Clasificación Hidráulica


La hidráulica en física se puede definir como la parte que estudia las leyes naturales, que gobiernan los fenómenos mecánicos de los líquidos.
  • Los fenómenos mecánicos mas importantes son: los fenómenos de equilibrio y los fenómenos de movimiento.
  • La hidráulica tiene dos finalidades: científicas y practicas.
  • La finalidad científica es la investigación de fenómenos y dispositivos relacionados con la mecánica de fluidos.
  • La finalidad practica es la planeación, construcción, operación y mantenimiento de obras y estructuras de inginiería.
  • La hidráulica se denomina también como hidráulica elemental o clásica, basa su estudio en un liquido ideal o perfecto cuyas características son: homogéneo, incompresible, continuo, antiviscoso e isotrópico.


Una aplicación practica sirve de separación de una mezcla de sólidos en distintas fracciones, basada en la diferente forma, tamaño y densidad de las partículas que constituyen la mezcla. Esta separación se efectúa en medio acuso. Cuando la separación ocurre en corriente de aire se denomina separación neumática.

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Figura 1: Separación Hidráulica



Como se observa en la siguiente figura el esquema de un clasificador hidráulico en el que cada tanque sedimenta un tipo de partícula. Ello se consigue variando los caudales de agua que se hacen circular en contracorriente.La clasificación hidráulica asegura la mayor eficiencia de separación obtenible por medios de clasificación por vía húmeda. La cantidad de agua hidráulica se controla de modo que en cada compartimiento sucesivo, las partículas más gruesas se mantienen en condiciones de asentamiento obstaculizado y las fracciones más finas siguen adelante, para recibir un tratamiento similar. Dos compartimientos capturarán.
En los clasificadores vamos ha tener dos corrientes diferenciadas por la velocidad de asentamiento de las partículas que las componen.

  • Por un lado tenemos aquella corriente formada por partículas de asentamiento más rápido a las que se le denomina: pesados, arenas, productos de la descarga inferior o sobre-tamaños.
  • Por otro lado tenemos aquella otra corriente formada por partículas de menor velocidad de asentamiento; denominadas: ligeros, lamas, rebose, derrame o productos de la descarga superior.

Principios de la Clasificación Hidráulica


Una partícula sólida caerá en el vacío con una velocidad que aumenta de forma indefinida e independiente de la densidad y el tamaño de la misma. En un medio viscoso como el aire o el agua, esta partícula que cae, va a sufrir una resistencia al movimiento que va aumentar con el aumento de la velocidad. Al cabo de un tiempo de caída, se va a llegar a un equilibrio entre la fuerza de la gravedad y las fuerzas de la resistencia del fluido. Se dice que la partícula ha alcanzado la velocidad terminal o límite y a partir de este instante dicha partícula caerá con velocidad constante (a = 0).
La resistencia que ofrece el fluido va a depender de la rapidez del descenso. Para minerales con velocidades de caída baja la resistencia que aparece es la resistencia viscosa debida a las fuerzas de corte o viscosidad del fluido. Para minerales con velocidades de caída elevadas la resistencia que aparece principalmente es la resistencia turbulenta debida al desplazamiento del fluido provocado por el grano de mineral.

Si las resistencias viscosa y turbulenta son importantes, la aceleración de las partículas en el interior del fluido disminuye rápidamente alcanzándose la velocidad límite.
Los clasificadores van a consistir en una columna de separación en cuyo interior existirá un flujo ascendente de fluido a una velocidad uniforme (Vf). La mezcla de partículas se introducirá en dicha columna y una vez en contacto con el fluido, éstas se asentarán o elevarán en función de que sus velocidades de asentamiento sean mayores (Vp) o menores (Vl) respectivamente, que la velocidad del flujo.



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Figura 2: Principios de un clasificador


Tipos de asentamiento.

  1. Asentamiento Libre:


Se dice que estamos ante un asentamiento libre cuando las partículas se mueven en un fluido cuyo volumen es grande con relación al volumen total ocupado por las partículas (no existe fenómenos de apiñamiento). Estaremos en condiciones de asentamiento libre en aquellas pulpas minerales con un porcentaje en peso de sólidos inferior al 15 %.




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Figura 3: Partícula esférica en el interior de un fluido



Según la figura 3, una partícula esférica situada en el interior de un fluido va a estar sometida a las siguientes fuerzas:

- Fuerza gravitatoria debida al peso de la partícula.
- Fuerza de Arquímedes o flotante, debida al volumen de fluido desalojado por la partícula.
- Fuerza de arrastre o resistencia que ofrece el fluido al avance de la partícula en su caída.


La ecuación del movimiento de dicha partícula será la siguiente:

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Siendo:

- m = Masa de la partícula esférica.
- m’ = Masa del fluido desalojado.
- v = Velocidad de la partícula.
- g = Aceleración debida a la gravedad.

Cuando se alcance la velocidad límite o terminal la velocidad “v” se hará constante y por lo tanto la aceleración (dv/dt) será nula.

Por otro lado, Stokes dedujo una expresión para la fuerza de arrastre (D) debida, fundamentalmente a la resistencia viscosa, como se ve a continuación:

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Ley de Stokes

Sin embargo, Newton propuso que la fuerza de arrastre (D) era debida principalmente a la resistencia turbulenta:
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Donde realizando sustituciones y despejando la velocidad límite (v) tenemos la ley de Newton:


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Ley de Newton


La Ley de Stokes es aplicable sólo a partículas inferiores a 50 um.
La Ley de Newton se aplica a partículas superiores a 5 mm.


2. Asentamiento Obstruido:


Se dice que estamos ante un asentamiento obstruido cuando el porcentaje de sólidos en peso dentro del fluido es elevado (superior al 15 %). El fluido se va a comportar como una pulpa y la densidad del fluido será la densidad de la pulpa.
El asentamiento obstruido va a hacer disminuir la influencia del tamaño y va aumentar el efecto de la densidad sobre la clasificación.

La relación de asentamiento obstruido siempre va a ser mayor que la relación de libre asentamiento (ley de Newton) para las mismas partículas”.
Resumiendo se puede establecer que cuando se quiera realizar una clasificación por tamaños, interesa realizarla en condiciones próximas a la sedimentación libre, y cuando se quiera realizar una clasificación por densidades interesará realizarla en condiciones próximas a la sedimentación obstaculizada.


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Figura 4: Asentamiento libre y obstruido



Tipos de Clasificadores Industriales



La siguiente tabla clasifica los clasificadores hidráulicos como los neumáticos en función de las fuerzas predominantes (fuerza gravitatoria y fuerza centrífuga).
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Figura 5: Tipos de clasificadores


Clasificadores Hidráulicos de Sedimentación Simple:

  • Conos: Los conos clasificadores son las unidades de clasificación más simples. Se emplean en la industria de los áridos para el deslamado de la arena gruesa. Su funcionamiento es sencillo; la pulpa que nos interesa clasificar se introduce por un alimentador central en forma de tubo, y dentro del cono las partículas finas son arrastradas por la corriente de rebose que va a ser recogida a través de unos canales perimetrales. Los gruesos irán decantándose en el fondo del cono y una válvula automática será la que controle la salida del producto en función del peso del hundido, obteniéndose un producto prácticamente libre de agua. Los conos estarán fabricados de chapa y deben tener un ángulo en la parte inferior que no sobrepase los 60º con el fin de evitar asentamientos de granos en las paredes del equipo.


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Figura 6: Cono Clasificador de Sedimentación Simple




  • Hidroseparador: Debido a las limitaciones en lo que se refiere a dimensiones; han surgido cubas cilíndricas de mayor diámetro (10 m o más) y que proporcionarán mayores capacidades de clasificación. Los hidroseparadores disponen de un sistema de rastrillos con movimiento circular que arrastran el material decantado hacia el cono central de descarga, y es extraído por bombeo. Estos equipos son empleados principalmente como unidades espesadoras-clarificadoras, para la separación de sólidos-líquidos, potenciando el efecto de sedimentación con el empleo de reactivos floculantes.

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Figura 7: Hidroseparador


  • Canales de clasificación ó Cajas Puntiagudas: Son los equipos de clasificación más antiguos, son de fabricación muy simple. Están constituidos por una serie de recipientes piramidales de secciones crecientes (doble de ancho). La pulpa se alimenta por un extremo y se extrae por el opuesto. Las partículas pesadas y gruesas se van decantando en el fondo de estos recipientes. Por el contrario las partículas finas y ligeras son arrastradas por la corriente recogiéndose en el extremo. La eficiencia de estas unidas se ve incrementada con ayuda de corrientes ascendentes de agua. Actualmente han quedado relegados por otros equipos más eficientes.

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Figura 8: Canal de clasificación de 4 cajas puntiagudas




  • Clasificadores Mecánicos: En este grupo de equipos los minerales o arenas decantados son extraídos y elevados de forma continua por medio de un dispositivo mecánico. Estos equipos están formados por una cuba con una superficie inclinada por donde son arrastrados los materiales. Esta superficie se prolonga más allá del nivel del líquido para que los minerales o arenas tenga tiempo suficiente de agotarse. Los clasificadores mecánicos proporcionan cortes comprendidos entre 150 um y 1 mm para pulpas espesas, y cortes más finos, entre 50 y 80 um, con pulpas más diluidas.


Los equipos mecánicos más representativos son:

- Clasificadores de Tornillo.

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Figura 9: Vista del rebosadero de un clasificador de tornillo


- Clasificadores de Rastrillo.
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Figura 10: Clasificador de rastrillo

Otros clasificadores como son:
  • - Clasificadores de Draga.
  • - Clasificadores Hardinge.
  • - Noria de cangilones perforados.

  • Clasificadores Hidráulicos de Contracorriente:

Este grupo de clasificadores tienen como característica común el disponer de inyecciones verticales de agua que van a controlar de algún modo la dimensión de corte. Aunque existe multitud de disposiciones mecánicas, sólo vamos a describir aquellos clasificadores que proporcionan los cortes más precisos y son los más conocidos.

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Figura 11: Principios de un clasificador contracorriente





  • Clasificador hidráulico simple:

Se denominan clasificadores de corriente ascendente; están formados por tanques de chapa de sección circular o cuadrada, de forma cónica o piramidal invertida (similares a los conos de sedimentación libre). La alimentación se realiza por la parte superior y en el fondo del clasificador se formará un lecho de partículas sólidas. Por debajo de este lecho y a través del fondo perforado se inyectará que arrastrará las partículas finas del lecho hacia el rebosadero perimetral,
La descarga de las partículas gruesas se realizará por la parte central inferior en forma de pulpa espesa (75-80% de sólidos en peso). La regulación del corte (1-0.075 mm) se realiza por medio de la velocidad ascensional del fluido y por los niveles del lecho fluido.

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Campos de Aplicación



  • La clasificación hidráulica, que emplea sólo la acción de la gravedad, va a ser interesante en aquellas aplicaciones donde se exigen cortes granulométricos comprendidos entre 50 m y 2 mm.
  • Cuando la clasificación hidráulica o neumática se ayuda también de la aceleración centrífuga. Los cortes granulométricos, que permiten las máquinas, pueden bajar a órdenes de algunas micras.
  • Para emplear la clasificación hay que analizar el comportamiento que existe entre los granos desde el punto de vista físico-químico, pues hay situaciones donde las partículas presentan hidrofobia o se surgen acciones electrostáticas entre ellas disminuyendo la eficiencia de los separadores o incluso descartando su empleo para este tipo de sustancias
  • Por ello el empleo de este tipo de separadores se restringe a aquellos casos donde las partículas conservan totalmente su individualidad y no están sometidas a fuerzas diferentes a la debida a la gravedad o a la aceleración centrífuga.
  • Estos equipos se emplean en aquellos casos donde se requieren altas capacidades de tratamiento. Además son equipos relativamente económicos.


REFERENCIAS

  1. Operaciones Unitarias. http://rua.ua.es/dspace/bitstream/10045/4329/1/Marcilla_Gomis_C%C3%A1lculo_por_etapas.pdf