Separaciones con Centrifugas (OBIF) - Contenido educativo
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Se explican los tipos de centrifugas en el laboratorio e industriales con algunos los cálculos básicos. (anexo a la teoría)
Esta presentación está incluida dentro del tema 1 correspondiente a las separaciones mecánicas, magnéticas y eléctricas.
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Específicamente os voy a comentar sobre el uso de las máquinas centrífugas a pequeña y mediana escala.
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Viendo las separaciones mecánicas, hablamos sobre la decantación, sobre la sedimentación y los distintos aparatos utilizados de acuerdo al objetivo que se quisiera plantear en las mezclas susceptibles a ser sedimentadas.
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Y vimos también que había una alternativa a la sedimentación, que era la filtración, cuando se utilizaban o cuando se elegía una respecto a la otra.
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Y vimos también tamizado. Tanto en el apartado de sedimentación como en filtración, había equipos que utilizaban la fuerza centrífuga para la separación. Incluso en el tamizado hay paratos que se acelera el proceso de tamizado utilizando la fuerza centrífuga.
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Vimos equipos industriales, pero es cierto que nos había faltado ver los equipos que se pueden utilizar a nivel laboratorio y también equipos de tamaño mediano como para intentar hacer unas estimaciones cuando se quiere cambiar de escala.
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de escala laboratorio, por ejemplo, a escala piloto.
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Entonces, dentro del apartado sedimentación va a encajar este tema que es un inciso de los aparatos centrífugos.
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Habíamos visto en el tema de sedimentación que cuando estábamos aplicando ecuaciones de sedimentación
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para partículas pequeñas y en sedimentación libre, que quería decir que las partículas eran independientes unas de otras,
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la expresión para la velocidad de sedimentación era la siguiente.
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Donde estaba el término de la aceleración de la gravedad, el diámetro de la partícula al cuadrado,
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la diferencia de densidad entre el sólido y el fluido y las propiedades del fluido, que en este caso era la viscosidad.
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Cuando estamos realizando una centrifugación, habíamos comentado que lo que se hacía básicamente era cambiar el efecto de la gravedad acelerándolo.
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Es como si hubiésemos aumentado la aceleración de gravedad. Por lo tanto, se puede entender que si yo el término g lo sustituyo por un término llamado aceleración, y esta aceleración es debida a la rotación, la aceleración de la gravedad la vamos a sustituir por un término que es la velocidad al cuadrado por r.
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Esto es lo que está puesto en esta ecuación.
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No vamos a deducir de dónde viene, pero simplemente que identifiquéis que es muy similar a la que vimos con velocidad de sedimentación en caída libre por gravedad.
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Lo que hay que resaltar es que la velocidad de rotación es la velocidad angular.
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Esta velocidad angular se mide en radianes y normalmente nosotros no trabajamos en radianes, no hablamos en radianes.
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Normalmente cuando se habla de un motor hablamos del número de vueltas por minuto o por una unidad de tiempo.
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Por lo tanto, a este término de velocidad angular, normalmente voy a tener que calcularlo a partir de las revoluciones por minuto del rotor
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y esta fórmula que lo que hace es convertir la velocidad de giro de vueltas por minuto a radianes.
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Y la otra variable que aparece es el radio. El radio se refiere a la distancia que hay entre el eje de giro y la partícula.
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La partícula, obviamente, como veis aquí en este dibujo, que es un tipo de centrífuga, el radio, que es la diferencia entre el eje y donde puede estar la partícula, va a cambiar.
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Entonces, normalmente, cuando estamos hablando de velocidad de una centrífuga en general, tengo que establecer quién va a ser el radio.
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Por ejemplo, en este caso, ya veremos de todas formas más adelante, se establece como el radio máximo.
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Para las centrífugas existe un factor, tiene distintos nombres de acuerdo a las fuentes donde lo busquéis.
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Es un factor que le vamos a llamar aquí factor G, que básicamente lo que te intenta explicar es el número de veces que esa aceleración es mayor que la aceleración de gravedad.
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Es decir, el número de veces que se ve aumentada la fuerza con la que las partículas van a moverse.
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Entonces la fuerza centrífuga, que es la que está marcada aquí, en este caso estoy dibujando unos tubos que están girando.
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Este sería como el eje de giro y estos tubos están girando hacia afuera de la pizarra, hacia adentro.
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y lo que van a hacer es experimentar una fuerza centrífuga, por lo tanto, todas estas partículas van a ir moviéndose lentamente
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hasta donde se les permita, que básicamente es hasta el fondo del depósito.
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Por lo tanto, con un determinado tiempo que están sometidas a fuerza centrífuga, las partículas van a sedimentar en esta parte del tubo.
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Entonces, este factor G básicamente se calcula y sirve para, es un número, por ejemplo, 40 veces, 50 veces la aceleración de gravedad, eso es lo que quiere decir, es para poder cambiar de escala.
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Por ejemplo, si yo tengo en un laboratorio una centrífuga pequeñita con cantidades pequeñas, radio de giro pequeño y yo lo quiero llevar a un sistema que sea de mayor tamaño, con garantizar que el factor G se repite, estoy reproduciendo esta situación a una escala mayor.
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La fuerza centrífuga que van a sentir va a ser equivalente a la que sentían las partículas en esa centrífuga pequeñita.
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Para poder hacer este tipo de cambios, cuando yo tengo varias centrífugas con las que voy a trabajar o quiero hacer un escalado, se busca el factor F.
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El factor F no es algo que te lo den en la máquina, sino que se calcula de acuerdo al rotor que voy a utilizar, porque a las centrífugas normalmente se le puede acoplar más de un rotor.
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Entonces, dependiendo de cómo sea la velocidad de giro de la centrífuga y el rotor que esté acoplado, el factor G va a cambiar.
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Por lo tanto, esto lo podéis buscar en internet, es decir, se busca en cálculo del factor o en tablas y también existen gráficos como este que me interesaría que aprendieras a usar este tipo de gráficos que se llaman nomogramas.
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nomogramas. Los nomogramas básicamente lo que hacen es relacionar cuando tengo dos datos y
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hallar un tercer dato. Obviamente tienen unas fórmulas matemáticas que te eliminas de hacer,
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de calcular. Entonces, por ejemplo, en este caso, ¿cómo se lee un tipo de gráfico de esto? Pues
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tenemos las revoluciones por minuto en este eje, que en este caso es un dato que vamos a tener
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porque esa es la centrifuga con la que estamos trabajando y lo podemos seleccionar. Por otro
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lado es el radio del rotor que normalmente se elige para este tipo de centrífugas elegimos
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el radio máximo que es un dato que sabiendo que el rotor lo hemos puesto es sencillo de saber
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y con esto básicamente unimos este punto y este punto con una recta y donde se intersecte con la
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siguiente escala que normalmente esto es lo que no conozco pues voy a hallar este factor y ese
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factor es el que estábamos hablando, que es el número de veces la aceleración de gravedad. ¿Qué
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tipo de rotores existen en las centrifugadores? Pues es muy típico en los laboratorios ver
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rotores fijos, que es como el que tenemos aquí arriba, donde los tubos se colocan de forma
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inclinada y giran a una cierta revolución y es verdad que se intentan poner, pues digamos,
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optimizando el espacio. A todo esto tengo que comentaros que una de las cosas que hay que tener muchísimo cuidado
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cuando se está colocando en funcionamiento una centrífuga es que haya, esté alineada en peso.
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¿Qué quiere decir? Que si yo pongo, imaginaros que tengo este dibujo y tengo, por ejemplo, solo dos tubos,
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normalmente son 4 o 6
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si yo pongo una sustancia aquí
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en el otro tubo tengo que poner el mismo peso
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y intentar reproducir las cosas
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si realmente yo las muestro
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las puedo separar en dos no hay ningún problema
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pero a veces cuando estamos distribuyendo en tubos
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no nos dan un número par
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o equilibrado de tubos
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tengo que meterle un tubo con un líquido
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o que tenga un peso similar
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para que entonces cuando esté girando no esté desequilibrado el giro y no tengamos un problema de vibraciones excesivas.
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Bueno, tenemos las centrífugas fijas, las centrífugas basculantes, fijaros aquí se conectaba el rotor y en las basculantes se conectaría aquí
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y la gracia que tienen las centrífugas basculantes es como si aquí tuviese un punto de apoyo o una bisagra, por llamarlo de alguna manera,
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Aquí, aquí y aquí. Y esta especie de cazo se inclina cuando está girando. Esto tiene una velocidad de giro y se colocan de esta forma. Cuando está girando se quedan totalmente horizontales.
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¿Qué va a pasar? Pues que la fuerza centrífuga va a actuar y va a hacer que las partículas se muevan en este sentido, provocando que los sedimentos queden en el fondo del tubo.
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Cuando tenía una centrífuga con rotor fijo, la resultante de esta fuerza hace que se acumule los sólidos en esta parte.
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Y bueno, eso es bastante característico de este tipo de centrífugas, que cuando queremos sacar, por ejemplo, el líquido,
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normalmente nos acercamos por este lado más que por este para no tocar el sólido.
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Y por último tenemos las centrífugas tubulares.
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Las antifugas tubulares, bueno, vamos a ver una de laboratorio y una industrial.
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Las industriales, que son las que más veréis vosotros, básicamente son de este tamaño, o sea, son grandecitas, son tamaño de persona.
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Suelen estar refrigeradas y consisten en un tubo donde la alimentación entra por la parte de abajo.
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El tubo sirve para trabajar en continuo o en continuo que me permita, porque tengo que limpiar y tengo que parar en algún momento. Entonces se hacen como bancos de centrífugas. Entra una mezcla, una suspensión. El tubo interno es el que está girando. Entonces cuando está girando el líquido tiende a irse hacia las paredes del tubo y dejando una especie de agujero libre en el centro.
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El líquido lo que va a hacer es subir, va a subir y con la fuerza centrífuga las partículas, mientras el líquido va subiendo, las partículas tienden a irse contra las paredes, sedimentan.
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Entonces el líquido que es claro porque ya todas las partículas se han ido hacia el fondo, digamos hacia las paredes, sale en forma de rebose.
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Para verlo de forma más esquemática, vamos a visualizar, esta es la alimentación, que entra un tubo, un tubo que tiene una boca de salida relativamente ancha.
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¿Por qué es relativamente ancha? Porque cuando viene el líquido por aquí, que se va hacia las paredes del tubo, lo que llegue a esta zona, el líquido que llega a esta zona, va a salir por rebose.
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¿Qué pasa entonces? Si esta zona está vacía, porque por la fuerza centrífuga aquí se hace una especie de hueco, un tubo hueco, el líquido que está fluyendo por aquí, toda partícula sólida que esté en esta zona va a avanzar hacia las paredes.
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Lo mismo ocurre con lo que esté, obviamente, en cualquier pared. Esto es circular. Entonces, ¿qué va a suceder? Que las partículas, en cuanto llegan, van a tender, mientras van subiendo, van sedimentando.
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¿Qué sucede entonces? Que yo tengo que buscar las condiciones de alimentación tal que este trayecto se dé. Se dé antes de que tenga que salir. Si esto tarda, por ejemplo, va tardando, va tardando, pues puede que no alcance totalmente a sedimentar cuando yo quiero.
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Y por lo tanto, puedo tener parte de sólidos en la salida.
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Entonces, tengo que asegurarme que el tiempo que tarda en sedimentar sea menor que el tiempo que tarda en recorrer toda esta distancia al fluido.
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Por eso vamos a hablar de dos definiciones.
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Uno que se refiere al tiempo de residencia, que es ese tiempo que tarda desde que entra hasta que sale.
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Y vamos a utilizar esta ecuación donde L es la longitud total del tubo, R0 y R1 son el radio máximo interior y el radio hasta el rebose y Q es el caudal, ¿vale? La alimentación.
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Bien, si calculamos este tiempo, que es el tiempo de residencia, ya sabemos lo que va a tardar desde que entra hasta que sale la partícula.
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Y luego lo tenemos que comparar con el tiempo que tarda en sedimentar.
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Este tiempo que tarda en sedimentar, vais a tener la ecuación, no hace falta que la sepáis, simplemente se apunta.
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Fijaros, tiene una pinta muy parecida a la ecuación que habíamos visto, porque básicamente el tiempo de sedimentación depende de la velocidad de sedimentación.
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Entonces, tenemos el término de viscosidad, el término de la velocidad de giro, el diámetro de la partícula al cuadrado,
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la diferencia de viscosidad entre el sólido y el fluido y el logaritmo neperiano de la división de el radio mayor entre el radio menor.
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Por lo tanto, una vez calculados estos dos factores, yo puedo ver si en esas condiciones se garantiza la sedimentación.
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Vamos con un ejemplo. En este caso, este es un acentrífuga tubular de laboratorio.
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Difiere del anterior, aunque las ecuaciones son las mismas, porque lo que pasa es que tenemos un rotor y tenemos varios tubos.
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No es un solo tubo, son varios.
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Aquí no es que entra algo y sale por rebose, sino que básicamente lo que va a pasar es que las partículas van a irse hacia un lado del tubo.
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Si este gira, entenderéis que se va a ir a lo que sería hasta hacia la pared.
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Entonces, donde yo coloque el tubo, pues se va a ir hacia esa pared.
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Nuevamente, ¿qué necesito saber para aplicar esta ecuación, la ecuación de tiempo de sedimentación?
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Pues para saber el tiempo que va a tardar en sedimentar una suspensión en esas condiciones, tengo que saber, por un lado, todas las características del sólido.
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que van a ser el tamaño, la densidad, las de fluido que van a ser la viscosidad y la densidad
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y las características físicas de tamaño del rotor y su velocidad de giro.
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Una vez conocido todo, pues lo que voy a hacer primero es calcular sabiendo las revoluciones por minuto,
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calcular los radianes, poner las condiciones tanto del fluido como de las partículas
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y la resta de densidad de fluido y partículas por el logaritmo neperiano del radio mayor entre el radio menor.
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Quiero recalcar que aquí estoy poniendo todos los datos en un sistema de unidades similar.
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Es decir, en este caso estoy utilizando el sistema internacional, aunque quiero señalar que para el logaritmo, fijaros que he puesto un número que es 8 más 2, este 8 de dónde sale.
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8 era la distancia desde el rotor hasta la superficie del líquido del tubo en el primer momento.
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Obviamente, si hasta el tubo hay 8, si el diámetro del tubo es 2, pues la R mayor será los mismos 8 más 2, que es lo que he puesto aquí.
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Pero estoy usando las magnitudes en centímetros.
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La estoy usando en centímetros porque, como es una división, si yo quisiera pasar esto a centímetros, que sería 0,1 entre 0,08, es lo mismo que hacer 10 entre 8.
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Entonces, por eso lo estoy dejando de esa forma. ¿Qué dato me da? Me da 12,2 segundos. ¿Qué significa? Que operando a 5.000 revoluciones por minuto, solo con 12 segundos ya sería suficiente para garantizar que todas las partículas se han ido contra la pared exterior.
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y por lo tanto puedo estimar entonces cuánto tiempo tengo que dejar operando la centrífuga
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para que esto ocurra y la sedimentación sea completa.
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Obviamente si yo le pongo más tiempo va a estar súper garantizado,
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pero la idea con esto es que uno puede estimar y organizar su tiempo,
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de cuánto tiempo es el razonable para que ese tamaño de partículas sedimente.
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Un ejemplo más que vamos a ver es aplicando las ecuaciones que hemos visto para centrifugas tubulares, el caso de una centrifuga tubular industrial que se utiliza para separar partículas de 5 micras con una densidad de 1,03 que conozco las propiedades que en este caso son similares a las del agua.
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Lo que quiero que veamos es que, por ejemplo, como suele ser muy normal, cuando la densidad del sólido y la densidad del fluido son muy similares, la sedimentación es bastante complicada.
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Y por eso entonces estoy utilizando una centrífuga, porque si fuese una diferencia más grande, seguramente con una sedimentación natural con grada de gravedad sería suficiente.
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Entonces, en este caso, un tamaño pequeño y una densidad similar al líquido, estoy obligada a usar una sedimentadora centrífuga y que conozco que el tubo de la centrífuga tubular mide 50 centímetros, lo tengo aquí,
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que el radio de la parte interna del tubo es de 15 centímetros
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y el de la parte interna es de 10 centímetros.
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Con esos dos datos, básicamente lo que yo saco es
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que una parte tiene interna 7,5, que es la mitad de 15,
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y la otra tiene 5.
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Por lo tanto, las partículas se van a mover desde aquí hasta aquí.
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Es decir, tienen 2,5 centímetros de recorrido.
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Me preguntan, ¿cuál es el tiempo necesario para lograr una sedimentación completa?
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Por lo tanto, yo tengo que entender que todas las partículas van a hacer ese recorrido
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Nuevamente, calculo la velocidad sabiendo las revoluciones por minutos
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Calculo la velocidad en radianes
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Luego, aplico la ecuación que ya hemos visto
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Que tiene que ver con la viscosidad, la velocidad de giro
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y el diámetro de la partícula, la diferencia entre la densidad de la partícula del líquido
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y el logaritmo del radio mayor entre el radio menor.
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El radio mayor es el de dentro del tubo y el radio menor es el de rebose.
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Esto me da un tiempo de 13,9 segundos, que es el tiempo que tardarían desde que entran
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hasta que llegan a la pared.
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Lo normal sería comparar el tiempo de sedimentación con el tiempo de residencia, entendiendo que el tiempo de residencia siempre tiene que ser mayor que el tiempo de sedimentación.
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Pero ahora lo que os pregunto es, ¿calcula el caudal adecuado para trabajar para que se garantice este hecho de que el tiempo de residencia sea al menos el tiempo de sedimentación?
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Con ello voy a utilizar, bueno, lo que hago es básicamente despejar el caudal de aquí,
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donde aquí lo que voy a poner es el tiempo de sedimentación.
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Pero ¿por qué voy a poner el tiempo de sedimentación?
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Realmente lo que va aquí es el tiempo de residencia.
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Pero ¿qué pasa? Que si pongo el tiempo más pequeño que hay,
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que es justo cuando el tiempo de residencia coincide con el tiempo de sedimentación,
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este caudal va a ser el caudal máximo con el que tengo que trabajar.
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Entonces, debería trabajar con ese caudal o un poco menos, ¿vale?
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Si trabajo con un poquito menos de caudal, un poquito menos de velocidad, entonces tardará un poquito más en salir y, por lo tanto, se garantizará el que las partículas sedimenten.
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En este caso, hemos, bueno, he operado con las unidades en el sistema CGS.
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He trabajado en centímetros, como veis, el tiempo lo he dejado en segundos, esto me da en centímetros cúbicos por segundo o mililitros por segundo, por lo tanto, lo he pasado a litros por minuto y es esta cantidad.
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En principio, este es el caudal máximo con el que debería operar. Si decido operar, por ejemplo, a 20 litros por minuto, entonces estaría garantizado. Si trabajo a 22 litros por minuto, es probable que alguna partícula no haya dado tiempo de sedimentar y salga.
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Me preguntan también que haya el factor de operación G, que es el número de veces con el que trabajamos mayor a la fuerza de la gravedad.
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Esto se puede hacer o bien por el nomograma que hablé anteriormente o simplemente haciendo un cálculo conocida.
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La velocidad de giro, el radio de rotación, que en este caso es el radio máximo, que es la distancia máxima al eje de giro, y la gravedad de 9,81.
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Aquí sí estoy trabajando en el sistema internacional porque la gravedad la estoy trabajando en el sistema internacional y esta distancia también la estoy poniendo en el sistema internacional tal que las dos unidades se me cancelen y me da el número de veces que estoy trabajando con una fuerza mayor que la gravedad, que es 5300 y pico.
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si lo hacéis con el nomograma os dará más o menos similar
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las estimaciones a veces difieren ligeramente pero más o menos debería coincidir
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vamos a comprobarlo, tenemos aquí un nomograma
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es parecido al que vimos antes solamente que tiene otra estética
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pero en un lado tenemos el radio
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en el otro tenemos la velocidad de giro
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y lo que se pretende es, sabiendo que estamos a 7 centímetros y medio y a 8.000 revoluciones por minuto,
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verificamos que exactamente daba 5.000 y algo, número de factor g o de número de veces la gravedad.
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Bueno, y un poquito para que tengáis una idea de los tipos de centrifugas que existen y cómo se llaman,
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tenemos las centrifugas que llaman de baja velocidad
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que normalmente se colocan sobre unas mesas o encimeras
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no tienen refrigeración, son muy pequeñitas
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parecidas a las que tenemos en la imagen
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o bien de esta forma que son como las que hay en el laboratorio
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o estas que son ya para botes un poquito mayores
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o se pueden quitar estas partes negras
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que son para poner tubos y se pueden poner unos botes un poquito más grandes.
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Normalmente este tipo de centrífugas no tienen velocidades de giro bien,
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o sea, son rápidas, pero para el tipo de centrífugas le llaman de baja
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porque son hasta 10.000 revoluciones por minuto.
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Y lo que tienen de problemático es que se trabajan muy poquitas cantidades,
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entonces están indicadas básicamente para investigación o para un análisis,
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y el control de calidad específico con cantidades pequeñitas.
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Las centrífugas de alta velocidad ya pasan, o sea, duplican la velocidad de las anteriores,
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ya necesitan refrigeración porque esas velocidades de giro de rotores altas
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necesitan que se mantenga una velocidad fresca cerca del motor,
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entonces tiene refrigeración.
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Son el caso, por ejemplo, de algunas tubulares,
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y se utilizan cuando yo lo que quiero separar son pequeñas, o sea, son cosas ya relativas como a tamaños moleculares, ¿vale?
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Tamaños muy pequeñitos, pero partículas de ADN, o sea, son cosas muy pequeñitas que es verdad que para la parte quizás farmacéutica,
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salvo que estéis en investigación o buscando algún tipo de contaminante específico,
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es raro, o sea, no estamos hablando ya de partículas sólidas o coloides que pueden estar partes no disueltas,
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sino que estamos hablando ya de cositas más pequeñitas, algún compuesto en especial que esté aislado, como atómicamente.
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Y luego están las ultracentrífugas, que son de velocidades bastante altas,
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necesitan vacío y refrigeración
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y se utilizan básicamente para investigación.
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Se utilizan para hacer cálculos matemáticos
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y estimación de cómo operarían en otras condiciones
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o en ciertas condiciones las centrífugas
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o hacer un análisis de...
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lo que sería la parte de correspondencia
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entre la teoría y la práctica.
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Se utilizan, por ejemplo, para estimar pesos moleculares,
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O sea, cosas muy, muy finas. Nosotros obviamente no vamos a trabajar con ultracentrífugas. Si estamos hablando de un uso industrial, nosotros normalmente nos iremos más hacia velocidades relativamente bajas.
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bajas. Bueno, espero que más o menos con esto ya
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hayáis tenido una visión global de lo que quería
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transmitiros, que era más o menos cómo podía ser
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las centrífugas, cómo operan las centrífugas pequeñas
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porque posiblemente tengamos que manipular alguna,
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qué existe en el mercado de tamaño grande
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y cuál es su fundamento y cómo
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hacer algún pequeño cálculo con ellas, que es
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sabiendo esas fórmulas que os he planteado, pues
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saber utilizarlas correctamente.
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Gracias.
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- Idioma/s:
- Autor/es:
- Patricia Salerno Duhart
- Subido por:
- Patricia Carol S.
- Licencia:
- Reconocimiento - No comercial
- Visualizaciones:
- 66
- Fecha:
- 16 de noviembre de 2020 - 23:42
- Visibilidad:
- Clave
- Centro:
- IES MATEO ALEMAN
- Duración:
- 28′ 45″
- Relación de aspecto:
- 1.78:1
- Resolución:
- 1280x720 píxeles
- Tamaño:
- 201.67 MBytes