Velocidad de sedimentación

La velocidad de sedimentación se refiere a la velocidad a la que las partículas en una suspensión o suspensión se asientan bajo la influencia de la gravedad o las fuerzas centrífugas. Cuando las partículas se suspenden en un medio líquido, exhiben una tendencia a asentarse debido a la gravedad o las fuerzas centrífugas aplicadas en máquinas como centrifugadoras. La velocidad a la que esto ocurre, conocida como velocidad de sedimentación, varía según varios factores, incluido el tamaño, la densidad, la forma y la viscosidad del líquido de la partícula.

Factores que influyen en la velocidad de sedimentación

Tamaño y forma de partícula

Las partículas más grandes y más densas generalmente se establecen más rápido debido al aumento de las fuerzas gravitacionales que actúan sobre ellas. La forma de las partículas también juega un papel. Las partículas esféricas tienden a asentarse más rápido que las de forma irregular. Esto se debe a que las partículas esféricas enfrentan menos resistencia de arrastre en comparación con las no esféricas, lo que permite un movimiento más rápido a través del fluido.

Viscosidad líquida

Los fluidos de mayor viscosidad crean más resistencia al movimiento de partículas, reduciendo la velocidad de sedimentación. En los procesos industriales, elegir la viscosidad correcta es clave para optimizar el proceso de separación y lograr la tasa de sedimentación deseada.

Temperatura

La temperatura del líquido puede influir tanto en la viscosidad del líquido como en el comportamiento de asentamiento de las partículas. Las temperaturas más altas generalmente reducen la viscosidad, lo que a su vez puede aumentar la velocidad de sedimentación.

Fuerza centrífuga

En la centrifugación, se aplica una potente fuerza externa para aumentar la velocidad de sedimentación. La velocidad de la centrífuga, el campo gravitacional (fuerza G) y el radio de rotación afectan la forma en que las partículas se asientan en un separador centrífuga. Al manipular estos parámetros, las tasas de sedimentación pueden mejorarse significativamente, lo que hace que la centrifugación sea un método poderoso para una separación rápida.

Velocidad de sedimentación en procesos de separación

La sedimentación es una de las técnicas de separación más antiguas y directas. Se basa en la diferencia en la densidad de las partículas sólidas y la fase líquida. Esta diferencia hace que las partículas se muevan hacia abajo y se asienten en el fondo de un recipiente, mientras que la fase líquida permanece arriba. La velocidad a la que esto sucede afecta directamente la eficiencia y el tiempo requeridos para la separación.

En la separación industrial, el aumento de la velocidad de sedimentación permite un procesamiento más rápido y una separación más eficiente. En procesos como el tratamiento de aguas residuales, donde se deben eliminar grandes cantidades de lodo, una alta velocidad de sedimentación asegura que los contaminantes se separen efectivamente del agua en poco tiempo.

La centrifugación es un proceso común utilizado en industrias como la producción de alimentos y los productos farmacéuticos, donde la aplicación de fuerzas de rotación de alta velocidad aumenta drásticamente la velocidad de sedimentación. El uso de separadores centrífugos puede acelerar los procesos de separación que de otro modo tomarían mucho más tiempo en condiciones de gravitacionales normales.

Fuerzas que actúan sobre la partícula en la sedimentación

Varias fuerzas actúan sobre las partículas durante la sedimentación, determinando qué tan rápido se asientan:

Fuerza gravitacional (peso): la fuerza tirando de la partícula hacia abajo debido a la gravedad de la tierra, proporcional a su masa.

Fuerza boyante: la fuerza ascendente ejercida por el fluido que se opone a la gravedad. Según el principio de Archimedes, esta fuerza es igual al peso del fluido desplazado.

Fuerza de arrastre (resistencia): la resistencia experimentada por la partícula a medida que se mueve a través del fluido. Esta fuerza depende del tamaño, la forma y la viscosidad del fluido de la partícula. La ley de Stokes se usa comúnmente para describir la fuerza de arrastre para partículas pequeñas.

El equilibrio entre estas fuerzas determina la velocidad de sedimentación. Cuando la fuerza gravitacional es igual a la fuerza boyante y la fuerza de arrastre, la partícula alcanza su velocidad terminal o velocidad de sedimentación.

Cálculo de la velocidad de sedimentación

La velocidad de sedimentación, o la velocidad terminal, se puede calcular utilizando la ley de Stokes para pequeñas partículas esféricas en un fluido viscoso:

Dónde:
v es la velocidad de sedimentación (en m/s),
r es el radio de la partícula (en metros),
ρParticle es la densidad de la partícula (en kg/m³),
ρfluidis la densidad del fluido (en kg/m³),
η es la viscosidad dinámica del fluido (en PAS),
G es la aceleración debida a la gravedad (9.81 m/s²).

Esta ecuación es aplicable a pequeñas partículas esféricas que se mueven a velocidades lentas (números bajos de Reynolds). Para partículas no esféricas o velocidades más altas, se requieren modelos más complejos.

Recurso
Rausch, W. (2016). Tecnologías de separación de partículas en las industrias químicas y farmacéuticas. Springer International Publishing.
Flottweg SE. (Dakota del Norte.). Velocidad de sedimentación: descripción general y cálculo. Recuperado de Wiki de tecnología de separación de Flottweg
Lowenberg, A. (2009). Fundamentos de la centrifugación: Parte 2 - Sedimentación. Springer-Verlag Berlin Heidelberg.
Kuno, H. (2001). Introducción a la teoría del movimiento de partículas en fluidos. MIT Press.