Sustentación de título por Suficiencia Profesional Centrifugación

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(1)Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN FACULTAD DE INGENIERÍA DE PROCESOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS. SUSTENTACIÓN DE TÍTULO POR SUFICIENCIA PROFESIONAL - CENTRIFUGACION. PRESENTADO POR EL BACHILLER: ANGEL DAVID MERCADO MERCADO PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS JURADOS: MG. FERNANDO MEJÍA NOVA MG. WILLIAM HEREDIA PEÑA ING. TERESA TEJADA PURIZACA. AREQUIPA-PERÚ 2014 1.

(2) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. INDICE Contenido OBJETIVOS ........................................................................................................................................... 4 RESUMEN ............................................................................................................................................ 5 INTRODUCCION .............................................................................................................................. 6 1. Marco Teórico. .......................................................................................................................... 6 2. Fundamento de centrifugación. ............................................................................................. 9 2.1. Principio:............................................................................................................................. 9 2.3. Variables que influyen en la centrifugación: ............................................................... 10 2.4. Diseños de centrifugas industriales: ............................................................................ 10 2.5. Características de las centrífugas: ............................................................................... 11 2.6. Fuerzas que actúan en las partículas:......................................................................... 16 3. Historia Del Equipo ................................................................................................................ 30 4. Tipos De Centrifugas ............................................................................................................. 31 1) Centrífuga De Sedimentación: ......................................................................................... 32 2) Centrífugas De Filtro: ........................................................................................................ 32 5. Tipos de filtros ........................................................................................................................ 32 1) Centrífugas Hidráulicas ..................................................................................................... 33 2) Centrífugas De Banda....................................................................................................... 33 3) Centrífugas De Mando Eléctrico...................................................................................... 34 4) Centrífugas Baches ........................................................................................................... 35 5) Centrífugas Continuas: ..................................................................................................... 36 6) Centrífuga Tipo Botella: .................................................................................................... 38 7) Centrífugas Tubulares:...................................................................................................... 38 8) Centrífugas Tipo Disco: .................................................................................................... 39 9) Centrífugas Tipo Canasta:................................................................................................ 39 10) Centrífugas tipo vacuum:................................................................................................ 40 6. Principio de funcionamiento del equipo .............................................................................. 40 7. Proceso donde participa el equipo ...................................................................................... 42 8. Parámetros de control del equipo ........................................................................................ 48. 2.

(3) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. 9. Conclusión............................................................................................................................... 48 10. Tipos de centrifugación ....................................................................................................... 49 11. Centrifugas Comerciales .................................................................................................... 50 12. Rotores .................................................................................................................................. 51 Diseño de Equipo de Centrifugación ....................................................................................... 56 Centrifugadores .......................................................................................................................... 63 Principio ................................................................................................................................... 63 Hidrociclones ........................................................................................................................... 64 Cámaras-campana de centrifugación ................................................................................. 67 Centrifugador de cesta imperforada .................................................................................... 68 Decantador .............................................................................................................................. 69 Equipos de separación de lodos .......................................................................................... 73 Equipos de filtración centrífuga ............................................................................................ 73 BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................................... 75. 3.

(4) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. OBJETIVOS . Familiarizarse con la operación de centrifugado.. . Determinar el efecto de la temperatura, el desplazamiento del anillo y la velocidad de giro en el rendimiento de la separación..  . Conocer el fundamento físico-químico de esos métodos de separación. Adquirir la capacidad para decidir, en un momento determinado, cuál de ellos es el más adecuado para proceder a realizar una separación en el curso de un proceso de análisis o de síntesis.. 4.

(5) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. CENTRIFUGACION. RESUMEN. La centrifugación es un método por el cual se pueden separar sólidos de líquidos de diferente densidad mediante una fuerza centrífuga. Una centrífuga es un aparato que aplica una fuerza centrífuga sostenida (esto es, una fuerza producida por rotación) • Las centrifugas son instrumentos que permiten someter a las muestras a intensas fuerzas que producen la sedimentación en poco tiempo de las partículas que tienen una densidad mayor que la del medio que las rodea La base física de la separación es la acción de la fuerza centrífuga sobre las partículas en rotación, que aumenta con el radio del campo rotacional y con la velocidad de rotación. La velocidad de sedimentación se determina por la densidad de las partículas. Una centrífuga es una pieza del equipo que separa las partículas sólidas de líquidos o separa los líquidos de la mezcla líquida, generalmente mediante el uso de la fuerza centrífuga. Se suele aplicar en las industrias de productos químicos, petróleo, alimentos, farmacéutica mina, carbón, tratamiento de aguas, naval, etc.. 5.

(6) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. INTRODUCCION 1. Marco Teórico. La centrifugación es un método por el cual se pueden separar sólidos de líquidos de diferente densidad mediante una fuerza centrífuga. La fuerza centrífuga es provista por una máquina llamada centrifugadora, la cual imprime a la mezcla un movimiento de rotación que origina una fuerza que produce la sedimentación de los sólidos o de las partículas de mayor densidad. Los componentes más densos de la mezcla se desplazan fuera del eje de rotación de la centrífuga, mientras que los componentes menos densos de la mezcla se desplazan hacia el eje de rotación. De esta manera los químicos y biólogos pueden aumentar la fuerza de gravedad efectiva en un tubo de ensayo para producir una precipitación del sedimento en la base del tubo de ensayo de manera más rápida y completa.. La centrifugación puede ser definida como el proceso de resolver sistemas de multi-componentes, con al menos una de las fases liquidas, por la aplicación de la fuerza centrifuga. La centrifugación es un método mecánico de separación de líquidos no miscibles, o de sólidos y líquidos por la aplicación de una fuerza centrífuga. Esta fuerza puede ser muy grande. Las separaciones que se llevan a cabo lentamente por gravedad pueden acelerarse en gran medida con el empleo de equipo centrífugo.. Las centrífugas o bombas centrífugas se usan en diferentes tipos de industrias: industriaquímica, petroquímica, refinerías, industrias alimenticias, farmacéuticas, textil, azucarera, etc.. 6.

(7) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. A continuación, haremos una descripción sobre que son las centrífugas, sus tipos y clasificación; además de su participación en la industria azucarera.. Una centrífuga es un aparato que aplica una fuerza centrífuga sostenida (esto es, una fuerza producida por rotación) para impeler la materia hacia afuera del centro de rotación. Este principio se utiliza para separar partículas en un medio líquido por sedimentación.. Fig. 1 Tipos de separador mecánico Materiales separados. Separadores. Líquido de líquido. Tanques. de. sedimentación,. ciclones. líquidos,. decantadores centrífugos, coalescedores. Gas de líquido. Tanques fijos, deaereadores, rompedores de espumas.. Líquido de gas. Cámaras de sedimentación, ciclones, precipitadores electroestáticos, separadores de choque.. Sólido de líquido. Filtros, filtros centrífugos, clarificadores, espesadores, centrífugas de sedimentación, ciclones líquidos, criba húmeda, separadores magnéticos.. Líquido de sólido. Prensas, extractores centrífugos.. Sólido de gas. Cámaras de sedimentación, filtros de aire, filtros de bolsa, ciclones.. Sólidos de sólidos. Cribas,. clasificadores. neumáticos. y. húmedos,. clasificadores centrífugos.. La fuerza centrífuga se genera dentro del equipo estacionario mediante la introducción de un fluido con alta velocidad tangencial a una cámara cilindro cónica, formando un vórtice de considerable intensidad. Los ciclones que se basan en este principio extraen gotas líquidas o partículas sólidas de los gases con. 7.

(8) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. diámetros hasta de 1 a 2 μm. Unidades más pequeñas, llamadas ciclones líquidos, separan las partículas sólidas de los líquidos.. La alta velocidad que requiere un líquido a la entrada de estos se obtiene con bombas estándar. En los equipos giratorios se genera una fuerza centrífuga mucho mayor que en los equipos estacionarios (tazones o canastas operados en forma mecánica, normalmente de metal, giran en el interior de una carcasa estacionaria). Al rotar un cilindro a alta velocidad, se induce un esfuerzo de tensión considerable en la pared del mismo. Esto limita la fuerza centrífuga, que puede generarse en una unidad de tamaño y material de construcción dados. Por lo tanto, solamente pueden desarrollarse fuerzas muy intensas en centrífugas pequeñas.. La base física de la separación es la acción de la fuerza centrífuga sobre las partículas en rotación, que aumenta con el radio del campo rotacional y con la velocidad de rotación. La velocidad de sedimentación se determina por la densidad de las partículas. Las partículas densas sedimentan primero, seguida de las partículas más ligeras. En función de las condiciones existentes, las partículas muy ligeras pueden incluso permanecer en suspensión.. La fuerza centrífuga relativa guarda relación con el número de revoluciones del rotor por minuto conforme a la fórmula: 𝐹𝐶𝑅 = 1,118 𝑥 10−6 𝑟𝑛2. (1). Donde: FCR = fuerza centrífuga relativa (g) r = radio en milímetros desde el pivote de la centrifugadora hasta la punta del punto, y n = número de revoluciones por minuto 8.

(9) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. 2. Fundamento de centrifugación. - SEDIMENTACIÓN. Se basa en la diferencia de densidades entre un sólido y el líquido que lo rodea. Solamente está influenciada por la gravedad. -Centrifugación. Es un proceso de separación mecánica de partículas a través de un fluido por acción de la fuerza de centrífuga.. 2.1. Principio:. El principio de la sedimentación es la diferencia de densidades entre dos fases. Se aplica a suspensiones: Sólido – líquido Líquido – líquido Solido – liquido – líquido. En una centrífuga una partícula de un tamaño dado podrá separarse siempre y cuando se tenga el tiempo suficiente para alcanzar la pared de la centrífuga. Por lo que, si consideramos que una partícula se mueve radialmente a su velocidad terminal entonces se puede calcular el diámetro de la partícula más pequeña que podrá ser removida.. Operación:. Una suspensión es vaciada en una centrifuga hasta que las fases se separan por diferencia de densidades y por acción de la fuerza centrífuga. 9.

(10) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. 2.2. Aplicaciones:. La sedimentación es una operación unitaria que se usa para:. - Separación de células de caldos de cultivo - Procesamiento de jugo de frutas - Producción de cerveza - Concentración de proteínas - Separación de cristales de licor madre. Las partículas pueden ser: sólidos o líquidos. El fluido generalmente es líquido. 2.3. Variables que influyen en la centrifugación: – Tamaño de partícula – Densidad de la partícula – Forma de las partículas – Propiedades superficiales – Fuerza centrífuga. 2.4. Diseños de centrifugas industriales: En biotecnología existen 4 principales tipos de centrífugas.. -. De rotor tubular. -. De rotor de cámara. -. De rotor de discos. -. De tornillo. 10.

(11) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. Las 4 operan en lotes o en continuo.. Los sólidos pueden separarse en lote, semicontinuo o continuo en las tres primeras.. Las tres primeras son de rotación vertical y la última de rotación horizontal.. Los parámetros más importantes para la separación por centrifugación son:. - Forma, tamaño y densidad de sólidos - Densidad y viscosidad del líquido. 2.5. Características de las centrífugas: -. Operan en continuo. -. cortos tiempos de retención. -. No requieren ayudafiltro. -. Alta eficiencia de separación. -. Pequeños espacios requeridos. -. Sistemas cerrados. En la siguiente tabla se presentan los rangos de velocidad de centrifugación expresado en el número de veces la fuerza de gravedad para 5 diferentes tipos de centrífugas 105. A. 106. Tubular. 13000. A. 17000. Cámara. 6000. A. 11000. Discos. 5000. A. 15000. Tornillo. 1500. A. 4500. Ultracentrífuga. 11.

(12) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. Proceso en el cual la sedimentación se acelera por la aplicación de una fuerza centrífuga.. A través de este procedimiento se separan materiales de diferente densidad aplicando una fuerza superior a la de la gravedad.. En bioprocesados suele utilizarse para: - separar células del caldo de fermentación - eliminar desechos celulares - recoger precipitados - preparar medios de filtración. En general, requiere un equipamiento más costoso que para filtración, pero es un procedimiento más efectivo en aquellos casos en los cuales se tienen partículas más pequeñas.. Teoría:. Cuando una partícula de sólido se mueve a través de un medio continuo, su velocidad se ve afectada por 2 fuerzas:. - Por un lado la partícula se acelera por la fuerza resultante de la diferencia que existe entre su densidad y la del medio en el cual está sumergida.. 12.

(13) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. - Por otro lado, existe una fuerza de reacción a la acción anterior que tiende a detener el movimiento de la partícula. Por ej. El caso más sencillo es el de una esfera, en la cual podemos ver que la fuerza de empuje viene dada por:. 𝐹𝐵 = [𝜋. 𝑑3 − 𝜌 ]𝑎 6𝜌𝑠. (2). Donde: d = es el diámetro de la esfera ρs = densidad de la esfera ρ = es la densidad del fluido a = aceleración de la partícula. Por su parte, la fuerza que se opone al movimiento de la partícula viene definida por la ley de Stokes:. 𝐹𝐷 = 3𝜋 𝑑 𝜇 𝑣. Donde: Μ = es la viscosidad del medio V = es la velocidad de la partícula 13. (3).

(14) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. Se considera que las aproximaciones anteriores se cumplen para esferas pequeñas:. 𝑑𝜌𝑣/𝜇 < 1. (4). La relación anterior habitualmente se cumple para los fluidos biológicos. Entonces, Cuando la partícula comienza a moverse en la solución, lo hace a baja velocidad y la FD es pequeña. Luego la partícula se acelera hasta que las fuerzas se igualen:. 𝐹𝐵 = 𝐹𝐷. (5). De allí podemos conocer su velocidad, donde la aceleración (a) será g en la sedimentación y w2r en la centrifugación.. Algunos aspectos de interés: La efectividad del proceso depende de la velocidad que alcanza la partícula dentro de la centrífuga, en comparación con lo que ocurriría bajo influencia de la gravedad.. La relación de velocidades de la partícula en la centrífuga respecto de aquella observada con gravedad se conoce como efecto centrífugo o número g:. 14.

(15) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. 𝑍 = 𝑤2 𝑟 / 𝑔. (6). Donde: Z = Fuerza desarrollada en una centrifuga w2r = Aceleracion g = Gravedad La fuerza desarrollada en una centrífuga es Z veces la de la fuerza de gravedad.. Centrífugas Industriales: poseen factores de Z desde 300 a 16000.. Centrífugas de Laboratorio: pueden alcanzar valores de Z de 500000 En una centrífuga, la sedimentación se produce cuando las partículas que se alejan del centro de rotación colisionan con las paredes de la cesta.. De las expresiones anteriores podemos ver que la velocidad de la partícula puede aumentarse en una centrífuga por:. - ↑ de w - ↑ de d - ↑ (ρs - ρ) -↓μ. 15.

(16) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. Además, el tiempo de exposición de la fuerza centrífuga también influirá para que las partículas alcancen las paredes:. - en continuo, el t lo ↑ disminuyendo el caudal. - En un sistema discontinuo se lo deja funcionando más tiempo.. 2.6. Fuerzas que actúan en las partículas: Durante la centrifugación de una suspensión actúan tres fuerzas:. -. Fuerza centrífuga. -. Fuerza de flotación. -. Fuerza de resistencia o de arrastre. El proceso de centrifugación requiere una diferencia de densidades entre las fases y una fuerza centrífuga.. Fuerza centrífuga (Fc). 𝐹𝑐 =. mv 2 r. (7). Donde: Fc = Fuerza centrifuga que actua sobre la particula r = Radio de la trayectoria m = Masa de la partícula. v = velocidad tangencial expresada en (m/s). 16.

(17) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. 𝑣=. 2πrN 60. (8). Donde: N = velocidad de centrifugación expresada en rpm Por lo tanto, 𝑚 2𝜋𝑟𝑁 2 𝑚𝜋 2 𝑟𝑁 2 𝐹𝑐 = [ ] = 𝑟 60 900. (9). De la ecuación anterior se observa que la fuerza centrífuga (Fc) aumenta linealmente con el radio de la centrífuga pero lo hace de manera proporcional al cuadrado de la velocidad de centrifugación (N). Este concepto ha sido muy utilizado en ultracentrifugación (centrifugación a valores grandes de N).. 2.6.1. Poder separador de una centrífuga o factor G. El poder separador (PS) de una centrífuga o factor G indica cuantas veces más rápido se llevará a cabo la separación centrífuga respecto a la separación gravitacional.. 𝑃𝑆 = 𝐺 =. 𝑉𝑐 𝑤 2 𝑟 𝑁 = = √𝑟 𝑉𝑡 𝑔 30. (10). De igual manera, si el diámetro es expresado en mm. 𝑉𝑐 𝑤 2 𝑟 1.10 ∗ 10−2 𝑁 2 𝐷 𝑃𝑆 = 𝐺 = = = 𝑉𝑡 𝑔 19600. 17. (11).

(18) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. Por lo tanto, 𝐺 = 5.5𝑥10−7 𝑁 2 𝐷. (12). 2.6.2. Análisis de la Centrifugación Durante el movimiento de una partícula en un fluido hay esencialmente tres fuerzas que actúan sobre los cuerpos: •Centrífuga •Fuerza de flotación •Resistencia o fuerza de retardo. La fuerza de gravedad es: 𝐹𝑐 = 𝑚𝑤 2 𝑟. (13). Donde: Fc = Fuerza centrifuga que actúa sobre la partícula m = masa de la particula r = Radio de la trayectoria w = Velocidad angular de la partícula. La fuerza de flotación es:. 𝐹𝐹 = 𝑚𝑎. ρp. (14). ρL. Donde: FF = Fuerza de flotación 18.

(19) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. m = Masa de la partícula L = Densidad del liquido P = Densidad de la partícula. La fuerza de resistencia es:. 𝐹𝑟 = CD ρA. 𝑉2 2. (15). El balance de fuerzas es: 𝐹𝑇 = 𝐹𝐶 − 𝐹𝐹 – 𝐹𝑅. (16). Por lo tanto:. 𝑚. 𝑑𝑉 mgρ 𝐶𝐷 ρAV𝑐2 = 𝑚𝑤 2 𝑟 − − 𝑑𝑡 ρP 2. (17). Donde w es la velocidad angular de rotación [1/seg] y,. 𝑤=. 2𝜋𝑁 60. (18). Donde: N = velocidad de centrifugación expresada en rpm.. Cuando las tres fuerzas se equilibran (dV/dt = 0 y V = Vt) la velocidad de sedimentación en el campo centrífugo puede considerarse constante cuando el tamaño de partículas es menor a 0.1mm.. 19.

(20) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. Por lo que,. 𝑉𝑐2 =. 2𝑔(𝜌𝑝 − 𝜌)𝑚 𝐴𝜌𝑝 𝐶𝐷 𝜌. (19). Considerando partículas esféricas (V=D3/6) y sustituyendo los valores de m y A en la ecuación anterior,. 𝑉𝑐2 =. 4(𝜌𝑝 − 𝜌)𝑔𝐷𝑝 3𝐶𝐷 𝜌. (20). En la mayoría de los casos de separación por centrifugación las partículas se mueven en régimen laminar.. El coeficiente de arrastre Cd está en función del número de Reynolds. En la región de flujo laminar o Región de Stokes.. 𝐶𝐷 =. 24 24𝜇 = 𝑅𝑒 𝐷𝑝 𝑉𝜌. (21). Sustituyendo el calor de Cd en la ecuación general de sedimentación se obtiene la Ecuación de Stokes o Ley de Stokes para partículas sedimentando libremente en flujo laminar. 20.

(21) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. 𝑉𝑐 =. w 2 rD2P (ρp − ρ). (22). 18μ. Donde: Vc = Velocidad de sedimentación P = Densidad de la partícula  = Densidad del líquido µ = Viscosidad del líquido DP = diámetro de la partícula W = Velocidad angular de la partícula. A partir de la ecuación anterior podemos obtener la distancia recorrida por una partícula en un campo centrífugo.. 2 2 dr w rDP (ρp − ρ) 𝑉𝑐 = = dt 18μ. 2 2 dr w DP (ρp − ρ) dt = r 18μ. Integrando:. w 2 D2P (ρp − ρ) t 𝑟2 𝐿𝑛 ( ) = 𝑟1 18μ Multiplicando por g/g. 21.

(22) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. 2 2 𝑟2 𝑔 w DP (ρp − ρ) t 𝐿𝑛 ( ) = 𝑟1 𝑔 18μ. 𝑟2 𝑉𝑡 𝑤 2 𝑡 𝐿𝑛 ( ) = 𝑟1 𝑔. (23). Donde: Vt = Velocidad terminal de sedimentación en régimen gravitacional.. Por lo tanto, para estimar el tiempo que tarda una partícula en desplazarse una distancia en un campo centrífugo esta dado por: 𝑟. 𝑡=. 𝐿𝑛 (𝑟2 ) 𝑔 1. (24). 𝑤 2 𝑉𝑡. Cómo t = V/Q 𝑟. 2 𝑉 𝐿𝑛 (𝑟1 ) 𝑔 = 𝑄 𝑤 2 𝑉𝑡. Por lo tanto,. 𝑄=. 𝑤 2 𝑉𝑉𝑡. (25). 𝑟. 𝐿𝑛 (𝑟2 ) 𝑔 1. Donde: V = Volumen ocupado por la suspensión en el campo centrífugo.. 22.

(23) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. 2.6.3. Definición de Sigma. A partir de la ecuación anterior, se puede derivar una característica muy importante de las centrífugas, el valor, que es una característica geométrica de la centrifuga con unidades de área e involucra la geometría de la centrífuga y la velocidad de centrifugación. 𝑄 = 𝑉𝑡𝛴. (26). Donde: Q = Caudal volumétrico de alimentación 𝛴 = Area de la sección transversal Vt = velocidad terminal de sedimentación en régimen gravitacional (La Ley de Stokes). 𝑉𝑡 =. 𝑔𝐷𝑃2 (𝜌𝑝 − 𝜌) 18𝜇. (27). Donde: Vt = Velocidad de sedimentación bajo gravedad P = Densidad de la partícula  = Densidad del líquido µ = Viscosidad del líquido DP = diámetro de la partícula g = Aceleración de la gravedad. Y 𝛴 = área característica de la centrífuga. 𝛴=. 𝑤 2𝑉. (28). 𝑟. 𝐿𝑛 (𝑟2 ) 𝑔 1. 23.

(24) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. Donde, como se mencionó más arriba V es el volumen ocupado por la suspensión en el campo centrífugo. Además de ser un área característica de una centrífuga 𝛴, es una variable que permite comparar dos centrífugas siempre y cuando 𝛴 se defina de la misma forma. 𝑄1 𝑄2 = 𝛴1 𝛴2. (29). 1 y 2: expresan las dos centrífugas. La magnitud de puede ser definida y determinada para centrífugas con diferente geometría.. Por ejemplo,. a) Para una centrífuga tubular, 𝑤 2 𝜋(𝑟22 − 𝑟12 )𝐿 𝛴= 𝑟 𝑔 𝐿𝑛 ( 2 ). (30). 𝑟1. Donde el volumen útil de la centrífuga tubular es:. 𝛴 = 𝜋(𝑟22 − 𝑟12 )𝐿. (31). 24.

(25) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. b) Para una centrífuga de discos, 𝑤 2 2𝑛𝜋(𝑟23 − 𝑟13 ) 𝛴= 𝑔 3𝑡𝑎𝑛∅. (31). Donde:. N = número de discos y ∅ = el ángulo de inclinación de los discos. r2 y r1 = los radios externo e interno de los discos. 2.7. Criterios de diseño de procesos de centrifugación. Para definir criterios de separación de partículas sedimentando en campos gravitacionales o centrífugas pueden utilizarse el tamaño de partículas o la distancia recorrida en el campo centrífugo.. Diámetro de corte. Se define como el diámetro de la partícula que alcanza la mitad de la distancia entre r1 y r2.. Por lo tanto, si Dpc es el diámetro de corte, una partícula con este diámetro se moverá una distancia ((r2-r1)/2) durante el tiempo de separación permitido.. Si se quiere que la partícula de diámetro Dpc sea removida deberá alcanzar la pared de la centrífuga en el tiempo disponible, por lo que para r b = r2 y ra = ((r1+r2)/2). 𝐿𝑛. 𝑟𝑏 2𝑟2 = 𝐿𝑛 (𝑟1 + 𝑟2 ) 𝑟𝑎. (32). Por lo que, sustituyendo en la ecuación para centrífuga tubular,. 25.

(26) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. 𝑄𝑐 = 𝑉𝑡𝑐. 𝑤 2 𝜋(𝑟22 − 𝑟12 )𝐿 𝑔 𝐿𝑛 ( 2𝑟2 ). (33). (𝑟1 +𝑟2 ). Donde Qc y Vtc son el gasto y la velocidad terminal para la partícula con diámetro de partícula crítico (Dpc).. Distancia anular. Se define como la distancia anular a la cual se relacionan el volumen de la suspensión cercano a la pared entre el volumen de la suspensión cercano al radio; es decir, si la distancia volumétrica es del 50% corresponde al radio que se requiere para que haya el mismo volumen de suspensión en las secciones cercana y lejana al eje de rotación. A continuación se hace el ejercicio para distancia anular de 50%. 2 ) 2 𝜋𝐿(𝑟22 − 𝑟1.5 = 𝜋𝐿(𝑟1.5 − 𝑟12 ). (34). 2 ) 2 (𝑟22 − 𝑟1.5 = (𝑟1.5 − 𝑟12 ). 2 ) 2 (𝑟22 − 𝑟1.5 = 𝜋𝐿(𝑟1.5 − 𝑟12 ). 0.5. 𝑟1.5. 𝑟12 + 𝑟22 =[ ] 2. (35). Por lo tanto, para centrífuga tubular con distancia anular de separación del 50%. 𝑄50 = 𝑉𝑡𝑐. 𝑤 2 𝜋(𝑟22 − 𝑟12 )𝐿 𝑔 𝑟2 0.5 2 𝑟 +𝑟2 [ 1 2] 2. 𝐿𝑛 [. Donde: 26. ]. (36).

(27) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. 𝛴50. 𝑤 2 𝜋(𝑟22 − 𝑟12 )𝐿 = 𝑔 𝑟2 2 0.5 𝑟2 +𝑟 [ 1 2] 2. 𝐿𝑛 [. (37). ]. Para relacionar el criterio del diámetro de corte (distancia radial media) con el de distancia anular 50%, 2. 𝑟22. 1 𝑟2 1 2𝑟22 = 𝐿𝑛 [ 2 2 0.5 ] = 𝐿𝑛 [ 2 2 0.5 ] = 𝐿𝑛 2 = 2 2 𝑟1 + 𝑟22 𝑟1 +𝑟2 𝑟1 +𝑟2 [ 2 ] [ 2 ] [ ] 𝑟2. (38). Por lo tanto, para centrifuga tubular con 50% de distancia anular. 𝑄50 = 2𝑉𝑡. 𝑤 2 𝜋(𝑟22 − 𝑟12 )𝐿 = 2𝑉𝑡 𝛴𝑐 𝑔 𝐿𝑛 ( 2𝑟2 ). (39). 𝑟1 +𝑟2. Nótese como la definición de 𝛴 para el criterio de diámetro de corte es igual a 2 𝛴 cuando el criterio es la distancia anular al 50%. Definición de 𝛴 50%para centrífuga de discos:. Para distancia anular completa:. 𝛴100. 𝑤 2 2𝑛𝜋(𝑟23 − 𝑟13 ) = 𝑔 3𝑡𝑎𝑛∅. (40). 𝑄100 = 𝑉𝑡 𝛴100. (41). 27.

(28) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. Para distancia anular al 50%: 𝑄50 = 2𝑉𝑡 𝛴100. Separación liquido-líquido 𝑑𝐹 = 𝑑𝑚𝑤 2 𝑟. (42). Donde: dF = Fuerza diferencial a travez de la pared del cilindro dm = Masa del cilindro diferencial w = Velocidad angular del cilindro r = radio del cilindro. 𝑑𝐹 = 𝑤 2 𝑟2𝜋𝜌𝑟𝑏𝑑𝑟. 𝑑𝑃 =. 𝑑𝐹. 𝑑𝑃 =. 𝐴. 𝑤 2 𝑟2𝜋𝜌𝑟𝑏𝑑𝑟 2𝜋𝑅𝐵. 𝑑𝑃 = 𝑤 2 𝜌𝑟𝑑𝑟. (43). Donde: dP = presión diferencial a través de la pared del cilindro diferencial. -. Variación de la presión respecto al radio en la centrifuga. 𝑃1 − 𝑃2 =. 𝑤 2 𝜌𝐿 (𝑟22 −𝑟12 ) 2. y. 𝑃2 − 𝑃4 =. 𝑤 2 𝜌𝑃 (𝑟22 −𝑟42 ) 2. Por lo tanto, 𝜌𝑃 (𝑟22 − 𝑟42 ) = 𝜌𝐿 (𝑟22 − 𝑟12 ) 28. (45). (44).

(29) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. 𝜌𝑃 𝑟22 − 𝜌𝑃 𝑟42 = 𝜌𝐿 𝑟22 − 𝜌𝐿 𝑟12. 𝜌𝑃 𝑟22 − 𝜌𝐿 𝑟22 = 𝜌𝑃 𝑟22 − 𝜌𝐿 𝑟12. Por lo tanto,. 𝑟12 =. 𝜌𝑃 𝑟42 − 𝜌𝐿 𝑟12 𝜌𝑃 − 𝜌𝐿. (46). La interfase r2 debe de estar a un radio inferior a r3. Un ejemplo típico es:. Para dos líquidos inmiscibles de densidad conocida y una centrífuga con radios de derrame conocidos calcular el radio de la interfase.. Sea el caso de dos fases líquidas con densidades 0.865 y 1.032 g/cm3 con radios 1 y 4 de 5 y 7.5 cm respectivamente, calcular el radio de la interfase,. 𝑟22 =. 0.865 ∗ 25 − 1.032 ∗ 56.25 0.865 − 1.032 𝑟2 = 14.77𝑐𝑚. 29.

(30) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. 3. Historia Del Equipo. La invención de la máquina centrífuga que purga masa cocidas azucareras ha sido atribuida a Schotter en 1848 y a Dubrunfaut, pero las autoridades en esta materia están de acuerdo en que fue David Weston quien obtuvo la patente de la centrífuga suspendida en 1852 y la introdujo al trabajo práctico azucarero en Hawai, en 1867. Hasta bien entrado el siglo actual, al tipo de máquina centrífuga que está en uso general en la actualidad se le llamaba centrífuga Weston. Fué para trabajo azucarero que se desarrollaron equipos de filtración de varios tipos, entre ellos el filtro Taylor de bolsas, de hace más de 100 años; el filtro prensa, fue sugerido por Howard alrededor de 1820, pero fue introducido con éxito por Needham en 1853; y los filtros modernos de láminas, tales como los Kelley, Sweetland y Vallez, fueron introducidos de 1910 a 1920.. Descripción del equipo:. La centrífuga utilizada en la industria azucarera consiste en una canasta cilíndrica y de las mallas. El canasto cilíndrico de la centrífuga, que está suspendido de una flecha o "huso" tiene sus costados perforados y forrados de tela metálica; entre el forro y el costado hay láminas de metal que contienen de 400 a 600 perforaciones por pulgada cuadrada (62 a 93 perforaciones por cm2). La canasta: está diseñada para recibir la masa cocida por tratar y colocada en un eje vertical en cuyo extremo superior se encuentra el motor o la toma de fuerza que mueve a la máquina.. La canasta está perforada con numerosos orificios que permiten el paso de las mieles, los cuales son de 7 mm de diámetro y están separados aproximadamente 22 mm entre centros; además está provista de anillos circulares que resisten la fuerza centrífuga; la canasta esta guarnecida con una malla de metal que retiene el azúcar y deja pasar las mieles. Las canastas se construyen de mayor o menor 30.

(31) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. grueso, de acuerdo con la fuerza centrífuga a la que estarán sujetas. Las que recibirán las tensiones mayores se fabrican de acero al cromo-cobre y los aros algunas veces de acero niquelado.. La canasta está abierta en su parte superior para permitir la alimentación de la masa cocida y en el fondo para descargar el azúcar cuando la máquina se detiene. Cuando la máquina esta trabajando, es decir, durante la carga y secado, esta ultima salida permanece cerrada por un cono de lámina delgado. La canasta está fija al eje por un cubo que ocupa la abertura del fondo, pero que deja espacio suficiente para la descarga del azúcar.. La canasta está rodeada por una envoltura para recibir las mieles y para proteger al operador de las partes móviles. Esta envoltura tiene una abertura en la parte superior que corresponde con la de la canasta y que puede cerrarse por medio de dos medias tapas de charnela provistas con una perforación a través de la cual pasa el eje. En general, se emplean varias centrífugas formando una batería y distribuidas en una línea.. Las mallas: la amplitud del esparcimiento no permite que la canasta esté guarnecida por una simple lámina perforada o una simple malla perforada o una simple malla: la mayor parte de las perforaciones caerían sobre la pared lisa de la canasta y no dejarían escapar las mieles. Por esta razón la canasta generalmente se provee de dos guarniciones diferentes:. a. Una malla de sostén que es una tela metálica ordinaria de alambre de bronce o de cobre de 1 a 1.5 mm de diámetro, con aberturas de 5 a 10 mm que sirve para separar la malla propiamente dicha de la pared de la canasta. b. La malla propiamente dicha, diseñada para retener los cristales y que puede ser: 4. Tipos De Centrifugas. 31.

(32) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. Existen 2 grandes tipos de centrífugas:. 1) Centrífuga De Sedimentación: Esta contiene un cilindro o un cono de pared sólida que gira alrededor de un eje horizontal o vertical. Por fuerza centrífuga, una capa anular de líquido de espesor fijo se sostiene contra la pared. A causa de que esta fuerza es bastante grande comparada con la de la gravedad, la superficie del líquido se encuentra esencialmente paralela al eje de rotación, independientemente de la orientación de la unidad. Las fases densas "se hunden" hacia fuera y las fases menos densas se levantan hacia dentro. Las partículas pesadas se acumulan sobre la pared y deben retirarse continua y periódicamente.. 2) Centrífugas De Filtro: Estas operan como el tambor de rotación de una lavadora doméstica. La pared de la canasta está perforada y cubierta con un medio filtrante, como una tela o una rejilla fina, el líquido pasa a través de la pared impelido por la fuerza centrífuga dejando una torta de sólidos sobre el medio filtrante. La rapidez de filtración se incrementa con esta fuerza y con la permeabilidad de la torta sólida. Algunos sólidos compresibles no se filtran bien en una centrífuga a causa de la deformación que sufren las partículas por la acción de la fuerza centrífuga, por lo que la permeabilidad de la torta se ve reducida considerablemente. La cantidad de Líquido que se adhiere a los sólidos después que éstos se han centrifugado depende también de la fuerza centrífuga aplicada; en general, el líquido retenido es considerablemente menor que el que queda en la torta que producen otros. 5. Tipos de filtros. 32.

(33) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. Clasificación. Dependiendo del mecanismo utilizado para realizar su trabajo, las centrífugas se clasifican en:. 1) Centrífugas Hidráulicas Para este tipo de centrífuga es necesario un litro de agua por segundo para un H.P. Cuando la presión se aplica con una bomba centrífuga, ésta tiene generalmente, un rendimiento propio de 0.65 a 0.80. Las bombas bien construidas, llegan fácilmente a 0.75.. Ventajas:. 1. Su conservación es simple; las piezas que más se desgastan son las boquillas, que se reemplazan fácilmente. 2. En algunos países se ha llegado a hacerlas girar muy rápidamente, aumentando la presión del agua y la potencia de las bombas.. Desventajas: 1. Tienen un alto consumo de potencia por el bajo rendimiento de la rueda Pelton. 2. El problema anterior se acentúa más si se les hace trabajar con compresores de acción directa, que consumen de 35 a 40-Kg. por H.P. 3. Su arranque es relativamente lento. 4. Este tipo de centrífuga tiende a desaparecer, por no corresponder a las exigencias de la industria azucarera moderna. 2) Centrífugas De Banda Este tipo de centrífugas se reúne en baterías movidas por un eje longitudinal 33.

(34) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. común que, a su vez, es mandado por un motor. Los ejes de las centrífugas son verticales y por lo tanto, la transmisión necesita poleas locas para el regreso de la banda. El eje longitudinal gira comúnmente a una velocidad de aproximadamente un tercio de la de las máquinas. El cálculo de las centrífugas de banda, se hace a partir del par y de la aceleración angular, pudiendo considerarse ésta como constante durante el período de arranque.. Ventajas:. 1. Son las baratas de instalar. 2. Son simples y su conservación es fácil. 3. Causan al motor pocas cargas intempestivas y dar una marcha suave y regular. Desventajas:. 1. El desgaste de las bandas es considerable 2. Las necesidades de potencia sin ser tan altas como las de las centrífugas hidráulicas, son mayores que las de las centrífugas con mando eléctrico directo. 3. Han perdido terreno en favor de las centrífugas con mando eléctrico. 3) Centrífugas De Mando Eléctrico Estas máquinas se manejan con un motor eléctrico vertical, cuyo eje es continuación del eje de la centrífuga. El mando de la máquina se efectúa por medio de un embrague de fricción consistente en dos zapatas de material flexible provistas de dos balatas de fricción y convenientemente cargado. Las zapatas están fijas al eje del motor y giran dentro de un tambor que a su vez está fijo al eje de la centrífuga, resbalan al principio, arrastrando la centrífuga que gira más y más rápidamente y al fin de determinado tiempo las zapatas se adhieren completamente. La rapidez de aceleración puede modificarse considerablemente, 34.

(35) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. modificando el peso de carga de las zapatas o cambiando el grueso de la banda flexible de que están hechas.. Ventajas:. 1. Cada máquina centrífuga es independiente, es decir, forma una unidad separada. 2. Por esta ventaja se economizan correas y tuberías. 3. Si algún motor se descompone, sólo se para una máquina y ésta es una ventaja contra la pérdida de tiempo. 4. El motor individual es el arreglo que permite las más altas capacidades, la mejor calidad del azúcar y el uso más completo del equipo. 5. Necesidades de mano de obra son mínimas. 6. La conservación es simple; las descomposturas, las paradas y las reparaciones de los motores, son raras. Desventajas:. 1. Este tipo de centrífugas son bastante caras. 2. Su motor disminuye el factor potencia.. 4) Centrífugas Baches Las partes más importantes de este tipo de centrífugas son:. 1- Canasto: también llamado "drum". La porción cilíndrica esta perforada con hoyos de 1/8" – ¼" .La parte superior tiene un labio sólido el cual fija el espesor de la masa, normalmente oscila entre 7 y 10 pulgadas. La parte inferior es sólida con hoyos para descargar el azúcar, este hoyo puede tener una válvula para cierre durante el ciclo.. 35.

(36) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. 2- Tumbador: es un mecanismo de descarga que actúa neumáticamente que posee una cuchilla que raspa el azúcar en el canasto.. 3- Eje: el canasto se une al eje central en el fondo. El eje conecta el canasto con el motor.. 4- Bearing: Toda la parte rotativa esta soportada sobre los bearings. 5- Switch. 6- Envolvente. 7- Cedazos. Ventajas:. 1. Ofrece un buen lavado de la masa cocida. 2. No ofrece rotura de cristales. 3. Produce azúcar de baja humedad. 4. Bajo consumo de energía.. Desventajas:. 1. Requerimientos de mantenimiento considerables. 2. Costo de operación y capital altos. 5) Centrífugas Continuas: Este tipo de centrífuga gira a velocidad constante, por tal razón usa menos controles. Esto hace que el costo de mantenimiento sea menor. El canasto es 36.

(37) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. cónico con ángulos entre 30 y 34 grados. Este ángulo permite al cristal de azúcar subir y ser descargado en la parte superior del canasto debido a la fuerza centrífuga.. La alimentación debe colocar el flujo de masa en el centro del canasto y producir una capa uniforme en la parte inferior del canasto.. Los cedazos son similares a los de las centrífugas bache pero tienen las siguientes diferencias: . El cedazo debe estar fijo al canasto.. . El tamaño de los hoyos es diferente.. . El cedazo continuo sufre desgaste producido por el azúcar y debe ser cambiado periódicamente. Debido a que el azúcar sube a través del screen, los cristales se rompen produciendo cristales de diferentes tamaños.. Ventajas:. 1. Bajo requerimiento de personal para su manejo. 2. Poca necesidad de mantenimiento. 3. Bajo costo de capital y operacional. Desventajas: 1. Alto consumo de energía eléctrica. 2. Pobre lavado de masa cocida. 3. Alta rotura de cristales. Dependiendo de sí la centrífuga o su parte giratoria tenga una pared sólida, una pared perforada o una combinación de ambas, estas se clasifican en: 1. Tipo botella 37.

(38) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. 2. Tubulares 3. Tipo disco 4. Tipo vacuum 6) Centrífuga Tipo Botella: Es un separador tipo lote, el cual es usado primordialmente para investigaciones, pruebas o controles. La separación toma lugar en un tubo de ensayo o en un envase tipo botella, el cual es simétricamente montado en una vara vertical. La vara de una centrífuga de este tipo esta usualmente dirigida por un motor eléctrico, turbo-gas, o por un mecanismo de tren dirigido manualmente localizado encima o debajo del rotor.. En la mayoría de los casos, las botellas son sostenidas por envases de metal bastante fuertes, de tal modo que su eje sea perpendicular al eje de rotación, y algunas centrífugas tipo botella, los tubos de ensayo o botellas están inclinadas a un ángulo de 37° al eje de rotación, a fin de reducir la distancia a la que el material debe ser colocado.. Este tipo de centrífugas es un equipo estándar para la mayoría de los laboratorios biológicos, químicos o médicos. Son usados para separar materiales sólidos en suspensión o para clarificar líquidos cuando las precipitaciones no suceden en un tiempo razonable en el campo gravitatorio.. 7) Centrífugas Tubulares: Las centrífugas tubulares son usadas mayormente para la separación continua de líquidos de otros líquidos o de partículas muy finas de líquidos. En general, son usadas cuando se requieren altos requerimientos de centrifugación. El tazón rotatorio de una centrífuga tubular consiste en un largo tubo hueco. Para separación continua, el material a centrifugar es introducido en el extremo. 38.

(39) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. cerca del eje. En muchos casos la separación no es completa y se debe pasar el material varias veces a la máquina.. Estas centrífugas son movidas por un motor de alta velocidad o una turbina de aire o vapor. La sedimentación toma lugar como un fluido que fluye desde un extremo del tubo al otro. Cuando el material consiste en pequeñas partículas o moléculas y la concentración es muy baja, el material sólido es usualmente dejado depositarse en la pared. En este caso, la maquina es operada como una centrífuga por lote. Las centrífugas tubulares se usan en un sinnúmero de aplicaciones, tales como: purificación de vacunas ( vacunas no centrifugadas contienen gran cantidad de materiales no esenciales y dañinos; purificación de aceites de lubricación e industriales; clarificación y purificación de productos alimenticios tales como aceites esenciales, extractos y jugos de fruta; separación de líquidos inmiscibles que no pueden ser separados por gravedad.. 8) Centrífugas Tipo Disco: Consiste en una pila de discos delgados en forma de conos. La sedimentación toma lugar en dirección radial en el espacio entre los conos adyacentes. La centrífuga tipo disco usualmente opera en forma continua. Estas centrífugas son usadas para separación de líquidos en los cuales el sólido o componentes inmiscibles que están en bajas concentraciones. Son usadas para la purificación de aceites combustibles, para el aprovechamiento de aceites usados de motores, y para refinación de aceites vegetales.. 9) Centrífugas Tipo Canasta: Estas centrífugas son llamadas a menudo "centrífugas filtro o clarificadores". Tienen una pared perforada y un rotor tubular cilíndrico. En la mayoría de los casos para pared externa la centrífuga consiste en una fina malla metálica o una. 39.

(40) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. serie de mallas soportadas por una pesada malla gruesa, la cual a su vez es soportada por un plato.. El líquido pasa a través de la malla, y las partículas muy largas se depositan en esta. Estas centrífugas son empleadas en la manufactura de caña de azúcar, en el secado de ropa en lavadoras caseras y en el lavado y secado de diferentes tipos de cristales y materiales fibrosos.. 10) Centrífugas tipo vacuum: En estas centrífugas, el rotor gira en aire o algún otro gas a presión atmosférica. La fricción gaseosa en el rotor giratorio aumenta a un promedio relativamente alto, tal así que la energía requerida por el motor aumenta también. Esto da como resultado que la temperatura del rotor aumenta drásticamente, algunas veces excediendo el punto de ebullición del agua.. Estas centrífugas pueden ser usadas para la determinación de pesos moleculares de prácticamente todas las sustancias en solución. En centrífugas modernas, los conductores de aire han sido reemplazados por conductores con motores eléctricos más eficientes. Las centrífugas tipovacuum son utilizadas para purificar muchos materiales biológicos que no pueden ser fácilmente separados por otros métodos.. 6. Principio de funcionamiento del equipo El operador arranca la máquina y carga la canasta, es decir, introduce la cantidad deseada de masa cocida. La fuerza centrífuga hace que la masa cocida suba por la pared exterior de la canasta y, mientras que la malla detiene al azúcar, expulsa el licor madre. Este escurre hacia la envoltura y se recoge del fondo de ella dirigiéndose a un canal que va en la parte trasera inferior y a lo largo de la batería. Las dimensiones de las centrífugas se caracterizan por dos medidas principales: 40.

(41) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. 1. El diámetro interior de la canasta 2. La altura interior de la canasta. Un factor tan importante como las dimensiones, desde el punto de vista de la capacidad de las centrífugas, es la velocidad. La velocidad y el diámetro son los factores que determinan la fuerza centrífuga, es decir, la fuerza necesaria para eliminar las mieles durante la centrifugación.. Si se considera una centrífuga de un diámetro dado y se varía su velocidad, se obtendrá un secado más rápido y más completo a medida que la fuerza centrífuga, y por lo tanto la velocidad de rotación, sea mayor. En otras palabras, si una centrífuga trabaja a una velocidad más alta que otra, ambas idénticas y centrifugando la misma masa cocida, la máquina que trabaja a una velocidad mayor terminará su secado antes que la otra.. No debe suponerse que la marcha a la velocidad de operación es el único factor importante en el curso de la centrifugación. Las otras fases del proceso ocupan una parte sustancial del ciclo de operación, que es mayor en masas cocidas de alta pureza que en masas cocidas de baja pureza y es notablemente más alto en los ciclos más rápidos. Los factores que influyen en el tiempo de la centrifugación son: . La viscosidad de las mieles, es decir, de su temperatura, densidad y pureza. . El tamaño y la regularidad de los cristales.. . La rapidez de aceleración de la máquina, es decir, el tiempo necesario para alcanzar la velocidad de operación.. . La fuerza centrífuga desarrollada por la centrífuga en su velocidad de operación. La capacidad de trabajo o la producción de azúcar de una centrífuga, depende de dos factores principales: a. El contenido de la canasta en volumen de masa cocida: la cual puede expresarse en volumen de masa cocida o en peso de azúcar. El volumen de 41.

(42) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. masa cocida depende principalmente del: área de la tela de la centrífuga y del grueso de la capa de masa cocida. b. La duración del ciclo: de los factores que dependen de la características de la máquina son: . La fuerza centrífuga desarrollada a la velocidad de operación.. . La velocidad de la aceleración, y en menor medida:. . La rapidez de freno y de descarga. En las centrífugas hay dos potencias que deben considerarse: a. La potencia del arranque o potencia necesaria durante el período de aceleración. b. Potencia durante la operación. Esta última es evidentemente mucho menor que la primera, porque corresponde únicamente al mantenimiento de la velocidad, mientras que la potencia para el arranque corresponde al gasto de energía necesaria para llevar a la centrífuga de la inmovilidad a la velocidad de operación, confiriéndole así una fuerza cinética considerable.. 7. Proceso donde participa el equipo. En las masas cocidas de alta pureza, el azúcar en la centrífuga se lava con agua y luego con vapor, o con vapor únicamente.. La doble purga es un procedimiento para la separación del azúcar, que sólo se usa en la fabricación del azúcar blanco. Consiste primero en purgar la masa cocida en una batería de centrífugas, sin lavarla. Las mieles que se obtienen son entonces "pobres" o "pesadas". El azúcar se descarga en un mezclador localizado bajo éstas, en donde se mezcla con mieles de alta pureza para formar una masa cocida. De aquí se manda al mezclador distribuidor de una segunda batería de 42.

(43) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. centrífugas llamadas "de afinado", en donde se purga y se lava con agua y vapor. Las mieles obtenidas son "ricas" o "ligeras".. Para que la centrífuga pueda realizar un buen trabajo depende de: . La uniformidad del tamaño del grano.. . Viscosidad del licor madre. Cuando el grano no es uniforme, la centrifugación puede ser muy difícil. En este caso, y si la máquina lo permite, la aceleración debe hacerse lenta y gradual. Algunas centrífugas disponen de descarga automática, las cuales están abiertas en el fondo de la canasta y provistas de:. Un disco diseñado para recibir la masa cocida y distribuirla en el interior de la canasta: sin este disco, la masa cocida caerá directamente, a través de la canasta al conductor de azúcar.. Un fondo de pendiente notablemente mayor que la pendiente de las centrífugas de descarga a mano. Este generalmente tiene:. - para altas purezas 45º. - para bajas purezas 60º. En las centrífugas automáticas la descarga del azúcar se asegura por un dispositivo especial o "arado".. 6. Descripción Del Proceso. La recepción de las cañas para la fábrica se hace directamente en la báscula del batey o en básculas anexas que sirven ciertos puntos importantes o alejados de la. 43.

(44) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. zona de aprovisionamiento del Ingenio. El transporte se asegura por vías férreas o por camiones o tractores con remolques.. Desde el punto de vista de la manutención, las cañas que llegan a la fábrica se pueden dividir en 2 clases:. a. Las cañas que se trasportan por medios mecánicos: (remolques, camiones y vagones de ferrocarril). Los cuales llegan generalmente en paquetes, amarrados con 3 cadenas y los cuales son descargados por medio de grúas. b. Las cañas que se transportan por carretas. Se reserva generalmente a las carretas la descarga directa en el conductor de cañas. La caña que es descargada de los camiones o carretas es llevada por medio de las mesas alimentadoras hacia el conductor de caña, el cual es el tablero movedizo que lleva la caña a la fábrica y que asegura la alimentación de los molinos transportándola del patio a la desmenuzadora.. Algunas fábricas hacen el uso de cuchillas para poder alimentar regularmente a la desmenuzadora. El trabajo de estas es convertir a las cañas enteras en un material formado por pedazos cortos y pequeños. Las cuchillas cañeras ejecutan dos funciones y tienen dos ventajas: a. Favorecen la capacidad de los molinos transformando la caña en una masa compacta y homogénea. b. Mejoran la extracción de los molinos rompiendo la corteza de la caña y facilitando así su desintegración y la extracción del jugo. Antes de la caña pasar por la desmenuzadora, pasa por un electroimán el cual atrae y retiene los pedazos de metal que pasan por su campo magnético. Dicho electroimán o separador magnético esta instalado sobre todo el ancho del conductor que va a la desmenuzadora.. 44.

(45) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. La desmenuzadora es la primera máquina con presión entre sus cilindros, que encuentra la caña al llegar a los molinos y tiene 2 funciones: . Asegura la alimentación de toda la batería.. . Prepara la caña, facilitando la toma de ésta por los molinos y la extracción en ellos. Luego de la desmenuzadora, la caña pasa a la desfibradora, el cual es un aparato que se emplea para completar la preparación y la desintegración de la caña y facilitar así la extracción del jugo por los molinos. Su nombre indica la acción que desarrolla: corta en pedazos pequeños, desfibra.. Después de pasar por la desfibradora, la siguiente máquina son los molinos; los cuales se comunican uno al otro, por medio de los conductores intermedios, que son cadenas que llevan el bagazo de la salida de un molino a la entrada del siguiente. El bagazo que sale del último molino debe distribuirse en los hornos de las calderas. Para este fin, se eleva por un elevador de bagazo, que lo tira sobre un conductor horizontal para distribuirlo a lo largo de los hornos de las calderas. Al obtenerse el jugo, este pasará por el proceso de defecación, el cual es el único tratamiento que se practica universalmente. Se aplica cal al jugo, y la calidad de esta es importante; deben evitarse, sobre todo, cales que contengan más del 2% de MgO o de óxido de hierro o de aluminio. La purificación es, sobre todo, física. Se forma un precipitado fácil de observar en la probeta debido, sobre todo, a materiales coagulados. Este precipitado arrastra las impurezas físicas al envolverlas.. Luego, se procede a clarificar el jugo por acción del ácido fosfórico. Este ácido se le agrega al jugo, precipita una parte de los coloides y de las materias colorantes que contiene. El jugo se pasa luego a los decantadores, los cuales son simples tanques rectangulares en los cuales se deja reposar el jugo el tiempo necesario. En el curso del tratamiento de jugo, es necesario calentarlo por lo menos una vez; por lo que es necesario contar con un cambiador de calor entre el vapor de escape 45.

(46) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. (o de los evaporadores) y el jugo: estos aparatos son los calentadores. El jugo circula dentro de los tubos y el vapor alrededor de ellos. Mamparas apropiadas obligan al jugo a pasar un cierto número de veces de arriba hacia abajo y de abajo hacia arriba.. La filtración, proceso siguiente, es una operación a veces delicada y difícil de manejar. Para poder hacerla, con las mejores probabilidades de éxito, es necesario observar ciertas reglas: . Temperatura: es conveniente filtrar a alta temperatura, pues la viscosidad decrece a medida que la temperatura aumenta.. . Reacción: los jugos alcalinos filtran mejor que los ácidos o neutros, por lo que se agrega cal a las cachazas antes de enviarlas a la filtración. La purificación del jugo produce un jugo claro. Este jugo es azúcar disuelto en agua junto con ciertas impurezas. Cuando se ha quitado ya la mayor cantidad posible de estas impurezas queda por eliminar el agua. Este es el objeto de la evaporación, la cual se lleva a cabo en los evaporadores.. Cuando el jugo se concentra, su viscosidad aumenta rápidamente y al llegar a los 77-80º, comienzan a aparecer cristales, modificándose la naturaleza del material al pasar progresivamente del estado líquido a una condición en parte sólida y en parte líquida. El material pierde su fluidez progresivamente, de manera que es necesario emplear métodos diferentes para manejarlo. En estas condiciones, el material recibe el nombre de "masa cocida".. Por esta razón, es necesario hacer los siguientes cambios: . Llevar a cabo la evaporación, en un solo efecto:. . Emplear un tipo de equipo similar, en principio, al evaporador, pero mejor adaptado para mejorar el producto viscoso que debe concentrar.. 46.

(47) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. Dichos equipos son llamados "Tachos", y aquí se lleva a cabo el procedimiento llamado "cocimiento". El trabajo del tachero es ciertamente el más importante de los trabajos de la fábrica. Aunque tiende a ser más y más simplificado y es posible controlarlo con instrumentos, el cocimiento del azúcar es evidentemente una cuestión de destreza y la destreza y la habilidad del tachero tienen una influencia decisiva en la calidad y en el rendimiento del azúcar. El desarrollo de una templa comprende cuatro fases principales:. 1. Concentración 2. Cristalización 3. Crecimiento del grano 4. Cerrado de la masa cocida Cuando la masa cocida sale del tacho está a una sobresaturación alta. Si se le permite reposar, el azúcar que contiene aún el licor madre sigue depositándose sobre los cristales, sin embargo, esta masa cocida es muy densa y el licor madre es muy viscoso. La cristalización cesará rápidamente si la masa cocida queda sin movimiento; la cristalización es entonces un proceso que consiste en mezclar la masa cocida por cierto tiempo después de caer del tacho y antes de pasar a las centrífugas y que tiene como finalidad completar la formación de los cristales y forzar un agotamiento más completo del licor madre.. Después de la cristalización, las masas cocidas son depositadas en las centrífugas donde son lavadas, ya sea con agua o con vapor, según el caso lo amerite, y es obtenido el azúcar en la forma comercial. La masa cocida es separada en: el azúcar y las mieles o melazas.. Todavía el azúcar que sale de las centrífugas tiene una humedad entre el 0.5 y el 2%. Esta humedad disminuye la calidad de conservación del azúcar cuando pasa de cierto límite y particularmente cuando sube del 1%. El secador de azúcar se compone de un elevador de azúcar; un secador rotativo, que sirve al mismo 47.

(48) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. tiempo como enfriador en su parte inferior, un calentador de aire, un ventilador, un ciclón, un separador de polvo, una chimenea, un segundo elevador, una tolva y una báscula automática. De aquí el azúcar es enviado a su almacenamiento para su futura entrega.. 8. Parámetros de control del equipo. Las telas de la centrífuga deben limpiarse con vapor, por lo menos una vez al día, para remover los cristales que se alojan en las perforaciones. Los constructores proporcionan con la centrífuga un tubo pequeño especial para este fin.. Algunas veces la tela de las centrífugas se rompe o se desgarra. Este accidente se nota por la presencia de cristales en las mieles, las que deben revisarse frecuentemente, por este motivo: los cristales se sienten entre los dedos. La tela desgarrada debe repararse o reemplazarse inmediatamente.. La fuga de cristales puede deberse también a un espacio excesivo (mayor de 0.8 mm.) Entre la tela y la parte superior de la canasta, o a defectos en la canasta o en la tela. Algunas casas fabrican anillos "retenedores" o ‘bandas" diseñadas para evitar este accidente y para hacer que la centrífuga no permita la fuga de cristales. La disminución de pureza de las mieles con el uso de estos dispositivos es en ocasiones notable.. 9. Conclusión. Las centrífugas participan en la parte final de la elaboración del azúcar, pero de ella depende de que tan buena calidad resulte el producto. En el lavado se puede 48.

(49) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. disolver mucha azúcar, por lo que este proceso requiere de mucha atención. Además, de que si al retirar el azúcar de las centrífugas con un alto porciento de humedad, el producto podría echarse a perder durante el tiempo de almacenamiento. En dado caso que el azúcar no resulte de la calidad esperada, se procede a una segunda purga en las centrífugas de terceras, ilustradas anteriormente. Una vez el azúcar sale de la centrífuga está prácticamente lista para el consumo.. 10. Tipos de centrifugación . Centrifugación diferencial: Se basa en la diferencia en la densidad de las moléculas. Esta diferencia debe ser grande para que sea observada al centrifugar. Las partículas que posean densidades similares sedimentarán juntas. Este método es inespecífico, por lo que se usa como centrifugación preparativa para separar componentes en la mezcla (por ejemplo, para separar mitocondrias de núcleos y membrana) pero no es útil para separar moléculas.. . Centrifugación isopícnica: Partículas con el mismo coeficiente de sedimentación se separan al usar medios de diferente densidad. Se usa para la separación de ADN con mucha frecuencia.. . Centrifugación zonal: Las partículas se separan por la diferencia en la velocidad de sedimentación a causa de la diferencia de masa de cada una. La muestra se coloca encima de un gradiente de densidad preformado. Por la fuerza centrífuga las partículas sedimentan a distinta velocidad a través del gradiente de densidad según su masa. Se debe tener en cuenta el tiempo de centrifugación ya que si se excede, todas las moléculas podrían sedimentar en el fondo del tubo de ensayo. 49.

(50) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. . Ultracentrifugación: Permite estudiar las características de sedimentación de estructuras subcelulares (lisosomas, ribosomas y microsomas) y biomoléculas. Utiliza rotores (fijos o de columpio) y sistemas de monitoreo. Existen diferentes maneras de monitorear la sedimentación de las partículas en la ultra centrifugación, el más común de ellos mediante luz ultravioleta o interferones. 11. Centrifugas Comerciales. Centrifugas de Sedimentación Simulan y amplifican la fuerza degravedad por un factor de 2 a 5órdenes de magnitud en los tamaños comerciales. a) Tubular b) Cámaramúltiple c) Tazón solido d) Decantadoras e) Discos. Filtro Centrifuga Combinan los dos principios de separaciónmecánica: Filtración y centrifugación 50.

(51) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. Centrifugas • Las centrifugas son instrumentos que permiten someter a las muestras a intensas fuerzas que producen la sedimentación en poco tiempo de las partículas que tienenuna densidad mayor que la del medio que las rodea • En general se diferencian en función de los márgenes de aceleración a que someten alas muestras en: a) centrifugas (de pocas g a aprox. 3,000 g), b) súper-centrifugas (o centrifugas de alta velocidad, rango de 2,000 g a 20,000 g) c) ultracentrifugas (de 15,000 g a 600,000 g) • En las centrifugas se suele controlar la temperatura de la cámara para evitarsobrecalentamiento de las muestras debido a la fricción. En las ultracentrífugas, lavelocidad extrema (mas de 100,000 rpm), hace que sea necesario hacer un intensovacio en la cámara de la centrifuga para evitar el calentamiento de rotor y muestra. 12. Rotores En una centrifuga el elemento determinante es el rotor, dispositivo que gira y en el quese colocan los tubos. Existen varios tipos:. -Rotor basculante. Los tubos se colocan en unos dispositivos (cestilla) que, al girar el rotor, secoloca en disposición perpendicular al eje de giro. Así pues los tubos siempre giran situados. 51.

(52) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. – Rotor de ángulo fijo. Los tubos se insertan enorificios en el interior de rotores macizos. El casoextremo es el de los rotores verticales en los queel tubo se sitúa paralelo al eje de giro. Este tipode rotores es típico de ultracentrifugas.. 52.

(53) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. 53.

(54) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. En las separaciones centrifugas solido-liquido la velocidad de sedimentacion es mayorque la sedimentación libre o gravitacional, debido a que los equipos al girar producenuna mayor aceleración de las partículas.. 𝑣𝑤 =. 𝐷𝑝2 (𝜌𝑠 − 𝜌)𝑤 2 𝑟 18𝜇. Donde: w2r = Aceleración centrifuga [L/t2] w = Velocidad rotacional en radianes [t-1] r = Distancia radial del eje de rotación a la partícula [L]. 𝑤=. 2𝜋 𝑟𝑎𝑑 . 𝑟𝑝𝑚 ( ) 60 𝑠𝑒𝑔. a) El diámetro aparente de las bacterias es del orden de diez veces menor que el de las levaduras, por lo quesu velocidad de sedimentación es cien veces menor, ya que esta es proporcional al cuadrado de la partícula b) Las células contienen mas del 70% de agua por lo que su densidad es muy semejante a la de los caldos, porlo tanto el parámetro Δρ puede ser muy bajo c) Algunos caldos biológicos son muy viscosos propiedad que dificulta la sedimentación. 54.

(55) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. d) La velocidad de sedimentación puede ser incrementada en un equipo centrifugo aumentando la velocidad derotación o la distancia de sedimentación (diámetro de la centrifuga). Factor G. En la caracterización y escalamiento de centrifugas frecuentemente se emplea el factor G,que es una medida relativa de la velocidad de sedimentación de una partícula en uncampo centrifugo con respecto a su velocidad de sedimentación en el campo gravitacional. 𝐺=. 𝑣𝑤 𝑤 2 𝑟 = 𝑣𝑔 𝑔. G puede ser referida a un radio característico el cual generalmente es el radio exterior delcampo centrifugo. Esto permite desarrollar expresiones prácticas para estimar la G de lasiguiente forma. 𝐺 = 5,6 ∗ 10−7 𝑁 2 𝐷. Donde N esta en rpm, el diámetro del tazón de la centrifuga (o punto de interés) D en mmy G es adimensional. 55.