La esencia de la deshidratación y la clarificación reside en la separación sólido-líquido de suspensiones. La deshidratación consiste en separar la fase líquida de la fase sólida, y la clarificación, en separar la fase sólida de la fase líquida. La concentración consiste en aumentar la concentración de la fase sólida en la suspensión, y la clasificación consiste en dividir las partículas de diferente tamaño en la suspensión en dos grupos: partículas mayores que dkp y partículas menores que dkp, con base en un tamaño crítico de partícula dkp. La separación se refiere generalmente a la separación de dos fases líquidas inmiscibles. Si las dos fases líquido-líquido son continuas, la separación solo se relaciona con sus densidades; si una fase es continua y la otra dispersa, se trata de la separación de emulsiones. La separación bifásica de emulsiones no solo se relaciona con la diferencia de densidad, sino también con el tamaño de gota de la fase dispersa, la tensión superficial y otros factores, lo que dificulta la separación. La separación centrífuga es un proceso físico cuya dificultad depende de las propiedades del material y de las propiedades de separación de la centrífuga.
1. Deshidratación centrífuga
La deshidratación centrífuga se puede realizar en dos tipos: centrífugas de filtración y centrífugas de sedimentación.
La centrífuga de filtración utiliza medios filtrantes, como mallas y tamices, para retener las partículas sólidas en la malla mediante la acción de la fuerza centrífuga, y el líquido se descarga a través de la malla para lograr la separación sólido-líquido. Este tipo de máquina tiene un bajo consumo de energía, tortas de filtración lavables y una alta tasa de deshidratación de partículas sólidas. Es adecuada para partículas con una diferencia de densidad sólido-líquido cercana y un tamaño de partícula de micras o superior, y el contenido de sólidos en el líquido de alimentación puede ser del 30% al 60%.
Si se permite que partículas como los cristales se rompan durante el proceso de deshidratación, se puede optar por una centrífuga de descarga por rascador. Si no se permite la rotura de partículas como cristales, se pueden seleccionar centrífugas de descarga de pistón, de empuje manual y de descarga centrífuga. Además de la absorción de agua del material, el rendimiento de la deshidratación también depende del factor de separación, el tiempo de separación, la abertura de la malla del filtro, la porosidad, la viscosidad del material, la tensión superficial, la hidrofobicidad de la capa de torta de filtración, etc. de la centrífuga.
Para partículas con baja concentración de sólidos, alta viscosidad, tamaño de partícula fino o micelio amorfo, las centrífugas de filtro generalmente no son adecuadas. Debido a que las partículas son demasiado finas, son fáciles de filtrar a través del filtro y causar fugas de material. Si el filtro es demasiado fino, se reduce la hidrofobicidad y se reduce la capacidad de procesamiento de la máquina y el rendimiento de la deshidratación de partículas. El micelio amorfo y las partículas oleosas obstruyen fácilmente el filtro. Para estos materiales, se recomienda utilizar una centrífuga de sedimentación sin filtro.
La centrífuga de sedimentación aprovecha la diferencia de densidad entre las fases sólida y líquida. En el campo de la centrífuga, la fase sólida tiene una alta densidad y se deposita en la pared interna del tambor. El sedimento se descarga de la máquina a través del transportador en espiral dentro del tambor. La fase líquida tiene una densidad baja, tiende al centro del tambor y fluye por el puerto de rebose de la máquina para lograr la separación líquido-sólido y la deshidratación. Este tipo de máquina tiene un alto factor de separación y no requiere filtro. La separación sólido-líquido aprovecha la diferencia de densidad entre las dos fases. Es especialmente adecuada para micelio amorfo, lodos aceitosos y partículas finas con alta viscosidad.
Este modelo no requiere un alto contenido de sólidos en la alimentación. El contenido de sólidos de diferentes materiales puede estar entre el 1% y el 40% (fracción másica). El tamaño de partícula es micrométrico o superior. Sin embargo, este tipo de máquina tiene un efecto de lavado deficiente sobre el sedimento, un mayor consumo de energía que la centrífuga de filtración y un efecto de deshidratación inferior.
2. Clarificación centrífuga
La clarificación consiste en separar una pequeña cantidad de fase sólida de una gran cantidad de fase líquida. Se utiliza ampliamente en las industrias farmacéutica, alimentaria, de bebidas y otras. Debido a que el contenido de sólidos del material es bajo y el tamaño de partícula es pequeño, es necesario utilizar un separador de disco o una centrífuga tubular con un factor de separación más alto. En ocasiones, también se pueden utilizar filtros de precisión o separadores de membrana.
3. Concentración centrífuga
La concentración puede aumentar el contenido de sólidos en la suspensión. Por ejemplo, si el contenido de sólidos en la suspensión original es del 0,5 % de sólidos secos (fracción másica, donde ss es sólido seco, refiriéndose al sólido seco absoluto), el contenido de sólidos se incrementa entre un 3 % y un 5 % de sólidos secos mediante sedimentación por gravedad, sedimentación centrífuga o filtración. Este proceso se denomina concentración. La fase líquida se reduce considerablemente durante el proceso de concentración.
Por ejemplo, la concentración de lodos en plantas de tratamiento de aguas residuales urbanas: si se concentran 100 m³ de lodos secundarios con un contenido de sólidos del 0,5 % de sólidos secos al 5 % de sólidos secos, se deben eliminar 90 m³ de líquido de 100 m³ de lodos secundarios para alcanzar un contenido de sólidos del 5 % de sólidos secos, lo que reduce considerablemente el volumen de deshidratación posterior de lodos. Por consiguiente, el modelo y el tamaño de la deshidratadora seleccionada también se reducen en consecuencia. Los concentradores centrífugos más utilizados incluyen centrífugas de sedimentación de descarga espiral horizontal, separadores de escoria con boquilla de disco e hidrociclones, concentradores de tamiz rotatorio, etc.
4. Clasificación centrífuga
La clasificación de partículas se basa en los diferentes tamaños de las partículas en suspensión, así como en sus diferentes velocidades de sedimentación. El método que utiliza diferentes velocidades de sedimentación para dividir las partículas en suspensión en dos o más grupos según su tamaño se denomina clasificación húmeda; el método que utiliza un medio gaseoso para la clasificación de partículas se denomina clasificación seca.
La clasificación centrífuga húmeda, entre los modelos más utilizados, incluye centrífugas de sedimentación de descarga espiral horizontal. El puerto de descarga espiral de este tipo de máquina tiene forma de ranura transversal, lo que permite mover axialmente la salida del tubo de alimentación de la máquina hacia adelante y hacia atrás para modificar el tiempo de sedimentación de las partículas. Según la diferencia de densidad entre las fases sólida y líquida y el tamaño crítico de partícula (dkp) requerido para la clasificación, se puede seleccionar el factor de separación, la velocidad diferencial y la posición de salida de la tubería de alimentación adecuados. De esta manera, las partículas mayores que dkp sedimentan y se descargan por el puerto de descarga de escoria en el extremo pequeño del tambor. Las partículas menores que dkp permanecen en la fase líquida y la siguen para ser descargadas por el puerto de rebose en el extremo grande del tambor, logrando así una clasificación continua de partículas. Para lograr una buena clasificación, la relación sólido-líquido de la suspensión debe ser adecuada y se debe añadir una cantidad adecuada de dispersante durante el proceso para evitar la aglomeración de partículas pequeñas.
Para la clasificación de partículas con un volumen de procesamiento muy pequeño, se puede seleccionar una centrífuga de sedimentación de tres patas, pero su bajo factor de separación no permite clasificar partículas más pequeñas.
5. Separación centrífuga
La separación centrífuga se refiere a la separación bifásica o trifásica de líquido-líquido y líquido-líquido-sólido. Sin embargo, las fases deben ser sistemas no homogéneos e inmiscibles entre sí. El principio de separación consiste en aprovechar la diferencia de densidad entre las fases. Entre las más comunes se incluyen la separación de aceite-agua y la separación de aceite-jabón en el procesamiento de aceites alimentarios, y la separación de aceite-agua-escoria en la purificación de fueloil y aceites lubricantes. Las centrífugas utilizadas son separadores de escoria manuales de disco y centrífugas de pistón de disco. Para la separación de aceite-agua-escoria en la purificación de aceite de palma, alquitrán de hulla y aceite de oliva, se utilizan principalmente centrífugas trifásicas de descarga en espiral horizontal. Para la separación líquido-líquido y líquido-líquido-sólido en medicamentos, alimentos y bebidas, se suelen utilizar separadores tubulares debido a su reducida capacidad de procesamiento.
