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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.
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.
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
PARTES BASICAS
TUBERIA DE ALIMENTACION
TAZON O CARCASA
EJE DE IMPULSO
CUBIERTA PARA
SEGREGAR LOS
PRODUCTOS SEPARADOS
MECANISMO IMPULSOR
(MOTOR ELECTRICO)
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
(1)
(2)
(3)
(4)
(3) y (4) en (5), tenemos:
(5)
(6)
(7)
(8)
La aceleración de la fuerza centrifuga en un movimiento circular es
(1)
(2)
2N
 
60
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
Donde:
g = aceleración de la gravedad, 9.80665 m/s2
(3)
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)
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.
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
 p = densidad de la partícula, kg/m3
 = densidad del liquido, kg/m3

= viscosidad del liquido, Pa.s
vt 
D 2 p N 2 r  p   
164
Puesto que
vt  dr
dt
, la ecuación (5) se transforma en
(6)
2
volumen del liquido en el recipiente (V)
=
Flujo volumétrico de la alimentación (q)
(8)
(7)
Sustituyendo en la ecuación (7) y despejando q, tenemos:
r
(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)/2 en 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.
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):
r
2
 Ar   B r

 A  B
2
1
n
2
2
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.
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.
Magnitud de la Fuerza centrifuga
Se toma el FCR (fuerza centrifuga relativa) para diferenciarla de la
fuerza de aceleración de la gravedad.
FCR  0.0000142 Di
2

= 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.
Consideraciones para el diseño de
centrifugas
Es importante conocer:
1º La velocidad angular
2º El volumen de rotación
Calculo del volumen de rotación
 Fy  0
y
 w  F cos  0
F

F cos  W
(1)
Condición de separación centrifuga
x
w
 Fx  0
De (2) en (1)
F cos 2
Fsen 
 x
g
Fsen  mac
Fsen  m 2 x
w
pero
m
g
w 2
Fsen   x
g
tan  
(2)
 2x
g
En función de (x,y)
Igualando (3) y (4), resulta
dy 
 x
2
g
dx
(3)
(5)
dy
tan  
dx
(4)
Considerando:

x
dy
v2
h
y
b
Centrifuga parada
v1
yo
Centrifuga en funcionamiento
Entonces, volumen de rotación = v1 + v2
(6)
2
2

dy

b

x

h
Donde
v1  b yo
2
(7)
v2 
yo
(8)
De (5) :
y
 dy 
yo

g
x 
2
2 x
 xdx
De donde :
2g

2
 y  yo 
(9)
0
(9) en (8) e integrando :
2
2
2

gh

gy
2

gy
h
2

gy
o
o
2
2
o
v2  b h  b yo  2 


2
2



2
(7) y (10) en (6) :
vrot
g 2
g
2
2
2
 b h  2 h  2 yo h  y o   b h  2 h  yo 


2
vrot
g
 2
2
h  yo  
  b h 
2



(11)
(10)
Equipos de centrifugación
para sedimentación
1.
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
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
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
Figura 4: Centrifuga de disco
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
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.