enfriamiento del recipiente es posible tanto para la centrífuga de placa cónica como para la centrífuga de recipiente con cámara. Sin embargo, la limpieza es más fácil, así como una mejor deshidratación de lodos en la centrífuga de tazón de cámara en comparación con la centrífuga de placa cónica. [7] [8]
Principales características del proceso
Las siguientes características de proceso son necesarias en una centrífuga de pila de discos:
Ángulo de disco
En la centrífuga se utiliza un ángulo típico de 35 a 50 ° (con respecto al eje vertical) del disco con 50 a 200 discos. Esto a su vez proporciona una aceleración centrífuga G en el rango entre 5000 y 15000 g. [3]
Efecto de la fuerza g
La eficiencia de la separación de sólidos se puede incrementar aplicando una fuerza G relativamente moderada de 3000 Gs en una centrífuga que procesa carbonato de calcio (con tamaños por debajo de 8 y 12 micrones). [9] Esta eficiencia se reduce a una fuerza G más alta de alrededor de 6000 Gs porque las altas velocidades del fluido cerca de la pared pueden expulsar las partículas más gruesas sedimentadas en la fase ligera, reduciendo el tiempo de retención para la separación de partículas. Sin embargo, esto depende del tamaño de los sólidos procesados. [9]
Espaciado de disco
[3] Normalmente, el espacio entre discos adyacentes varía de 0,32 a 1 mm. Esto depende de la aplicación y el alimento a procesar, así como de la concentración del alimento, como se muestra en los ejemplos a continuación.
- Procesamiento de levadura: la levadura con un 30% en volumen de sólidos requiere un espacio abierto de 1 mm.
- E. coli y lisado: en sólidos de alimentación más bajos, un espacio más estrecho de 0,5 mm es el más adecuado.
- Caldo de células de mamíferos: se puede utilizar un espacio entre discos de 0,32 mm en sólidos de alimentación bajos con una concentración de 3 a 4%.
Como regla general, la relación entre el diámetro exterior del tazón y la altura del tazón debe ser aproximadamente igual a 1.
Sólidos de alimentación
Hay dos tipos de sólidos de alimentación para esta centrífuga:
- Sólidos suspendidos
Común para la aplicación biofarmacéutica, el alimento tiene de 2 a 4% v / v (por volumen) para células de mamíferos. Esto puede aumentar de 4 a 6% v / vo incluso más en el futuro debido al aumento en 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 para la levadura. [3]
- Sólidos disueltos
El alimento puede contener sólidos disueltos que consisten en un producto proteico valioso y otros contaminantes solubles que requieren eliminación en la purificación posterior. [3]
Ángulo de cono para descarga
El ángulo de descarga de sólidos es importante ya que afecta la velocidad de descarga del concentrado. Cuanto más pronunciado es el ángulo del cono, mayor es la fuerza G producida para despejar los sólidos de la pared del cono. [3] Además, un ángulo de cono pronunciado ayuda en la compactación del concentrado y por lo tanto evita problemas de descarga, lo que resulta en la descarga de más concentrado sólido.
Frecuencia de descarga
[3] Para una centrífuga con modo de descarga intermitente, determinar la frecuencia de descarga es esencial para maximizar la productividad. El tiempo,, para llenar el disco centrífugo viene dado por la expresión:
[3]
Dónde
- es el volumen de retención sólida en L,
- es la eficiencia de descarga,
- es la velocidad de alimentación en L / min,
- es el volumen de alimentación en L / min.
Una suposición inicial de se implementa de otra manera calculada y calculada , la frecuencia de descarga puede ser aproximada. Al controlar la turbidez del centrado, se pueden realizar más ajustes.
Descarga liquida
En un recipiente de disco de boquilla, el líquido concentrado (salida de sólidos) o efluente se puede descargar mediante una bomba centrípeta o una bomba de descompresión. 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]
Heurísticas
Métodos heurísticos para diseñar un proceso
[10] En el diseño de procesos, muchas de las decisiones importantes se toman en base a la experiencia y la heurística. Hay muchos factores que afectan el diseño del proceso. Además, los procesos se modificarían de acuerdo con la producción, el mercado y las demandas ambientales. 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 puede aplicar la heurística. Los diseños de procesos de tres niveles son:
- 1. Se centra en el diagrama de flujo del proceso que incluye los cálculos de tamaño de característica.
- 2. Un diseño de proceso detallado (P&ID) que proporciona flujo de masa y energía, así como especificaciones del equipo.
- 3. Diseño mecánico (construcción de equipos).
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.
Posibles heurísticas para la centrífuga de placa cónica
La modificación de un diseño específico de acuerdo con la heurística (regla empírica) para un proceso en particular es uno de los métodos efectivos a aplicar. Las posibles heurísticas que se pueden utilizar al diseñar ciertas partes de la centrífuga de placa cónica son:
Equipo
- Se requiere una buena rigidez, que se puede lograr mediante un gran número de discos cónicos con un grosor de pared adecuado. [1]
- El espacio entre discos es a intervalos de 0,4 a 0,75 mm, el espacio exacto está determinado por el líquido a procesar y su compatibilidad con los sólidos a separar del líquido. [10]
- Para el filtrado de velocidad media, se utilizan centrífugas de disco. [11]
- Para lodos de filtración lenta, se utilizan centrifugadoras de sedimentación. [11]
Boquillas
- El rango de tamaño de la boquilla es de aberturas de 0,5 mm de diámetro (para centrífugas pequeñas) a aberturas de 3,2 mm de diámetro (para centrífugas más grandes). [12]
- La cantidad de boquillas por centrífuga depende del tamaño de las centrífugas, que normalmente oscila entre 12 y 24 mm. La cantidad de boquillas debe seleccionarse de modo que se evite la acumulación de sólidos entre las boquillas adyacentes, que pueden acumularse en la pila de discos y perturbar su eficacia de clarificación. [12]
- El tamaño mínimo permitido de la boquilla es al menos dos veces mayor que el diámetro de la partícula más grande que se va a descargar. [12]
Alimentación
- Líquidos con pequeña proporción de sólidos en suspensión. [13]
- La mezcla sólido-líquido que sale de un reactor trifásico se separa usando una centrífuga de placa cónica. El sólido se envía al sistema de separación de sólidos mientras que el líquido se envía al sistema de separación de líquidos. [13]
Producto
- Bajo contenido de humedad en las tortas húmedas. [14]
- Se permiten sólidos en las aguas madres (lodos). [14]
Material de construcción
- Para la separación de alta velocidad y el proceso de suspensión altamente corrosivo, se utiliza acero inoxidable de alta resistencia (como dúplex y dúplex de grado superior) para la construcción de la taza y los accesorios. [12]
- Para líquidos que contienen partículas finas altamente abrasivas, las áreas propensas al desgaste deben protegerse con carburo de tungsteno y aleaciones a base de níquel . El sellado con material cerámico especial también es necesario para procesos que involucran líquidos con finos abrasivos. [12]
Producción de flujo de residuos
La centrífuga de placa cónica produce lodos residuales que deben tratarse antes de poder eliminarlos. El tratamiento de los lodos es espesamiento, deshidratación, digestión, secado y destrucción, que puede actuar como tratamiento posterior al proceso de centrifugación de placas cónicas. Más detalles sobre estos tratamientos posteriores son:
Espesamiento de lodos
El espesamiento de lodos por sedimentación gravitacional y dinámica se utiliza para minimizar el volumen de lodos. El pienso con un contenido de 0,8% de sólidos, puede espesarse hasta un contenido de 4% de sólidos, lo que significa que se obtiene una quintuplicación del 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. Hay 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 tazón sólido ", un tornillo helicoidal dispuesto horizontalmente que admite el lodo, elimina el sólido a contracorriente y deja pasar los líquidos. El eje móvil consta de un conjunto de volutas 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 video ilustra este proceso.
El diseño de la centrífuga depende principalmente de los criterios de rendimiento de sólidos y el flujo de sólidos. [15] [16]
Deshidratación de lodos
La deshidratación de lodos se puede lograr mediante un proceso de electro-ósmosis o 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]
Digestión
El objetivo de la digestión es reducir la cantidad de lodos, aumentar la sequedad de los lodos y la estabilización de los lodos. Además, proporciona valoración en energía verde mediante la producción de biogás . La condición para la digestión depende de la cantidad y naturaleza del lodo. [15]
Secado de lodos
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 de la sequedad a alcanzar) de los lodos. [15]
Destrucción de lodos
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]
Nuevo desarrollo
La alta eficiencia de separación de una centrífuga es el resultado de la combinación de la fuerza centrífuga y la placa de empaque incorporada, generalmente una placa de disco cónica. Por lo tanto, los nuevos desarrollos suelen hacer hincapié en estas dos áreas.
Producción de biodiesel
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 en el separador. El disco de corte estacionario instalado en la salida también permite que el proceso se opere a baja presión. Otra ventaja de este diseño es que produce un bajo nivel de ruido debido al ensamblaje con amortiguación de goma , el marco encamisado y un tazón exterior. [17]
Tratamiento de aguas residuales
Otro desarrollo reciente de la centrífuga de placa cónica 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 sólida 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]
Industria de petróleo y gas
Society of Petroleum Engineer (SPE) ha diseñado un nuevo paquete de placas con placas verticales hechas de placas de acero inoxidable 360 sostenidas por un manguito de soporte de placas. Está dispuesto en paralelo al eje de la centrífuga. Se obtiene un aumento en la eficiencia centrífuga en base a un programa de simulación por computadora ejecutado previamente. Esto se demuestra experimentalmente en el que la concentración de aceite en el efluente ha disminuido en aproximadamente un 25%. Una mejora adicional del paquete de placas puede conducir a una disminución de la concentración del efluente de petróleo de más del 40% y parece factible. [19]
Referencias
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( ayuda )(de: http://www.onepetro.org/mslib/servlet/onepetropreview?id=00022832 )