Modelización hidrodinámica y mejoras de configuración en el diseño de sedimentadores-espesadores

Abstract

El recurso a la operación básica de sedimentación puede tener fines analíticos, de diseño o de proceso. En este último caso, la finalidad concreta suele ser una separación orientada a la depuración/clarificación, a la concentración/espesamiento o al fraccionamiento. Su aplicación a la configuración y operación de equipos fiables a cualquier escala precisa del conocimiento suficiente de las dos fenomenologías que convergen en el fenómeno: el modelo de comportamiento que define la cinética separativa (densidad de flujo de sólidos) y el modelo hidrodinámico (distribución espacial y temporal de tiempos de residencia) de la fase fluida objeto de separación. Este trabajo se centra en la segunda. La comprensión de la distribución de las corrientes y la formación de volúmenes con diferente comportamiento (estancado, flujo pistón, mezcla) puede ayudar a mejorar el diseño de sedimentadores. La identificación de las configuraciones que inducen los patrones más apropiados para la operación puede contribuir al diseño de sedimentadores más eficaces y no sobredimensionados. Utilizando un prototipo propio de sedimentador rectangular, se han ajustado las de distribuciones de tiempos de residencia (DTR) en diferentes condiciones (tipo y caudal de alimentación) a un modelo de compartimentos. Asimismo, se han llevado a cabo simulaciones mediante mecánica de fluidos computacional (computational fluid dynamics, CFD), obteniendo distribuciones de tiempos de residencia comparables con las obtenidas experimentalmente. Como la temperatura parece tener cierta influencia sobre los patrones de flujo en tanques de este tipo, se planteó una serie de determinaciones de DTR, con registro simultáneo de temperaturas y toma y análisis de fotografías digitales, todo ello para diferentes condiciones de operación. Además, los sedimentadores reales poseen elementos estructurales y funcionales, tanto móviles como fijos (como pueden ser tuberías o rasquetas), que desvían las líneas de corriente respecto de las que se observarían en un tanque vacío. Asimismo, los sólidos tienden a sedimentar en zonas preferenciales, formándose depósitos que también pueden crear perturbaciones sobre un modelo de flujo estimado en condiciones ideales. Por lo tanto, para avanzar hacia el conocimiento del flujo real en sedimentadores se han realizado estudios del flujo, mediante análisis de DTR, en presencia de obstáculos. Por último, con la finalidad de situar la hidrodinámica en su contexto en el diseño, se presenta una visión teórico-práctica del estudio de la operación de sedimentación por analogía con otras operaciones básicas de Ingeniería Química. Así, se pone en evidencia que buena parte de los métodos más imaginativos y utilizados para el diseño de sedimentadores-espesadores no puede aplicarse de forma generalizada, sino acorde y modulada por el modelo hidrodinámico del recinto de sedimentación, asimilable funcionalmente a los clásicos modelos de tanque de mezcla, flujo progresivo, flujo dispersivo, recirculación, cortocircuito y a otros condicionantes hidrodinámicos.